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对高压电机定子绕组的防晕结构探讨
[摘要] 文章从试验入手，阐述了槽部防晕原理是使线圈槽部外表面和铁芯槽部之间的气隙短路以及端部妨晕原理是使槽口外线圈端部表面电位梯度尽量均匀。
[关键词] 高压电机 定子绕组 防晕结构
Abstract: Obtained from the experiment, elaborated the trough department guarded against the corona principle is causes line recess of ring department outside surface and the ferrite core trough department between air gap short-circuits as well as the nose hiners the corona principle is causes outside the notch the coil nose surface electric potential gradient to be as far as possible even.
Key words : High-pressured electrical machinery; Stator winding; corona voltage; Guards against the corona structure; Guards against the corona material
一、高压电机绕组防晕原理
（一） 槽部防晕原理
在生产中，为防止嵌入线圈时损伤主绝缘，线圈槽部宽度尺寸总比铁芯槽宽度小0.3mm以上，因此，高压电机定子绕组槽部外表面与铁芯槽壁之间总有0.3mm以上间隙。当电机额定电压在6kV及以上时，气隙中最高场强高于空气中不均匀电场下的起晕场强8.1kV/mm而产生电晕，形成电腐蚀，损伤主绝缘。为防止电腐蚀，绕组槽部需进行防晕处理。槽部防晕原理是使线圈槽部外表面和铁芯槽壁之间的气隙短路。
（二） 端部防晕原理
由于槽口处电场集中，使定子绕组线圈端部出槽口处绝缘表面电位梯度很高，额定电压6kV及以上电机的定子绕组相端线圈的槽口处已处于起晕状态。耐压试验时，若试验电压超过30kV，线圈端部若未进行防晕处理，将会产生严重的沿表面放电甚至闪络，使耐压试验无法进行，因此，高压电机定子绕组线圈端部表面必须进行防晕处理。要求起晕电压均超过1.5Un，且单只线棒耐压试验时，要求防晕层不能过热冒烟，无滑闪放电。
防晕的原理是使槽口外线圈端部表面电位梯度尽量均匀。其方法是：1、内屏法 在线圈槽口绝缘内部适当部位插入电极(通常可插入1～2个内屏，电极材料是箔或网状导体或半导体)，以形成套管型结构，通过电容分压原理来达到表面电位梯度均匀化。其缺点是工艺太复杂，而且要考虑主绝缘层在线棒成型时的收缩或应力，可能导致埋入的内屏电极起皱或开裂，引起新的电场集中甚至极间短路，使线棒成品率降低，因此较少采用。2、线性电阻调节法，通过降低线圈端部的电场集中处的恒定表面电阻来达到电场均匀化。即在电场集中处涂电阻率不同的半导电漆，其缺点是起晕电压不高，而且不大稳定。3、非线性电阻调节法[1] 以电阻具有非线性特性的碳化硅为基础制作防晕材料，其电阻率能随电场强度的增加而自动降低，因而能自动调节场强的分布，使端部表面场强的分布比较均匀。目前国内外均广泛采用。
二、高压电机绕组槽部防晕方案
为使线圈槽部外表面和铁芯槽壁之间的气隙短路，铁芯槽内要喷低电阻半导体漆，线圈槽部表面应有低电阻半导体防晕层，其结构因额定电压和额定容量不同而有所不同，漆或防晕层的电阻系数为ρs=103~105Ω·m。线圈槽部表面和铁芯槽部之间的间隙需用低电阻半导体材料短路，短路所用材料和结构也因额定电压和额定容量的不同而有所不同。
线圈槽部表面低电阻防晕层，目前有涂刷型和一次成型两种。1、涂刷型 是在线圈槽部表面涂刷低电阻漆作为防晕层。涂刷长度为伸出槽口超过铁芯压齿10~50mm。漆膜要均匀、连续、平滑、附着力要强。这种结构一般用在额定电压10.5kV及以下、额定容量100MW及以下的电机线圈上。2、一次成形结构 是用低电阻防晕带包在主绝缘外，与主绝缘一起热压成形，低电阻防晕带系数 ρs=103~105Ω·m。低电阻防晕带有全固化低电阻防晕带和半固化低电阻防晕带。全固化低电阻防晕带适用于少胶绝缘体系；半固化的低电阻防晕带适用多胶绝缘体系。低电阻防晕层厚度在0.3mm以内。这种槽部防晕结构一般用在额定电压高于10.5kV，额定容量大于100MW的电机绕组上。
