第7章--高壓電機(jī)局部放電測(cè)試方法(共11頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第7章 高壓電機(jī)局部放電測(cè)試對(duì)于低壓電機(jī)，影響繞組絕緣壽命的主要因素是機(jī)械應(yīng)力、熱及短時(shí)的過(guò)電壓的作用。對(duì)于高壓電機(jī)，影響其繞組絕緣壽命的主要原因除上述因素外，另外一個(gè)更主要的因素就是局部放電。對(duì)于6kV及以上電壓等級(jí)的高壓電機(jī)定子繞圈，運(yùn)行時(shí)絕緣內(nèi)部及表面都可能發(fā)生局部放電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電機(jī)損壞事故均有50%是電機(jī)定子繞組絕緣損壞引起的。而很多繞組絕緣的損壞很多是局部放電造成的。所以，近年來(lái)電機(jī)中局部放電的測(cè)量與防止已為各電機(jī)制造廠家和電機(jī)使用部門(mén)所重視，局部放電的測(cè)試已逐漸用于電機(jī)絕緣質(zhì)量的控制和運(yùn)行可靠性的鑒定。7.1 電機(jī)繞組絕緣內(nèi)部的局部放電 現(xiàn)代高壓電機(jī)定子繞

2、組的對(duì)地絕緣，多采用環(huán)氧片云母或粉云母連續(xù)式絕緣或環(huán)氧片云母箔或粉云母箔卷烘式絕緣，并有多膠和少膠之分及模壓、液壓和整浸之分。少膠的需真空浸漆(或浸膠)現(xiàn)模壓(整浸的則不壓)，多膠的則一定要模壓液壓成型。 不論多膠云母帶(或箔)、少膠云母帶(或箔)，本身就有很多氣泡，包扎過(guò)程中，在云母帶的每匝邊緣處也會(huì)形成氣隙；云母帶中的膠粘劑有的有溶劑，有的有低分子化合物，在線圈熱壓成型的過(guò)程中要揮發(fā)而產(chǎn)生氣泡，雖然要經(jīng)真空處理，但因高壓電機(jī)繞組絕緣包扎的云母帶層數(shù)多，這些氣泡、氣隙中的空氣和揮發(fā)物很難抽盡。因而高壓電機(jī)定子繞組絕緣內(nèi)部總是有氣隙的。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于熱脹冷縮、冷熱循環(huán)使用、機(jī)械振動(dòng)作用及

3、電熱老化等也會(huì)產(chǎn)生新的氣隙。 若高壓電機(jī)定子線圈對(duì)地絕緣中的氣隙如圖7.1所示，我們把線圈對(duì)地絕緣作為平板電容來(lái)分析氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)。圖7.1 線圈對(duì)地絕緣中的氣隙示意圖 設(shè)線圈單面絕緣厚為，絕緣中氣隙厚度為，氣隙相串聯(lián)的其余絕緣層厚為，則。環(huán)氧云母絕緣介電系數(shù)，若絕緣中的平均場(chǎng)強(qiáng)為，則在交流電壓作用下氣隙中的場(chǎng)強(qiáng) (7.1)式中為平均場(chǎng)強(qiáng)，單位為kV/mm；為環(huán)氧云母絕緣相對(duì)介電常數(shù)，約為4；為氣隙中空氣相對(duì)介電常數(shù)，約為1。 將，數(shù)值代入上式，并用替換，則上式可改寫(xiě)為 (7.2)式中為電機(jī)的額定電壓(線電壓有效值)。高壓電機(jī)定子線圈單面絕緣厚度按下式計(jì)算， (7.3)式中為預(yù)防性試驗(yàn)電壓倍數(shù)，

4、等于1.5；為歷次試驗(yàn)累計(jì)效應(yīng)系數(shù)，場(chǎng)強(qiáng)低于10kV時(shí)約為0.05；為(負(fù))分散度為0.10.15(6kV以下取大值)；為年平均老化速率指數(shù)，為0.020.03(發(fā)電機(jī)取小值，電動(dòng)機(jī)取大值)；為運(yùn)行年限，發(fā)電機(jī)為30年，電動(dòng)機(jī)為20年； 為擊穿場(chǎng)強(qiáng)，約25kV/mm；為考慮機(jī)械因素所要求的附加厚度，為0.5mm。 對(duì)于發(fā)電機(jī)，若不考慮厚度對(duì)的影響，當(dāng)，取0.02，將這些值代入上式可得 (7.4)即 將此代入(7.5)得絕緣中氣隙厚度、場(chǎng)強(qiáng)與額定電壓的關(guān)系 (7.5) 圖7.2為均勻電場(chǎng)中空氣的場(chǎng)強(qiáng)與電極間距離的關(guān)系，從圖可查得不同厚度所隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，代入(7.5)中，可得不同額定電壓下電機(jī)繞組

