高海拔大型水輪發電機定子線棒及繞組防暈性能研究

張斯翔， 彭代曉， 張 躍， 梁智明， 謝志輝， 周 江

（1. 中國三峽建工（集團）有限公司，四川 成都 610000；2. 武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072；3. 東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

0 引 言

大型發電機定子繞組是發電機產生電能的主要設備元件，也是電流流經發電機的主要載體。在電力系統正常運行過程中，發電機定子線棒端部電壓相對較高，且發電機定子繞組端部結構復雜，特別是在綁扎固定的部位通常存在著較多細小的毛刺和氣隙，不可避免地出現電場分布不均勻的現象。此外，發電機定子繞組端部出槽口以及繞組相間等，都是易產生電暈的區域[1-2]。

在高海拔地區，由于其氣候特點明顯（空氣壓強和空氣密度低、晝夜溫差大等），隨著空氣壓強或空氣密度的降低，空氣中因各種原因電離產生自由電子的平均自由行程變長，電子在電場加速作用下的時間延長，電子具有的動能增大，電子碰撞時發生二次電離的概率增加，二次電子數量增多，導致發電機定子線棒及繞組的電暈和起始放電電壓的降低，進而降低了發電機定子繞組防電暈性能的可靠性。文獻[3-4]研究了大型水輪發電機定子線棒絕緣參數對線棒槽部表面電位分布及電場分布的影響，得出防暈層電阻和非線性系數是影響電暈的主要因素；文獻[5-8]通過研究不同海拔高度對發電機定子線棒常規絕緣性能的影響，得出海拔高度會影響定子線棒的絕緣性能，在高海拔地區更容易發生局部放電；文獻[9-10]也對定子線棒防暈結構及絕緣材料等進行了相關研究，得出均勻電場能有效避免電暈放電。然而，以上研究并未考慮到高海拔地區大型電機繞組實際裝配過程對電暈放電的影響。此外，由于各類發電機采用的材料、結構及工藝不同，加之運行條件和維護技術等多方面情況的差異，高壓發電機雖然經過防暈處理，但在實際運行中電暈現象仍時有發生[11-14]。

目前，高海拔發電機組通常根據GB 311.1—2012《絕緣配合第1 部分：定義、原則和規則》以及JB/T 8439—2008《使用于高海拔地區的高壓交流電機防暈技術要求》提供的高海拔修正系數和經驗公式對常規機組的定子繞組的電氣距離設計值進行修正，最終通過增加定子繞組端部的電氣距離設計裕度來降低定子繞組端部的放電風險。然而較大的設計裕度使得高海拔機組的設計、制造和運輸成本大幅提高。因此，為了更好地控制發電機定子繞組端部電氣間隙距離的設計裕度，需要開展高海拔發電機定子線棒及繞組電暈性能的研究，進一步驗證優化繞組防暈系統的合理性及可靠性。本文首先針對某高海拔地區（海拔約為3 000 m）額定電壓為20 kV 的水輪發電機機組定子線棒及繞組的防暈結構設計開展電場仿真計算，隨后針對設計的線棒及繞組生產制造出真機試驗線棒及繞組，進一步驗證高海拔條件對發電機定子線棒及繞組防暈性能的影響。

1 海拔修正系數計算

安裝在高海拔地區的空外冷水輪發電機組，隨海拔高度的增加，空氣氣壓及密度下降，定子線圈及繞組的起暈和閃絡電壓均呈下降趨勢。JB/T 8439—2008 規定當機組安裝于海拔高于1 000 m 的地區，在海拔不超過1 000 m 的地點進行定子繞組電暈試驗時，需對考核試驗電壓進行海拔修正，海拔修正系數（Ka）計算公式為式（1）。

