高压电机定子绕组的防晕结构研究
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摘要：从试验入手，阐述了槽部防晕原理是使线圈槽部外表面和铁芯槽部之间的气隙短路以及端部妨晕原理是使槽口外线圈端部表面电位梯度尽量均匀。
中图分类号：TB857
文献标识码：A
文章编号：1672-3198(2009)08-0279-02
1 高压电机绕组防晕原理
1.1 檀部防晕原理
在生产中，为防止嵌入线圈时损伤主绝缘，线圈槽部宽度尺寸总比铁芯槽宽度小0.3mm以上，因此，高压电机定子绕组槽部外表面与铁芯槽壁之间总有0.3mm以上间隙。当电机额定电压在6kV及以上时，气隙中最高场强高于空气中不均匀电场下的起晕场强8.1kV／mm而产生电晕，形成电腐蚀，损伤主绝缘。为防止电腐蚀，绕组槽部需进行防晕处理。槽部防晕原理是使线圈槽部外表面和铁芯槽壁之间的气隙短路。
1.2 端部防晕原理
防晕的原理是使槽口外线圈端部表面电位梯度尽量均匀。其方法是：①内屏法，在线圈槽口绝缘内部适当部位插入电极，以形成套管型结构，通过电容分压原理来达到表面电位梯度均匀化。其缺点是工艺太复杂，而且要考虑主绝缘层在线棒成型时的收缩或应力，可能导致埋人的内屏电极起皱或开裂，引起新的电场集中甚至极间短路，使线棒成品率降低，因此较少采用。②线性电阻调节法，通过降低线圈端部的电场集中处的恒定表面电阻来达到电场均匀化。即在电场集中处涂电阻率不同的半导电漆，其缺点是起晕电压不高，而且不大稳定。③非线性电阻调节法以电阻具有非线性特性的碳化硅为基础制作防晕材料。其电阻率能随电场强度的增加而自动降低，因而能自动调节场强的分布，使端部表面场强的分布比较均匀。目前国内外均广泛采用。
2 高压电机绕组槽部防晕方案
线圈槽部表面低电阻防晕层。目前有涂刷型和一次成型两种。①涂刷型是在线圈槽部表面涂刷低电阻漆作为防晕层。涂刷长度为伸出槽口超过铁芯压齿10～50mm。漆膜要均匀、连续、平滑、附着力要强。这种结构一般用在额定电压10.5kV及以下、额定容量100MW及以下的电机线圈上。⑦一次成形结构是用低电阻防晕带包在主绝缘外，与主绝缘一起热压成形，低电阻防晕带系数ps＝103～105Ωm。低电阻防晕带有全固化低电阻防晕带和半固化低电阻防晕带。全固化低电阻防晕带适用于少胶绝缘体系；半固化的低电阻防晕带适用多胶绝缘体系。低电阻防晕层厚度在0.3mm以内。这种槽部防晕结构一般用在额定电压高于10.5kV，额定容量大于100MW的电机绕组上。
嵌入线圈时，使线圈槽部表面与铁芯槽壁间间隙短路的材料和结构，有下述几种：①槽底、层间垫低电阻垫条，侧边间隙塞低电阻半导体板，额定电压在10.5kV及以下，额定容量在100MW以内的电机，一般均用这种结构。⑦槽底、层间垫低电阻适形毡，侧边间隙塞低电阻半导体板。③槽底、层间垫低电阻半导体垫条，线棒槽部表面涂低电阻胶并包低电阻纸或布。④槽底、层间垫低电阻垫条，一侧间隙塞低电阻波纹板。⑤槽底、层间蛰低电阻垫条，铁芯槽一侧侧面相距500mm左右扩槽，嵌线圈时在扩槽处用低电阻斜楔楔紧。⑥槽底、层间垫低电阻垫条，线棒大面一侧涂低电阻硅橡胶。⑦槽底、层间、楔下垫低电阻垫条一侧间隙垫低电阻半导体板，另一侧间隙塞低电阻阻波纹板。
3 线圈端部整体防晕方案
从防晕结构上看，该方案最简单。它是用有适当D0和口的防晕材料将每个线圈的全部端部加以覆盖，甚至与端头引线表面相连。全端部防晕层可以是一段或多段。防晕层在线棒表面上相互连成连续的整体。ALSTOM公司在三峡发电机定子线棒上就采用了这种方案，并且防晕层与线棒端头引线相连。
4 线圈端部出槽口局部防晕方案
4.1 涂刷型防晕结构
用含碳化硅的高电阻防晕漆，涂刷或刷包在线圈低电阻防晕层末端延伸到线圈端部表面80～300mm长范围内。高、低电阻防晕层搭接长度25～30mm，随额定电压的不同，涂刷层数和每层的涂刷长度有所不同。防晕漆p0一般在108～110Ωm左右，场强1～3kV／cm下的β一般在1.5左右。
4.2 一次成形的防晕结构
线棒包完主绝缘及低电阻防晕层后。在低电阻防晕层末端延伸到线棒端部表面上，包绕150～300mm长的高电阻防晕带，外面再包绕保护层，然后同主绝缘一起同化成型。对高电阻防晕带的性能要求与高电阻防晕漆相同。线棒成型时，线棒主绝缘中的胶可能与防晕带中的胶相互渗透，从而破坏了原来的防晕层结构，降低了防晕性能，因此该结构防晕参数较难控制，但这种结构的线棒在运行中的防晕性能相当稳定。
上述两种结构都可以是一段式或多段式，各段的pO和β要求相互配合，才能取得较好的防晕效果。一般靠近槽口的防晕段其p0较低，p较高，而远离槽口的防晕段其p0较高，β较低。
5 防晕结构的改进
5.1 改进碳化硅粉料的稳定性