5、絕緣內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)所含的氣隙厚度。額定電壓下的放電的氣隙厚度與發(fā)電機(jī)額定電壓間的關(guān)系如圖7.3所示。圖7.2 均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電極間距離的關(guān)系圖7.3 額定電壓下放電的氣隙厚度與額定電壓的關(guān)系 從圖7.3所示可知： (1) 額定電壓大于5.5kV的電機(jī)，繞組絕緣內(nèi)部可能發(fā)生局部放電。 (2) 危險(xiǎn)的氣隙厚度為0.100.60mm，在較低的額定電壓下就發(fā)生局部放電。 (3) 現(xiàn)在生產(chǎn)的電機(jī)中，實(shí)際氣隙一般為0.050.50mm，因此，在6kV及以上的電機(jī)，運(yùn)行中就有局部放電。 (4) 當(dāng)額定電壓增加時(shí)，不論是厚氣隙或薄氣隙，均發(fā)生局部放電，但當(dāng)氣隙厚度為0.05mm以下時(shí)，額定電壓

6、為15kV或更高電壓的電機(jī)有產(chǎn)生內(nèi)部放電的危險(xiǎn)。 當(dāng)對(duì)額定電壓為的電機(jī)的定子繞組的主絕緣施加試驗(yàn)電壓時(shí)，若產(chǎn)生局部放電，則根據(jù) (7.2)， (7.6)對(duì)于發(fā)電機(jī),其氣隙內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng), (7.7) 產(chǎn)生局部放電的起始電壓 (7.8)(7.8)為表示不同額定電壓的電機(jī)定子繞組主絕緣的起始放電電壓與氣隙厚度的關(guān)系，亦可用曲線表示，如圖7.4所示。從圖中可知： (1) 產(chǎn)生局部放電的最低電壓隨額定電壓的升高而升高，3kV級(jí)電機(jī)定子線圈對(duì)地絕緣產(chǎn)生局部放電的最低電壓只有2.5kV。 (2) 線圈對(duì)地絕緣內(nèi)產(chǎn)生局部放電的最危險(xiǎn)的氣隙厚度也隨額定電壓的增高而增大。(3) 除3kV的電機(jī)外，其他電壓等級(jí)的電機(jī)在

7、相電壓下均有局部放電產(chǎn)生。電壓等級(jí)越高，實(shí)際運(yùn)行電壓下局部放電越厲害，15.75kV及以上電機(jī)定子繞圈主絕緣內(nèi)的所有大于0.1mm的氣隙均產(chǎn)生局部放電。圖7.4 不同額定電壓的電機(jī)起始放電電壓與氣隙厚度關(guān)系圖7.5 線圈棱角處結(jié)構(gòu)圖圖7.5為線圈棱角處的結(jié)構(gòu)示意圖。線圈棱角對(duì)絕緣的最高場(chǎng)強(qiáng)、平均場(chǎng)強(qiáng)與棱角內(nèi)外半徑的關(guān)系如下式所示： (7.9)隨額定電壓的升高增大，也就增大，大于的倍數(shù)也增大。棱角處有氣隙時(shí)，電機(jī)定子線圈對(duì)地絕緣內(nèi)部出現(xiàn)局部放電的電壓將比上面計(jì)算值低得多。不同額定電壓電機(jī)定子線圈對(duì)地絕緣平均場(chǎng)強(qiáng)與最大場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)表7.1。表7.1 線圈絕緣的最大場(chǎng)強(qiáng)與平均場(chǎng)強(qiáng)比較額定電壓(kV)相電壓

8、(kV)絕緣厚度(mm)平均場(chǎng)強(qiáng)(kV/mm)最大場(chǎng)強(qiáng)(kV/mm)6.33.643.01.212.832.3410.56.074.01.523.852.5313.88.04.751.674.502.7015.759.15.251.734.802.7018.010.46.251.664.852.90電機(jī)定子線圈對(duì)地絕緣內(nèi)的氣隙位置有三種：一是在絕緣層的中間；二是在導(dǎo)線與絕緣間；三是在絕緣與防暈層間。7.2高壓電機(jī)定子線圈端部的局部放電 高壓電機(jī)定子線圈出槽口處電場(chǎng)分布極不均勻，在槽口處場(chǎng)強(qiáng)最高。如不采取防暈措施，在高電場(chǎng)作用下該處將產(chǎn)生電暈，對(duì)于單只線圈在4kV左右電暈就已很明顯，20kV左右

