近尾洲定子線棒改造絕緣性能研究及結果

付新星，吳金水，朱紅平，任章鰲，劉 瑩

（1.東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州310000；2.五凌電力近尾洲水電廠，湖南 衡陽421000；3.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙410000）

1 前言

近尾洲水電廠位于湖南衡陽市衡南縣，湘江中游，安裝有3 臺單機容量23.4 MVA，額定線電壓為10.5 kV 的全進口貫流式水輪發電機組。原機組定子在國外工廠組裝后整體運輸至現場安裝，2002 年3 月3 臺機組投產發電。經過10 多年的運行，線棒端部及槽內電腐蝕嚴重，以致發生線棒擊穿故障，如繼續運行再次出現繞組擊穿的風險很高，電站決定2016 年開始進行定子線棒的更新改造。

由于原機組定子鐵心未出現其它同類機組的明顯的翹曲、松動等老化情況[1]，電站決定對定子鐵心留用不進行改造。同時，由于原機組在運行過程中定子線棒最高溫度已達到120 ℃左右，電站希望在保證絕緣強度的情況下能夠降低機組運行時的溫度。

若要降低運行時定子線棒的溫升，改造設計時就需要增加導體截面積，降低因電阻發熱引起的銅損。但鐵心留用其槽尺寸已確定，而主絕緣厚度僅2.0～2.1 mm，運行場強高達3.2 kV/mm，屬于很高的運行場強。因此，主絕緣厚度已不能再減薄。在如此矛盾的情況下要完成線棒更新改造，具有很大的難度和技術挑戰。

電站為保證線棒的絕緣質量，要求對線棒的所有性能進行全數檢查，且滿足DS-ZJ011-2002《大型水輪發電機產品質量分等》[2]中優等品的要求。并對局部放電提出了遠高于行業標準，即額定線電壓時≤3 000 pC[3]的要求，需滿足單根線棒在額定線電壓時≤500 pC，1.5 倍的額定線電壓下≤1 500 pC，且整體組裝后對各相局部放電進行離線檢查。

為保證近尾洲電廠定子線棒國產化改造的順利完成，在優化設計的情況下，使用了先進的VPR（Vacuum Pressurized Resin rich）絕緣系統制造了改造用更新線棒，并最終取得了良好的改造效果。

2 VPR 工藝特點介紹

定子線棒的真空液壓多膠絕緣工藝VPR 雖不同于常規多膠體系的熱壓絕緣工藝HP（Hot Press）及少膠體系的真空浸漬VPI（Vacuum Pressurize Impregnation）絕緣工藝，但又同時兼有多膠絕緣HP工藝和真空浸漬VPI 絕緣工藝的某部分工藝特點。區別及相互關系如圖1 所示。

VPR 絕緣工藝設備主要由1 個兼具干燥抽真空和輸入液壓介質浸沒線棒進行加熱加壓雙重功能的真空壓力罐組成。輔助系統包括抽真空系統、輸送和回收液壓介質系統、充氣加壓系統、對罐體液壓介質進行加熱或冷卻來達到線棒絕緣加熱固化用的油循環系統，以及操作和監控保護系統。

圖1 3 種絕緣系統的工藝流程特征

VPR 工藝過程的抽真空、加熱與冷卻、輸送及回收液體介質、充氣加壓及排氣減壓等各分系統設備的多控制參數流程，通過編程形成完整的自動控制系統。

VPR 采用多膠云母帶，具有與熱壓工藝HP 同樣的不耗損樹脂的優點，操作人員不需與樹脂及有機溶劑接觸，VPR 工藝所使用的液態加熱加壓介質具有穩定的化學特性，在加熱加壓過程中不會發生化學變化而可以重復循環使用，并且對人體無害，因此具有對人友好和對環境友好的優點。另外VPR工藝的線棒抽真空及加熱加壓固化在同一個罐中由程序控制完成，與VPI 相比線棒不需要2 次進加熱固化罐而簡化了線棒制造的工藝流程。

VPR 整個抽真空和加熱成型過程均在真空壓力罐內自動控制完成，不受人為及外部環境的影響，從其工藝原理上為滿足線圈絕緣高品質和高穩定要求奠定了基礎。VPR 工藝實際制造的線圈產品經過實際運行及測試表明，其制造的線圈具有與VPI 等同的品質和穩定性，而VPR 工藝設備比VPI 設備稍簡單，在制造工藝的友好和環保性上則更優。