式（1）中：K為電暈起始電壓隨海拔升高的遞減率，取值為0.1 km-1；HS為電機試驗地點的海拔，km；HA為電機安裝地點的海拔，km。

GB 311.1—2012 中規定，當機組安裝在海拔高度超過1 000 m 時，需對定子繞組耐受電壓進行海拔修正，海拔修正系數計算公式為式（2）。

式（2）中，H為電機安裝地點的海拔，km。

根據JB/T 8439—2008 及GB 311.1—2012 對防暈和絕緣的修正計算，試驗地點的海拔高度按500 m計算，各海拔高度下的修正系數如表1所示。

表1 修正系數計算值Tab.1 Correction coefficient calculation value

從表1 可以看出，定子繞組電暈試驗修正系數與定子繞組耐壓試驗修正系數存在一定差異，且隨試驗地點的海拔高度不同，電暈試驗修正系數也不同。其中JB/T 8439—2008 規定的海拔修正系數相對更嚴格，海拔每升高100 m，電暈起始電壓遞減1%。業內對隨海拔高度升高，起始放電電場強度降低比率的研究較多，主要是通過巴申曲線及模擬高海拔環境條件下的定子線圈起暈電壓試驗等方式進行，研究結果表明，海拔高度每升高100 m，電場強度/起暈電壓的平均遞減率為0.7%～1%[4,15]。因此，為了更好地控制發電機定子繞組端部電氣間隙距離的設計裕度，有必要開展高海拔發電機定子繞組電場仿真計算及試驗，進一步驗證繞組防暈系統的合理性及可靠性。

2 高海拔定子線棒及繞組防暈設計

2.1 定子線棒防暈設計

根據JB/T 8439—2008 及GB 311.1—2012 對防暈和絕緣進行修正，得出當額定電壓為20 kV 時，安裝在海拔3 000 m 高度的機組，其電暈試驗及耐壓試驗的電壓值分別如表2所示。根據真機線棒實際防暈結構（一次成型+全防暈）構建仿真模型，并使用COMSOL 分別對不同電壓下的線棒進行仿真計算，COMSOL 的核心參數設置如表3 所示。仿真計算后定子線棒的場強及損耗分布分別如圖1 和圖2所示。

圖1 定子線棒場強分布圖Fig.1 Electric field intensity distribution of stator bar

圖2 定子線棒損耗分布圖Fig.2 Loss distribution of stator bar

表2 定子線棒修正后防暈考核電壓值Tab.2 Anti-corona assessment voltage value of stator bar after correction

表3 COMSOL仿真計算相關參數Tab.3 The parameters of simulation calculation

從圖1 可以看出，單支定子線棒的場強最大值均出現在靠近高低阻搭接的高阻部分，且隨激勵電壓升高而增大，在運行電壓、電暈試驗電壓及工頻耐壓試驗電壓條件下的電場強度最大值分別為0.32、0.44、0.53 kV/mm，局部場強數值相對較低。從圖2可以看出，在運行電壓、電暈試驗電壓及工頻耐壓試驗電壓下的損耗最大值分別為2.19×105、1.46×106、6.34×106W/m3。對于單支定子線棒來說，損耗最大值在低電壓（運行電壓）時出現在高低阻搭接區域，隨著考核電壓的升高，損耗逐漸增大，且損耗最大值往中阻、中高阻推移。通過以上仿真計算可知，在實際生產制造線棒過程中應格外注意高電阻搭接區域及中高阻區域，避免損耗過高出現防暈燒蝕、擊穿等現象。

2.2 定子繞組防暈設計

定子繞組作為發電機的核心關鍵部件，其防暈性能關乎機組能否安全穩定的運行。目前，高海拔水電機組均以空氣作為循環冷卻介質，因此對繞組斜邊間隙而言，空氣也作為其外絕緣方式。選擇空氣間隙距離是優化發電機整體尺寸的重中之重，若是高海拔環境下發電機定子繞組間隙距離設計不恰當，則可能導致耐壓破壞性放電或電暈現象產生。

針對實際機組的斜邊間隙距離，進行了高海拔放電等離子體數值模擬，結構模型如圖3所示，模擬結構由銅導體、絕緣層、放電區域組成。計算時設置氣體間隙中電子密度的初始值為1.0×1013m-3，放電過程分為兩個階段，流注初始階段即電子崩階段和流注發展直至擊穿階段。從電子崩階段發展到流注階段的判斷依據為電子密度是否超過1×1018m-3。

圖3 定子繞組斜邊間隙幾何結構示意圖Fig.3 Geometry model of stator winding bevel spacing

在開展COMSOL 仿真計算時，固定激勵電壓（30 kV）、放電頻率（50 Hz）等參數，改變氣體參數模擬不同海拔高度，得到發電機繞組層間電子密度分布結果如圖4所示。

