水輪發電機定子線棒表面局部放電分解氣體產生規律研究*

張 萌

(河南牧業經濟學院,河南 鄭州 450046)

0 引言

隨著水電能源開發力度的增大,作為水電站的核心設備的水輪發電機單機容量也在不斷增加,其額定電壓目前已達到23kV。這對發電機的設計、制造及運行維護帶來了挑戰。水輪發電機的工作可靠性很大程度上取決于定子線棒的絕緣情況,定子線棒絕緣損壞是水輪發電機故障的重要原因,而定子線棒絕緣損壞主要是電、熱、機械和環境等方面的影響,其中主要原因是局部放電[1]。水輪發電機工作環境濕度大,隨著工作電壓的提高,其局部放電現象越來越普遍。根據現場統計,定子線棒局部放電主要有三種形式,分別為線棒R彎部放電、槽內放電和線棒層間放電。電暈會使定子線棒放電部位空氣電離,產生臭氧(O3)以及氮氧化合物,氮氧化合物又會和空氣中的氧氣及水蒸氣反應產生硝酸,臭氧和硝酸都有很強的腐蝕性,會腐蝕定子線棒表面材料,破壞線棒的主絕緣[2]。電暈發生時會產生光、聲、熱、電、氣體等,因此可以通過監測來實現對定子線棒電暈的在線檢測。目前,發電機局部放電在線監測的主要方法有電測法、聲測法、光學檢測法等,但由于發電機工作環境噪聲大,且局放位置難以確定,傳感器的安裝還會影響發電機內部電磁場的分布,這就制約了以上傳統方法對局部放電的檢測效果[3]。

定子線棒發生表面局部放電時會產生特征氣體,因此使用氣體傳感器對定子線棒電暈特征氣體進行檢測,可以用來檢測水輪發電機定子線棒電暈[4]。目前,氣體檢測法在油中溶解氣體分析和GIS在線監測中已經有了比較成熟的應用[5-7]。相對于電測法和聲測法,氣體檢測法不易受電磁信號、電磁振動等干擾;由于氣體具有流動性,光測法檢測不到位置的放電,可以使用氣體檢測法,且氣體傳感器可以和檢測位置分離,實現非接觸式、非侵入式檢測[8]。因此,使用氣體檢測法對水輪發電機定子線棒表面局部放電進行在線監測具有天然的優勢。

現有的研究對發電機定子線棒表面局部放電分解氣體的研究較少。L.Lepine、D.N.Nguyen 等人研究了水輪發電機定子槽部放電的臭氧產生濃度,提出可以通過臭氧濃度來反映水輪發電機故障,并認為可以通過不同位置臭氧濃度情況確定故障位置。使用氣體檢測法對水輪發電機定子線棒進行狀態監測,需要研究定子線棒發生表面局部放電時的氣體產生規律。

本文搭建了放電實驗平臺,使用高靈敏度的氣體分析儀器,對水電站實際使用的新、舊定子線棒表面局部放電分解氣體產生規律進行研究。

1 定子線棒表面局部放電分解氣體產生原理

水輪發電機定子線棒表面局部放電是空氣背景下的放電,根據李康等人的研究,空氣中放電產生的氮氧化物濃度遠小于臭氧的濃度,且放電較弱時只能檢測到臭氧的存在,所以本研究中不再對氮氧化合物進行檢測。同時,定子線棒表面局部放電會破壞線棒表面的SiC半導電層,使主絕緣材料分解,主絕緣材料中的C元素可能會與O元素結合生成CO[9]。

空氣背景下放電產生的CO和O3的主要反應路徑如表1所示,表中R1、R2、R3、R4是反應的最初驅動力。當電場足夠強時,空氣中會產生能量足夠大的自由電子,這些自由電子與空氣分子碰撞會使后者電離或分解為原子。從反應路徑可以看出,O3的產生和消耗在放電過程中同時存在。

表1 空氣放電衍生物主要化學反應[11]

2 實驗系統與實驗方法

2.1 實驗系統

搭建的定子線棒表面局部放電實驗平臺如圖1所示,該平臺主要由高壓電源、放電氣室、局放檢測儀、臭氧監測儀、CO分析儀和氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)等部分組成。其中,高壓電源為額定電壓150kV的試驗變壓器,放電氣室體積為16L,使用針板電極來模擬表面局部放電,電極為黃銅材。

圖1 定子線棒放電實驗平臺

實驗中采用臭氧監測儀、CO氣體分析儀和GC-MS對表面局部放電分解氣體分析。臭氧監測儀型號為美國2B公司的Model106L,其分辨率為0.1ppbv。由于GC-MS的CO和O2的出峰時間重合,導致其無法有效對CO進行分析,研究中使用CO分析儀對實驗中的CO濃度進行檢測。CO分析儀型號為GXH-3011N,是根據不分光紅外線(NDIR)原理、朗伯-比爾定律和氣體對紅外線有選擇性吸收的原理設計而成。光學結構采用氣體濾波相關技術及高靈敏度探測器,儀器對CO的檢測范圍為0～500ppmv,靈敏度為1ppmv。GC-MS型號為 GCMS-QP2010SE,可以對其他氣體產物進行定性與定量分析。

