在設計容量為數百萬伏安（MVA）以上的新式水輪發電機時，由於采用的電氣應力，機械應力及熱應力這些運行參數比過去用於小型發電機及老式發電機慣用的運行參數要求更高，其結果導致某些故障出現得更加頻繁, 且發電機的預期壽命亦不如往常能夠達50年之久。明確的數據顯示, 過去 10 年所生產的發電機的局放活動要高於老舊（甚至更年老）的發電機。

　　這篇論文回顧了世界各地大型水輪發電機過早退化及故障的經驗。分析了這些故障是由於定子線棒間的電氣連接不良, 定子槽內的線棒鬆動, 振動火花, 防暈塗層設計不良及端部繞組間距不足所造成的結果。此外，也討論了應用較好的技術規範於新式發電機，從而避免過早故障的方法，以及先進的診斷監測技術。

　　概述

　　采用環氧雲母絕緣製成的新式大型水輪發電機定子繞組的預期壽命是50年以上[1]。最近一項與加拿大電氣協會有關組織所讚助的對新式和老式絕緣係統的全球調查顯示, 定子繞組在重新繞製前可正常運轉50年[2]。但有一些跡象表明，在過去十多年所生產的發電機壽命是無法達到50年的。

　　決定定子繞組壽命的關鍵因素是被使用作為隔離高電壓銅導體及定子鐵芯的電氣絕緣。比起定子繞組內其他的組成材料如銅或鋼, 絕緣材料有較低的熔點和較弱的機械強度。結果是，隨著運轉時間的增長, 絕緣是最有可能發生老化及惡化，最終導致接地故障。另一個可能出現故障的是銅導體 - 特別是線棒沒有被牢靠的固定在線槽內(因此產生振動)，或兩個線棒間焊接品質不良。

　　遺憾的是，現在要對過去十年所生產的發電機定子繞組的預期壽命有相同或較低穩定度的統計進行證明還言之過早。然而, 在線局放測試[3]已被世界各地的發電公司采用, 偵測發電機運行中定子繞組可能發生的絕緣問題和連接問題。在說明近期水輪發電機的故障現象前，從數千台電機上采集的局放數據與老舊機組比較後，顯示了定子繞組問題似乎是過去十年中較普遍發生的故障。最後, 討論發電公司如何確保定子繞組的長期壽命。

　　局放量大小與電機製造年代的關係

　　在對數以千計的電動機和發電機所采集的在線局放數據分析後發現, 一些電機製造廠在過去十年所生產的電機定子繞組的局放量超過他們10年前所生產的電機定子繞組的局放量[4]。例如, 圖1顯示位於歐洲、北美和日本的大型電機製造商在不同年代生產的定子繞組局放量與生產年代的關係。 這些電機包含了13-15kV的空冷型機組。 這一數字顯示，四家電機製造廠於2003年所出廠電機的局放量比1995年前出廠的電機局放量明顯高出許多。而高的局放量通常代表了定子繞組絕緣正快速老化, 同時存在電氣接觸不良的隱患。 高的局放幅值是對近期製造的電機定子一個值得關心的客觀資訊。

　　圖一：9個電動機及發電機製造廠家定子繞組製造或重新繞製的年代與其局放值的關係。大多數局放測試於2003年。

　　定子繞組的故障

　　防暈塗層的問題

　　大部分電壓高於6 千伏的定子繞組，位於線槽內的線棒或線圈表麵都會塗上/包上摻入石墨的塗層或繃帶。這個“半導體”塗層防止了存在於線圈表麵與鐵芯間無可避免的間隙所發生的局放。 此外,大多數電機製造商對靠近線槽出口端10厘米左右的線圈表麵塗上/包上摻有矽碳的塗層或繃帶。這種矽碳塗層（防暈塗層）與小部分的半導體塗層重疊，可以降低發生在半導體塗層末端的高電場。

　　1970年代, 因製造過程的塗層問題, 導致許多的電機出現了非常高的局放量和高臭氧濃度。原因似乎是來自半導體塗層及防暈塗層沒有均勻的分布於絕緣表麵或施工時造成塗層與絕緣表麵間的微小空隙。這兩種情況都會造成局放的產生。局放會引起臭氧進而對塗層表麵及絕緣造成化學腐蝕（不是指熱交換器金屬和橡膠部件），並進一步擴散。如果繞組絕緣運行在高電壓應力和/或高溫條件下，這一問題會更嚴重。如下麵討論的，現今製造的繞組絕緣，比起過去更薄且工作在更高溫度下[6]。也許正是因為這個原因，這類故障現象在過去幾年一直重現。

