何智蓉，陳 勇，陳永庚，彭 涵

（中國長江動力公司集團，湖北 武漢430068）

交流高壓電機的絕緣系統(tǒng)主要有兩大體系：多膠模壓體系和真空壓力浸漬體系.真空壓力浸漬（簡稱VPI）是工件先在真空下排除白坯線圈內(nèi)部的空氣及揮發(fā)物，然后在加壓下浸漆的方法，是先進的絕緣處理技術(shù)之一.VPI絕緣技術(shù)在國外高、低壓電機領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應用，國內(nèi)在高壓發(fā)電機上發(fā)展較慢，目前單只VPI定子線棒絕緣體系仍停留在國外技術(shù)引進階段，對VPI整浸研究才剛剛起步.

空冷汽輪發(fā)電機的優(yōu)越性在于機組省掉了定子水冷卻系統(tǒng)，運行時定子繞組產(chǎn)生的熱量通過對地絕緣散熱后，再由空氣介質(zhì)冷卻，機組運行時的冷卻和散熱問題，是制約空冷汽輪發(fā)電機單機容量提高的主要因素.整機VPI相對線圈VPI而言，不僅減少線棒制作時所需要的工裝模具和工序，而且使線棒與槽壁沒有間隙，提高傳熱性能，有利于定子線棒冷卻，同時防止鐵芯槽楔與線圈松弛，消除鐵芯與線棒之間的振動磨損，因此發(fā)電機定子整浸是真正意義上的VPI，空冷發(fā)電機適合采用整浸VPI絕緣技術(shù).

引進國外VPI整浸絕緣體系成本很高，故選擇國內(nèi)較早從事VPI浸漬樹脂和少膠粉云母帶研究生產(chǎn)廠家，開展了自主的VPI絕緣結(jié)構(gòu)設計和絕緣工藝研發(fā)試驗，希望通過試驗，摸索出有自己特色的空冷發(fā)電機整浸絕緣體系，降低發(fā)電機定子制造成本，發(fā)展民族企業(yè).

1 定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)

線棒為單匝雙排條式，單邊主絕緣厚度為2.4 mm.排間絕緣采用膠含量為50%多膠板，線棒經(jīng)過排間熱壓膠化后包扎少膠帶.采用A公司生產(chǎn)的5442－1T含促進劑的環(huán)氧玻璃少膠粉云母帶和B公司生產(chǎn)的R－1145純環(huán)氧酸酐VPI樹脂.

線棒采用二級防暈結(jié)構(gòu)，防暈帶采用C公司提供的VPI專用防暈帶.

2 定子整浸線棒制作

2.1 線棒包扎

用FANUC ROBOT R－2000iA 165A 全自動恒張力包帶機對線棒進行包扎.初始包帶張力為50 N時，少膠帶有掉粉現(xiàn)象，調(diào)整包帶張力為45N，少膠帶仍有掉粉現(xiàn)象，最終調(diào)整包扎張力為40N.

主絕緣包扎完畢后，手工包扎防暈層，線棒端部（模擬模具外）1／2包扎 VPI防護帶J611－1熱收縮薄膜交織布絕緣保護帶.

試驗發(fā)現(xiàn)，要保證線棒包扎的緊度和致密性，需要一定的包扎張力，而國產(chǎn)少膠云母帶在設定的包扎張力下，有掉粉現(xiàn)象，只能降低包扎張力包扎，使包扎出的白坯線棒緊度和致密性降低，尺寸偏大.

2.2 利用仿真模具對白坯線棒真空壓力浸漬和烘焙固化

采用有模擬通風溝的模具，按R－1145純環(huán)氧酸酐浸漬工藝，對線棒進行浸漬和烘焙固化.