9、就會(huì)產(chǎn)生滑閃放電，40kV左右就會(huì)產(chǎn)生閃絡(luò)。下完線后組成的繞組閃絡(luò)電壓將會(huì)更低，這不但會(huì)在長(zhǎng)期運(yùn)行中產(chǎn)生電腐蝕，而且使產(chǎn)品的耐壓試驗(yàn)也無(wú)法進(jìn)行，因此，必須進(jìn)行防暈處理。 在沒(méi)有防暈處理時(shí)，線圈端可用圖7.6所示電容鏈等效電路來(lái)計(jì)算槽口處最高場(chǎng)強(qiáng)，用 (7.10)進(jìn)行計(jì)算， (7.10) 未作防暈處理時(shí)，端部出槽口處起暈臨界場(chǎng)強(qiáng)約為8.1kV/cm，其對(duì)應(yīng)起暈電壓 (7.11)式中為單邊絕緣厚(mm)。圖7.6 端部未防暈處理時(shí)的等效電路出槽口處起暈電壓與絕緣厚度關(guān)系如圖7.7所示，從圖可知，6kV級(jí)電機(jī)的高壓端線圈已處于起暈臨界狀態(tài)。圖7.7 未防暈處理出槽口處起暈電壓UK與絕緣厚度關(guān)系端部防

10、暈處理的原理是盡量均勻槽口處的電場(chǎng)分布。防暈結(jié)構(gòu)有下述五種： (1) 涂刷型防暈結(jié)構(gòu) 在線圈槽口外的一段端部絕緣表面上涂刷含碳黑或石墨和碳化硅的高電阻漆。這種結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，但起暈電壓不高，只能用在10.5kV及以下電機(jī)定子線圈的端部防暈處理。我國(guó)多數(shù)電機(jī)制造廠家現(xiàn)使用的是碳化硅高電阻漆。 (2) 刷包型防暈結(jié)構(gòu) 在線圈槽口外的一段端部絕緣表面上先涂刷一層含碳黑或石墨和碳化硅的高電阻防暈漆，再包一層玻璃絲帶，再刷一層高電阻防暈漆?，F(xiàn)在我國(guó)多數(shù)廠家用的是碳化硅高電阻防暈漆。這種結(jié)構(gòu)起暈電壓較高，可用于15.75kV及以下電壓等級(jí)的電機(jī)定子線圈端部防暈處理。以前用的是含碳黑或石墨的線性高電阻暈漆。6

11、10.5kV用一級(jí)處理，10.5kV以上的電機(jī)則需二級(jí)或三級(jí)處理，離槽口的越遠(yuǎn)所用高電阻防暈漆電阻越高。若用三級(jí)防暈處理，第一級(jí)所用高阻漆電阻率約為106108W·m，第二級(jí)所用高阻漆電阻率約為108109W·m，第三級(jí)所用高阻漆電阻率約為1091010W·m。 碳化硅電阻率隨外施場(chǎng)強(qiáng)的變化呈指數(shù)下降。 (7.12)式中為場(chǎng)強(qiáng)為零時(shí)碳化硅防暈層電阻率，單位是W·m。 碳化硅防暈層能隨外施場(chǎng)強(qiáng)的變化自動(dòng)調(diào)整電阻率，使電場(chǎng)分布均勻，從而消除了線圈端部表面的電暈。因其電阻率能隨場(chǎng)強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而只需一級(jí)處理就相當(dāng)于線性電阻的多級(jí)處理。 (3) 半導(dǎo)體外屏一次成

12、型防暈結(jié)構(gòu) 線圈包完主絕緣后，在槽口外的一段上包半導(dǎo)體高阻帶，再在高阻帶外用23層與主絕緣相同材料覆蓋，然后與主絕緣一起熱壓成型。 這種結(jié)構(gòu)現(xiàn)在用于13.8kV、15.75kV及18kV級(jí)電機(jī)定子線圈的防暈處理，所用半導(dǎo)體高阻帶為碳化硅高阻帶。若用線性電阻的高阻帶作外層，一次成型后還要進(jìn)行刷包防暈處理。 (4) 外屏加刷包型防暈結(jié)構(gòu) 用于18kV及20kV級(jí)電機(jī)防暈處理。(5) 內(nèi)屏防暈結(jié)構(gòu) 用于24kV以上電壓等級(jí)的電機(jī)的防暈處理，國(guó)內(nèi)在15.75kV級(jí)、18kV級(jí)電機(jī)上試用過(guò)，因工藝復(fù)雜，現(xiàn)在已不用。7.3高壓電機(jī)槽部放電高壓電機(jī)槽部放電是指線圈主絕緣表面和鐵心槽壁之間的放電，其產(chǎn)生的原因