　　圖二顯示了一部水輪發電機在半導體塗層及防暈塗層的交界處有非常明顯的白帶現象。圖三顯示了因半導體塗層的塗抹工藝不當, 導致線槽內線棒的半導體塗層已消失。這個現象通常僅發生在11千伏（含）以上的空冷型機組。

　　圖二：由於半導體塗層的塗抹工藝不當或沒有適當的防暈塗層，在兩個塗層的交界處有非常明顯的退化現象（顯現白帶處）。

　　圖三：顯示了因半導體塗層的塗抹工藝不當引起的局放及臭氧，破壞線槽內線棒的表麵塗層。槽楔已被取下，圖片中白色的區域顯示了塗層已消失。

　　定子槽內的繞組鬆動

　　繞組鬆動對於采用熱固化絕緣係統（如環氧雲母）的定子而言, 一直是個長期存在的問題。第一個被報導的實例發生於50年前[1、5]。故障問題的根源是電機在滿載運轉時，如果線棒未被緊緊的固定在線槽內，會有相當於二倍電源頻率的電磁力施加於線棒上，使其在槽內產生運動。因此，主絕緣會與如銼刀般的鐵芯相摩擦。首先線棒或線圈表麵的半導體塗層會被磨蝕掉, 緊接著是主絕緣受損。這種故障通常稱為槽內放電，因為一旦導電塗層表麵被磨損，局部放電就會在線棒表麵和鐵芯間的空隙產生,進一步加速絕緣的惡化。

　　圖四顯示了正在從槽內取出的一根定子線棒, 其表麵的半導體塗層和約30％的主絕緣厚度已被磨損。這是由於電機製造廠沒有采用合適的線棒固定措施, 例如側麵填充材料, 波紋彈簧板, 對頭槽楔, 及槽內適形材料等等。可能的原因是為了降低製造成本。

　　圖四：由於發電機槽內沒有足夠的側麵填充材料或徑向緊固槽楔, 導致繞組鬆動造成線棒磨損。線棒正被從線槽中取出以進行更換。

　　振動火花

　　與發生在槽內的線棒鬆動相似的問題是振動火花(有時稱為火花侵蝕)。其發生的前提是線棒鬆動(非采用整體浸漬製成的傳統繞組)。另一重要因素是製造廠在槽內的線棒表麵使用的半導體塗層導電率過高 [7、8]。因此,當槽內的線棒鬆動,線棒的表麵與鐵芯就會形成隔離, 在線棒表麵的半導體塗層,矽鋼片及鐵芯背部的定位筋間會形成一個電流回路。在鐵芯上的主磁場作用下, 如果半導體塗層有足夠的導電性, 電流就會在這個回路流動。由於線棒振動, 使得線棒表麵塗層與鐵芯失去接觸,進而產生火花並破壞線棒絕緣。這種故障源於兩種原因，設計欠佳或製造質量問題所引發。

　　這種故障的破壞力是非常驚人的,可在5年內就使電機發生故障。雖然大多數的電機製造廠都非常謹慎的塗上具最小電阻的半導體塗層, 但下方顯示了一部10年的汽輪發電機因過高導電率的半導體塗層而導致故障(圖5)。振動火花是由於磁場所引發的, 會發生在繞組的任何部位,與僅僅會發生在靠近高壓出線端部位的槽放電不同。

　　圖五：因振動火花造成電機故障的線棒正被從線槽中取出, 這根線棒是位於繞組的中性點附近。

　　端部繞組放電

　　高壓繞組與來自鄰近不同相位的另一繞組間, 必須有一定的間隔,否則在繞組間的空氣中就會產生局部放電。這個放電將逐漸的侵蝕主絕緣,並導致相對相短路故障。電機的電壓愈高,主絕緣愈薄,繞組間距必須更大[5]。

　　不幸的是,我們發現近幾年製造的水輪發電機, 因繞組間距不足而引發高局放(及臭氧)。圖6顯示來自不同相位的兩根繞組, 因間距不足產生放電(及臭氧)並形成白粉殘留。圖7顯示出同一現象, 來自不同相位的兩路彙流環。二個案例皆是因間距不足引發局放及臭氧對絕緣的破壞, 如果絕緣材料是環氧雲母, 這將是緩慢的破壞過程。但是, 如果局放發生在線棒連接處的端盒間, 因為此處的材料通常是對局放抵禦力較低的環氧樹脂(而非環氧雲母), 因而故障將會更快的來臨。

