拉西瓦水輪發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

盧 春 蓮

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

拉西瓦水輪發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

盧 春 蓮

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

拉西瓦水輪發(fā)電機(jī)是黃河流域上高海拔單機(jī)容量最大的水輪發(fā)電機(jī)。本文對其電機(jī)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，為今后國內(nèi)巨型水輪發(fā)電機(jī)的絕緣系統(tǒng)優(yōu)化提供技術(shù)參考。

拉西瓦水電站；絕緣結(jié)構(gòu)；定子繞組；磁極繞組。

前言

拉西瓦水輪發(fā)電機(jī)額定輸出功率700MW，額定電壓等級(jí)18kV，是黃河流域上單機(jī)容量和電站裝機(jī)總?cè)萘孔畲蟮乃娬荆彩悄壳皣鴥?nèi)單機(jī)容量最大的水電機(jī)組。拉西瓦水輪發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)與三峽、龍灘等電站的結(jié)構(gòu)相似，但經(jīng)過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和再創(chuàng)新，即三峽左岸機(jī)組從ALSTOM公司引進(jìn)技術(shù)、到龍灘機(jī)組的聯(lián)合制造和安裝，再到拉西瓦電站的完全獨(dú)立承包和制造，機(jī)組的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，而且積累了三峽和龍灘多臺(tái)機(jī)組的實(shí)際安裝運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，后期的技術(shù)文件作了相應(yīng)的改進(jìn)，應(yīng)該說拉西瓦的絕緣結(jié)構(gòu)是更加完善的。另外，值得一提的是：拉西瓦電站位于黃河上游地區(qū)，發(fā)電機(jī)層海拔約 2240m，它的繞組防暈要求要高于三峽和龍灘等機(jī)組，哈電公司在設(shè)計(jì)如此大容量電機(jī)定子線棒時(shí)也進(jìn)行了相應(yīng)的考慮。至目前，拉西瓦機(jī)組全部安裝完畢，基本投入發(fā)電運(yùn)行，針對這樣位于高海拔地區(qū)的大容量的水電機(jī)組，是值得我們對技術(shù)進(jìn)行總結(jié)的，以便對以后設(shè)計(jì)大容量機(jī)組的絕緣結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

本文通過定子鐵心、定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組三個(gè)部分中相關(guān)的絕緣問題展開扼要的分析與說明。

1 鐵心硅鋼片漆部分

定子鐵心由0.5mm厚的優(yōu)質(zhì)冷軋薄硅鋼片疊成，為減小渦流損耗，片間涂有F級(jí)絕緣漆。三峽左岸機(jī)組采用了進(jìn)口的Voltatex E1151A水溶性半無機(jī)漆，拉西瓦機(jī)組哈電已經(jīng)應(yīng)用了完全國產(chǎn)化的 133C環(huán)氧聚酯酚醛半無機(jī)硅鋼片漆。這種漆從性能上看優(yōu)于普通水電機(jī)組上使用的9166、9163有機(jī)漆，經(jīng)試驗(yàn)室試驗(yàn)和工地安裝證明，耐潮濕、抗銹蝕性能更好，完全能滿足大型水電機(jī)組的要求。133C環(huán)氧聚酯酚醛半無機(jī)硅鋼片漆和進(jìn)口漆的性能基本一致，主要技術(shù)指標(biāo)對比見表1。

表1 進(jìn)口和國產(chǎn)硅鋼片漆性能比較

2 定子繞組部分

拉西瓦水輪發(fā)電機(jī)繞組采用波繞方式連接，全空冷方式冷卻。此冷卻方式冷卻效率比水冷稍差，但克服了水冷機(jī)組的設(shè)計(jì)和輔助設(shè)備復(fù)雜，特別是水路部分出現(xiàn)生銹和滲漏現(xiàn)象，不易維護(hù)和修理；水內(nèi)冷定子線棒加工難度大，定子線棒制造中易出現(xiàn)股間短路和空心線變形等缺點(diǎn)。從應(yīng)用角度來說，空冷方式機(jī)組安裝簡便，維修工作量小，可靠性高，事故率較低，起停機(jī)方便，二次運(yùn)行費(fèi)用低，年利用小時(shí)數(shù)較高等優(yōu)點(diǎn)，更加受到用戶的青睞。圖1和圖2是三峽左岸和拉西瓦的定子繞組槽部結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 三峽左岸定子繞組槽部結(jié)構(gòu)

2.1 槽部結(jié)構(gòu)