13、是線圈槽部表面不能同鐵心槽壁完全接觸，其間總有間隙，且通風(fēng)槽口處電場(chǎng)分布不均勻，當(dāng)局部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，氣隙中的氣體發(fā)生局部電離而產(chǎn)生槽部放電。圖7.8 線圈槽部等效電路圖線圈絕緣表面在間隙處的法向場(chǎng)強(qiáng)，當(dāng)未作防暈處理時(shí)，可當(dāng)作雙層介質(zhì)平板電容器來(lái)計(jì)算，其等值電路如圖7.8所示。設(shè)線圈上所施電壓為，線圈絕緣表面對(duì)地電壓為，則 (kV) (7.13)式中為絕緣單位面積的電容(F/cm2)；為線圈與鐵心間隙單位面積電容(F/cm2)；為相電壓 (kV)。間隙法向電場(chǎng)幅值為 (7.14)式中為線圈與鐵心的間隙(mm)；為單邊絕緣厚度(mm)；為主絕緣相對(duì)介電常數(shù)。 通風(fēng)槽口的電場(chǎng)分布不均勻，其

14、軸向場(chǎng)強(qiáng)幅值為 (kV/cm) (7.15)式中 ；為主絕緣單位面積的表面電容(F)。按 (7.14)和(7.15)計(jì)算的數(shù)值列于表7.2中。表7.2 未防暈處理時(shí)槽部絕緣表面場(chǎng)強(qiáng)與電暈狀況6.310.513.815.7518.020.03.646.687.989.110.411.550.230.350.4250.4750.5250.5750.030.030.030.030.030.0320°C444444100°C4.54.54.54.54.54.5(kV)20°C1.251.71.751.831.931.98100°C1.361.851.932.01

15、2.122.2(kV/mm)20°C56.680.58386.59193.5100°C6287.59195100104(kV/mm)20°C9.31212.312.613.214.6100°C9.713.21414.414.615.1電暈情況臨界臨界臨界臨界臨界臨界 線圈和鐵心間隙mm時(shí)，均勻電場(chǎng)下的起始電離場(chǎng)強(qiáng)，但在通風(fēng)槽口處電場(chǎng)不均勻，其起始場(chǎng)強(qiáng)有效值，幅值為。從表7.2可知，6kV級(jí)線圈表面法向場(chǎng)強(qiáng)和軸向場(chǎng)強(qiáng)都處于起暈臨界狀態(tài)，對(duì)更高電壓等級(jí)的電機(jī)繞組，若不進(jìn)行防暈處理，都會(huì)發(fā)生電暈。 槽部電暈的防止，主要采用低電阻防暈層進(jìn)行處理。這一方面使通風(fēng)槽

16、口處電場(chǎng)分布均勻，以降低軸向場(chǎng)強(qiáng)；另一方面，低電阻防暈層與槽壁接觸處處于地電位，將該處間隙短路，從而防止了電暈。 但并不是說(shuō)用低阻防暈層處理后就能完全防止槽部的局部放電，若防暈層與槽壁接觸不良或不穩(wěn)定，在電磁振動(dòng)的作用下，接觸點(diǎn)若即若離，還會(huì)引起比電暈放電能量大數(shù)百倍的間隙火花放電，局部溫度可達(dá)攝氏數(shù)百度至上千度，使絕緣表面受到嚴(yán)重破壞，在短期內(nèi)可造成1mm以上深度的麻坑，且腐饋位置隨振動(dòng)、接觸等條件的變化而經(jīng)常變動(dòng)。 為了降低防暈層的損耗，防暈層的電阻率一般控制在1×1031×105W·m范圍內(nèi)。若接觸點(diǎn)很少，離接觸較遠(yuǎn)的防暈層則不是處在地電位，而是處于由電容電

17、流在低電阻防暈層上產(chǎn)生的壓降所決定的電位。假定線圈防暈層在槽內(nèi)沿軸向有兩點(diǎn)接地，按圖7.9的分布參數(shù)電路計(jì)算跨度中的點(diǎn)處的電壓為 (kV) (7.16)式中為防暈層的電阻率 (W·m)。圖7.9 線圈槽部電暈等值電路 從式(7.16)可知越小、接觸點(diǎn)間的距離越小，則越小，故實(shí)際生產(chǎn)的電機(jī)都盡量想辦法使防暈層與鐵心槽壁接觸點(diǎn)盡量多，要求兩接觸間距離。 由于振動(dòng)使線圈表面與定子鐵心槽壁失去接觸而產(chǎn)生的槽放電，是高能量的電容性放電，這種放電與端部電暈不同，也與絕緣內(nèi)部放電不同。這種高能放電產(chǎn)生的加速電子，對(duì)定子線圈表面產(chǎn)生熱的、機(jī)械力的作用。放電使空氣電離而產(chǎn)生臭氧及氮的氧化物(N2O、N