　　圖六：顯示來自不同相位的高壓繞組, 因間距不足產生放電。圖中顯示各繞組間的間距是不規則的, 這是明顯的製造質量問題。

　　圖七：來自不同二個相的彙流環, 因間距不足引起的局放。

　　電氣接觸不良

　　在一個水輪發電機的定子繞組內, 有成千上萬個電氣接點。大多數的接點是線棒間的連接。通常是通過將兩根線棒焊接在一起, 並在連接處套上端盒進行絕緣。這種大量且冗長乏味的工作, 需要有熟練技巧的技工來完成。如果技能不足, 或因體力不支造成質量不均, 那麼某些連接點的阻抗將會過高。這些高阻抗接點會產生較高的溫升, 高溫又使得阻抗進一步提高, 接點附近的部位將因高溫而劣化。此外,繞組端部振動(由於100Hz磁力)會加快這種劣化的進程。最後,因接點溫度很高, 造成絕緣及線棒熔化。一旦接點斷裂,這兩根線棒端部間會出現嚴重的電弧,導致閃絡及嚴重的局部破壞(圖9)。

　　圖九：一部13.8千伏,10.4萬千伏安水輪發電機的線棒連接處故障。

　　避免定子過早的故障

　　上述這些過早的故障皆是定子線圈設計和/或製造的問題。具體地說:

　　• 由於塗層的塗抹不良, 造成防暈塗層的問題。塗層劣化的加速造成絕緣係統在120ºC以上的高溫條件下運行和/或主絕緣承受高於3KV/mm的平均電壓應力。

　　• 端部繞組局放的可能原因:(一)線棒尺寸控製不佳和/或線槽內緊鄰的線棒排列不一致。(二)線棒端部轉折半徑過小, 導致連接處沒有足夠間距。和/或(三)在安裝緊固和支撐結構件時考慮的間距及爬電距離不夠。

　　• 繞組鬆動的原因可能是未詳細考慮因絕緣材料及楔塊逐漸收縮的影響,或為使線棒能容易安裝入線槽內, 而犧牲了線棒於線槽的密合度。

　　• 線棒與線棒間的焊接問題常是因為製造技藝不成熟, 綁匝品質管理不嚴謹所導致。


　　參考[1] 內包含了如何讓線圈運轉50年的細節, 其中重要部分將在以下說明。

　　較優良的繞組技術規範

　　避免定子線圈絕緣過早出現問題的最好辦法，就是需要有一個適當的采購技術規範。 IEC 60034要求定子線圈絕緣僅需通過AC耐壓測試。 此外，電機製造廠經常對線圈運轉溫度限製的設計有所混淆。 因此，除了IEC60034要求的有關部分外，用戶應載明下列規範:

　　• 對30年壽命的電機, 在 Class B的運轉溫升條件下, 需采用 Class F 的絕緣係統。這意味著線圈溫度(線槽內RTD所量測)不得高於120ºC。要求電機壽命更久,更低的溫度限製是必要的。

　　• 要求主絕緣必須通過IEEE1043和IEEE1553(IEC沒有同等規範)所規定的電壓耐久性測試。要求通過電壓耐久性試驗比規範最高電壓應力的設計更有效, 但是，這樣可能會推遲引進新材料和新工藝。為了更進一步的保證，可以要求從定子線棒批量生產線中提取線棒供接受電壓耐久性試驗用。

　　• 要求對新線圈進行局放試驗, 並與常規防暈測試同時進行,以確保線圈被適當的浸漬, 及端部線圈有足夠的間距 [9、10]。

　　• 對於多匝式線圈, 要求依據IEEE522(IEC60034 第15節是通用規範, 不容易發現匝間絕緣的問題)進行電湧測試。

　　• 要求使用當槽內線棒收縮時, 有抑製效果的槽楔或側麵填充材料,確保槽內物體不會鬆動。 這可以包括使用兩個或三個的部分槽楔, 波紋彈簧板和/或槽內適形材料，例如矽橡膠。 另一方麵，考慮規定線圈和鐵芯的間距不超過0.1毫米。

　　• 堅持有權在不需事前通知的情況下, 買方或代表買方的專家, 可在定子製造過程中, 到電機製造廠對線棒或線圈的製造進行廠驗。

　　上述大多數條件可能會增加定子線圈的製造成本, 但可換來線圈更長的壽命及較少的維護。 業主亦有責任確保電機在規定條件下運轉, 確保線圈清潔及牢固, 並在電機製造廠提供的保修期結束前進行目視檢查。如果電機製造廠可以向用戶解釋電機成本與壽命間的取舍, 對他們在設計新線圈時, 將是非常有幫助的。