2.2 試樣

實驗中使用的試樣為水輪發電機使用的定子線棒,一種為新線棒,另一種為使用10年的舊線棒,舊線棒部分表面覆蓋有半導電硅膠。線棒主絕緣是以粉氧云母為基礎、環氧樹脂為膠粘劑、玻璃纖維補強的熱固性F級環氧玻璃粉云母絕緣,厚度為2mm。定子線棒主絕緣外表涂有SiC半導電涂層,以遏制局部放電。此外,為遏制定子槽部放電及固定線棒,在定子槽中線棒和鐵心之間注入半導電膠。沿定子線棒軸向截取40mm長線棒,剖開后去除銅導體作為試樣。

2.3 實驗方案

每次放電實驗前,拆開放電氣室并使用無水乙醇擦拭電極及氣室內壁,待無水乙醇揮發后,將線棒內表面朝下放置于板電極的絕緣支柱上,然后組裝放電氣室,進行定子線棒表面局部放電放電實驗。為了使局部放電發生在定子線棒表面,使用直徑2cm、高3cm的絕緣支柱支撐線棒試樣后放置于針板電極之間,針尖距離線棒表面設置為0.5mm。

打開氣閥1和氣閥2,關閉氣閥3,使氣路處于開放式狀態,以模擬水輪發電機工作過程中的場景,臭氧監測儀內置有氣泵,可以將氣路中氣體流速維持為1L/min,氣體依次流過CO分析儀和臭氧監測儀后,使用進樣針管將500μL氣體注入GC-MS進行分析。分別對新定子線棒主絕緣、舊定子線棒主絕緣和半導電硅膠進行表面局部放電實驗,對放電分解氣體進行分析。

3 結果與討論

3.1 新定子線棒表面局部放電實驗結果及分析

將放電電壓設置為8.1kV,使用臭氧監測儀檢測到的O3濃度隨時間變化如圖2所示,由圖可知,O3濃度在放電初始階段增大較快,在放電35min左右達到飽和。實驗中CO分析儀未在氣路中檢測到CO。放電后定子線棒表面出現明顯的電腐蝕痕跡和碳化坑,如圖3所示。

圖2 新定子線棒、試驗電壓8.1kV時O3隨時間變化曲線

圖3 放電后定子線棒的表面

3.2 舊定子線棒表面局部放電實驗結果及分析

將放電電壓設置為8.1kV,試樣換為舊定子線棒。使用臭氧監測儀檢測到的O3濃度如圖4所示,和圖2對比可以看出,同樣的放電電壓下,舊定子線棒的O3生成速率更高。

圖4 舊定子線棒、試驗電壓8.1kV時O3隨時間變化曲線

3.3 半導電硅膠表面局部放電實驗結果及分析

將放電電壓設置為8.1kV,將舊定子線棒表面半導電硅膠置于針電極下。臭氧監測儀檢測到的O3濃度隨時間變化如圖5所示,由圖5可知,O3濃度在放電開始后迅速增大,說明此時O3的生成速率很高,放電50min后O3濃度增速明顯緩慢。實驗后,半導電硅膠表面沒有發現碳化坑和電腐蝕痕跡,說明半導電硅膠具有較強的抗電腐蝕能力。

圖5 半導電硅膠、試驗電壓8.1kV時O3隨時間變化曲線

3.4 臭氧衰減測試

放電實驗后,將電壓撤去,同時關閉氣閥1和氣閥2,打開氣閥3,氣路處于封閉循環狀態,O3濃度隨時間的變化如圖6所示;由圖6可知,放電結束后O3濃度迅速減小,所以對O3進行監測,宜采用在線監測的方式。

圖6 放電結束后O3隨時間的變化曲線

通過對新、舊定子線棒表面材料和半導電硅膠的表面局部放電實驗,O3非常適合作為定子線棒局部放電特征氣體,新定子線棒表面局部放電中O3濃度增大速率最低,半導電硅膠表面局部放電中O3濃度增大速率最高。實驗結束后,新、舊定子線棒表面有明顯的放電破壞痕跡,而半導電硅膠表面觀察不到,說明半導電硅膠有較強抗局部放電能力。實驗過程中,未檢測到CO。

4 結論

搭建了定子線棒表面局部放電實驗平臺,使用氣體監測儀器對局部放電下的分解氣體進行了研究,得到的主要結論如下:

(1)新定子線棒和舊定子線棒主絕緣材料在局部放電作用下會發生明顯劣化,相同的條件下,舊定子線棒表面局部放電時O3的生成速率更高;(2)定子槽中填充的半導電硅膠有較強的抗電暈能力,且在放電發生時O3的生成速率最高,易于對局部放電進行監測;(3)O3適合作為發電機定子線棒局部放電特征氣體,但因其性質非?；顫?必須對其進行在線監測。

水輪發電機內部電磁干擾嚴重,且振動較強,使用氣體檢測法可以對水輪發電機實現非接觸式在線監測,具有明顯的優勢。本文的研究結論可以為基于氣體檢測法的水輪發電機在線監測提供一定的參考。