常规定子主绝缘防晕涂层优化策略

防晕涂层对于50/60Hz的6kV及以上额定电压的定子绕组，以及3.3kV及以上额定电压的逆变器驱动（IFD）的电动机定子绕组（见第1.4.6节），是重要的绝缘结构组成部分。这些涂层用来防止定子线棒或线圈表面发生局部放电。它们也用来防止在线圈/线棒表面与定子铁心之间可能存在的任何空气间隙上发生局部放电，还用来防止线圈端部在靠近定子铁心端部的区域发生局部放电。

槽内半导体涂层 在线圈与铁心之间发生PD的原因与主绝缘内气泡中发生PD的原因有相似之处。因为线圈和线棒装配在定子铁心外部，故它们必须窄于铁心槽宽度，否则就无法嵌入槽内，但也因此会使线圈或线棒表面与铁心之间不可避免地存在气隙^[4]。如图1.13a所示，因为线圈尺寸窄于槽宽，故铁心槽与紧邻的线圈表面存在间隙。图1.12b表明，与主绝缘内部气泡中的情形相比，其等效电路图只有很小的一点儿差别。对于主绝缘内的气泡来说，其上承受的电压可达到铜导体电压不可忽略的百分比。如果空气间隙内电场强度超过3kV/mm，至少在运行于大气压力下的空冷电机中就会发生PD。这种PD最终会在主绝缘内侵蚀出贯穿性的孔洞，从而导致绝缘失效。在线圈或线棒表面发生的放电有时也被称为槽放电，因为它们常见于槽部。实际上，额定电压在6kV及以上的定子大多会出现这种发生在线圈或线棒表面的放电。除了使绝缘劣化之外，空冷电机中的表面局部放电还会产生臭氧。臭氧与氮气及潮湿空气结合，会产生硝酸（HNO₃），危害人体健康，并且侵蚀有机材料和金属材料，例如在热交换器中就可能发生这种情况。

图 1.13

a）可能产生表面局部放电的线圈在铁心槽内的横截面图（非实际比例） b）等效电路图

为了防止线圈或线棒表面的局部放电，制造商很久以来一直在线圈或线棒的槽部涂上半导体涂层。这种涂层通常是一种添加了石墨的涂料或绑带。这种半导体涂层（尽管这与晶体管意义上的半导体没有任何联系）在沿着槽部的方向上，可与接地的铁心形成多处接触。由于具有足够小的电阻（如等效电路图1.13b中所示的R_s），该涂层与铁心接触使得涂层表面实质上是处于地电位的，即涂层表面上的电压为零，也就是说涂层与铁心之间任何空气隙上的电压为零。因为电场强度不会超过3kV/mm，气隙上也就不会发生PD。分析结果表明，每平方面积表面电阻在0.3～10kΩ的半导体涂层，就可以防止槽部的表面放电。值得注意的是，这些涂层不能具有太高的导电性（也就是金属性的涂层），因为这将会使铁心叠片发生短路，并且/或者导致振动电火花的发生，如果线圈/线棒在磁场力作用下发生振动的话（见第8.8节）。

额定电压6kV以下的定子通常不需要对槽内线圈涂覆半导体涂层。很显然，这是因为即使线圈与铁心之间确实存在有间隙，但运行电压较低，在此间隙上不大可能达到放电的临界值3kV/mm（空气的电气击穿强度）。然而，如果绕组运行在气压较低的高海拔地区（通常海拔高于1000m），那么额定电压为3.3kV或4.1kV的绕组仍然可能需要半导体涂层，因为较低的大气压力使得空气击穿强度也较低。

碳化硅涂层 槽部低电阻半导体涂层通常沿槽部向端头伸出几厘米（达铁心压指末端）^[5]，否则接地的涂层表面会过于靠近线圈或线棒彼此之间的接头。数十年的实践经验表明，如果地电位距端部接头太近，即使是在相邻线圈之间采用完全绝缘的连接方式，该处绝缘也会成为绝缘故障隐患的薄弱部位。此外，如第3章和第4章所述，制造过程中，线圈端部的绝缘内部很难避免气泡的产生。如上所述，如果低电阻的半导体涂层将线圈端部表面接地，这种内部气泡可能引起局部放电，并最终导致绝缘失效。(www.xing528.com)

这种半导体涂层不应当在槽部外几个厘米处突然中断。因为这种薄的涂层会引起高度集中的电场。这种电场会超过3kV/mm，导致涂层末端会产生局部放电。这种PD最终会在涂层边缘附近损坏绝缘，以致绝缘失效。槽部涂层很薄的末端边缘可以产生非常不均匀的电场，其电场强度与半径成反比。半径越小（也就是半导体涂层越薄），电场强度越大。例如，某棒形金属物尖端电压为V，半径为r，棒端与接地平板之间的距离为d，在棒端处产生的最大电场强度根据本章参考文献[24]为

式中，ln为自然对数。该式表明，棒端半径对最大电场强度数值的影响至关重要。

因而，如同高压电缆中的情形一样，半导体涂层末端必须“收尾”。早期制造的高压旋转电机，通过在主绝缘内部半导体涂层末端的部位预嵌入特定长度的同心悬浮金属箔片，可以使槽口外部的电场强度更加均匀。这与变压器中的高压电容型套管具有相同的原理^[22]。不过，随着一种被称为碳化硅的非常独特的材料面世，这种新材料的应用已经取代了原来的套管方法。

碳化硅是一种特殊材料，其具有有趣的特性，即当材料上的电场强度增加时，它的电阻会下降。也就是说，它不是标称“欧姆”的电阻。过去，碳化硅应用于高电压避雷器中，用于将雷电的高电压冲击引入大地（也就是它在雷电冲击时具有较低电阻的状态），而平时它在输电线的正常运行电压下是完全绝缘的。在应用到定子的线圈和线棒上时，碳化硅在槽部半导体涂层末端的高场强区域具有非常低的电阻，沿着铁心到线圈端部的长度上，它的电阻逐渐增加。这种变化的电阻使得半导体涂层末端的电场更加均匀。图1.14a给出了主绝缘电容和碳化硅涂层渐变电阻的等效电路。最接近半导体涂层的电阻R₁，比这个距离铁心较远的电阻R₅要小得多。通过调整涂层中碳化硅颗粒的密度和大小，可以使主绝缘电容电流流过各个电阻所产生的电压降大致相同。通常，可以使电场强度减小至可能发生PD的临界值（空气中）3kV/mm以下。

应用到线圈或线棒表面时，碳化硅通常与漆基混合，或者与缠包带一起应用。碳化硅表面涂层的长度取决于额定电压和碳化硅颗粒大小，一般长度为10～20cm。在图1.7b中，线圈中部的黑色包带是槽部半导体涂层，半导体涂层末端较短的灰色区域是碳化硅涂层（由于表面涂漆的缘故，照片上该涂层不可见）。碳化硅涂层也被称为梯度涂层或OCP（外部防晕涂层）。关于控制电场强度涂料的更多的信息，请见本章参考文献[25]和[26]。