导致绝缘失效的成型绕组脏污故障机理及其等效电路分析

开启式空气冷却的电动机和发电机会进入灰尘、昆虫、工厂副产品（发电厂飞灰和煤灰、石油化工厂各种化学物、水泥厂水泥粉尘等）形成脏污。这些脏污与潮气或油的混合物在定子绕组上形成了部分导电层。油来自于氢冷发电机的密封油系统或各类电机的轴承，而潮气来自环境、蒸气泄漏、冷却水系统渗漏，以及（或者）来自于密封油系统。即使是全封闭式电机，在制造或维修期间遗留的异物也可能与油或潮气一起造成脏污。另一个颗粒来源是电机运行期间电刷（安装位置）产生的碳粉，或水轮发电机制动操作产生的氧化物。

导致绝缘失效的故障过程有两种，取决于定子是成型绕组还是散嵌绕组。

成型定子绕组 脏污故障机理仅发生在成型绕组线圈端部。如果脏污有一定导电性，例如每平方表面电阻低于几兆欧，其上有电位差就会有流过脏污的电流。图8.16绘出了绕组端部两个相邻线圈的横截面图及其等效电路图。假设两只线圈/线棒所属相别不同，脏污的A相线圈表面会因电容耦合效应而产生升至接近铜导体的悬浮电位，类似地，B相线圈表面悬浮电位也会趋向于升到接近B相电压。用于紧固端部绕组结构并起到电气隔离作用的绝缘垫块，跨接在两个线圈表面之间。垫块表面形成的脏污可表示成一个跨接垫块的“电阻”。绘成等效电路即如图8.16所示。如果两只线圈是两个不同相别的首端线圈，那么在正常运行期间，全幅线电压将施加在该等效电路上，并有小电流流过。

图8.16 绕组端部不同相的两个相邻线圈的断面图及其等效电路图。该图显示了微小的泄漏电流是怎样流动的

如果在脏污部位的电阻比线圈容抗高，那么线圈表面几乎与下面的铜导体等电位，也就是说，垫块上承受着接近于全部的线电压^[3]。如果横跨垫块的脏污电阻比较均匀一致，由于电流很小（10^-9A数量级）并且跨表面均匀分布流动，就几乎不会引起绝缘劣化。但实际上，脏污中存在“干燥带”，其电阻远高于脏污的通常电阻。在这种情况下，所有的电压差不多都施加到很小的干燥带上，导致相邻空气或氢气被击穿放电，该放电会使下面的有机树脂和胶带劣化，并可能炭化。最终，这小块面积会变得导电性很好，电场强度便转移到其他的高阻部位，并引起放电。结果就是爬电慢慢地沿绝缘表面发展（见图8.17）。爬电痕迹一般有很多枝杈，在垫块表面看起来像炭化和黑色的河流域网。随时间的发展，放电将会开始钻入主绝缘。如果异相线圈间发生爬电，会导致故障电流极大的相间故障。而同相的两只线圈间，如果一只接近相出线端，一只接近中性点，也会发生爬电。类似地，爬电也会沿着某只运行在高电位的线圈至铁心或沿着导电的绕组端部支撑环发生，而这尤其会发生在没有半导体覆层和分级防晕涂层的线圈上。(www.xing528.com)

图8.17 绕组端部不同相别的两只线圈间垫块上横跨的炭化（变黑）痕迹照片

该故障机理通常发展非常缓慢，从绕组脏污到绝缘失效常常要十年以上。

散嵌定子绕组 该过程与成型绕组定子有些不同。尽管IFD电压冲击能够引起爬电，但对散嵌绕组来说，爬电不是主要的绝缘老化机理。散嵌绕组发生绝缘老化的过程，似乎需要在老化之前电磁线上先有针孔或裂纹。电磁线上的针孔尽管很少，但这种现象确实存在。电磁线技术规范允许成品有少量针孔^[19]。另外，其他过程（例如热老化）也会使电磁线绝缘产生裂纹，并且绝缘磨损也会使铜导体裸露。当绕组上有针孔或裂纹时，部分导电的污物允许50Hz或60Hz的电流在不同电位的匝间流动。由于电流距离很短，电流可能相对很大（与成型线圈相比）。电流可引起油和灰尘炭化，使电阻进一步降低，最终，电阻低到足以使匝间产生巨大的环流（见第1.4.2节），造成一处匝间短路，进而很快会发展成接地故障。

先前存在的针孔或者裂纹发展延伸的时间，与污物的电导率一起决定无故障运行时间。有些情况下，故障可能在投运几周内发生，有些却可能要长达30年。