李传扬，宋建成，吝伶艳

（太原理工大学煤矿装备与安全控制山西省重点实验室，太原 030024）

0 前言

高压电动机运行环境恶劣，主绝缘承受着热、电、环境和机械等综合应力作用。端部绝缘是主绝缘裸露在外的部分，更容易遭受各种污垢和异物的影响，脏污在其表面积累，改变绝缘表面结构，引发端部表面电晕放电。放电过程中，绝缘表面空气间隙被击穿，产生热量，该热量会损伤主绝缘中的有机材料，与此同时，放电过程中产生的高速电子也会轰击绝缘层，加速其劣化。放电起初表象为白色粉末附着于放电部位，这是由于在电晕放电过程中，气体发生电离并产生臭氧，臭氧同空气中的氮气发生反应，其外在表现形式为白色粉末状物质。随着放电加剧，主绝缘将加速老化，并最终导致单相对地击穿故障。图1所示为太原市某污水处理厂一台630kW，10kV水泵用三相异步电动机发生槽口电晕放电现象，放电过程中产生的白色粉末附着于线圈表面的情况清晰可见。图2所示为一台由于长期发生槽口放电现象，已经被迫停机维修的10kV三相异步电动机，由该图可见，槽口的电晕放电已发展为高能量的火花放电甚至电弧放电，并将槽楔灼穿，导致单相接地故障。因此，对发生于高压电机槽口的电晕放电发展状况进行在线监测势在必行，通过实时获取槽口电晕放电信息，进行故障预警，提前安排停机维修，避免灾害发生。

图1 槽口电晕放电迹象

图2 槽口放电导致单相接地故障

然而，完成对发生于电机端部的电晕放电进行有效地在线监测与故障预警，需要大量的试验，学习端部电晕放电指纹并掌握其变化规律才能在局部放电监测过程中正确捕捉放电信号，评估故障程度，进行故障预警。加拿大的Claude Hudon制作了多种高压电机端部故障模型，在实验室环境下，结合多种应力作用，提取出相应电晕放电指纹特征[1,2]，IRIS公司的 Greg Stone结合实验室试验与现场监测，给出了存在于高压电机中多种放电类型的指纹分布[3-5]；针对存在于高压电机主绝缘端部电晕放电的研究，国内也做了一些工作，但研究重点大部分集中在放电机理论述及预防措施改善方面[6-8]，通过真机线圈试验提取放电指纹，分析其分布状况的研究，国内报道尚少。

本文定制了额定电压为10kV的F级绝缘三相异步电动机定子线圈若干，对线圈端部低阻带与高阻带交叠部位进行单因子老化，嵌入铁心槽模型。在电磁屏蔽试验环境下，通过无局放升压变压器施加电压，诱发线圈产生端部槽口电晕放电，通过FLIR红外热像仪对槽口放电发热部位进行观察，利用1400pF无局放耦合电容器作为局部放电采集仪器，通过哈弗莱DDX9101局部放电分析仪观察并分析了线圈槽口电晕放电指纹随电压的发展趋势。该研究能够为10kV电动机绝缘在线监测和故障预警提供判断依据。

1 放电机理

气体击穿概率与气体所处电场强度成正比[9]，沿槽口表面最大场强出现在低阻带末端[10]。如图3所示，高阻带沿线圈从槽口低阻带终端向绕组端部扩展，并与低阻带终端呈反锤形交叠，目的为了保证高阻带通过交叠部位在电气上接地。如果交叠部位受外界各种应力作用，连接电阻升高，这将在交叠部位产生附加电阻性电流损耗，使该部位温度升高，形成局部热区，加速交叠部位绝缘老化，最终将导致交叠部位电阻升高[11]，其电位上升到接近绕组对地电位，此时，在交叠部位所处小段区域上便存在了很高的电势差，使该部位产生致密的电场，导致放电发生。图4所示为交叠部位老化前后，通过静电电压表测得线圈从槽口向端部延伸的电位变化趋势。其中，交叠部位老化方式为剥除交叠处的低阻带和高阻带，露出主绝缘，来模拟现实中交叠部位电阻无穷大情况。如图可知，高阻带与低阻带良好的交叠，是端部表面电位平滑升高的重要保障，这也就优化了槽口电场分布，使其均匀分布于线圈端部，如果交叠部位电阻过大，将使该处产生较大电势差，电场线密集度大大增加，最终超过该处起始放电场强，引发放电。