圖4 不同海拔下放電的電子密度分布圖Fig.4 Electron density distribution at different altitudes

比較圖4不同海拔高度下的電子密度分布可以看出，隨著海拔高度的升高、氣壓的降低，氣體放電強度明顯增強。在海拔高度為1 000 m 時，電子密度最大值為8.15×1015m-3，隨著海拔高度的升高、氣壓的降低，電子密度逐漸增大，當海拔高度為3 000 m時，電子密度最大值為1.32×1017m-3，但低于1×1018m-3。而隨著海拔高度的進一步增加，電子密度逐漸增大，放電模式由最開始的電子崩變為流注放電，當海拔高度為5 000 m 時，電子密度最大值為6.49×1018m-3，氣隙已發生放電。這是由于隨著海拔的升高，氣壓降低，空氣相對密度減小，導致空氣中電子的平均自由行程增大，電子在兩次碰撞間可積累大量電離能，使得氣體電離變得更容易，易于形成電子崩而發展成流注，導致在高海拔地區空氣間隙的擊穿電壓隨之降低。

在實際產品設計時，綜合考慮定子線棒絕緣厚度、防暈結構特性、綁扎固定結構影響、環境溫濕度影響等因素，對定子繞組斜邊間隙進行修正設計。因此進一步對不同電壓下定子繞組開展電場、損耗分布仿真計算，得到3 000 m 海拔高度下，發電機繞組電場、損耗分布結果分別如圖5和圖6所示。

圖5 定子繞組場強分布Fig.5 Electric field intensity distribution of stator winding

圖6 定子繞組損耗分布Fig.6 Loss distribution of stator winding

從圖5可以看出，對于定子繞組，場強最大值出現在靠近線棒棱角的斜邊墊塊與線棒的接觸部分，在運行電壓、電暈試驗電壓及工頻交流耐壓試驗電壓條件下的最大場強分別為0.78、1.50、2.14 kV/mm，均低于干燥空氣的電氣強度。對于斜邊墊塊處，其表面場強最大值在運行電壓、電暈試驗及工頻交流耐電壓條件下分別為0.38、0.74、1.21 kV/mm，其場強值相對較低，即沿墊塊表面發生沿面放電的可能性相對較小。即使繞組進行工頻交流耐電壓試驗時，其最大場強依舊滿足機組試驗及運行的設計要求。

從圖6 可以看出，當施加電壓（運行電壓值）較低時，繞組損耗最大值為3.01×105W/m3，出現在高低組搭接的區域，這是由電阻突變導致。隨著施加電壓的增加，因墊塊與高阻介電常數差異過大，導致斜邊墊塊處損耗逐漸增大，當施加電壓為耐電壓值時，二、三道綁繩墊塊處損耗最大值為3.23×106W/m3。由以上損耗分布可以得出，在實際生產制造過程中，需格外注意高低阻搭接區域及墊塊處，避免因損耗過高導致絕緣燒蝕發生擊穿事故。

3 高海拔定子線棒及繞組防暈性能試驗驗證

目前高海拔模擬試驗主要分為兩大類：一種是在制造廠基地通過高海拔修正系數換算后，以提高考核電壓的方式進行高海拔模擬試驗；另一種是在高海拔地區建設試驗室，利用當地自然高海拔氣象條件開展相關試驗，或者是通過人工環境氣候室，利用真空裝置在密閉的人工氣候罐內模擬高海拔低氣壓氣象條件進行試驗。人工環境氣候室模擬試驗不受試驗當地海拔的限制，無需將試樣運送到高海拔地區，試驗周期和成本大幅降低，且可以完成不同海拔下復雜氣候條件試驗。為進一步驗證所設計的3 000 m 海拔高度機組定子線棒及繞組的防暈性能，分別在制造基地及人工氣候實驗室對所設計的定子線棒及繞組進行驗證試驗。

3.1 制造基地試驗驗證

3.1.1 定子線棒制造基地試驗驗證

根據JB/T 8439—2008 海拔修正換算公式計算可知，制造基地海拔高度按500 m 計算，當機組安裝在3 000 m 海拔高度時，要求額定電壓20 kV 機組單支定子線棒起暈電壓須滿足不低于1.357×1.5Un，即40.7 kV。根據GB 311.1—2012 進行耐電壓海拔修正，修正后工頻交流耐壓值為73.5 kV。為此，對生產的5支試驗定子線棒進行電暈及工頻交流耐電壓試驗，試驗結果如表4 所示。從表4 可以看出，5 支試驗線棒起暈電壓均大于40.7 kV，同時在73.5 kV電壓下耐壓1 min 后無冒煙、無燒蝕、無放電現象，表明所生產的試驗線棒防暈性能滿足設計要求。