3 定子線棒絕緣性能要求

根據合同及相關標準要求，近尾洲水電廠定子線棒改造后的線棒絕緣性能需滿足表1 中的指標。

表1 近尾洲定子線棒改造主要指標

技術規范還要求，現場整機試驗需滿足以下指標：機組定子組裝完成后，分相局部放電限值在額定相電壓時不超過5 000 pC，額定線電壓時不超過20 000 pC。

4 定子線棒試驗性能研究及測試結果

定子線棒的性能關系到機組能否長期穩定運行，尤其對于像近尾洲這樣需要留用定子鐵心，且原線棒具有明顯的限制及性能缺陷的情況。改造線棒對絕緣結構的設計、材料的選擇、生產穩定性及安裝過程都提出了較高的要求。

為了確保改造成果，對線棒提出了高性能要求：全部線棒需進行外觀、形狀、耐壓、電暈、常溫介損、局部放電、表面電阻測試；隨機抽取線棒進行第三方的局部放電、耐壓、電暈及介損試驗。在工廠隨機抽取線棒進行工頻擊穿試驗、運行溫度下的加熱電老化試驗；進行高阻表面電位測試及組裝后電暈試驗。

經過試驗檢查及初期運行結果反饋，線棒的各項性能完全滿足要求。以下對定子線棒的主要性能進行統計及分析。

4.1 介質損耗

定子線棒介損是反映線棒絕緣固化程度及絕緣缺陷檢測的重要指標，根據合同要求，近尾洲定子線棒的介損有常溫介損和熱態介損2 個指標，且需滿足定子線棒產品質量分等要求中的優等品要求。

為此，在近尾洲定子線棒改造設計初期，就選擇了高性能的材料，并對絕緣結構進行了優化，最終達到了優良的效果。

對其中一臺機組的全部線棒進行統計后，介損測試結果如圖2 所示。

圖2 定子線棒常溫介損值分布

分析可知，近尾洲定子線棒常溫介損初始值全部滿足＜1%的要求，且在0.6Un時的介損值也基本分布在＜1%的范圍內。0.2Un～0.6Un電壓下的介損增量值全部分布在＜0.5%的范圍內。介損性能整體優良，分布合理。表明絕緣結構設計合理，絕緣材料性能優良，固化后整體性好，絕緣密實。

熱態介損上下層各抽檢1 根線棒進行測量。測量時先將線棒放置在155 ℃的環境中保溫2 h，然后再在該溫度下進行測量，測量結果如表2 所示。

表2 定子線棒熱態介損測試結果

從測試結果可知，近尾洲定子線棒在0.6Un時的熱態介損值為2%左右，遠小于指標要求的6%。表明主絕緣材料固化度高，耐熱性優良。

4.2 局部放電

定子線棒在制造和組裝過程中不可避免的會存在微小缺陷或空隙，在運行過程中部分空隙受到電場作用后會出現擊穿放電的情況，此類放電一般比較微弱，短期內不會造成絕緣擊穿事故，如絕緣內部放電、端部的電暈放電及槽部的火花放電等。但在長期運行過程中持續的放電將不斷造成絕緣劣化，縮短絕緣壽命，最終導致絕緣被擊穿。近尾洲改造前事故都與線棒槽內放電（圖3）。及端部發生局部放電有關（圖4）。

為避免因局部放電對機組的運行壽命造成影響，我們選擇了成熟、先進的防暈材料和防暈結構，并根據近尾洲鐵心結構進行了優化設計，通過試驗驗證可以完全消除槽口及端部電暈，并有較大的安全裕度。單根線棒在1.5Un下無起暈，在2.75Un+6.5 kV 的耐壓值附近也未觀察到明顯的電暈。

圖3 原定子線棒槽內局部放電腐蝕

圖4 原定子線棒出槽口局部放電腐蝕

在線棒制作中，采用多膠真空液壓VPR 工藝對絕緣進行了固化處理，由優良的工藝保證了單根線棒的電氣性能，最大限度地消除絕緣內部缺陷，將局放值控制在要求之內，達到優良水平。

對整臺機全部線棒的局放測試結果進行統計后，如圖5 所示。

圖5 定子線棒局部放電值分布

分析可知，近尾洲定子線棒單根的局部放電在1.0Un電壓下完全滿足≤500 pC 的要求，在1.5Un電壓下完全滿足≤1 500 pC 的要求。單根線棒局放值的技術指標達到了行業領先的水平。同時，抽取線棒在湖南電科院進行了第三方對比測試，測試結果和東芝水電的測試結果吻合。

