大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)研究

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摘 要：大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣性能與多種因素有關(guān)，包括絕緣體系、絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)、制造工藝、角部電場(chǎng)處理等，本文從線棒的主絕緣體系、線棒角部電場(chǎng)強(qiáng)度分布改善、絕緣材料選擇、線棒端部防暈處理、絕緣制造工藝改進(jìn)等多方面闡述了大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)研究。

關(guān)鍵詞：定子線棒；絕緣結(jié)構(gòu)；角部場(chǎng)強(qiáng)；防暈

中圖分類號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

空冷汽輪發(fā)電機(jī)正是緊跟國內(nèi)、外發(fā)電設(shè)備市場(chǎng)的需求，在吸收引進(jìn)和掌握日本東芝和美國GE等公司先進(jìn)設(shè)計(jì)理念、工藝方法的基礎(chǔ)上，以系列化、通用化和低成本為原則進(jìn)行自主研發(fā)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品。本文在定子線棒的導(dǎo)線絕緣結(jié)構(gòu)、主絕緣結(jié)構(gòu)、防電暈結(jié)構(gòu)、定子線棒制造工藝上進(jìn)行了大量深入的科學(xué)研究工作。本文的研究工作將填補(bǔ)國內(nèi)多膠模壓空冷汽輪發(fā)電機(jī)絕緣體系的空白。通過對(duì)空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)的研究，進(jìn)一步提升定子線棒絕緣技術(shù)水平，為其他機(jī)組的絕緣設(shè)計(jì)和研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，帶動(dòng)了其他產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。針對(duì)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)主要包括導(dǎo)線絕緣結(jié)構(gòu)、主絕緣結(jié)構(gòu)及性能評(píng)定等進(jìn)行研究。

1 主絕緣體系的確定

多膠環(huán)氧粉云母帶連續(xù)式絕緣模壓型或液壓型絕緣體系，和少膠環(huán)氧粉云母帶線圈VPI型絕緣體系，都能獲得高質(zhì)量的電機(jī)繞組絕緣，所以兩種絕緣體系在世界上都在廣泛使用。

我公司大型發(fā)電機(jī)定子繞組為F級(jí)桐馬環(huán)氧粉云母多膠模壓型絕緣體系。通過與國外公司的合作項(xiàng)目，我公司將國內(nèi)交直流電機(jī)定子線圈、二灘18kV/550MW水輪發(fā)電機(jī)定子線棒及三峽20kV/700MW水輪發(fā)電機(jī)定子線棒分別發(fā)往日本三菱公司、加拿大GE公司、瑞士ALSTOM公司（原ABB），這幾家公司采用國際標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我公司提供的線棒進(jìn)行了外觀質(zhì)量和幾何尺寸檢查；對(duì)表面電阻、介質(zhì)損耗、冷熱循環(huán)、電熱老化及電老化試驗(yàn)等進(jìn)行了嚴(yán)格的考核評(píng)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：多膠模壓體系制造的線棒，其電氣、機(jī)械性能達(dá)到國外少膠VPI體系同等。同時(shí)，由于用于制造高電壓等級(jí)少膠VPI線棒用的主絕緣材料（特別是云母帶、浸漬樹脂）及部分配套材料需完全依賴進(jìn)口。從材料供貨周期、質(zhì)量保證、經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)安全性等長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展考慮，仍采用國內(nèi)傳統(tǒng)的多膠模壓絕緣體系。

2 角部電場(chǎng)分布的改善

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，線棒導(dǎo)體的角部電場(chǎng)較為集中，即線棒導(dǎo)體角部的電場(chǎng)強(qiáng)度要比導(dǎo)體其它部位高得多。

針對(duì)線棒導(dǎo)體角部電場(chǎng)集中問題，國內(nèi)外大電機(jī)制造商在這方面都進(jìn)行了大量的研究工作。每個(gè)公司都有不同的處理方法，對(duì)改善角部電場(chǎng)分布都有一定的效果。通過角部場(chǎng)強(qiáng)的良好均化，使絕緣厚度減薄成為了可能，同時(shí)對(duì)云母帶材料進(jìn)行了研究和改進(jìn)，使云母帶的電氣性能得到提高，線棒的擊穿性能相應(yīng)提高。

綜合分析國外技術(shù)，結(jié)合我公司獨(dú)有的經(jīng)驗(yàn)以及考慮產(chǎn)品性能、制造工藝、可靠性等諸多因素，最終確定了改善定子線棒角部電場(chǎng)分布的方案。即將導(dǎo)線的角部修成R2～R3，按試驗(yàn)確定的長(zhǎng)度找出等電位點(diǎn)，并控制等電位層阻值在一定的范圍內(nèi)，達(dá)到均壓的目的。