表4 定子線棒防暈及耐電壓試驗（制造基地）Tab.4 Corona resistance and voltage withstand test of stator bars

3.1.2 定子繞組制造基地試驗驗證

在實際產品設計時，綜合考慮定子線棒絕緣厚度、防暈結構特性、結構綁扎固定等因素，從而對定子繞組斜邊間隙進行修正設計。通過對6支線棒進行綁扎固定，從而開展電暈試驗，驗證設計的合理可靠性。試驗繞組綁扎效果如圖7所示。

圖7 試驗繞組Fig.7 Test winding

根據JB/T 8439—2008 海拔修正換算公式計算可知，制造基地海拔高度按500 m 計算，當機組安裝在3 000 m 海拔高度時，要求額定電壓20 kV 機組定子繞組起暈電壓須滿足不低于1.357×1.1Un，即30 kV。根據GB 311.1—2012進行耐電壓海拔修正，修正后工頻交流耐壓值為52.4 kV。對綁扎的試驗繞組進行電暈及工頻交流耐電壓試驗，定子繞組上下層起暈電壓均大于33 kV（1.1Un），同時在52.4 kV 電壓下進行工頻耐壓試驗1 min 后，繞組均未出現冒煙、燒蝕、放電現象，表明所生產的試驗繞組防暈性能滿足設計要求。

3.2 人工氣候室試驗驗證

本次試驗在多功能人工氣候室中進行，如圖8所示。人工氣候室由制冷系統、抽真空系統、噴霧系統以及風速調節系統、高壓系統等部分組成。人工氣候室的最低溫度可達-45℃，最高氣溫可達45℃，溫度的精確控制偏差為±0.5℃，氣壓調節可實現模擬海拔0～6 000 m。

圖8 大型多功能人工氣候室模擬試驗圖Fig.8 Large multifunctional artificial climate chamber simulation test chart

在本次高海拔試驗中，將額定電壓為20 kV 的線棒用絕緣墊塊、綁繩等絕緣材料對線棒進行可靠固定，保持與實際機組一致進行綁扎固定成定子繞組，然后進行高海拔試驗。定子線棒、繞組表面出現絕緣缺陷或者損傷時，將會導致缺陷處的局部場強升高，當局部場強大于空氣擊穿電壓時，會出現電暈現象。強烈的電暈現象伴隨著劇烈的聲、光、電信號，此時可以通過肉眼或者是紫外成像儀觀測到放電點。通過應用單位對產品質量要求規定，當紫外成像儀光子數大于1 000 時，判定繞組發生電暈，因此高海拔試驗過程也以紫外成像光子數大于1 000 為電暈判據。在0～5 000 m 海拔高度下對額定電壓為20 kV 的繞組端部進行紫外成像觀察（試驗電壓為22 kV），試驗結果如表5所示，試驗過程中紫外光子數如圖9所示。

圖9 不同海拔高度下的繞組紫外光子數Fig.9 UV photon count of windings at different altitudes

表5 不同海拔高度下繞組的起暈情況Tab.5 Stator winding starting corona at different altitudes

從表5 和圖9 可以看出，在0～3 000 m 海拔高度下，定子繞組上、下層在22 kV 電壓下均未起暈，光子數隨著海拔的升高緩慢增長，在海拔為3 000 m時光子數仍然小于1 000。而當海拔高度大于3 500 m 時，紫外成像儀能觀測到大量光子數，此時判定繞組發生起暈。在0～5 000 m 海拔高度下，定子繞組在61 kV 電壓下進行工頻耐壓試驗1 min，繞組均未出現冒煙、燒蝕、放電現象，表明所生產的試驗繞組滿足3 000 m海拔的設計要求。

5 結 論

本文首先通過建立仿真模型，對某高海拔地區發電機定子線棒及繞組的防暈性能進行仿真計算，其次根據設計生產制造了定子線棒及繞組，并進一步通過試驗驗證了防暈結構的可靠性。通過以上研究，得到如下結論：

（1）通過對定子線棒及繞組進行仿真計算得出，定子線棒及繞組防暈結構設計合理，滿足3 000 m 海拔高度下機組的防暈設計要求。

（2）根據設計生產制造的定子線棒及繞組驗證試驗得出，所生產制造的定子線棒及繞組滿足3 000 m海拔高度下機組的防暈性能要求。