如何抑制1.4.4主绝缘局部放电？

在额定电压高于约4kV的成型绕组线棒和线圈中，在主绝缘内部、线圈或线棒的表面之间，以及定子线圈表面上都可能产生局部放电（PD）。这些PD，有时口头上（不正确地）称为电晕^[3]，是由高压电场应力作用在主绝缘上所产生的。如果主绝缘中存在一个空气泡（也被称为绝缘发空或分层），电场强度高到使空气击穿，就会导致电火花。电火花中的电子和离子会使绝缘降解，如果不采取调整措施，反复的放电会最终在主绝缘上侵蚀出一个贯穿性的孔洞，导致绝缘失效故障。因此，有必要采取措施消除主绝缘中的发空现象，以防止定子绕组故障。另外，在线圈和线棒与铁心之间的表面间隙上需要采用局部放电抑制系统，以防止在任一间隙处发生局部放电。以下将讨论在主绝缘内部气泡中产生局部放电过程的物理机制。用于线棒和线圈表面的PD抑制系统则放在第1.4.5节讨论。

绝缘的电气击穿可以比拟为材料机械性能的失效。例如，一个材料的抗张强度取决于材料的固有特性（尤其是材料分子化学键的强度）和材料的横截面积。当材料的化学键在机械应力的作用下断裂时，材料就失去了它应有的机械性能。拉伸应力定义为单位截面积的材料所承受的力（重力）的大小，在国际单位制中，面积单位为m²，力的单位为kN，对应的应力单位为kPa。英制的应力单位经常用磅每平方英寸表示。材料（如钢丝绳）截面积越大，在断裂前能承受的力就越大。不同材料的抗张强度差别巨大。钢的抗张强度超过铜，而铜的抗张强度又比纸大几百倍。

电气击穿强度是绝缘材料的一个特性。电气击穿并非完全由电压决定。更恰当的表述是，它决定于电场，正如铜线的抗张强度不是单独由承受的拉力所决定，而是取决于单位截面积上的拉力。在平行电极板中的电场强度E，由下式表示

式中，V是以kV表示的金属平板间的电压；d是以mm表示的两个电极板之间的距离。请注意与抗张强度相类似，这里有一个几何尺寸的因素。如果金属平板之间的电压是逐渐（均匀）增加的，那么将会存在一个击穿电压，即在这个电压下，电火花会贯穿两个平板之间。使用式（1.4）就可以计算出绝缘材料的电气强度。击穿的过程是这样的：在绝缘内绕原子轨道运动的带负电荷的电子，由于受到正极性金属极板的吸引，从分子内被撕离出来，这称为电离。在电场作用下，电子加速朝正极板飞去，并且通常会与其他原子碰撞，也会使它们发生电离。一团正极性的离子云被留下来，它逐渐朝负极性极板飞去。电子和离子产生可以导电的等离子体，使具有电压差的两块金属极板之间发生短路，结果导致绝缘的电气击穿。空气电气击穿有两个实例：一个是闪电；一个是来自人体的静电放电。当一个人在干燥的空气环境下从地毯上走过时，他就被充电了，当他伸手摸向接地的门把手时，就会产生静电放电。

正如材料的机械（抗张）强度特性那样，每一种材料都有其各自的电气击穿强度特性。一个大气压（100kPa）下的室温空气中，在湿度较低的情况下，空气的电气击穿强度峰值约为3kV/mm。气体绝缘的电气击穿强度取决于气体的压力和湿度。例如，300kPa的空气，其击穿强度约为9kV/mm，这就是说，对于极间距相同的两个平板电极，其击穿电压（300kPa的空气）约是一个大气压（100kPa）空气的3倍。放电电压和气压与放电间隙之间的关系被称为帕申（Paschen）定律^[22]。空气和氢气的击穿强度大致相同。然而，因为氢冷发电机通常运行在300kPa或更高的气压下，这个压力下的氢气击穿强度为9kV/mm。正如后面我们还要谈到的，氢冷发电机允许的运行电压比大气压力下运行的空冷发电机更高，而大多数固体绝缘材料如环氧树脂和聚酯的复合材料，其固有电气击穿强度达到200kV/mm的数量级。也就是说，定子绕组所使用的固体绝缘材料在电气强度上差不多是空气的100倍。本章参考文献[22]较为详尽地讨论了电气击穿及其相关的物理原理。