2.1.1 電磁線絕緣

三峽左岸繞組的銅導(dǎo)線中有不銹鋼空心導(dǎo)線，電磁線采用漆包單滌玻燒結(jié)銅扁線。拉西瓦繞組則全部由絕緣厚度為 0.21mm的雙滌玻燒結(jié)電磁線構(gòu)成，電磁線絕緣厚度同三峽左岸相同，全部實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，性能十分優(yōu)異，已經(jīng)廣泛被采用在各種大型發(fā)電機(jī)上。

2.1.2 羅貝爾換位線圈結(jié)構(gòu)

為減小股線在槽部的環(huán)流損耗和漏磁損耗，線圈在整個(gè)槽部采用 Robel法進(jìn)行換位，三峽左岸機(jī)組含有空心導(dǎo)線，采用 360°全換位方式。拉西瓦機(jī)組則采用了適合空冷方式的不滿 360°非全換位方式。此外，拉西瓦線棒的換位絕緣、排間絕緣、填充絕緣等材料都采用國產(chǎn)化材料。

2.1.3 改善場強(qiáng)措施

線圈角部場強(qiáng)集中是發(fā)生絕緣擊穿的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，95%以上的擊穿事件發(fā)生在角部。為了改善電場分布，定子線圈中采用了一種新結(jié)構(gòu)，就是增加了內(nèi)屏蔽層，這種結(jié)構(gòu)將換位導(dǎo)體絕緣所承受的場強(qiáng)限制到很低的水平，相對提高了絕緣的介電強(qiáng)度，延長了主絕緣的壽命。三峽左岸水輪發(fā)電機(jī)定子線圈的內(nèi)屏蔽層采用的是進(jìn)口半導(dǎo)體材料，而拉西瓦定子線圈則采用了國產(chǎn)半導(dǎo)體材料，不但降低了成本，還簡化了制造工藝。

圖2 拉西瓦定子繞組槽部結(jié)構(gòu)

2.1.4 主絕緣

主絕緣采用的是多膠環(huán)氧玻璃粉云母帶，經(jīng)過機(jī)械連續(xù)包繞，應(yīng)用模壓固化工藝制造而成。這種F級(jí)桐馬環(huán)氧粉云母主絕緣從 80年代初研制并投入使用,具有20多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，具有穩(wěn)定優(yōu)良的機(jī)械、電氣和熱性能。近年來隨著電機(jī)容量增加，絕緣厚度的減薄，對主絕緣性能要求也越來越高，因此，哈電與配套材料廠家一起在主絕緣、防暈材料，模壓工藝等方面不斷進(jìn)行改進(jìn)，各項(xiàng)材料性能指標(biāo)和定子線圈試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到令人滿意的結(jié)果，哈電的多膠模壓、一次成型主絕緣防暈體系廣泛應(yīng)用二灘、三峽和龍灘等高壓大型水輪發(fā)電機(jī)組上。

2.1.5 槽內(nèi)固定結(jié)構(gòu)

拉西瓦槽內(nèi)固定采用“Round Packing”安裝工藝，即半導(dǎo)體無紡布夾半導(dǎo)體硅橡膠繞包線棒表面后推入槽內(nèi)固定。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：彈性接觸，安裝時(shí)降低線棒受損的概率；增加線棒與鐵心的接觸點(diǎn)，可以有效地降低槽電位；固定牢靠。這種槽內(nèi)固定方式具有傳統(tǒng)固定方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，目前在水輪發(fā)電機(jī)上已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用。另外，發(fā)電機(jī)定子繞組槽內(nèi)固定采用了波紋板、半導(dǎo)體高強(qiáng)度層壓板，以增加槽內(nèi)線棒固定的徑向預(yù)應(yīng)力及軸向固定力，可徹底消除定子繞組在長期運(yùn)行后出現(xiàn)松動(dòng)下沉現(xiàn)象，提高電機(jī)長期安全運(yùn)行的可靠性。

表2 定子單根線圈電氣絕緣性能

2.2 端部結(jié)構(gòu)

2.2.1 端部防暈結(jié)構(gòu)

拉西瓦、三峽和龍灘等大型機(jī)組線圈端部采用多級(jí)防暈處理，這種結(jié)構(gòu)對改善線圈端部表面場強(qiáng)分布具有明顯的效果。它們不同于普通機(jī)組的一個(gè)特點(diǎn)就是整個(gè)端部（包括連接線、銅環(huán)引出線等）都進(jìn)行了防暈處理，這也為國內(nèi)今后開發(fā)巨型水輪發(fā)電機(jī)提供了參考方案。

