采用圓形取代矩形的發電機線棒——電機發展史上的一項重大創新

哈爾濱電機廠有限責任公司 劉孝忠

繞組線圈及其絕緣常被比作電機的心臟。大電機的造價中，絕緣部分約占25 %以上，表明它的技術含量很高。然而它又是很脆弱的，它的事故率約占電機的30%以上。大電機市場的競爭，在較大程度上講就是絕緣的材料、性能、結構和工藝等方面的競爭，而且是相互保密的，即使高價也不出售、轉讓。

我國的大電機絕緣技術與國外先進水平相比，主要差距表現在主絕緣厚度和繞組固定這兩個方面，然而它們之間又是密切相關的兩個因素。我們發電機主絕緣厚度約厚10%左右，經過多年的研究開發，采取了有效措施，改善了定子繞組線棒矩形截面的4個角部的電場強度集中問題，實現了絕緣厚度減薄、縮小了差距。

本文簡述一種根本解決辦法，即采用圓形截面的電纜來取代矩形截面的線棒，從而消除了4個角部電場強度的不均勻問題，實現了電機發展史上的一項重大改革。

1 傳統的矩形線棒

按照設計要求，大型電機定子鐵芯的槽形為矩形，所以槽內的線圈或線棒也選擇矩形截面，以提高槽滿率。然而這種矩形截面導體的電場強度沿四周的分布是不等的，其4個角部高達6-9kV／mm，而4個直邊卻只有3kV／mm。

定子繞組的可靠固定和線棒主絕緣厚度的減薄是我國與世界先進技術水平的最主要差距，兩者又是相互影響的。最近5年來，我們進行了專題研究，采取了下述有效的減薄措施：

①采用高云母含量、高機械強度、工藝性能好的云母帶材料；

②采取各種改善角部場強的有效措施；

③在工藝上精工精作；

④采取可靠的繞組固定措施等。

現在國內的主絕緣厚度已經接近甚至達到了國外先進水平。

2 新型的圓形電纜

具有圓形截面的電纜不存在像矩形截面線棒的4個棱角，也就不會發生電場強度集中問題。因此，采用圓形電纜取代矩形線棒便從根本上消除了角部場強集中和絕緣厚度不能減薄的問題，因而這是電機工業發展史上的一項重大變革。這項改革的實現是與現代化高電壓輸電電纜的發展分不開的，這種已達到商品化的交鏈聚乙烯電纜的電壓等級已達到500kV，可使發電機的輸出電壓提高到高壓電網的水平。從而不必再經過變壓器升壓后并網，而傳統的發電機至今為止的額定電壓多為18或20kV，最高也不超過30kV。用于發電機上的這種電纜與普通輸配電用電纜的不同在于它既沒有金屬屏蔽，又沒有外皮，而其材料與工藝卻與現已應用的高壓電纜技術相同，即采用了已被電力電纜工業所證明了的固體擠壓絕緣的高電壓電纜技術，它屬于市場上流行的標準件商品。

設備：D8 ADVANCE X射線衍射儀(德國布魯克AXS有限公司)；Laser SHIMADZU SALD-3101 analyser激光粒度分析儀；Optima-8000電感耦合等離子體原子發射光譜儀(PerkInElmer)；TG-DSC熱重-差熱分析儀(日本-島津)；JJ-4六聯電動攪拌器、電加熱套(帶磁力攪拌)、高壓釜(聚四氟)、PHS-3C型酸度計、真空抽濾泵。

采用圓形電纜的發電機可使電站省去變壓器、開關、連接銅排、通道等許多電氣、機械、土建工程設施，同時又以廉價的聚乙烯取代了昂貴的云母帶。

3 結構工藝特點

與傳統的矩形線棒相比，采用圓形電纜的大電機在結構、工藝等方面確實是一次重大變革。

3.1 槽形奇特

與傳統大電機的矩形線槽不同，采用圓形電纜時定子鐵芯槽形非常特殊，槽內二側槽壁都帶有一定的半圓形以便緊貼電纜。電機的整個繞組線圈由一根長電纜連續地穿入槽內，而不是矩形線棒那樣由槽口嵌入槽內。此時定子槽形很深，即齒很高，約為軛部高的4-5倍。成排的圓形電纜在槽內是通過特殊結構的三角形硅橡膠軟管來緊固的，以便減小振動。將該軟管插入圓形電纜與鐵芯槽壁之間并在管中充滿液體硅膠，然后在受壓情況下使之固化，并使電纜緊貼槽壁。它們之間的緊固力必須保持在一定范圍內，以便容許電纜絕緣的熱膨脹。

3.2 絕緣不同

定子繞組中的感應電壓，從中性點起直到線端為止是逐漸升高的，電纜的電場強度也隨著長度的增加而增大，所以其絕緣厚度是不同的，即繞組的第一匝線圈采用較薄的絕緣，以后便階梯式地增加絕緣厚度，此外，電纜本身的股線絕緣也不同，為了減小漏磁通引起的附加損耗，電纜的多股股線應被細分并進行相互絕緣，然而事實上采用是不同的股線絕緣，即大多數股線是絕緣的，而股線線束的最外2層是非絕緣的，這樣可以確保股線和內半導體層之間的等電勢。對于電壓為155kV、容量為75MVA的水輪發電機來說，定小繞組用這種電纜總長度為16m。

4 經濟效益

采用圓形電纜取代矩形線棒的大電機可以帶來下述經濟效益。

①用聚乙烯取代云母帶，成本大為降低；

②采用高壓電纜取代傳統線棒，可以不經升壓變壓器直接并網；

③由于電壓很高，當容量不變時，便可減小電流和電流密度，從而減小損耗，提高電機效率，還簡化了冷卻系統。以直接并網運行而不必再經過降壓變壓器。

實踐證明，采用圓形電纜的高電壓大電機效率可提高0.5%～2%；而對于發電站來說則可使總成本節約25.3%左右。

5 研究課題

根據近年來參加國際大電網會議的我國代表介紹，采用圓形電纜取代矩形線棒的大電機在國外經歷了8年的研究開發，已實現了商品化和工業化，訂貨量逐年增加。除了已投運5臺外，加拿大和日本也向法國阿爾斯通訂購，目的在于仿制和自己開發。這種電機將帶來競爭熱潮，有的人稱之為“電機結構的一場革命”。

采用圓形電纜的大電機既可以是發電機(包括汽輪發電機、水輪發電機、風力發電機），也可以是電動機。這種專利發明是絕對保密的。

我國已經掌握了將信息迅速轉化為生產力的能力，許多大電機行業單位非常重視，紛紛立題研究開發。當前的主要研究課題是：

①高電壓電纜的研制；

②電纜在鐵芯槽內的因定；

③具有階梯式絕緣厚度的電纜在鐵芯槽內的穿插工藝；

④電纜繞組的端部固定等。