高压水轮发电机定子绕组端部电晕产生原因分析和电场计算.docx

高压水轮发电机定子绕组端部电晕产生原因分析和电场计算摘要：文章对高压水轮发电机长期运行后发现的定子绕组端部电晕产生原因进行了分析并通过有限元方法对定子绕组端部电场进行了数值计算。模拟计算了定子绕组端部在机组实际安装过程中表面绑扎结构及表面绝缘漆不规则形状对局部电场强度的增强作用并提出消除定子端部绕组电晕的方法。关键词：紫外成像技术；定子绕组端部；电晕放电；不均匀电场计算大型水轮发电机机组容量不断增大定子绕组额定电压不断升高。已经建成运行的大型空冷水轮发电机容量达到700MW额定电压达到18-20kV。空冷机组定子绕组端部绝缘为定子线棒主绝缘定子绕组端部绑扎结构及定子绕组周围空气共同组成因为空气的介电常数小于定子绕组端部其它绝缘材料所以定子绕组端部电压的升高将首先在空气中产生放电现象。空气中放电的初始状态一般称为电晕发电。GB/T7894-2009中规定额定电压为6000V及以上的水轮发电机当使用地点在海拔高度为4000m及以下时其定子单个线棒（线圈）应在1.5倍额定线电压下不起晕；整机耐电压时在1.05倍额定线电压下端部应无明显的金黄色亮点和连续晕带。近年来国内外开展用紫外线成像技术检测电晕放电状况紫外成像技术的应用可以避免传统方法引入的肉眼误差使测量结果更加精确便于定量分析放电强度。大型高压水轮发电机设计、制造、安装、运行、维护过程中定子绕组绝缘表面状态不规则的电场分布都可能形成电晕放电。空气中局部电场场强大于其起始放电场强空气中产生电晕放电。1定子绕组端部电晕实例及原因分析水电站700MW大型水轮发电机在运行一年后检修时发现其定子绕组端部表面出现不同程度的放电情况每隔八根线棒中有两根线棒放电较严重。在定子绕组上分相施加19.8kV工频交流电压并采用紫外成像仪对定子绕组进行了检测可见明显紫外线发生局部产生紫外线强烈。由于定子绕组出现放电痕迹部位集中在线棒间电位差较大处说明定子绕组电晕产生前提是线棒间电位差达到一定值。产生放电痕迹有规律但并不出现在所有电位差较大的线棒间电位差较大定子绕组线棒间端部绑扎也并不是都有放电痕迹说明发电发生原因与线棒表面状态也有一定关系。2有限元法计算定子绕组端部电场根据以上分析利用有限元法计算了线棒间电场强度和局部表面状态不良时对电场强度的增强作用。有限元法利用变分原理对电场计算中的拉普拉斯方程和泊松方程进行转换即将连续的求解区域离散成一组网格的组合体用在每个网格内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数近似函数离散为未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。定子绕组电晕发生点为电场强度集中点计算重点考虑线棒端部平行段间电场情况定子绕组端部线棒结构相同沿定子整个圆周对称分布所以只需对相邻两个线棒之间的电场进行计算。考虑线棒间电位不同不考虑单根定子线棒端部防晕层时计算模型简化为线棒导线、定子线棒主绝缘、定子绝缘绕组端部绑扎结构及线棒周围空气。根据某型高压水轮发电机设计尺寸设定计算模型线棒间距为20mm线棒主绝缘为5mm介电常数为5。选取了某台大型高压水轮发电机线棒间电位差为3.181kV和1.1472kV时进行了计算计算时假设模型中下面线棒接地上面线棒中的电位差峰值为■倍电压有效值即4.498kV和1.6221kV。计算结果所示为电压为4.498kV时电位分布情况计算结果为线棒间电位差为4.498kV时沿垂直线棒方向通过线棒和绑扎结构内部的电位分布曲线6为线棒间电位差为4.498kV时为沿垂直线棒方向通过线棒及周围空气内部的电位分布曲线。由计算结果可以看出线棒周围空气中的电场强度大于线棒和绑扎结构中电场强度。计算电压峰值为4.498kV时线棒电位分布为垂直线棒方向通过线棒和绑扎结构内部的电位分布垂直线棒方向通过线棒及周围空气内部的电位分布曲线。线棒间电位差为4.498kV时线棒及绑扎结构和周围空气中的电场强度分布。计算结果可以看出定子绕组绑扎材料与线棒间夹角处电场强度最大最大值为0.2724kV/mm低于空气击穿场强正常情况下不会发生电晕实际观察发现相同相线棒表面状况良好时也观察不到电晕现象的发生。计算线棒间施加电压差峰值为1.6221kV时线棒电位分布情况垂直线棒方向通过线棒和绑扎结构内部的电位分布垂直线棒方向通过线棒及周围空气内部的电位分布曲线电压峰值为1.6221kV时线棒及其周围空气中电场强度线棒绑扎结构处电场强度分布可以看出线棒绑扎结构与线棒结合部位电场强度较大为1.127kV/mm。3定子绕组端部不规则形状处电场计算定子绕组安装为胶漆类