电极系统对电机定子线棒绝缘介质损耗的影响

2011-08-18梁智明漆临生张小俊何海洋

电气技术 2011年1期

胡波梁智明漆临生张小俊何海洋

（东方电气集团东方电机有限公司, 四川德阳 618000）

1 引言

随着我国国民经济连续三十年的高速发展，社会经济的发展对电力的需求越来越迫切。因此，国内一批核电站、抽水蓄能水电站、超超临界火电站、燃气轮发电电站和新能源发电设施也随之大力兴建，同时各类型发电机的单机容量与额定电压也随之不断的提高，从而给大中型发电机定子线棒的主绝缘提出了新的挑战。我国的电机定子线棒主绝缘虽然已经由沥青片云母A级绝缘发展到环氧粉云母B级绝缘和F级绝缘，同时采用较先进的真空压力浸渍（VPI）的线棒绝缘制造工艺等，但是其内部气隙始终不能完全消除[1]。而这些气隙在较低电压下的放电可能引起电、化学、机械、光、声等多因子老化，加速定子线棒在运行过程中的绝缘老化，缩短定子线棒绝缘的寿命。因此，精确测量和严格控制线棒绝缘内部气隙和未完全固化的树脂等对确保线棒绝缘安全运行非常重要。

目前国内外业主对电机制造厂生产的定子线棒绝缘的介质损耗因数的要求越来越高，特别是某些重大机组、出口机组或大容量机组的合同要求所有定子线棒绝缘的技术指标达到国标中优等品要求。同时因为定子线棒绝缘的介质损耗因数的测试方法、试验设备、影响因素和考核指标在IEC、IEEE、BS、VDE、GB等标准中有明确的规定，所以该指标也是用户严格控制线棒绝缘质量的重要途径之一。

尽管技术文件对介质损耗因数的测量电极系统已有明确规定，但是在实际操作过程中，还是很难做到完全按照规定来进行测试，特别是电极系统的合理且准确的配置。因此，定量研究电极系统参数对介质损耗的影响对于准确测量线棒槽部主绝缘介质损耗、排除外来干扰、简化试验流程、合理安排制造与试验的工序等均有积极作用。

本文通过对线棒绝缘介质损耗的三电极测量系统的结构分析，建立了介质损耗测量电极系统的电路模型。在此基础上计算了各影响参数与线棒的介质损耗之间的关系。

2 理论模型

2.1 三电极测量系统结构[2]

定子线棒绝缘介质损耗三电极测量系统的结构如图1所示。

图1 线棒绝缘三电极测量系统结构图

三电极测量系统一般要求测量电极与保护电极之间的间隙为表面电阻率很高的绝缘，称为“真三电极”；在实际操作中，一般通过断开线棒槽部低电阻防晕层一定距离来实现。而在一些特定条件下，例如不允许或不方便断开低电阻防晕层时，也可以使用“伪三电极”（其与前者的差别主要在于间隙的表面电阻率较低）来进行测量；在实际操作中，一般通过将该间隙置于线棒端部高电阻防晕层或高电阻防晕层外的防晕保护层上来实现。

因此，三电极测量系统的主要特点就是测量电极与保护电极之间存在一定的电阻值以避免端部表面电导电流进入测量回路。三电极测量系统的关键就在于保护电极屏蔽端部表面电导电流的程度。

测量电极和保护电极的绝缘结构如图2所示。假定线棒槽部两端的结构完全对称，测量电极的长度为L。取线棒一端间隙MN进行分析，MN两点的间距为Li（单位是mm），点P为MN的中点。

2.2 测量电极的电位

为建立介质损耗测量系统LDSV-6的电路模型，需要对真机定子线棒绝缘在测试介质损耗时的测量电极电位随外施高压变化的情况进行试验，试验回路如图3所示。

图2 保护间隙MN的结构图

图3 测量电极电位测试线路图

试验结果如表1所示，当定子线棒在进行介质损耗测试时，测量电极的电位很低，几乎可以忽略不计。同时该结果与检测单元的输入阻抗和流经检测单元的测量电流的乘积值具有很好的一致性。

