大型水輪發電機定子線棒槽部固定結構的研究

摘 要：近些年隨著高壓大容量水輪發電機的發展，定子線棒在發電機中要求承受溫度變化、濕度、振動及突然短路產生的巨大電磁力的作用，為避免損傷線棒絕緣、提高機組運行壽命，發電機定子槽部固定結構也變得尤為重要。因此就需要研究更加牢固、工藝方便的槽內固定結構，以消除電機在運行過程中由于固定不牢引起的主絕緣磨損及槽內的電暈腐蝕和槽內火花放電（“電腐蝕”）。本文介紹了大型水輪發電機定子線棒槽部幾種固定結構及材料，并對定子線棒槽部的受力和槽部防電暈、電腐蝕理論進行了淺析。

關鍵詞：大型水輪發電機；槽部固定結構；槽部固定材料

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A

1 定子線棒槽內固定的原理

大型水輪發電機槽內固定的作用包括：（1）消除槽內電暈腐蝕及“電腐蝕”； （2）承受電機運行時的電磁力和振動對線棒的磨損，防止線棒軸向下沉。

根據槽部防電暈及防“電腐蝕”的要求，理論上定子線棒與鐵心槽壁的間隙越小越好。目前所使用的環氧絕緣為熱固性材料，熱膨脹性小，在電機運行中絕緣本身無法補償線棒與鐵心槽壁的微小間隙。據研究當線棒與槽壁間隙在0.4mm～1.0mm間產生電腐蝕的幾率最大。雖然槽部電暈的放電能量不是很大，故熱效應對絕緣的影響也不大，但其產生的臭氧與氮反應生成的酸將腐蝕線棒主絕緣，最終影響線棒壽命。因此控制線棒低阻層和半導體槽襯的表面電阻率，彌補線棒與槽壁的間隙尤為重要。

線棒低阻層和槽襯的表面電阻要求既不能太大也不能太小，太大易造成槽內電暈腐蝕，太小易在其表面產生渦流損耗會增大。因此線棒低阻層及半導體槽襯的表面電阻率控制在103～105Ω較為合理。

水輪發電機在安裝過程中對于槽內固定結構的考核通常采用測量線圈槽部表面電位的辦法。在線圈嵌入定子鐵心槽中并固定后進行。測試時電機繞組加上UN/ 交流電壓，用連有電壓表的金屬觸頭（操作者通過絕緣棒控制）接觸線圈表面，同時讀取電壓表上讀數。GB/T7894-2009《水輪發電機基本技術條件》中要求槽電位不大于10V。

2 哈電傳統的槽內固定結構

哈電過去傳統的槽部固定結構采用的是線棒與槽壁間填塞半導體層壓板的固定方式，底部、層間為半導體墊條。此種固定方式側面為分段填塞，剛性接觸，線棒表面半導體層與鐵心槽壁存在間隙，因此易產生電腐蝕，從而損傷線棒絕緣影響電機運行壽命。除貫流外，混流、軸流等大多數水輪發電機多為立式，線棒豎直安裝，隨著運行過程中槽內受力的重新分布，半導體墊條易產生松動及滑出等情況。因此傳統的固定結構在抵抗電機運行中的振動磨損及阻礙線棒軸向位移的作用稍差。

3 哈電新型槽內固定結構及材料

3.1 RTV（室溫固化硅橡膠）/CRTV（導電性室溫固化硅橡膠）槽內固定結構

哈電在引進加拿大GE公司技術制造二灘定子線棒時采用的是RTV/CRTV配合楔下波紋板的槽內固定結構。該結構是將RTV（室溫硫化硅橡膠）和CRTV（半導體硅橡膠）分別涂于定子線棒的兩面并經室溫固化后下入槽內，由于固化后的RTV和CRTV為彈性體，與定子槽壁為過盈配合，因此線棒下入槽之后與槽壁接觸緊密，槽電位（或槽電阻）測量符合GE公司相關標準。但此種結構在制造過程中存在硅橡膠涂覆工藝較為復雜、線棒下線前需特殊防護的缺點。

