局部放电引起的绝缘劣化及故障发生过程分析

正如第1.4.4节所讨论的，气体承受足够高的电场强度时就会发生局部放电。图8.19是一台成型定子绕组端部两只相邻线圈或线棒的断面示意图。从断面上看，两个铜导体间可看成三个电容串联，分别是A相主绝缘电容、线圈表面间的空气隙电容和B相主绝缘电容。为简化分析，每个电容都用平行极板电容模型进行计算，因此电容值取决于绝缘厚度（或者是线圈表面之间空气隙距离）和绝缘材料的介电常数[参见式（1.5）]。根据电路基本理论，按照普通电容的分压关系，如果知道绝缘的厚度和介电常数，就能够计算空气隙上所承受的电压百分比。据此可计算出电场强度[即式（1.4）]。对于一台运行在海平面高度的空冷电机，如果电场强度超出3kV/mm峰值（在高海拔下电场强度更低），空气将被击穿，就会产生局部放电。局部放电更多地发生在连接到相出线端、并且位于不同相别的相邻线圈上，因为此处存在的全值额定电压是产生故障的主导因素。

经过足够长的时间，PD会腐蚀出一个贯穿主绝缘的孔洞。由于局部放电通常发生在空气中，产生的臭氧生成的酸也会腐蚀绝缘（见第8.5.1节），因此会加速绝缘的劣化过程。臭氧还会腐蚀热交换器和破坏橡胶垫片。由于云母基的主绝缘耐受局部放电，故该机理引发的故障进程通常达10年或更长。

如果线圈之间间距太小，例如在平均设计场强为2.5kV/mm的13.8kV的绕组中，通常间距小于5～7mm，在承受全值线电压的相邻线圈间就会发生局部放电。局部放电更容易发生在高海拔地区，这是因为当地空气击穿场强更低。另外，薄型主绝缘设计增加了主绝缘的对地电容，减少了容抗，因此空气间隙上将承受更高的电压，故这类设计中更容易遇到该问题。高压氢气冷却的电机似乎较少遇到局部放电问题，这是由于在高气压下气体的击穿强度要比一个大气压力下的击穿强度高出许多倍。

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图 8.19

a）绕组端部两只相邻线圈的断面图，如果线圈间距过小会发生局部放电 b）用于计算空气间隙上电压的等效电路图

只要相邻线圈靠得太近（无论是侧面之间还是上下层线圈之间）就会发生局部放电问题。如果高电位的弓形引线间距太近，也会发生该问题。在一些采用罗贝尔换位线棒的线圈和采用“并头套”作为线棒接头绝缘的空气冷却发电机上，该问题以另一种变化形式引人注意。并头套绝缘常用聚碳酸酯（或类似材料）的盒子套在线棒接头上，再用一种触变环氧填充，环氧里通常都含有不是特别耐受PD的填料。如果相邻的两个并头套之间承受相间电压（即相端头），同时又靠得过近，则两者之间就会发生局部放电，并且损坏并头套。由于并头套盒和环氧不能耐受局部放电，因此，故障通常会在几个月至数年内发生。如果环氧的介电常数太高，并头套的容抗就很小，则空气间隙上的电场强度就更高。有时，这类局部放电只是在发电机运行到高温状态时才发生，这是因为高温下并头套的介电常数更高。