1前言300MW双水内冷汽轮发电机因其效率高、温升低、运行维护简单和电机材料用量和外形尺寸较小等优点，颇受欢迎。然而此类电机定子铁心采用空气冷却，运行在高海拔环境下时其定子端部绕组的防晕问题是一项亟待深人研究的课题。为了提高绕组的起晕电压，本文从理论方面分析了电晕的起因和解决的技术途径，并制定出模拟试验方案进行试验研究。认为电晕的主要原因是在高海拔、低气压条件下端部绝缘结构件与高压线棒接触部位的小间隙放电和沿面放电。防晕的措施是对端部相间间隙及其它相关小间隙进行绝缘填充和处理。目前，国内有相关的研究报道，但尚无成功的实践经验。前苏联有一篇介绍其空冷介质中高压电机（= 24kV）定子端部绕组的防晕技术。西门子公司900MW汽轮发电机额定电压高达27kV，采用的是整个端部绕组全部浇注的固定及防晕技术（属西门子公司专利），而且其荦子是在压力密闭氢压下运行，所以运行时的防晕问题并不突出。
伴随电晕的电老化和臭氧化等过程对绕组绝缘寿命极为不利，所以电晕是电机运行中必须避免的问铨。高压电机定子绕组的槽部电晕已经得到有效控制。而端部电晕问题，对于高海拨高压电机来说，除了过去一直颇受关注并已经得到较好解决的单根线棒的直线和端部防晕问题外，近来还发现必须提高端部绕组的整体防晕能力。解决该问题不仅对20kV级高海拔地区高压电机修理及市场拓展非常重要，而且对更高电压等级发电机的端部防晕技术开发也具有重大意义。
2技术理论分析2.1技术目标目前单根定子线棒的防晕水平已大大地超过了相关标准规定的技术指标。本文旨在研究定子端部绕组的整体防晕技术。根据国家机械行业标准B8439-96对高海拔地区高压电机的防晕技术要求，高压电机整机的起晕电压值（Rs）应满足不低于lfVF，为电机的额定相电压，F与安装地和试验地的海拔高度相关。本文研究的电机（t/N =20kV）安装地海拔为2000米以上，其在海拔近于零米的上海试验时t/s应不低于19kV. 2.2高海拔地区高压电机易于起晕的定性分析电晕的本质是气体在电场作用下发生局部游离的辉光放电现象。对于容量为300MW额定电压高达20kV的双水内冷型发电机，其冷却方式是水水空，即铁心为空气冷却，整个定子绕组主绝缘处于空气介质中。电机运行时，空气介质参与并构成定子一7表2-1隔相线圈之间填充介质所承受的场强和电压计算值相间间隔amm填充介质的介电常数相间介质承受场强五a，kV/mm相间介质承受主绝缘承受场强主绝缘承受主绝缘承受场强主绝缘承受模型计算。
绕组绝缘结构的一部分。一般情况下，空气的介电强度低于固体绝缘材料的介电强度因而易于击穿或放电。以标准状态（p =201，（0=llg/m3）为例，电极距离为lcm时，空气在均匀电场下的击穿场强约为3.2kV/mm，约合工频交流电2.3kV/mm.空气的击穿场强与温度、压力有关并取决于气体的密度。在一定的温度下，气压越是低，空气中带电质点无碰撞地通过的平均自由路程（X）越是大，带电质点g在电场方向移动时得到加速而获得的动能（识=也越大，使得带电质点两次碰撞间所积累的动能增加到足以产生撞击游离使空气击穿而形成电晕，因而空气压力减小，其击穿场强也下降。高海拔地区空气稀薄，例如云南曲靖海拔2100米，其大气压力仅约为0.786X103，其均匀电场下的击穿场强按/=，如果取t t/kh=1.94kV/mm，与标态下空气击穿场强相比下降约16%.再考虑到发电机运行时工作温度较高引起局部空气状态改变、端部结构复杂引起电场畸变及环境清洁度等因素，空气击穿场强必然更低。因而电机起晕电压降低，使得高海拔地区高压电机易于出现电晕问题。
2.3高海拔地区高压电机定子绕组端部防晕的理空气的介电常数小于其它任何绝缘材料，当同时存在于电场中时，空气介质内的电场强度较高，这对防晕极为不利。针对端部电晕主要发生在同层相间区域，下面就对该区域的电场分布作一详细分析。
-1为发电机定子绕组同层相间两只线圈端部示意图，其绝缘结构参数为：=5.5、介电常数￡11=5；线圈相间距离为a；线圈相间填充介质介电常数为ea.可计算出隔相线圈之间填充介质所承受的场强和电压值，见表2-1.当空气为相间填充介质时，如表2-1中标有格所示，当隔相线圈间隔距离a分别为时，空气介质所承受的场强分别为1.16、1.4kV/mm，电压分别为17.4kV、16.9kV.如前所述，均匀电场间空气在p =20时的击穿场强为1.94kV/mm；根据报道如果修正到工作温度，则击穿场强愚约降低15%为1.63kV/mm，仅仅略超过a =12mm的Ea；而且，由于不可避免的工艺偏差和线圈端部间隔内垫块的影响，将发生不符合计算的电场畸变，使该区域内实际平均击穿场强降低为=，<1，为电场不均匀程度的系数，约为0.4~0.5.也就是说，b实质上场强和电压计算值（简化为均匀电场）相线圈与端箍支架之间间距a，mm小间隙处介质的介电常数小间隙介质承受场强EaVS/mm小间隙介质承-2定子绕组端部固定结构（剖视图）表2-3填充材料性能指标及测试数据材料代号HYC比低，这必然导致空气放电。前苏联70年代末至80年代初生产的800MW/T3B系列全水冷汽轮发电机（额定电压为24kV）也存在端部隔相区起晕的问题，其解决的办法之一是采用e=20的材料将隔相线棒间隔区域填满。本文研究的额定电压为20kV的双水内冷汽轮发电机，考虑到五b约为0.65 1可见相间间隔a=12至15时，填充介质选用e为10-15者可将相间场强降至0.42~0.6kV/mm，完全可满足防晕的要求。如保证相间距离大于15，则介电常数e为5者可使相间场强下降至0.77kV/mm以下，也可满足应用要求。