嵌入线圈时，使线圈槽部表面与铁芯槽壁间间隙短路的材料和结构，有下述几种：1、槽底、层间垫低电阻垫条，侧边间隙塞低电阻半导体板，额定电压在10.5kV及以下，额定容量在100 MW 以内的电机，一般均用这种结构。2、槽底、层间垫低电阻适形毡，侧边间隙塞低电阻半导体板。3、槽底、层间垫低电阻半导体垫条，线棒槽部表面涂低电阻胶并包低电阻纸或布。4、槽底、层间垫低电阻垫条，一侧间隙塞低电阻波纹板。5、槽底、层间垫低电阻垫条，铁芯槽一侧侧面相距500mm左右扩槽，嵌线圈时在扩槽处用低电阻斜楔楔紧。6、槽底、层间垫低电阻垫条，线棒大面一侧涂低电阻硅橡胶。7、槽底、层间、楔下垫低电阻垫条，一侧间隙垫低电阻半导体板，另一侧间隙塞低电阻阻波纹板。
三、线圈端部整体防晕方案
从防晕结构上看，该方案最简单。它是用有适当ρ0和β的防晕材料将每个线圈的全部端部加以覆盖，甚至与端头引线表面相连。全端部防晕层可以是一段或多段，防晕层在线棒表面上相互连成连续的整体。ALSTOM公司在三峡发电机定子线棒上就采用了这种方案，并且防晕层与线棒端头引线相连。
四、线圈端部出槽口局部防晕方案
该方案是目前世界各电机厂广泛采用的方案。端部常用的防晕方法有涂刷型和一次成型两大类。
（一）涂刷型防晕结构
用含碳化硅的高电阻防晕漆，涂刷或刷包在线圈低电阻防晕层末端延伸到线圈端部表面80~300mm长范围内。高、低电阻防晕层搭接长度25~30mm，随额定电压的不同，涂刷层数和每层的涂刷长度有所不同。防晕漆ρ0一般在108～110Ω·m左右，场强1~3kV/cm下的β一般在1.5左右。
（二）一次成形的防晕结构
线棒包完主绝缘及低电阻防晕层后，在低电阻防晕层末端延伸到线棒端部表面上，包绕150~300mm长的高电阻防晕带，外面再包绕保护层，然后同主绝缘一起固化成型。对高电阻防晕带的性能要求与高电阻防晕漆相同。线棒成型时，线棒主绝缘中的胶可能与防晕带中的胶相互渗透，从而破坏了原来的防晕层结构，降低了防晕性能，因此该结构防晕参数较难控制，但这种结构的线棒在运行中的防晕性能相当稳定。
上述两种结构都可以是一段式或多段式，各段的ρ0和β要求相互配合，才能取得较好的防晕效果。一般靠近槽口的防晕段其ρ0较低，β较高，而远离槽口的防晕段其ρ0较高，β较低。
五、防晕结构的改进
（一）改进碳化硅粉料的稳定性
现阶段国内的SiC产品主要用作磨料和耐火材料，生产中使用的是天然
[关键词] 高压电机 定子绕组 防晕结构
Abstract: Obtained from the experiment, elaborated the trough department guarded against the corona principle is causes line recess of ring department outside surface and the ferrite core trough department between air gap short-circuits as well as the nose hiners the corona principle is causes outside the notch the coil nose surface electric potential gradient to be as far as possible even.
Key words : High-pressured electrical machinery; Stator winding; corona voltage; Guards against the corona structure; Guards against the corona material
一、高压电机绕组防晕原理
（一） 槽部防晕原理
在生产中，为防止嵌入线圈时损伤主绝缘，线圈槽部宽度尺寸总比铁芯槽宽度小0.3mm以上，因此，高压电机定子绕组槽部外表面与铁芯槽壁之间总有0.3mm以上间隙。当电机额定电压在6kV及以上时，气隙中最高场强高于空气中不均匀电场下的起晕场强8.1kV/mm而产生电晕，形成电腐蚀，损伤主绝缘。为防止电腐蚀，绕组槽部需进行防晕处理。槽部防晕原理是使线圈槽部外表面和铁芯槽壁之间的气隙短路。
（二） 端部防晕原理
由于槽口处电场集中，使定子绕组线圈端部出槽口处绝缘表面电位梯度很高，额定电压6kV及以上电机的定子绕组相端线圈的槽口处已处于起晕状态。耐压试验时，若试验电压超过30kV，线圈端部若未进行防晕处理，将会产生严重的沿表面放电甚至闪络，使耐压试验无法进行，因此，高压电机定子绕组线圈端部表面必须进行防晕处理。要求起晕电压均超过1.5Un，且单只线棒耐压试验时，要求防晕层不能过热冒烟，无滑闪放电。