3 試驗［1－4］

3.1 固化后線棒外觀檢驗試驗

隨機抽取4根線棒進行外觀尺寸檢查，試驗數(shù)據(jù)見表1.從表1數(shù)據(jù)可以看出，同一根線棒上窄邊尺寸相差較大，使線棒表面凹凸不平.主要由于包扎少膠帶時，包扎張力不能達到要求，包扎緊密度較差，嵌線過盈量過大，使白坯線棒經(jīng)真空浸漬、加熱固化后，槽內(nèi)線棒鐵芯部位、通風溝及端部線棒三者壓緊度不同，氣隙不同，造成浸漬后線棒主絕緣層的樹脂含量有較大差異（表2），線棒表面凹凸不平.

表1 線棒外觀尺寸

發(fā)電機運行時，如果線棒表面凹凸不平，很容易造成低阻防暈層磨損，進而引起槽內(nèi)局部放電，影響電機運行壽命.

3.2 線棒主絕緣層不同部位樹脂含量分析試驗

抽取2根線棒，檢測線棒不同部位主絕緣層中的樹脂含量，試驗數(shù)據(jù)見表2.

表2 線棒主絕緣層各部位樹脂含量

從表2數(shù)據(jù)可知：線棒端部主絕緣樹脂含量＞槽內(nèi)通風槽口處樹脂含量＞槽內(nèi)鐵心樹脂含量，同一根線棒上，不同部位膠含量分布很不均勻，特別是槽內(nèi)通風槽與模擬鐵芯的線棒主絕緣層樹脂含量相差5.1%，使線棒主絕緣層內(nèi)電場分布不均勻，容易引發(fā)局部放電，影響電老化壽命試驗.

3.3 線棒介質(zhì)損耗角正切試驗

3.3.1 線棒室溫介質(zhì)損耗試驗 隨機抽取5根線棒，測量室溫時線棒tanδ隨電壓變化關(guān)系，試驗結(jié)果見圖1.

圖1 線棒室溫tanδ與電壓關(guān)系

3.3.2 不同溫度，線棒介質(zhì)損耗隨電壓變化試驗隨機抽取2根線棒，測量不同溫度下線棒tanδ隨電壓變化關(guān)系，試驗結(jié)果見圖2.

圖2 不同溫度下線棒tanδ與電壓關(guān)系

線棒常態(tài)和熱態(tài)tanδ和Δtanδ均符合JB／T7608－2006標準要求，并且達到DS／ZJ002－2002中一等品及以上要求.線棒常溫10kV電壓下的tanδ比2kV電壓下tanδ增大了32%～109%，但隨著電壓升高，熱態(tài)tanδ變化僅為4.2%～6.1%.推斷線棒內(nèi)存在微小氣隙或夾層極化，常態(tài)時，隨電壓升高，線棒內(nèi)的氣隙出現(xiàn)局部游離放電，而使tanδ增大，高溫時氣隙由于固體絕緣的膨脹而受到壓縮，引起線棒中的氣隙變小，減少了局部游離放電，使tanδ升電壓變化較小.

3.4 線棒瞬時工頻擊穿試驗

試驗在室溫變壓器油中進行，從40kV電壓開始，按2kV／s逐步升壓，直到主絕緣擊穿或防暈發(fā)生沿面擊穿，試驗數(shù)據(jù)見表3.

表3 線棒瞬時工頻擊穿試驗

從表2可知：5根線棒的瞬間擊穿電壓和擊穿場強均達到DS／ZJ002－2002標準中優(yōu)等品要求.線棒的瞬間擊穿場強平均值高達36.22kV／mm，而我公司多膠模壓結(jié)構(gòu)制作出的線棒瞬時擊穿場強僅為27kV／mm.說明VPI絕緣工藝可以提高線棒電氣強度，同時也說明采用國產(chǎn)材料制作的整浸VPI線棒的瞬時介電性能不低于國外水平.

分析線棒擊穿點，發(fā)現(xiàn)線棒擊穿點多數(shù)位于通風溝與鐵芯交接處，即線棒凸起與平面交接處角部.

3.5 線棒1min階梯升壓擊穿電壓試驗

試驗在室溫變壓器油中進行，從40kV電壓開始，保持1min，隨后每增加5kV電壓，保持1min，直到主絕緣擊穿或防暈發(fā)生沿面擊穿（表4）.

