高压电机定子绕组主绝缘击穿原因分析

杨姗姗

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)



高压电机定子绕组主绝缘击穿原因分析

杨姗姗

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

摘要分析了高压电机定子绕组在试验中出现主绝缘击穿的原因，以及电机长期运行过程中，定子绕组在电流过载，浸漆工艺控制不当，端部放电距离不足、局部放电等因素共同作用下造成的主绝缘故障，并提出了相应的解决措施。

关键词局部放电；主绝缘击穿；放电距离；气泡

0引言

高压电机定子绕组绝缘系统包括股绝缘、匝绝缘、主(对地)绝缘，这些部件特性各不相同，组合在一起的作用是确保不能发生电气短路，保证定子导体上I2R损耗生成的热量能被传导到散热装置上，并抵抗磁场力的作用使导体不发生振动。本文将结合我公司生产YKK630 6.6kV 500kW-6出厂试验击穿及TAW950 10kV 2150-18端部局部放电故障加以说明。

1交流耐压绝缘击穿原因

1.1　交流耐压试验原理

交流耐压试验在被试电机额定电压2U额+1000V以上进行，从介质损失的热击穿观点出发，可以有效的发现局部游离性缺陷及绝缘老化的弱点(比如主绝缘内部气泡)。由于在交变电压下电机绕组主要按介质电容分压，故能有效地暴露电机的绝缘缺陷。

1.2　交流耐压主绝缘击穿原因

高压电机在出厂试验及电机交接验收时，绕组对地绝缘击穿，主要考虑应从定子绕组制造工艺性方面考虑。高压电机绕组制造工序比较繁琐，分为定子线圈绕制、热压型、绝缘包扎、定子嵌接线、定子浸漆等工序。

1.2.1线圈制造

高压定子线圈由于电磁设计结构的不同，存在多匝数双排绕制情况。当此种线圈的宽窄比在6mm以上且电磁线窄边比较薄时，就容易出现电磁线绝缘厚度累积公差，导致线圈双排线之间形成高度差，在热压型工序没有及时复型将导致绝缘包扎后将在线圈中形成小的气隙，同时若云母带有分层、断带及包扎层数不足情况，浸漆后将影响绝缘厚度及绝缘介质分布，从而最终导致绕组出厂耐压时对地绝缘击穿。

1.2.2绕组浸漆

绕组浸漆至关重要，定子整体的VPI处理，可以消除主绝缘间的空穴以改善热传导，防止导体运动，减少局部放电的产生。如果浸漆不充分或不完全缺失，绕组在出厂耐压及交接验收时，经历2U额+1000V耐压1min试验，电机会因为主绝缘介质不均匀及有缺陷而发生局部放电，加快分子被电场力所拉开的电击穿和撞击游离式的电击穿。我公司生产多台YKK630 500kW-6电机由于同批次浸漆参数控制不当，导致出厂试验时出现连续破压故障，经拆检发现电机绕组线圈有未浸透迹象(见图1)，从而导致电机不到1min发生主绝缘对地击穿故障。

图1　未浸透主绝缘击穿

2局部放电导致的主绝缘击穿

在额定电压6kV以上的线圈中，在主绝缘内部或线圈表面上可能产生局部放电。如果主绝缘中存在一个空气泡(绝缘发空或分层)，电场强度高到使空气击穿，就会导致电火花。电火花会腐蚀绝缘，如果不采取措施，反复的放电会最终在主绝缘上腐蚀出一个贯穿性的孔洞，导致绝缘失效故障。

2.1　局部放电击穿原理

局部放电击穿原理可用一个电容分压器的电路来等效这个过程(见图2)，就可以计算出气泡上的电压。假设气泡是一个平板电容，那么可以先估算它的电容近似值，即

Ca=εA/da

(1)

ε=εrε0

(2)

式中，εr—相对介电常数；空气的相对介电常数为1.0，多数绕组绝缘材料介电常数为4.0;ε0—真空介电常数，等于8.85×10-12F/m;A—气隙的截面面积；da—气隙的厚度。

(a)线圈横截面

(b)等效电路

气泡的电容Ca与代表固体绝缘材料的电容Cin串联。再利用式(1)，并假设固体绝缘材料的相对介电常数为4，绝缘材料电容的厚度为4mm。那么绝缘材料的电容量可以先估算出来。 参照图1通过简单的电路理论，可以算出气泡的电压Ua为

UaCa= UinCin

U0= Ua+ Cin

Ua= CinU0/ Ca+Cin

(3)

式中，若U额=10 kV，线圈处于相出线端则U0=5.77 kV，利用式(1)及式(3)可计算出气泡上的电压Ua=33%U0=1.9 kV,推算出气泡上的电场强度E=Ua/da=3.8kV/mm，已超过了空气的击穿强度3kV/mm，气泡中将会电气击穿，击穿导致的电火花被称为局部放电。这些放电对主绝缘是有害的。因为反复的局部放电通过打断化学键最终会使固体绝缘劣化。