三峽機(jī)組海拔不超過1000m，額定電壓20kV；而拉西瓦機(jī)組海拔 2240m，額定電壓 18kV，參照標(biāo)準(zhǔn)JB8439-1996《高壓電機(jī)使用于高海拔地區(qū)的防電暈技術(shù)要求》進(jìn)行修正，拉西瓦的防暈設(shè)計(jì)要求達(dá)到了22.73kV。從這一點(diǎn)上來說，拉西瓦的絕緣設(shè)計(jì)，特別是防暈設(shè)計(jì)，要比三峽機(jī)組苛刻。哈電公司在三峽左岸的基礎(chǔ)上，對拉西瓦繞組端部防暈設(shè)計(jì)作了進(jìn)一步改進(jìn)和完善，使之能夠達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求。實(shí)際的制造效果表明這種設(shè)計(jì)方案是十分成功的，這也是哈電目前設(shè)計(jì)和制造的單機(jī)容量和等效電壓級(jí)別最高的正式產(chǎn)品（700MW/22.73kV）。

2.2.2 端部固定結(jié)構(gòu)

繞組端部絕緣固定系統(tǒng)包括各種墊塊、浸漬滌綸氈、玻璃絲纖維綁扎帶、軟端箍、絕緣盒、引線固定支架等部件。軟端箍是由玻璃絲繩和樹脂組成，端箍與繞組的間隙（包括繞組之間的部分間隙）可通過玻璃絲繩內(nèi)的樹脂膨脹來填充，繞組端部可自由伸縮并達(dá)到線圈與端箍的最佳配合狀態(tài)。

絕緣盒采取的是封閉灌注膠方式，這種結(jié)構(gòu)固定牢靠，絕緣效果好。因?yàn)槿龒{左岸機(jī)組定子是水內(nèi)冷方式，三峽左岸機(jī)組采用的是空心套筒式絕緣盒結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)易于維護(hù)，一旦線圈水盒部位出現(xiàn)漏水，拆卸簡單；但運(yùn)行時(shí)由于感應(yīng)磁場的存在易吸附灰塵，因而對環(huán)境要求較為苛刻。

3 轉(zhuǎn)子部分

3.1 磁極絕緣

拉西瓦的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)是在原來三峽機(jī)組的基礎(chǔ)上形成的，如圖3所示。當(dāng)時(shí)三峽磁極最初的設(shè)計(jì)和制造效果應(yīng)該說不是十分理想。在出廠試驗(yàn)和工地安裝時(shí)，多個(gè)磁極出現(xiàn)爬電現(xiàn)象。哈電在后續(xù)轉(zhuǎn)子磁極設(shè)計(jì)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并對一些薄弱之處作了改進(jìn)，如增加絕緣密封材料、增加了角絕緣、簡化引出線絕緣工藝等，應(yīng)該說經(jīng)過三峽、龍灘的磁極制造，哈電在拉西瓦的磁極設(shè)計(jì)和制造非常成功。

圖3 拉西瓦轉(zhuǎn)子磁極絕緣結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

（1）拉西瓦機(jī)組的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是繼三峽機(jī)組之后的又一個(gè)典范，是由技術(shù)引進(jìn)、消化吸收到再創(chuàng)新的產(chǎn)品范例。也是哈電完全脫離外方，獨(dú)立承包、設(shè)計(jì)、制造的第一個(gè)700MW等級(jí)的水電機(jī)組。

（2）拉西瓦是黃河流域上單機(jī)容量最大的水電機(jī)組，電站位于高海拔地區(qū)，發(fā)電機(jī)繞組的防暈絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高于三峽和龍灘機(jī)組。在某種意義上，堪稱目前哈電制造的等效電壓級(jí)別最高的水輪發(fā)電機(jī)（拉西瓦700MW/防暈設(shè)計(jì)等效電壓22.73kV，三峽700MW/20kV，龍灘700MW/18kV）。

（3）拉西瓦、三峽等水輪發(fā)電機(jī)的順利投運(yùn)，為以后1000MW/24kV水電機(jī)組的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和定子線棒制造打下了良好的基礎(chǔ)，提供了有利的技術(shù)保證。

Characteristics of the Insulation System of Laxiwa Hydrogenerator

LU Chun-lian
(Harbin Institute of Large Electric Machinery, Harbin 150040, China)

Laxiwa hydrogenerator has the largest unit capacity in the area of yellow river with high elevation. This paper studies on its insulation system, in order to give technical reference for the future optimization for insulation system of huge hydrogenerator.

Laxiwa hydropower station; insulation system; stator winding; magnetic pole winding

TM303.4

B

1000-3983(2010)01-0010-03

2009-10-15

盧春蓮（1959-），1982年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)絕緣材料專業(yè)，現(xiàn)從事發(fā)電機(jī)絕緣技術(shù)工作，任哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司副總工程師。