防晕的原理是使槽口外线圈端部表面电位梯度尽量均匀。其方法是：1、内屏法 在线圈槽口绝缘内部适当部位插入电极(通常可插入1～2个内屏，电极材料是箔或网状导体或半导体)，以形成套管型结构，通过电容分压原理来达到表面电位梯度均匀化。其缺点是工艺太复杂，而且要考虑主绝缘层在线棒成型时的收缩或应力，可能导致埋入的内屏电极起皱或开裂，引起新的电场集中甚至极间短路，使线棒成品率降低，因此较少采用。2、线性电阻调节法，通过降低线圈端部的电场集中处的恒定表面电阻来达到电场均匀化。即在电场集中处涂电阻率不同的半导电漆，其缺点是起晕电压不高，而且不大稳定。3、非线性电阻调节法[1] 以电阻具有非线性特性的碳化硅为基础制作防晕材料，其电阻率能随电场强度的增加而自动降低，因而能自动调节场强的分布，使端部表面场强的分布比较均匀。目前国内外均广泛采用。
二、高压电机绕组槽部防晕方案
为使线圈槽部外表面和铁芯槽壁之间的气隙短路，铁芯槽内要喷低电阻半导体漆，线圈槽部表面应有低电阻半导体防晕层，其结构因额定电压和额定容量不同而有所不同，漆或防晕层的电阻系数为ρs=103~105Ω·m。线圈槽部表面和铁芯槽部之间的间隙需用低电阻半导体材料短路，短路所用材料和结构也因额定电压和额定容量的不同而有所不同。
线圈槽部表面低电阻防晕层，目前有涂刷型和一次成型两种。1、涂刷型 是在线圈槽部表面涂刷低电阻漆作为防晕层。涂刷长度为伸出槽口超过铁芯压齿10~50mm。漆膜要均匀、连续、平滑、附着力要强。这种结构一般用在额定电压10.5kV及以下、额定容量100MW及以下的电机线圈上。2、一次成形结构 是用低电阻防晕带包在主绝缘外，与主绝缘一起热压成形，低电阻防晕带系数 ρs=103~105Ω·m。低电阻防晕带有全固化低电阻防晕带和半固化低电阻防晕带。全固化低电阻防晕带适用于少胶绝缘体系；半固化的低电阻防晕带适用多胶绝缘体系。低电阻防晕层厚度在0.3mm以内。这种槽部防晕结构一般用在额定电压高于10.5kV，额定容量大于100MW的电机绕组上。
嵌入线圈时，使线圈槽部表面与铁芯槽壁间间隙短路的材料和结构，有下述几种：1、槽底、层间垫低电阻垫条，侧边间隙塞低电阻半导体板，额定电压在10.5kV及以下，额定容量在100 MW 以内的电机，一般均用这种结构。2、槽底、层间垫低电阻适形毡，侧边间隙塞低电阻半导体板。3、槽底、层间垫低电阻半导体垫条，线棒槽部表面涂低电阻胶并包低电阻纸或布。4、槽底、层间垫低电阻垫条，一侧间隙塞低电阻波纹板。5、槽底、层间垫低电阻垫条，铁芯槽一侧侧面相距500mm左右扩槽，嵌线圈时在扩槽处用低电阻斜楔楔紧。6、槽底、层间垫低电阻垫条，线棒大面一侧涂低电阻硅橡胶。7、槽底、层间、楔下垫低电阻垫条，一侧间隙垫低电阻半导体板，另一侧间隙塞低电阻阻波纹板。
三、线圈端部整体防晕方案
从防晕结构上看，该方案最简单。它是用有适当ρ0和β的防晕材料将每个线圈的全部端部加以覆盖，甚至与端头引线表面相连。全端部防晕层可以是一段或多段，防晕层在线棒表面上相互连成连续的整体。ALSTOM公司在三峡发电机定子线棒上就采用了这种方案，并且防晕层与线棒端头引线相连。
四、线圈端部出槽口局部防晕方案
该方案是目前世界各电机厂广泛采用的方案。端部常用的防晕方法有涂刷型和一次成型两大类。
（一）涂刷型防晕结构
用含碳化硅的高电阻防晕漆，涂刷或刷包在线圈低电阻防晕层末端延伸到线圈端部表面80~300mm长范围内。高、低电阻防晕层搭接长度25~30mm，随额定电压的不同，涂刷层数和每层的涂刷长度有所不同。防晕漆ρ0一般在108～110Ω·m左右，场强1~3kV/cm下的β一般在1.5左右。
（二）一次成形的防晕结构
线棒包完主绝缘及低电阻防晕层后，在低电阻防晕层末端延伸到线棒端部表面上，包绕150~300mm长的高电阻防晕带，外面再包绕保护层，然后同主绝缘一起固化成型。对高电阻防晕带的性能要求与高电阻防晕漆相同。线棒成型时，线棒主绝缘中的胶可能与防晕带中的胶相互渗透，从而破坏了原来的防晕层结构，降低了防晕性能，因此该结构防晕参数较难控制，但这种结构的线棒在运行中的防晕性能相当稳定。
上述两种结构都可以是一段式或多段式，各段的ρ0和β要求相互配合，才能取得较好的防晕效果。一般靠近槽口的防晕段其ρ0较低，β较高，而远离槽口的防晕段其ρ0较高，β较低。
五、防晕结构的改进
（一）改进碳化硅粉料的稳定性
现阶段国内的SiC产品主要用作磨料和耐火材料，生产中使用的是天然