电晕放电一旦发生，将会使周围的气体电离，外在表象为有白色粉末状物质覆盖于交叠部位表面[12]。同时，放电电离出的高速电子也将轰击槽口主绝缘，导致有机绝缘化学键断裂，随着放电加剧，局部温度也在不断升高，绝缘老化加速，最终发生单相主绝缘对地击穿故障。

2 试验方案

2.1 试验线圈

电动机定子线圈绝缘材料及制作方式是由电动机额定电压和绝缘等级决定的，与电动机容量和尺寸关系不大。试验线圈取F级绝缘10kV三相异步电动机新绕制的线圈若干，如图5所示。线圈由山西昌生电磁线有限公司专业人员手工制作完成。线圈主绝缘材料为环氧云母带，直线部分半叠包低阻带一层，与其搭接的SiC高阻带采用单层半叠包工艺，交叠部位宽度1cm，能反映国内目前F级绝缘、10kV电动机的绝缘特性，具有代表意义。线圈制造工艺流程如图6所示。

2.2 定子铁心槽部模型

定子铁心槽部模型由工业硅钢片叠压而成，槽深43mm，槽长通过适当增减硅钢片数量来调节，以使线圈端部交叠部位距出槽口处2.5cm，然后配以相应槽底支撑铁板紧固装置。嵌入线圈时，将槽底部垫环氧玻璃布板以调节槽深，其上叠放一片环氧防电晕玻璃布板，将线圈放入，滑动活动槽齿使其紧靠线圈一侧，同时调节紧固叠片数量，使活动槽齿与线圈紧密接触。在保证线圈与左右两侧槽壁之间无多余空隙后，通过螺母上紧活动槽齿紧固装置，确保线圈左右无法在外力下与槽壁发生相对运动。槽楔材料为磁性环氧玻璃引拔槽楔，用橡皮锤从开口槽敲入，线圈同槽楔之间间隙通过填充环氧防电晕玻璃布板来调节，保证线圈在垂直方向上紧固，使其不会在外部应力作用下发生松动。图7为槽部模型示意图。

图7 定子铁心槽部模型

2.3 试验方法

试验前，首先对试验线圈外观进行检查，因为绝缘表面任何异物堆积、局部损伤，以及表面由于制造不当、搬运等外力作用变得不平，都有可能导致线圈在加压后在该位置产生密集电场，导致局部放电，对模拟故障指纹造成干扰[13]。

确保没有外部损伤后，将线圈按照 2.2节所述方法嵌入槽内，缓慢加压至15kV，待指纹稳定后，观察放电指纹分布，若只出现主绝缘内部放电特征，即正负半周放电次数基本相同、放电量大致相等，放电最大值不超过600pC，则可作为试验用线圈。图8所示为完好线圈在10kV下内部放电指纹，落于圈内类似于兔耳朵形状的指纹分布，是由主绝缘内部气隙壁的状态及气隙内气体决定的[14]，属于正常内部放电，对试验没有影响。该方法旨在排除由于线圈缺陷导致的放电指纹干扰。

取通过测试的线圈10根，剥离低阻带和高阻带的交叠部位，露出主绝缘，剥离过程中应特别注意只对低阻带和高阻带进行破坏，避免损伤到主绝缘。图 9为剥离交叠部位后的线圈。

将处理好以后的线圈依次嵌入铁心槽部模型中，进行加压试验测试。为得到稳定的局部放电信号，本文在施加 6kV电压（10kV电动机运行中定子对地电压）1h后，依次在4kV、5kV、6kV、7kV、8kV、9kV、10kV时进行采集，每次采集时间300s，旨在得到相应电压下端部电晕放电指纹变化规律。