3 線棒端部防電暈問題

為使起暈電壓提高，采用多級(jí)防暈處理法，起暈電壓明顯提高，同時(shí)采用新型防暈材料，減薄了線圈端部防暈層厚度，較少的占用了主絕緣尺寸。這種措施給模具加工、特別是線棒制造帶來很大難度，導(dǎo)致定子繞組的斜邊間隙變小，試驗(yàn)及運(yùn)行過程中易產(chǎn)生放電。

使用傳統(tǒng)的開槽結(jié)構(gòu)，防暈層將占掉絕緣尺寸，這樣絕緣就會(huì)變薄，各項(xiàng)絕緣性能隨之下降，該處就會(huì)成為絕緣薄弱點(diǎn)。采用新型因此現(xiàn)有的防暈結(jié)構(gòu)難于達(dá)到電暈的標(biāo)準(zhǔn)。因此需要選用新型的防暈材料，減薄了線圈端部防暈層厚度，較少的占用了主絕緣尺寸。新型防暈材料，阻值特性較好，袋子尺寸薄，使整體防暈層厚度變薄，有效的提高了線棒起暈電壓水平，新結(jié)構(gòu)防暈層厚度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)防暈層厚度減薄了40.8%，有效的降低了對(duì)主絕緣的占用率。

4 絕緣材料開發(fā)

定子線棒的主絕緣材料的主絕緣材料是云母帶，汽性能好壞直接影響定子線棒的絕緣水平。因此，對(duì)云母帶的電、熱和力學(xué)性能要求較苛刻。云母帶是由膠和粉云母紙以及補(bǔ)強(qiáng)材料組成。粉云母紙的厚度、孔隙率和云母鱗片尺寸直接影響定子線棒電性能、老化壽命。因此，在云母礦的選擇、粉云母紙的操制時(shí)間及工藝上進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)操制好的粉云母紙性能提出更高的標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)空冷機(jī)組，若斜邊間隙過小，易產(chǎn)生放電，所以不能采用開槽結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的防暈材料特點(diǎn)是：帶子偏厚、阻值特性不滿足要求，因此采用新型防暈材料，新型反運(yùn)材料具有阻值特型好，尺寸薄的優(yōu)點(diǎn)。很好的提高了線棒的防暈水平，同時(shí)減薄了線棒的絕緣尺寸。

5 工藝改進(jìn)

空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒第一大特點(diǎn)是絕緣厚度薄，工作場(chǎng)強(qiáng)高。國內(nèi)外電機(jī)制造廠家對(duì)此種特點(diǎn)的線棒都是采用線棒VPI（真空壓力浸漬）工藝進(jìn)行生產(chǎn)，如此制造的線棒既能保證絕緣厚度薄又使絕緣層均勻，公司多年來一直堅(jiān)持傳統(tǒng)的多膠模壓體系，最大的弊端是絕緣厚度不均勻，最薄面絕緣厚度小于設(shè)計(jì)值。要制造性能要求如此之高的空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒，對(duì)傳統(tǒng)模壓工藝方法將是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

使用柔軟的云母板材料，將松散的電磁線粘接在一起，既要保證使導(dǎo)線粘接好，又要防止壓制后導(dǎo)線側(cè)面有縫隙。縫隙過大將造成模壓后絕緣內(nèi)部氣體在高電壓下游離放電，因此必須保證導(dǎo)線之間云母材料填充飽滿，使導(dǎo)線有足夠的強(qiáng)度。針對(duì)墊條使用數(shù)量和導(dǎo)線成型情況進(jìn)行了試驗(yàn)，既達(dá)到了流動(dòng)性好保證填充，又滿足了粘接和強(qiáng)度要求，解決了導(dǎo)線壓制和填充的技術(shù)問題。

為保證云母帶包扎緊度、層數(shù)，提高絕緣包扎質(zhì)量，從以下幾方面進(jìn)行了研究：（1）采用數(shù)控包帶機(jī)，通過反復(fù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，確定了最佳包扎張力。（2）對(duì)線棒的不同部位，采用不同的包扎工藝，如直線轉(zhuǎn)角部位由于存在增厚、減薄問題；引線轉(zhuǎn)角去絲位置由于尺寸變小，采取特殊的包扎工藝，保證絕緣厚度均勻性和外觀質(zhì)量。（3）通過包扎層數(shù)、尺寸、成品表面狀況及線棒性能測(cè)試，確定了合理的絕緣包扎層數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳楠.大容量空冷汽輪發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電機(jī)技術(shù)，2010（01）：36-39.