表4 線棒1 min階梯升壓試驗數(shù)據(jù)

采用嚴酷的1min工頻階梯升壓法獲得的擊穿場強在26kV／mm以上，高于行業(yè)標準DS／ZJ002－2002中瞬時擊穿場強一等品的要求.

3.6 線棒耐候性試驗

從室溫以一定的升溫速度升至155℃保溫16 h，然后迅速降至室溫為一個循環(huán)周期，循環(huán)次數(shù)為25個周期，線棒常、熱態(tài)介質(zhì)損耗試驗示圖見圖3.

經(jīng)25個周期的冷熱循環(huán)，線棒常、熱態(tài)介質(zhì)損耗及增量仍能滿足JB／T7608－2006標準要求，并能達到DS／ZJ002－2002中合格品要求.但室溫0.6UN的tanδ由1.063%（平均值）升至1.446%，增幅達36%；155℃時，0.2UN的tanδ由5.254（平均值）升至8.150%，增幅達55.14%，0.6UN的tanδ由5.459（平均值）升至9.073%，增幅達66%.

圖3 線棒冷熱循環(huán)后，常、熱態(tài)tanδ與電壓關(guān)系

分析認為：線棒中銅線與主絕緣間的線性膨脹系數(shù)的差異，導致導線與絕緣層間產(chǎn)生一定剪切應力，經(jīng)過25周期冷熱循環(huán)的熱應力作用，銅線與主絕緣間產(chǎn)生了微小間隙，隨電壓升高，線棒內(nèi)間隙和線棒內(nèi)原有的氣隙局部游離放電加劇，使高溫和高電壓下的介質(zhì)損耗增幅較大，線棒有熱老化跡象.

3.7 線棒主絕緣彎曲和沖擊性能試驗

將主絕緣層從線棒表面剝離，制成標準試樣，分別進行沖擊和彎曲性能試驗，試驗數(shù)據(jù)見表5.

表5 線棒主絕緣層彎曲和抗沖擊性能

整浸VPI線棒常態(tài)彎曲強度高出多膠模壓線棒25.3%，熱態(tài)彎曲強度高出37%.少膠VPI線棒的沖擊強度比多膠線棒的沖擊強度稍低.

3.8 線棒耐電壽命試驗

3.8.1 3UN快速電老化試驗 取二根線棒并聯(lián)，施加工頻電壓，按照連續(xù)升壓的方式將試驗電壓升到31.5kV，然后，維持在此電壓下直到主絕緣擊穿為止.試驗在室溫空氣中進行.其中一根線棒在30h39min擊穿，擊穿點在線棒出槽口處角部，有明顯灼燒痕跡.另一根線棒未擊穿.

室溫3UN快速電老化擊穿時間30.65h，滿足西門子公司的要求（＞10h）.

3.8.2 2UN快速電老化試驗 取5根線棒并聯(lián)，施加工頻電壓，按照連續(xù)升壓的方式將試驗電壓升到21.0kV，保持電壓直到線棒擊穿，7＃、16＃、31＃、32＃、44＃線棒2UN電老化壽命分別為436h、333h、365h、437h、168h.

室溫2UN快速電老化壽命為365h（取中值），小于1 000h.其中4根線棒擊穿點均為線棒直線部位的通風溝與鐵芯交接附近.

3.8.3 電熱老化試驗 取3＃、12＃、18＃、40＃、41＃線棒進行熱電老化試驗，工頻電壓24kV，試驗溫度155℃.41＃線棒8h20min擊穿，觀察線棒表面有碳化痕跡，低阻部位有明顯膨脹，線棒擊穿點剖示圖見圖4，3＃、12＃、18＃、40＃線棒未擊穿，表面碳化痕跡不明顯，發(fā)現(xiàn)4根線棒低阻防暈全部脫殼，主絕緣層呈棕黃色，組織顯微示圖見圖5.