表1 测量电极表面电位测试结果

该测试结果表明，测量电极和保护电极在测量过程中的电位几乎为零，间隙的电路参数和几何参数沿中点P对称分布。

2.3 三电极测量系统的电路模型

假设主绝缘的体积电阻Ra、铜线与主绝缘之间的内均压系统的电阻和电容、保护间隙的表面电容Ci、测量电极和保护电极的边缘效应、保护电极的长度均可以忽略不计，则保护间隙的结构可以等效为图4（a）的分布参数式电路。当间隙的电路参数和几何参数沿MN的中点P对称分布时，图4（a）的分布参数式电路可以简化为图4（b）的集总参数式电路。

图4 保护间隙MN的等效电路图[3]

图中，Ca为主绝缘单位长度的电容，Ri为保护间隙单位长度的表面电阻，C为MN段主绝缘的等效电容，R为MP段或NP段保护间隙的表面电阻

根据图4（b）的等效电路，有式（1）成立。

解式（1）可得式（2）

根据电极系统的结构，分析主绝缘的等效电容C和保护间隙的表面电阻R可知

表2 Li(mm)和ρs(Ω)对γ分布的影响

式中，d为主绝缘单面厚度，mm；A为保护间隙的周长，mm；ρs为保护间隙的表面电阻率，Ω。

由式（2）、式（3）和式（4）得最高电位与外施电压的比值γ，如式（5）所示。因此，保护间隙MN沿线棒长度方向上的表面电位分布呈现两端低、中间高的趋势，这与定子线棒直线部分槽电位分布规律类似[4]。当中点 P两侧的电路参数和几何参数完全相同时，则MN间表面最高电位应出现在点P上，且其电位值可以由式（5）计算得到。显然，该电位值与保护间隙表面电阻率、保护间隙的间距和绝缘厚度有关。

2.4 γ的分布

取d=3mm，εr=5，则γ随保护间隙的表面电阻率 ρs和保护间隙的间距 Li变化如表 2所示。当 ρs一定时，γ随 Li单调增加；当 Li一定时，γ也随 ρs单调增加。

从极限情况来看，这是可以理解的。当 ρs→0或 Li→0时，测量电极、保护电极及其之间任意点处于短路状态，其电位均趋近于零；当 ρs→∞或Li→∞时，测量电极、保护电极及其之间任意点处于断路状态，表面阻抗远大于主绝缘内部阻抗，即内部阻抗可以忽略不计，故表面电位趋近于外施电压。

2.5 附加介质损耗tanδ1

基于以上电路分析，线棒绝缘在测试介质损耗时，其tanδ值包括线棒绝缘自身的介质损耗和由保护电极表面电位引起的附加介质损耗。该附加介质损耗值 tanδ1可以根据图 4（b）中左侧串联电路模型[5]计算得到，如式（6）所示。

显然，对于某固定电极系统来说，当保护间隙的表面电阻率 ρs和保护间隙的间距Li基本不变时，tanδ1可以视作一个定值。即当保护间隙未发生放电、温升、污秽等可能引起电路参数和几何参数改变的现象时，则tanδ1基本不随外施电压的增加而变化。

2.6 介质损耗测量值tanδ

当线棒绝缘质量较好时，主绝缘自身的介质损耗值 tanδ2可以视作常数，则 tanδ2和 tanδ1的并联等效介质损耗tanδ可以根据复合介质并联组合的等效计算公式[6]计算得到，如式（7）所示。

式中，tanδ2为主绝缘自身的介质损耗； tanδ1为测量系统的附加介质损耗；μ为保护间隙覆盖主绝缘与测量电极覆盖主绝缘的体积之比，考虑到相同的绝缘厚度d和绝缘截面尺寸A，则μ等于保护间隙长度Li与测量电极长度L之比；η为测量电极覆盖主绝缘与保护间隙覆盖主绝缘的相对电容率 εr之比，在数值上等于1。

因此，结合三电极测量系统的上述结构参数，式（7）可以进一步简化为式（8）。

取 d=3mm、tanδ2=0.5%、L=2000mm 和 εr=5，则tanδ随保护间隙的表面电阻率ρs和保护间隙的间距Li变化如表3所示。

表3 Li(mm)和 ρs(Ω)对 tanδ的影响

在尽可能削弱流经图4（b）中左侧电路的附加电流对测量回路总电流影响的前提下，制造商或试验人员通常希望在工程实践中易于实现介质损耗的准确快速测试，即ρs不要求太高且Li不需要太小。由表 3可知，当电极配置为 ρs∈（1.00E+07Ω，1.00E+10Ω）且Li∈（3mm，10mm）时，比较适于准确、批量化测试电机定子线棒的介质损耗。