大型水轮发电机定子绕组端部间隙对电晕的影响分析
摘要：本文结合某大型水轮发电机定子端部电晕情况，分析该发电机定子端部出现电晕的原因，探讨水轮发电机定子绕组端部间隙对发电机端部电晕的影响，以期为水轮发电机定子端部间隙的设计、安装和发电机端部电晕处理提供借鉴。 关键词：水轮发电机 电晕 绕组端部间隙 电场强度 1 某大型水轮发电机定子端部电晕情况简介
某大型水轮发电机的额定功率为700MW、额定电压为18kV，定子绕组为8分支双层波绕组。发电机组检修期间，发现发电机定子绕组端部有明显的呈规律性分布的电晕痕迹：每隔8根线棒的同层相邻线棒之间电晕特别明显。图1所示为该发电机电晕痕迹照片，线棒宽面上存在积灰、表面防护漆已经发白、有白色斑点，较严重部位有焦黄色放电痕迹。经与定子绕组接线图核对，这些出现明显电晕的线棒为相邻的异相线棒，且线棒端部位置是两相绕组的高压端，发电机运行时，此两线棒间的电位差接近于发电机的额定电压18kV。
图1 端部线棒电晕痕迹
2 该水轮发电机定子绕组端部电晕的原因分析
电晕放电是极不均匀电场中特有的一种自持放电，电晕放电强度与外施电压的大小、电极形状、极间距离等有重要关系[3]。
观察发现，该发电机电晕主要发生在定子绕组端部斜边部分的相邻异相线棒之间，以及斜边垫块、端箍、绑绳等部位的尖角或缝隙处。斜边垫块、端箍、绑绳等部位的尖角或缝隙是由于安装期间的施工工艺控制不到位造成的，只要在安装期间严格控制工序、工艺就能得到较好的解决，而且一些尖角或缝隙也可以在检修期间予以处理。故本文主要分析讨论端部相邻异相线棒之间发生大面积电晕的原因及其预防和处理方法。
图2 绕组端部线棒间隙示意图
2.1 该水轮发电机定子绕组型式及布置情况介绍
该水轮发电机定子直径12770mm，定子铁心槽数480槽，定子绕组为8分支并联、双层波绕组。图2为该发电机定子绕组端部斜边线棒间隙示意图，根据发电机定子铁心尺寸、绕组线棒布置设计和线棒的结构尺寸，可得绕组端部同层相邻线棒出槽口处的理论距离为54mm、斜边处的理论距离为19mm，线棒斜边的第一个转角处距铁心150mm，线棒斜边倾斜角为31.45°。
在实际工程中，由于设备生产、工程施工等过程的误差原因，绕组端部同层相邻线棒表面间距的实际值往往达不到19 mm。该发电机的安装技术要求为：不小于12mm。经实际测量，其值在11mm至19mm之间，且大部分距离均为12mm左右。
2.2 该水轮发电机定子绕组端部电场计算
该发电机定子线棒均设置有防电晕绝缘结构，且在定子绕组安装时也做了防电晕处理。受益于此，其定子线棒槽部表面电位接近于地电位（规定不大于
10V），出槽后线棒表面电位逐渐升高，并趋于稳定在线棒导体电位的85%左右。经试验测量，该发电机线棒端部距出槽口处约120mm以外的线棒表面电压不再随出槽口距离的增大而增大。由于同层相邻线棒间的距离远小于线棒到铁心及线棒到其它地电位导体间的距离，且异相线棒间的电压（线电压）要大于线棒的对
地电压（相电压），所以相邻的异相定子线棒斜边部位的表面电场主要为法向电场，轴向电场分量较小。
图3 斜边线棒截面图
如图3所示，已知该发电机绕组端部线棒导体的宽度为90.73mm，相邻斜边线棒导体间的理论距离为27.4mm，斜边线棒双面绝缘厚度为8.4mm，相邻斜边线棒间气隙的理论厚度为19 mm。
由于线棒导体的几何形状为平板状，且其宽度约等于相邻线棒导体间距离的3.3倍，可以认为线棒导体的宽度和长度要远大于相邻线棒之间的距离，所以端部线棒导体间的平均电场可近似按照平行板电容间的电场计算。根据多层介质的平板电容间电场计算理论[3]有： ---------------① ---------------②
式中：E1为线棒绝缘层中的电场强度； E2为线棒间气隙中的电场强度；
ε1为线棒绝缘层的介电常数，取值4.6×8.854×10-12F/m； ε2为空气的介电常数，取值8.854×10-12F/m； d1为线棒双层绝缘厚度，取值8.4mm； d2为端部线棒间气隙厚度，取值19mm； U0为相邻线棒间的电位差，取值18kV。
图5 端部线棒连接简化图
绕组端部线棒长度L变长会带来一系列的不利影响，主要有：
（1）端部漏电抗增大，同步电抗也相应增大，对发电机的运行性能（起动特性、短路电流倍数、过载能力、稳定性等）有直接影响； （2）定子绕组端部的机械强度降低；
（3）线棒的重量曾大，加大了线棒固定的难度等。
上述问题都需要进行详细的分析和验证，必须要使这些不利影响控制在技术、经济允许的范围内。 参考文献：
[1]水轮发电机设计与计算
[2]梁曦东、邱爱慈等，中国电气工程大典 第1卷 现代电气工程基础，中国电力出版社。
[3]沈其工、方瑜、周泽存、王大忠，高电压技术（第四版），中国电力出版社。
[4] JB/T 8439-2008，使用于高海拔地区的高压交流电机防晕技术要求。 [5]马山刚，高海拔条件下发电机电晕特性研究，青海大学硕士学位论文。
大型水轮发电机定子绕组端部间隙对电晕的影响分析