表2-2相线圈与端箍支架之间介质所承受的另外，定子绕组端部的固定结构（如-2示）使高电位端的相线圈与端箍支架及压板之间存在局部不规则小气隙和隔相区存在沿面（间隔垫块），这些都是引发电晕的因素。对于前者，主要导致小气隙放电。表2-2数据是将该小间隙处的电场简化的计算结果（端箍支架等表面电位近似为零）。可见间隙S= 1圆时其中介质所承受的场强为6.25kV/mm，即使不考虑电场畸变的因素，已远远超过了均电场中空气的击穿场强。如果该间隙处的介质换用介电常数较高如10至15的填充材料，则其承受的场强大大下降约为0.87至0.59kV/mm，且要求填充材料本身介电强度足够高不至于被击穿，这样小间隙问题就可得到解决。对于后者，主要导致沿面放电，根据一般的试验经验，对环氧层压板构成的沿面放电大致存在以下关系：在沿面电压相距10mm时，交流沿面放电电压为12kV左右；沿面电压相距12mm时，交流沿面放电电压大约为20kV.从表2- 1可见，相间距离为10和12mm时，无间隔塾块等沿面存在时相间电压已分别达16.4kV和16.9kV.当有间隔垫块等沿面存在时，发生沿面放电似乎不可避免。要避免沿面放电，一是设法增加沿面距离，比如增大线棒之间的距离或使沿面成斜面或阶梯面；二是取消沿面，即采用特定的填充材料将相间区域全部填充以取消短距离沿面而避免沿面放电。
2.4填充材料的性能要求如前所述，为了达到高海拔电机端部防晕的目的，可采用介电常数为5~15的材料对高压电机定子绕组端部进行填充处理。而且该填充材料还必须具备优良的热老化性能；又因运行中端部受电动力的作用，材料必须具有足够好的机械力学性能，尤其粘结强度必须达到一定的要求。另外，由于高介电性材料通常介质损耗较大而易于在电机运行中导致更多发热，不利于电机的正常运行，所以还必须要求该材料的介质损耗较小，这必然会给材料的研制带来更多困难。在进行模拟试验时对填充材料拟定的各项性能指标如表2-3示，表2-3还列出了模拟试验中采用的两种材料的相关性能测试数据。
3试验3.1模拟嵌线按照以上分析，设计制作了模拟定子绕组，并采用介电常数为5至15的绝缘材料对其相间等区域进行特定的绝缘处理，两次模拟试验内容和结果总结如下表3-1.表3-1模拟嵌线的实施情况内容模拟结构方案相间填充材料压板下及两侧相间沿面及其它小间隙模拟试验（一）定子线棒嵌在定子铁芯中适形毡浸漆YQ、层压板等未处理环氧填料HYC-1等未处理适形毡浸漆FK、层压板等未处理模拟试验（二）定子线棒嵌在木制模拟模中环氧填料HYC-2等处理未处理环氧填料HYC-2、适形绳等处理层压板、适形毡和环氧填料HYC -1等处理表3-2第一次模拟试验结果端部电晕观察点方案"S（上海），kv处理效果评估相间区域、压板两侧及其它部位118较差228良320较差418局部差5>32好6>30好表4-1发电机定子端部防晕处理前后起晕电压测试结果加压修理品（安装地t海拔2KB米）新产品（制造厂，上海）相组"S（处理前）S（处理后）B8439的要求S（处理后r励绕组端部清洁后的起晕电压实测数据；2）修理品和新产品的（处理后）为防晕处理后的电晕试验结果，即分别在电压升到20kV和26kV并保持1分钟时均未见电晕；为维护电机绝缘测试时升压到此结束。
注：电晕测试时电压只升到30kV. 4发电机端部防晕处理应用根据以上模拟试验和研究的结果，总结出一套高压电机端部防晕技术方案及工艺措施，用于海拔定子端部相间间隔区域采用适形类高介电性环3.2电晕测试模拟定子绕组的端部经绝缘处理并充分固化之后，对其进行起晕电压测试。为了详尽的考察绝缘处理后端部的防晕水平，试验在夜间无光条件下进行，以肉眼观察起晕情况。试验时某一根线棒铜线接高压，其余线棒铜线接地；升压时电压按18、20、23、25、28、30、321逐级升压，各档电压保持15秒。3.3电晕测试结果两次模拟试验的电晕测试结果见表3-2.相比之下，以方案5和方案6的防晕效果较为理想，能做到在上海测试时起晕电压高于30kVQ 2000米以上的20kV级发电机修理品和新产品定子端部防晕处理。处理后分别在安装地和制造厂进行起晕电压测试，结果在安装地起晕电压大于20kV（标准要求为15kV），而在制造厂（上海）起晕电压大于26kV，远远高于标准要求（多19kV），即发电机的防晕水平达到高海拔环境下的特定要求。测试结果与指标要求见表4-1.氧复合填料进行防晕技术处理能显著提高电机的整机起晕电压，使其远远超过B8439的技术指标，有效地满足了高海拔高压电机的防晕技术要求。