18、O、N2O4等)，氧化物與氣隙內(nèi)水分起化學(xué)作用，引引線圈表面防暈層、主絕緣、墊條等燒損和腐饋。實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，這一狀況引起的電腐蝕，對(duì)電機(jī)絕緣的損壞非常迅速。防止的辦法是使線圈在槽內(nèi)固定牢靠、不松動(dòng)、與槽壁接觸良好。槽部防暈質(zhì)量的好壞可用線圈槽部表面對(duì)地電位的高低來(lái)衡量，但結(jié)果只能說(shuō)明靜止?fàn)顟B(tài)的質(zhì)量，運(yùn)行中的狀況現(xiàn)在還未進(jìn)行測(cè)量。7.4線圈局部放電的測(cè)量對(duì)于單只線圈(或線棒)局部放電的測(cè)量，一是檢查線圈絕緣內(nèi)部是否含有較大氣隙，二是檢查線圈端部防暈處理是否合格。對(duì)線圈(或線棒)進(jìn)行局部放電測(cè)量可用直接法，也可用平衡法。直接法又有并聯(lián)測(cè)試和串聯(lián)測(cè)試兩種。其原理如圖7.10所示。 (a) (b)圖7

19、.10 直接法測(cè)電機(jī)線圈局部放電原理圖a) 并聯(lián)測(cè)試電路；b) 串聯(lián)測(cè)試電路 并聯(lián)測(cè)試電路試樣可以接地，試樣工頻電流不流經(jīng)檢測(cè)阻抗，若試樣擊穿，對(duì)設(shè)備和操作者均比較安全，但耦合電容器不能直接接地，必須用絕緣支承架支承起來(lái)。絕緣支架和電容器間不能發(fā)生局部放電。 串聯(lián)測(cè)試電路，試樣不能接地，試樣工頻電流流經(jīng)檢測(cè)阻抗，一旦試樣擊穿，對(duì)操作者和設(shè)備均很危險(xiǎn)。但耦合電容選用較大值時(shí)，可削弱高壓端來(lái)的干擾。平衡法可以大大抑制外界干擾的影響，因而適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。7.5繞組局部放電的測(cè)量 線圈(線棒)下入槽中，按一定規(guī)則連接后組成繞組。這時(shí)每只線圈(線棒)的槽部外表面均是接地的，因此，不能用平衡法測(cè)局部放電，

20、只能用直接法進(jìn)行測(cè)量，而且只能用并聯(lián)回路進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于運(yùn)行中的電機(jī)，則不需外施高壓，只需將電機(jī)繞組高壓端連到耦合電容器上即可進(jìn)行測(cè)試，其原理如圖7.11所示。對(duì)于停止運(yùn)行的電機(jī)，則需外施高壓，被測(cè)相接地端必須懸空，其他兩相則應(yīng)接地，其測(cè)試原理如圖7.12所示。 圖7.11 運(yùn)行中電機(jī)繞組局部放電測(cè)量原理圖 圖7.12 靜止?fàn)顟B(tài)電機(jī)局部放電測(cè)試原理圖對(duì)運(yùn)行中的電機(jī)，還可以從中性點(diǎn)上取信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。但局放儀必須有定相檢測(cè)裝置。實(shí)踐證明，無(wú)論何種故障引起的局部放電信號(hào)，均反應(yīng)在中性點(diǎn)上。而且放電信號(hào)具有特定的頻率，故我們可以采用諧振回路將其表征故障頻率的信號(hào)取出，其原理如圖7.13所示。中性點(diǎn)信號(hào)再經(jīng)定相檢測(cè)裝置分相顯示。若在電機(jī)兩端裝等效天線，接收入電信號(hào)后送入檢測(cè)裝置，還可分辨出是哪一端放電。圖7.13 從中性點(diǎn)取信號(hào)測(cè)電機(jī)繞線局部放原理圖電7.6局部放電部位的區(qū)分用不同的方法如無(wú)線電法、超聲波法、光電法等可以測(cè)出放電部位的大概位置，但工作量大，有的還比較麻煩。比較簡(jiǎn)便的方法是用脈沖電流法檢測(cè)各個(gè)部位局部放電的圖形和在掃描時(shí)基上所處的相位加以區(qū)分。以圖形和相