现阶段国内的SiC产品主要用作磨料和耐火材料，生产中使用的是天然矿物原料，组成波动大，加之生产工艺比较粗放，对SiC的电学性质不考核、不控制，使碳化硅的电学性能很难稳定，各个碳化硅生产厂家生产的碳化硅，其电学性能有很大的差别，即使同一厂家，各个批次生产的产品其性能也有较大差别。这一情况给电机防晕用碳化硅粉料的正常使用带来许多困难。研制电阻率p0和非线性参数值处于特定数值范围的、稳定的电机防晕专用碳化硅粉料已迫在眉睫，并且要制订相关质量标准和检测方法。
5.2 提高防晕层防晕性能的稳定性
端部高电阻防晕层的碳化硅粉粒，在高场强下会产生场致发光，起晕电压试验时随着额定电压的提高，出现的场致发光现象，与电晕光的混淆甚至产生误判，即以为线圈端部防晕结构没有达到要求。研究了防晕层在电压作用下出现非电晕的另类发光现象，验证了其场致发光实质，这种光来自防晕层内部，而电晕光出现在线棒表面电场集中处的空气中，因此覆盖在该防晕层外的含氧化铁的红瓷漆或其他外屏蔽材料可以把场致发光遮蔽起来，但不会遮蔽电晕光。
6 优化防晕结构
端部多段防晕结构中参数有：各段长度、防晕材料的电阻率p0和非线性参数β等；内屏法防晕结构中各参数有：埋人电极离导体距离、离槽口距离、电极长度、电极数目等。各参数都应采用计算机进行优化搭配，使端部电场分布更均匀化，使防晕结构末端的电位差低于空气的起晕电压，以确定不同电压等级的最优防晕结构。经过参数优化后，防晕结构的起晕电压和闪络电压可得到大幅度提高，起晕电
压均超过3.1Un。
7 改进防晕结构的最新动态
7.1 提高SiC涂料电阻特性的稳定性
系统研究影响SiC材料电阻特性的因素及机理后发现：①SiC微粉中的金属杂质离子和表面胶态SiO2含量、合成原料组成及合成温度对SiC微粉电阻特性有较大影响，必须严格控制；②掺入β-SiC微粉可明显改善α－SiC微粉电阻特性，是调控微粉电阻特性的有效手段；③漆基的品种和漆料比对涂层的稳定性有重要影响，所用的漆应能添加较多的SiC微粉料，料漆比应尽可能大并远离某一临界料漆比(指料漆比增大时，料中颗粒开始相互接触时的料漆比)值，才能使防晕涂层电阻特性变化趋于平稳，降低SiC涂料性能的分散性。通过一系列调控技术，现在已能制备电机防晕专用的、性能稳定的SiC涂料。
7.2 提高防晕结构起晕电压的稳定性
防晕涂层外表附加外绝缘后，往往会出现防晕层性能反而降低的现象。研究表明，起晕电压降低是因为附加绝缘与防晕层兼容性较差，附加绝缘通过渗透作用破坏了涂层中SiC微粉的原有分布形态。为此，研制了由超细SiC微粉涂料制备隔离层，把防晕涂层和附加绝缘层隔离开来，在防胶的渗透和遮蔽场致发光方面取得了理想的效果。即使没有附加绝缘，经过耐压试验后防晕结构本身的起晕电压也有显著降低的问题：在进行起晕电压试验时，如果在观察到起晕后，不立即降低电压，则随观察时间延长，放电迅速发展甚至贯穿防晕层；如果观察到起晕后立即降压，则再次做起晕电压试验时，起晕电压便大幅度下降。研究表明，这种起晕电压不断降低的不稳定现象与沿面空气中的闪络无关，并非闪络首先破坏了防晕层，而是由于防晕层的表层首先发生了局部击穿破坏：在高电场强度下，涂层中SiC颗粒间的接触点被击穿并形成局部低阻缺陷。继而发展扩大导致整个涂层表层击穿破坏，使起晕电压或闪络电压降低。因此提高防晕结构本身起晕电压稳定性的关键是降低施加于各个SiC颗粒间的电压。若采用粒径更细的SiC微粉再结合电阻特性调控技术，则所制备的防晕涂层，就能显著提高涂敷型防晕结构的表层击穿电压。
基于以上观点采取了相应的措施后，顺利地解决了涂敷型防晕结构耐受电压能力和起晕电压稳定性较差的问题，同时也否定了涂敷型防晕结构不适用于高压电机防晕的观点。
7.3 简化防晕结构和工艺
以往由于以往防晕材料和防晕结构性能不稳定。导致20～27kV级线圈防晕结构和工艺较为复杂，因此有学者认为，20～27kV级线圈防晕必须采用五级防晕结构。综合采用了上述两项创新成果。并结合防晕结构优化技术后，将一级和三级，SiC防晕涂层的应用分别扩展到20～24kV级和27kV级线圈，完全有可能取代目前国内外采用的五级防晕结构，从而能有效地简化防晕结构和工艺，使20～27kV级线圈端部起晕电压远高于部颁标准1.5Un的要求，甚至超过按(2.75Un+6.5kV)规定的耐压试验电压水平，并且稳定性好，分散性小。例如主绝缘厚度仅4mm(仅相当于15.75～18kV级绝缘厚度)、一段处理的SiC防晕结构，起晕电压均大于70kV(相当于46kV级的部标起晕电压水平，或相当于23kV级按(2.75Un+6.5kV)规定的耐压试验电压水平)，耐压试验持续5分钟后的起晕电压仍不变。若主绝缘厚度达到27kV级规定的6.5mm(老规范约7～7.5mm)，则起晕电压必定更高。