主绝缘内部的空气或氢气气泡能导致气泡的电气击穿。这个过程被称为局部放电（PD）。为了理解这个过程，设主绝缘的截面如图1.12所示，若要在气泡中产生电气击穿，气泡上应有足够高的电场强度。使用一个简单的电容分压器的电路来等效这个过程（见图1.12b），就可以大致上计算出气泡上的电压。

为粗略地计算气泡的电容量，可假设它是一个平板电容，于是有

式中，ε是绝缘材料的介电常数；A是气泡的截面面积；d_a是气泡的厚度（图1.12a中以0.5mm为例）；介电常数通常被表示为

ε=ε_rε₀ （1.6）(www.xing528.com)

式中，ε_r被称为相对介电常数；ε₀为自由空间的介电常数，等于8.85×10^-12F/m，空气的相对介电常数为1.0。因而，假设气泡截面积为单位1，那么图1.12a中气泡的电容量就能够被计算出来。

图 1.12

a）紧邻匝绝缘位置含有内部气泡的某线圈横截面 b）等效电路图

气泡的电容C_a与代表固体绝缘材料的电容C_in串联。利用式（1.5），并假设固体绝缘材料的相对介电常数为4，绝缘材料电容的厚度为4mm，那么绝缘材料的电容量就可以估算出来。

参照图1.12b，通过简单的电路理论，可以算出气泡上的电压为

式中，V₀是施加的交流电压值（如果线圈处于相出线端，该电压有效值为8kV）；C_in为固体绝缘材料的电容值。使用式（1.7），计算电容的几何尺寸如图1.12a所示，请注意A和ε₀被同时约去，并假设空气和绝缘的相对介电常数分别为1和4，那么气泡上的电压为外加电压的33%。如果V₀为8kV（额定电压为13.8kV的定子，对于相出线端的线圈来说V₀即额定相对地电压），那么气泡上的电压约为2.6kV。注意到这是气泡上大致估算的电压。更精确的计算需要用到电场的有限元计算方法，而该计算方法目前很容易获得。由式（1.4）可知，气泡中的电场强度有效值为5.2kV/mm。这远远超出了空气的击穿强度峰值3kV/mm。因而气泡中将会发生电气击穿。击穿导致的电火花被称为局部放电。这种放电之所以称为“局部”，因为电火花仅存在于空气气泡或气隙中，绝缘的其余部分是完好的，足以承受外施电压（而整体性放电是真正的相对地击穿，它会引起接地故障继电器触发动作）。上述有关局部放电是否会发生的电容模型只是近似的。实际上，决定PD是否会发生需要用到有限元电场计算，并将线棒/线圈横截面和不同气泡形状所导致的非均匀电场考虑在内。关于局部放电现象更为准确的分析，请见本章参考文献[22，23]。

既然典型固体绝缘材料的固有击穿强度大约是200kV/mm，实际上，主绝缘本身没有发生击穿的可能。更确切地说，局部放电仅存在于主绝缘内部的气泡中。这些放电对主绝缘是有害的。因为反复的局部放电通过打断化学键最终会使固体绝缘劣化。电火花包含电子和离子，会轰击绝缘气泡内表面，这种轰击会击断材料分子的化学键，尤其是诸如沥青、聚酯和环氧等常见的用于主绝缘的有机材料。经过几年的时间，来自电子和离子的持续冲击将会在主绝缘上侵蚀出贯穿性的孔洞（称为电树枝），并引起接地故障。第8章将详尽地讨论PD引起的后果，在此仅强调一个重要的结论，即高电压线圈主绝缘内的气泡会产生PD并最终导致绝缘失效。