同时,半导电层还有一定的隔热作用,防止运行时损耗产生的过热现象加速了绝缘的老化[17]。电缆绕组的外护层通过高压直线电机的定子铁心接地,保持电缆外护层为零电位,这样不仅有利于设备安全,且极大地降低了电机绕组的电晕放电几率,延长了电机绕组的使用寿命。
然而实际运行中,电缆外护层通过定子铁心接地并不能保证整个电缆外护层为零电位。研究表明,与接地系统相连部分的电缆表面电位为零,而与接地系统不接触的电缆表面仍有一定的电位,因此在电场畸变处仍会发生电晕放电[14]。
电晕是强电场作用下导体周围空气的电离现象,它的产生不仅与导体本身有关,而且还与导线周围空气的条件有关。当导体表面的电场强度超过某一临界值时,空气中原有的离子具备了足够的动能,撞击其它不带电分子,使后者也离子化,最后形成空气的部分导电。使空气开始电离的电场强度即为电晕起始电场强度Ecr,计算导线电晕起始电压的经验公式[18]为:Ecr=21.4m1m2D; (1)D=0.00299b273+Ha。(2)式中,Ecr为电晕起始电场强度, kV/cm;m1为粗糙系数;m2为气象系数;D为空气的相对密度;b为大气压力,Pa;Ha为空气温度,bC。结合静电场作用下针板电极的起晕电压和间隙距离之间的实验曲线[19],电缆绕组表面发生电晕放电的起始场强的大致范围为1~2 MV/m。
实际的直线电机电缆绕组通过不锈钢接地套管接地。接地套管嵌在定子铁心中,与定子电缆绕组形成弹性接触。图3给出了高压电机电缆绕组通过接地套管接地时,位于定子槽内电缆的电场分布[14,15]。图3(a)是单相电缆绕组及定子铁心的计算模型,其中1-导体,2-内半导电层,3-绝缘层,4-外半导电层和外护层,5-接地套管,6-定子,电缆绕组上半部嵌于接地套管内,下部分表面裸露于空气中。
电缆绕组的尺寸及介电参数同图1的计算模型,电缆工作电压为816 kV,计算中接地套管设置零电位边界。
电缆截面及套管附近的场强分布如图3(b)所示,最外面轮廓为定子铁心的局部截面。由图中可看出,在定子铁心出槽口处的电缆表面发生场强畸变。为了清楚地观察电场畸变处场强的分布,图3(c)给出了平行于电缆直径横穿出槽口两侧电场畸图3 有接地套管时电缆的电场分布Fig.3 Field intensity near the cable and ground bushing变点直线x上的场强分布,其中3-绝缘层,O-电缆出槽口处。由图中可看出,出槽口处畸变点的场强高达1135 MV/m,因此,电缆绕组在定子出槽口处可能发生电晕放电。
同时,位于定子槽内的电缆绕组在循环的电磁力作用下可能与接地系统发生松动,这样在两者的间隙内可能发生电晕放电。在电缆绕组某处无良好接地即电缆与接地套管间有气隙时电缆电场分布的计算中,良好接地部分的外护层电势为零,不良接地处距电缆表面较小位置的接地系统处电势为零。
图4(a)是电缆在415 kV工作电压下,某点(A处)不良接地时引起的电场畸变云图。从图中可看出,电缆的不良接地将引起此处电缆内外的场强发生畸变,从畸变区域的放大图可看出,接地不良处电缆表面的场强急剧升高。图4(b)给出了电缆良好接地和不良接地处场强的径向分布对比曲线,结果更清楚地表明,当电缆某处不良接地时,此处场强将急剧升高,本计算条件下为01706 MV/m。
研究表明,电缆表面与接地系统发生松动时,两者之间气隙的大小直接影响不良接地处的场强畸变率。图5是直线电机电缆绕组在工作电压816 kV时电缆某点不良接地时的电场分布,其中横坐标表示不良接地点距电缆导芯的径向位置,纵坐标为不良接地处电缆表面的最高场强。
结合起始电晕场强公式可看出:在电缆径向约1917 mm处不良接地时,即电缆表面和接地套管间有0135 mm或更小的气隙时,电缆表面在气隙处将发生电晕放电,径向约1917~2018 mm处不良接地时,电缆表面在适当的条件下很容易发生电晕,在径向2018 mm之外,即电缆表面和接地套管间有0165mm的气隙时,此处发生电晕放电的可能性很小。
另外,由于高压直线电机电缆绕组仅在定子槽内与接地系统直接相连,而电机端部绕组并没有与接地系统直接接触,这样两相绕组叠压处电位不为零,当此处电场畸变到一定程度时同样会发生电晕放电[15]。
总的看来,高压直线电机电缆绕组发生电晕放电的几率相对传统高压电机的定子线棒来说小很多,但在电机定子出槽口处、电缆绕组不良接地处及电机端部等位置仍可能发生电晕放电。其长期作用会加速电缆外护层及绝缘层的腐蚀,使绝缘快速老化而失去其绝缘性能。