2.4 测量系统

测试系统如图10所示。其中，Cx为试验线圈；R为保护电阻；BPF为带通滤波器，用来滤除电源中工频以外的干扰信号；LPF为无局放隔离变压器低通滤波器，用来滤除前级设备混入的高频干扰；T为无局放充气式试验变压器，保证了局部放电信号源的可靠性和唯一性；Cc为1200pF耦合电容，为局部放电信号产生一高频通路；A为瑞士 HAEFELY公司生产的DDX9101型号局部放电分析仪，能够呈现局部放电幅值相位二维指纹谱图、三维谱图和最大放电量，并通过远程计算机显示和储存；虚线框为屏蔽室。由于局部放电为宽频带的高频放电现象，其频段范围可位于几兆到几十吉，由于试验在电磁屏蔽室进行，外界干扰低于 2pC，无需选择特定频带以避开外界干扰，本试验测量频带采用80kHz～500kHz。

3 试验结果分析

在更换试验线圈进行试验过程中，相同电压下的最大放电量会随着试验线圈不同而发生改变，最终浮动在几千到几万皮库，但其指纹随电压变化规律与分布状况大致相同，通过把握其特征，能够很好地辨别出槽口电晕放电。由于篇幅所限，此处仅对其中一组线圈数据进行分析。

图11所示为4kV、6kV、8kV和10kV下单根线圈放电指纹分布。

由图可知，在4kV时，开始出现电晕放电的特征：外施电压负半轴正放电（q+）的最大放电量和放电次数都较外施电压正半轴负放电（q-）占优势，放电指纹呈现迅速上升趋势。当电压升高到 6kV以后， q+的最大放电量（Qmax+）已经升高到12000pC，q-的最大放电量（Qmax-）也升高到6000pC。随着电压继续升高，正负放电的最大放电量持续增长，但 q-的增长速度相对较快，并于 10kV时达到了 25000pC，有赶超Qmax+的趋势，此时，Qmax+为 30000pC。该最大放电量增长规律与槽放电指纹随电压变化分布规律大致相同。图12所示为正负最大放电量随电压变化曲线图。

不同于槽放电中q+具有陡峭的上升沿的特征，槽口电晕放电q+上升沿始终平缓，并且随电压的升高倾斜度变化不大，q+上段包络线类似椭圆。

随着电压升高，正负放电脉冲的初始放电相位有向左偏移的迹象。该现象的出现，主要是由于主绝缘内部气隙放电发生的相位偏移导致的，具体原因如下：当主绝缘气隙电场强度达到放电起始场强（Einc）时，会在气隙内部产生局部放电。位于气隙壁上的场强，是由外施电压和气隙壁前一次放电残留电荷所产生电场叠加而成的。所以，即使电压在过零点处，气隙中还是存在电场的，而且随着电压的升高，该电场足以激发电荷产生放电。而槽口电晕放电主要集中于工频相位 30°～120°和 210°～300°内。

除了放电指纹上的特征外，槽口电晕放电外在的一些特征也能够帮助识别。具体如下：

当外施电压达5kV时，能够听到咝咝放电声，同时可以闻到臭氧的气味。通过红外热像仪对测试线圈进行观察，端部搭接处红热现象清晰可见，这是由于交叠部位界面缝隙爬电与局部放电所致。其中，由于棱角处曲率相对较小，面电荷密度较高，附近的场强也相对较高，是局部放电易于发生的部位，局部放电产生的热量将导致该处温度迅速升高，加速绝缘老化，最终导致击穿。放电热点分布位置如图13所示。

图12 正负最大放电量随电压变化曲线

图13 放电位置红外热像图

4 结论

本文建立了10kV三相异步电动机定子铁心模型，对真机线圈端部交叠部位进行破坏，在实验室诱发了槽口放电，并通过提取放电指纹，研究分布规律，具体结论如下：

（1）槽口电晕放电在从诱发到发展过程中，最大放电量和放电次数始终呈现q+较q-占优势的特征，且q+上段包络线呈椭圆形；

（2）槽口电晕放电在 4kV时开始发生，最大放电量随电压升高不断增长，可达几万皮库；

（3）不同情况下，其最大放电量数值可能有所不同，但其指纹呈特定几何外形且随电压变化的趋势不会发生改变；

（4）放电相位的左移，主要是由于内部放电相位左移导致，槽口电晕放电主要集中于 30°～120°和210°～300°相位；

（5）发生于槽口棱角处的局部放电能够产生高温，对该处绝缘造成不可逆转的损伤，大大加速绝缘老化。

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