3.2 “U”形半導體槽襯固定結構

目前常規水輪發電機多采用U字形槽襯固定結構。此種結構為半導體槽襯“U”形包繞在線棒上，層間或槽底配合半導體適形氈。該種固定結構槽內配合緊密，易于線棒的安裝和拆卸。

半導體槽襯是由無紡布和半導體膠粘劑復合而成。由于無紡布是聚酯體系，所選擇的半導體膠粘劑必須與它相容性好，否則將影響電阻值的均勻性以及半導體無紡布的強度，在考慮相容性的同時還必須考慮膠在固化后達到F級，因此選擇以環氧樹脂為主要膠粘劑材料，同時選擇合適的改性劑及偶聯劑對環氧樹脂進行改性，使其與聚酯無紡布粘接好；另外，加入適量的增韌劑以調節半導體無紡布的柔韌性。

半導體膠的性能決定半導體槽襯的性能及應用工藝，所以對膠的體系進行了深入細致的研究，通過大量的配方試驗，最后確定膠以環氧樹脂為主，選擇亞胺改性劑和特殊增韌劑提高固化后半導體槽襯的耐熱性和柔韌性能，同時也選擇合適的偶聯劑提高膠與無紡布的粘接強度，滿足定子繞組下線對半導體槽襯強度的要求。

3.3 硅橡膠繞包“三合一”槽襯固定結構

此種結構為半導體無紡布表面涂覆硅橡膠，對折為“三合一”結構，繞包在線棒低阻層表面與線棒一同下入槽內，硅橡膠膠固化前具有可塑性，可以補償槽壁表面存在的微小機械公差，同時也可以抵消由于鐵心槽段不平在線棒絕緣表面產生的局部機械應力。室溫固化后為彈性體，與槽壁過盈配合，易于操作和安裝，槽內固定牢固、基本無間隙，補償運行中的熱膨脹和位移。

此種固定結構有效地解決了定子線棒在運行過程中的所受的電磁力、振動力、絕緣磨損及線棒下沉等問題，同時有效地消除了槽內的電腐蝕，槽電位可控制在5V以下。硅橡膠繞包“三合一”槽襯配合頂部波紋板固定結構，有效地保證了線棒在運行過程中承受振動力的作用，同時也更好地避免了在負荷突變和短路時巨大的電磁力對線棒的破壞作用。國產化的半導體硅橡膠各項性能指標達到了國外公司的技術要求，完全滿足大型水輪發電機的安裝和運行要求，目前已應用在了國內的龍灘、拉西瓦等多臺大型機組上，安全可靠。

國產的半導體室溫硫化硅橡膠，原材料進口，將膠體石墨與硅橡膠混煉成均勻體，采用室溫硫化劑，可在室溫下完全硫化。

3.4頂部波紋板的應用

波紋板作為一種新型的槽內固定材料目前已實現了國產化。波紋板有頂部波紋板和側面波紋板兩種用途，側面波紋板多用于汽輪發電機的槽內固定，為半導體材料；頂部波紋板應用在水輪發電機中多為絕緣材料，固定在槽楔之下，利用波紋板的壓縮為線棒施加徑向預應力，有效地避免線圈的下沉和松動。

波紋板是由特殊編織的玻璃布經F級熱固性樹脂浸漬成半固化玻璃坯布，然后在模具上加熱加壓固化而成。根據定子線棒槽內固定的要求，波紋板要具有永久變形小，抗壓變形小，回彈力高的性能，這樣才能使其在機組長期運行過程中更好地保持波紋形狀，保持彈性。水輪發電機槽內頂部波紋板利用壓縮變形有效地起到了固定定子線棒的作用，在電機運行和突然短路等情況下保證了線棒的固定牢靠，防止由此產生的線棒松動磨損及軸向下沉，提高了電機的運行可靠性。

參考文獻

[1]大中型水輪發電機定子線棒股線新換位方式[D].浙江大學.2008.