1000MW水輪發電機定子繞組配套材料的研究

張秋寒，徐 冰,2

（1. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040；2. 水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

前言

大型發電機定子繞組在運行過程中會受到電、熱、機械應力和環境因素的影響。電應力會引起絕緣內氣隙擴大和局部放電，腐蝕絕緣；熱應力會加速絕緣老化裂解；機組運行和頻繁起動會引起繞組振動，電磁力會對絕緣產生機械應力；潮氣、灰塵、油污等環境因素也會影響絕緣性能。定子繞組配套材料在發電機長期安全可靠運行中起著至關重要的作用。

本文對1000MW水輪發電機組定子繞組配套用高強度波紋板、環氧玻璃布層壓板、高強度環氧玻璃氈層壓板槽楔、半導體無紡布、半導體硅橡膠、浸膠固定材料、絕緣盒、端箍等進行了研究，保證材料各項技術指標滿足1000MW水輪發電機定子繞組安全、穩定地運行。

1 定子繞組配套材料

1.1 定子繞組槽部配套材料

槽內噴環氧聚酯防電暈漆[1]，在繞組層間和槽楔下分別使用半導體層壓墊條，同時在槽楔下加入可產生預應力的波紋彈簧板以加強徑向固定，在繞組和鐵心之間填充室溫硫化硅橡膠以改善繞組與鐵心的無間隙固定，通過主、副槽楔的配合使用，加強了槽部固定的牢靠性。

1.1.1 層壓板

高強度環氧玻璃層壓板適用于大型水輪發電機定子繞組槽部固定用絕緣槽楔、層間墊條及端部固定用槽口墊塊、間隔墊塊和引線支架等。用玻璃絲氈浸漬環氧膠模壓而成的HEC3248層壓板可用于定子槽楔、引線支架等，用增強型玻璃布浸漬環氧膠模壓而成的HEC3240層壓板可用于層間墊條、槽口墊塊、間隔墊塊等。HEC3248和 HEC3240層壓板性能指標見表1。

表1 HEC3248和HEC3240層壓板性能

HEC3248和 HEC3240層壓板已在三峽、龍灘、拉西瓦等水輪發電機上應用。該層壓板的各項性能指標可以保證1000MW水輪發電機定子繞組安全、穩定地運行。

1.1.2 環氧酯晾干漆

層壓板加工成零部件后，為防止受潮需在加工面上涂刷一層環氧酯晾干漆，環氧酯晾干漆性能見表2。

采用環氧酯晾干清漆涂刷層壓板已有很多年的應用經驗，運行證明是可靠的。

表2 環氧酯晾干清漆性能

1.1.3 波紋板

波紋板是由特種玻璃布經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。由于電機運行時電磁力特別是負荷突變時的沖擊電磁力對定子線棒作用力很大，所以對定子線棒槽內固定的要求很高。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、回彈力高的性能，這樣才能使其在機組長期運行過程中保持彈性。通過與絕緣材料廠合作開發研制大型水輪發電機定子繞組槽部固定用波紋板的性能指標見表3。

表3 波紋板性能

1.1.4 半導體槽襯

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。

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。選擇膠體石墨做半導體材料，試制的半導體無紡布表面電阻值穩定，機械強度達到預期的結果。半導體無紡布槽襯性能指標見表4。國產半導體無紡布槽襯各項性能指標可以保證1000MW水輪發電機定子繞組安全、穩定地運行。

表4 半導體無紡布槽襯性能

1.1.5 半導體室溫硫化硅橡膠

半導體室溫硫化硅橡膠采用室溫硫化劑，可在室溫下完全硫化。半導體室溫硫化硅橡膠性能見表5。

1000MW 水輪發電機采用包繞涂有室溫硫化半導體硅橡膠的半導體無紡布復合材料，使得線圈與鐵心間以“面”的形式接觸，有效降低了槽電位，從而防止了槽部電暈的產生。

半導體硅橡膠無紡布“三合一”槽部固定技術已在三峽、龍灘、拉西瓦等水輪發電機機組上應用，效果良好。

1.1.6 環氧聚酯防電暈漆

環氧聚酯防電暈漆噴在鐵心槽內，作為防電暈涂層。環氧聚酯防電暈漆性能指標見表6。

表5 半導體室溫硫化硅橡膠性能

表6 絕緣盒灌注膠性能

采用環氧聚酯防電暈漆作為防電暈涂層已有很多年的應用經驗，運行證明材料安全可靠。

槽部固定結構及配套材料見圖1。

1.2 定子繞組端部配套材料

1.2.1 浸膠材料

浸膠材料包括浸膠滌綸氈、浸膠玻璃絲繩和浸膠玻璃絲帶。浸膠滌綸氈用于絕緣墊塊和繞組絕緣之間，具有固定和適形作用，滌綸氈采用針刺滌綸氈。浸膠玻璃絲帶用于間隔墊塊的綁扎固定，玻璃絲帶采用定向（少緯）玻璃絲帶，槽口墊塊和槽口處槽楔固定用綁扎繩，銅環引線與絕緣支架、繞組與端箍間的綁扎固定用玻璃絲套管，玻璃絲繩及玻璃絲套管外部是玻璃絲編織的護套，內部由玻璃絲膨紗紡成的多股纖維束組成，浸膠固定材料采用雙組份室溫固化環氧樹脂浸漬膠[1]。