圖4 線棒擊穿點剖示圖

圖5 線棒擊穿點附近主絕緣顯微示圖

從圖5可看出，主絕緣層有碳化痕跡.線棒耐電壽命試驗擊穿點大部份在線棒“平滑”處與“凸起”交接附近.

綜合分析線棒介質(zhì)損耗試驗數(shù)據(jù)、階梯升壓擊穿數(shù)據(jù)和電老化試驗結(jié)果，分析部分試驗數(shù)據(jù)不理想的原因有兩方面.其一，線棒制作時線棒包扎緊密度較差，白坯線棒嵌線時過盈量較大，造成線棒表面“凹凸”不平，在外施高電壓作用下，線棒表面容易發(fā)生局部游離放電，局部放電逐漸損傷低阻防暈層，造成線棒“脫殼”，使局部放電增加，線棒損耗加劇，發(fā)熱量上升；其二，排間絕緣采用多膠板，因膠化工藝不當，使線棒熱壓膠化后，細小氣隙被包封在膠化線棒中，線棒VPI處理時，樹脂無法對氣隙有效填充，隨電壓升高，氣隙發(fā)生局部放電，也促使線棒介質(zhì)損耗上升，發(fā)熱量上升.如果線棒發(fā)熱量總大于散熱量，隨時間延長，線棒內(nèi)溫度持續(xù)上升，此時線棒內(nèi)銅線處溫度最高.當溫度升高到一定數(shù)值時，主絕緣與股線之間會出現(xiàn)貫穿性間隙，即脫殼，主絕緣脫殼后，主絕緣與繞組股線之間形成了一個空氣隙，使導熱情況變壞，線棒溫升加大，引起線棒內(nèi)有機絕緣材料（匝間膠化材料）分解、熔化、碳化等.從41＃線棒擊穿剖視圖可以看出，由于主絕緣機械強度較高，密封性極好，主絕緣內(nèi)分解產(chǎn)生的氣體無法排出，促使線棒內(nèi)的間隙形成高氣壓使線棒膨脹鼓起，最終使主絕緣在高溫、高氣壓和高電場作用下?lián)舸?筆者認為排間膠化材料及其膠化工藝、白坯線棒包扎及其嵌線工藝是造成部分試驗數(shù)據(jù)不理想的主要原因.

重新制作了3根線棒，線棒為單匝單排條式，沒有排間絕緣，控制少膠帶包扎拉力為55N，嵌線過盈量小于0.20mm，線棒其它絕緣結(jié)構(gòu)和浸漬工藝與前一批線棒相同.調(diào)整結(jié)構(gòu)和工藝制作出的3根線棒表面沒有凹凸不平的現(xiàn)象.對線棒進行常溫2UN試驗，經(jīng)1 030h仍末擊穿.

試驗證明改進材料和工藝后，制得的模擬線棒有優(yōu)良電老化性能.

4 結(jié)論

1）利用國產(chǎn)5442－1T含促進劑的環(huán)氧玻璃少膠粉云母帶和R－1145純環(huán)氧酸酐VPI樹脂，完全可以制造出符合發(fā)電機要求的整浸VPI定子.

2）空冷發(fā)電機定子整浸絕緣工藝和配套絕緣材料直接影響定子絕緣性能，配套絕緣材料的選擇很重要.與國外材料相比較，國產(chǎn)VPI整浸配套絕緣材料綜合性能還有較大的差距，希望國內(nèi)絕緣材料生產(chǎn)企業(yè)增強純環(huán)氧酸酐少膠整浸體系材料的研發(fā)力度，研發(fā)有優(yōu)良抗張拉力少膠云母帶和適用于純環(huán)氧酸酐浸漬體系的排間絕緣材料、股線絕緣材料、防暈材料、端部固定用綁繩等配套絕緣材料.

3）采用國產(chǎn)材料進行發(fā)電機整機VPI試驗，國內(nèi)還未見報道，整浸工藝還有待進一步試驗摸索.

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