為防止定子鐵心槽內鐵心和線棒之間發生局部放電，定子線棒下線采用螺旋包過盈的安裝方式，保證了定子線棒和鐵心之間零間隙，有效地避免了因槽電位過高和振動火花放電引起的槽內電腐蝕。在定子線棒下線后進行了槽電位測試，測試電壓為額定相電壓，所有測試點的電位值全部＜1 V，遠小于≤10 V 的要求值，表明定子線棒和鐵心槽接觸良好。

定子線棒組裝后，在吊入機坑前，現場進行了分相局部放電測試，測試結果如圖6 所示。

圖6 定子線棒組裝后整機分相局部放電測試值

從測試結果可知，定子線棒組裝后的分相局放值遠小于合同要求優等品的＜3 000 pC 的要求。表明定子線棒安裝結構設計合理，下線施工優良。

4.3 瞬時工頻擊穿電壓

近尾洲定子線棒絕緣厚度（包含防暈層厚度）僅2.0～2.1 mm，但要求擊穿電壓需大于70 kV，與額定電壓為10.5 kV 等級的常規設計一致，對應擊穿場強要求達到35 kV/mm 以上，對主絕緣的擊穿性能提出了很高的要求。

為此，我們通過對導體電場均勻化設計，優選主絕緣材料并對制造工藝進行合理優化，最終使近尾洲定子線棒的瞬時擊穿電壓超過了8Un，擊穿場強超過了40 kV/mm，遠高于技術指標要求值。

4.4 加熱電老化試驗結果及壽命評估

近尾洲定子線棒絕緣設計運行場強3.2 kV/mm，屬于厚度很薄的主絕緣設計，為驗證主絕緣的運行壽命，對5 根試驗線棒在機組運行溫度范圍進行了電熱聯合老化試驗，試驗電壓28.0 kV，線棒溫度100 ℃。

如圖7 所示，與基準線比較，近尾洲線棒絕緣老化壽命高于基準線要求，在設計的絕緣厚度下可以滿足運行壽命的要求。

圖7 定子線棒熱電老化壽命

5 改造后運行情況

為了對線棒改造前后的運行參數進行確認，設計對改造前后的線棒運行溫度進行了有限元解析。近尾洲1 號機定子線棒改造前，在夏季河水溫度較高的時間段，在某工況運行時，溫度分布解析如圖8 所示。上層線棒最高溫度為118 ℃，位于上游側靠近槽楔的區域，溫升為73.4 K；層間測溫電阻區域的最高溫度為107 ℃，平均溫度為104 ℃。實際測量最高溫度為107.9 ℃，最低溫度101.3 ℃，平均溫度104.7 ℃。解析結果與實際運行測量結果較吻合。

圖8 近尾洲定子線棒改造前某工況下溫度分布解析

根據改造線棒設計參數和下線結構對改造后的線棒運行溫度分布的解析結果如圖9 所示。解析結果表明，雖然導體面積沒有增加，但在同等滿負荷運行工況及環境條件下，改造后線棒溫升可降低5.5 K。

電站1 號發電機線棒更新改造后于2017 年2月開始投運，經過1 年多的運行記錄，定子線棒改造后，在同樣的工況下定子線棒溫升降低了5～7 K，與改造前解析的溫升降低5.5 K 一致。

電站3 號發電機線棒改造后于2018 年2 月開始投運，截止2018 年8 月，在各個工況下，發電機運行平穩。定子線棒的溫升降低情況與1 號機相當。表明兩臺機改造效果一致，工藝具有較好的穩定性。

圖9 近尾洲定子線棒改造后某工況下溫度分布解析

6 總結

近尾洲定子線棒的順利改造，表明了在較薄的絕緣厚度下，優化絕緣結構，選擇與工藝匹配的優良材料，通過對設計、制造、安裝各個環節質量的嚴格控制，可以得到性能優良的產品，實現國產化。

定子線棒的所有性能進行了100%檢查，全部達到行業標準要求的優等品標準。其中局部放電要求遠高于常規機組定子線棒，全部滿足在Un電壓下≤500 pC、1.5Un電壓時≤1 500 pC 的要求，組裝后整體性能也保持了優良水平。

改造后機組運行平穩，雖然線棒導體截面沒有增加，發電機原通風冷卻系統也留用未作改造，改造合同對線棒溫度降低也沒有要求，但實際通過絕緣改善和下線結構的優化，原線棒過高的溫升也得到了明顯的改善，達到了業主的期望。

近尾洲電站定子線棒的成功更新改造，獲得了電站和專家的認可和好評，也為國內外類似機組定子改造提供了寶貴的參考和借鑒。