浸漬材料應用時需先將浸漬膠混合均勻，再將氈（繩）加入其中浸透浸勻，然后在使用部位上室溫下固化24h（或高溫固化）。采用浸漬材料進行端部固定也是成熟的結構，運行安全可靠。

1.2.2 絕緣盒及填充材料

絕緣盒分上端絕緣盒和下端絕緣盒兩種。上端絕緣盒兩面開口，使用時把絕緣盒套入線圈后用封口膩子將盒下端口封住，再注入灌注膠；下端絕緣盒一面開口，使用時把絕緣盒套入線圈后直接注入灌注膠。絕緣盒灌注膠性能指標見表6。

絕緣盒及填充材料的各項性能指標可以保證1000MW水輪發電機定子繞組安全、穩定地運行。

1.2.3 端箍

端箍采用非磁性材料，外包桐馬環氧玻璃粉云母帶熱收縮固化成型。1000MW百萬機組端箍采用硬端箍結構的優點是綁扎牢固，運行經驗豐富，這種結構更適用于高電壓大容量機組。

圖1 槽部固定結構及配套材料

1.2.4 非線性半導體高阻防暈漆

定子線棒下線后，對定子繞組端部固定件與繞組接觸的所有部位均進行防暈處理，端部固定絕緣件如支架和間隔墊片之間所墊的滌綸氈適形材料均需浸漬含碳化硅的環氧膠，定子繞組端部綁扎固定后需噴半導體高阻防暈漆。

定子線棒下線后，對整個繞組端部上下層間噴涂非線性半導體高阻防暈漆，消除場強分布不均勻的現象。該技術已應用在三峽、龍灘、拉西瓦等水輪發電機機組上，材料性能安全可靠。

1.2.5 環氧酯晾干紅瓷漆

定子下線全部結束后，整個鐵心內表面和繞組端部噴涂環氧酯晾干紅瓷漆。環氧酯晾干紅瓷漆性能見表7。

采用環氧酯晾干紅瓷漆噴涂鐵心內表面和繞組端部已有很多年的應用經驗，運行證明是可靠的。

端部固定結構及配套材料見圖2。

圖2 端部固定結構及配套材料

表7 環氧酯晾干紅瓷漆性能

2 1000MW發電機模擬定子繞組試驗

在模擬定子鐵心槽中嵌入 1000MW 水輪發電機24kV電壓等級上、下層定子試驗線棒，使用本文中的配套材料模擬真機固定結構將試驗線棒的槽部和端部進行可靠地固定，試驗線棒端部斜邊間隙、上下層線棒端部間隙皆與真機相同（見圖3）。模擬真實的發電機組運行環境，最后進行診斷試驗。

試驗的過程是將試驗樣品放入試驗箱中，模擬運行條件，表面噴涂油污，進行潮濕、熱老化、耐電壓等試驗，試驗共進行三個周期，每個試驗周期結束后，測量樣品的介質損耗和局部放電量。試驗過程見圖3，性能測試結果見圖4。

經過三個周期的耐環境模擬試驗后，模擬真機繞組的絕緣電阻、介質損耗、局部放電量均在國標要求的范圍內，并且順利地通過了 24kV級的 1.3Uφ（Uφ為定子繞組額定相電壓）、1.05UN、1.5UN和2UN耐壓試驗；同時也分別通過了26kV級的1.3Uφ、1.05UN、1.5UN和2UN耐壓試驗。

圖3 1000MW模擬定子繞組試驗

圖4 定子繞組耐環境模擬試驗后的介質損耗曲線

試驗證明本文所研究的定子繞組的配套絕緣材料性能可靠，完全滿足1000MW水輪發電機運行安全的要求，該項試驗也順利地通過了長江三峽工程開發總公司、長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院、中國水電顧問集團華東勘測設計研究院等單位的驗收。

3 結論

（1）本文對1000MW水輪發電機定子繞組配套材料的研究結果表明：材料的各項技術指標可以保證1000MW水輪發電機定子繞組安全、穩定地運行。

（2）定子繞組槽內固定用半導體硅橡膠三合一結構，達到世界先進水平，并已在三峽、龍灘、拉西瓦等水輪發電機上應用。

（3）定子繞組采用硬端箍結構主要是將繞組端部固定為一個更加結實的整體結構，以抵御定子繞組機械振動力，提高了發電機的可靠性延長了運行壽命。

（4）定子線圈引線并頭采用絕緣盒和灌注膠結構，定子繞組端部噴涂環氧酯晾干紅瓷漆對抵御環境因素影響有著重要的作用。

（5）定子繞組端部上下層間噴涂非線性半導體高阻防暈漆，消除了由于繞組綁扎和支撐等結構件而產生電場分布不均勻的現象，提高了高壓電機安全運行可靠性。

（6）本文的研究成果通過了 1000MW 發電機模擬定子繞組試驗，效果良好。該成果完全可推廣應用到1000MW大型水輪發電機定子繞組槽部、端部固定配套絕緣上，提高國產大電機在國內外市場上的競爭能力。

[1]隋銀德. 三峽水輪發電機繞組端部絕緣固定系統的特點[J]. 大電機技術, 2008 (2).

[2]徐冰, 李振海, 張秋寒, 等. 1000MW水輪發電機定子線棒絕緣技術的研究[J]. 絕緣材料, 2012,45(3).