2.2　电流过载与局部放电引起的击穿

如果电机运行中，定子电流在几分钟之内从空载转为满载或过载，铜线的温度将迅速增加，铜线就要沿轴向膨胀，而此时，环氧-云母主绝缘温度则非常低，因为热量从铜线穿过主绝缘传递到铁心需要耗费几分钟时间，造成温度升高铜线膨胀，而主绝缘膨胀较少，这就会在铜线和主绝缘之间产生轴向的剪切应力，电机经多次热循环后就会使粘结疲劳，使铜线与主绝缘之间产生气隙，空气间隙处产生局部放电最终会在主绝缘上形成贯穿性的孔洞，导致主绝缘击穿。

2.3　浸漆不良导致的局部放电击穿

高压电机主绝缘浸漆不充分，将使绝缘导热率将低，绕组运行温度偏高，这也导致热老化和导体振动增加，造成主绝缘磨损，这时连接到相出线端处于高电位的线圈将会发生局部放电，PD会逐渐在绝缘上腐蚀出贯穿性的孔洞。如果绕组由多匝线圈绕制，而空隙又位于匝间绝缘附近，PD只需腐蚀相对比较薄弱的匝间绝缘，导致匝间绝缘击穿，从而形成很大的环流，最终仍是造成主绝缘击穿。

2.4　半导体涂层故障导致的局部放电击穿

半导体涂层故障主要由于原材料质量不良(局部涂层表面电阻值过高)及绕组制造过程中野蛮操作至使线圈低阻带半导体涂层刮损未及时修补造成。如果局部涂层阻值较高的线圈正好处于相出线端，电容电流将从铜导体开始，穿过主绝缘，经过半导体涂层再到铁心。由于半导体涂层在线圈顶部和底部的窄面以及在通风槽道部位不能直接接触到铁心，一部分电容电流必定还要并联到线棒或线圈的表面流动，如果涂层电阻值较高，沿侧面流动的电流会产生一些I2R损耗，使涂层这些部位的局部温度升高。该温升加上线圈运行温度，会导致半导体涂层氧化，又会进一步使其电阻值增加，从而使问题更趋于恶化。另如果半导体涂层制造时已经破损，在线圈与铁心之间将产生局部放电，而PD将继续破坏周围的半导体涂层，并逐步破坏主绝缘，最终导致主绝缘击穿。

2.5　绕组端部间距不足导致的局部放电击穿

高压6kV以上电机绕组的环形引线之间，线圈连接线的绝缘处及端部引出线上，尽管所处位置不同，但如果它们靠的太近，就可能发生局部放电，特别是当他们分属不同相别时更是如此。因为不同相别的相邻线圈可能会承受全值额定电压，当线圈间隙之间曾受的电场强度超过3kV/时，空气将被击穿，就会产生局部放电，在放电区域将会产生大量白色粉末。长期运行将影响主绝缘。图3为我公司生产的TAW950 2150-18由于高压线路排列散乱无序，相与相间无放电距离，导致的局部放电故障图例。

图3　高压线路相邻异相相间无放电距离导致的白色粉末

3提升主绝缘介电强度措施

提升高压电机主绝缘介电强度，首先必须加强生产制造工序的控制，即严格执行浸漆烘干参数，定期对绝缘漆的黏度等性能指标进行抽检，对浸漆设备的真空度、压力等参数进行定期检查；线圈制造过程中严格控制云母带及低阻带等绝缘材料的质量，防止由于材料问题形成的故障隐患；另绕组制造过程应杜绝野蛮操作，绝缘刮损的应及时修补并控制绕组两端端部尺寸一致，严格按工艺要求的放电距离进行高压线路排列布线，避免电机长期运行出现局部放电的隐患。

另电机运行过程也应避免负荷突然的增加或减少，使铁心、铜导体和绝缘的发热尽可能的均衡，减少线圈收缩和膨胀之间的差异。

4结语

高压电机定子绕组主绝缘击穿故障，多数由线圈及绕组制造不良导致。因此加大线圈制造工序操作细节方面的控制(遇到质量问题及时调整工艺，不传递不合格品)，才能提升线圈的制造质量。同时在下、接线过程中杜绝野蛮操作损伤绝缘，严控绕组各种尺寸及接线距离。并加大对特殊工序(浸漆工艺流程)关键参数的控制，才能最有效的提升绕组的制造质量，从根本上提升高压电机绕组可靠性。

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Reason Analyses on Main Insulation Breakdown of

High-Voltage Motor Stator Windings

YangShanshan

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd.,Jiamusi 154002, China)

AbstractThis paper analyzes the reason why main insulation breakdown of high-voltage motor stator windings occurs during the test, and why main insulation fault of motor during long time running caused by combined actions such as current overload of stator windings, improper control of immersion paint, insufficient distance of end discharge and partial discharge. Then relevant solutions are proposed.

Key wordsPartial discharge；main insulation breakdown；discharge distance；bubble

收稿日期：2015-09-25

作者简介：杨姗姗女1982年生；毕业于黑龙江科技学院电子信息工程专业，现从事电机制造工艺工作.

中图分类号：TM303.4

文献标识码：B

文章编号：1008-7281(2015)06-0041-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.13