　　監測

　　另一方麵, 對定子線圈進行狀態監測，偵測到線圈的問題時及早進行維修, 使得定子線圈有更長的壽命。對於水力發電廠的用戶, 現在有許多工具可以偵測到發展中的潛在問題。 而最重要的信息是來自專業人員定期對電機進行的細部目視檢查。許多用戶在每年幾天的停機時間, 在不拉出轉子的情況下進行局部檢查。主要檢查部位包括了定子槽楔(是否鬆動)、端部繞組(繃帶是否有斷裂或腐蝕跡象)和確定線圈是否受到了汙染。


　　為擴大簡易的目視檢查, 還需執行:

　　• 絕緣電阻和極化指數測試[5]，客觀地評估線圈是否被汙染。

　　• 離線或在線的局放測試[5,10], 可以偵測絕緣過熱, 熱循環、線圈鬆動, 防暈塗層等問題, 及上述所提到的一些製造問題。這些潛在故障在被目視檢查發現前, 都可被有效的偵測到。

　　• 高電壓(hipot)測試, 以確保尤其是在端部繞組部位的主絕緣沒有嚴重裂縫 。但是，這種試驗的風險是可能將繞組擊穿。


　　結論

　　1. 線槽內線圈的磨損, 防暈塗層的退化及端部繞組的局部放電等問題, 已經導致近期生產的發電機在僅僅運轉五年的時間就出現故障。事實證明, 某一些電機製造廠近年所生產的電機局放量要高於10年前出廠的同類型電機。

　　2. 為避免過早的故障, 新式水輪發電機的用戶應確保有一個良好的采購規範和確保電機製造廠有優良的品質管理流程。要使電機長壽, 用戶應對定子線圈進行狀態監測並積極地修理任何早期發現的問題。

　　參考

[1] J.F. Lyles et al, “Parameters Required to Maximize Thermoset Hydrogenerator
Winding Life”, Parts 1 and 2, IEEE Trans EC, Sept 1994, pp620-635.
[2] J. Kapler, “Optimum Timing For Generator Stator Rewinds Based on Generator
Condition Assessment and Statistical Methods”, CEATI No. T052700-0321A, 2008
[3] G.C. Stone, H.Jiang, “Analysis of Stator Winding PD Activity and the Correlation

with Insulation Condition”, First International Conference on Hydropower technology,
Beijing, Oct 2006, pp78-84.
[4] G.C. Stone, V. Warren, “Effect of Manufacturer, Winding Age and Insulation Type
on Stator Winding PD Levels”, IEEE Electrical Insulation Magazine, Sept 2004, p13.
[5] G.C. Stone et al, “Electrical Insulation for Rotating Machines”, Wiley-IEEE Press, 2004
[6] B.J. Moore, R. Rehder, R. Draper, “Utilizing Reduced Build Concepts in the
Development of Insulation Systems for Large Motors”, Proc of IEEE Electrical Insulation
Conference, Cincinnati, Sept 1999, pp 347-352
[7] M. Liese, M. Brown, “Design Dependent Slot Discharge and Vibration Sparking on
High Voltage Windings”, IEEE Trans DEI, Vol 15, Aug 2008, pp 927-932.
[8] G.C. Stone et al, “Impact of Slot Discharges and Vibration Sparking on Stator
Winding Life in Large generators”, IEEE Electrical Insulation Magazine, Sept 2008, pp
14-21.
[9] G.C. Stone, “A Suggested Approach for Specifying PD Testing as a New Winding
Acceptance Test”, Proc. IEEE Electrical Insulation Conference, Oct 2005, p159
[10] IEC Standard IEC 60034 Part 27, “Rotating Electrical Machines – Part 27 PD Measurements on the Stator Winding Insulation of Rotating Machinery”, Oct
2005.

簡歷

　　葛雷格.斯通博士在加拿大滑鐵盧（Waterloo）大學獲得電氣工程博士學位。自1975年至1990年間，他在當時北美最大的電企業安大略省電力局致力於電動機及發電機的絕緣狀況的評估工作。在此期間，他開發了用於水輪發電機的PDA測試技術。自1990年，他工作於他協助創建的IRIS電氣工程公司。IRIS公司是發電機及電動機局放監測設備的製造廠家。針對發電機及電動機的絕緣係統，他出版過兩本書和150多篇技術論文。他獲得了很多榮譽，是美國電機及電子工程師學會（IEEE）的資深會員，並曾擔任IEEE電介質及電氣絕緣學會的會長以及負責製定旋轉電機絕緣標準的IEC SC 2J委員會的主席。