24 kV級水輪發電機定子線棒絕緣性能系統研究

黃紹波，梁智明，胡 波，張 躍，張小俊

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

隨著科學技術的進步，發電機迅速朝著高電壓、大容量方向發展。開發額定電壓為24 kV、額定容量為1 000 MW的水輪發電機組，在世界水電史上將是首次。定子線棒作為發電機的關鍵核心部件，所采用的絕緣材料、絕緣結構及絕緣工藝，不僅涉及到電機設計參數的選擇和整體結構的布局，還關系到發電機的運行壽命和可靠性。為了確保1 000 MW級水輪發電機絕緣系統研發結果的正確性、合理性和可靠性，對24 kV電壓等級定子線棒的絕緣性能提出了更高的設計標準和性能要求。

(1) 線棒在進行500次冷熱循環試驗時，銅導體溫度迅速增加而沿著軸向快速膨脹，而主絕緣中的溫度是滯后的(溫度比銅導體低得多)、主絕緣膨脹較少，因此，在銅導體與主絕緣之間會產生軸向的剪切應力。線棒銅導體越長，冷熱循環產生的剪切應力對線棒主絕緣的影響越大，24 kV級定子線棒長度達到5.5 m。通過研發新型線棒主絕緣結構，進一步提高定子線棒銅導體與絕緣黏接強度，并開展為期3年的三輪型式試驗驗證，試驗結果表明24 kV級定子線棒500次冷熱循環前后的絕緣性能基本無變化。

(2) 24 kV級定子線棒主絕緣厚度厚、高寬比大，主絕緣VPI浸漬和固化成型工藝難度大大增加。主絕緣成型后的密實程度直接關系到線棒絕緣性能的優劣。通過優化線棒主絕緣成型技術方案并開展多次驗證對比試驗。試驗結果表明24 kV級定子線棒主絕緣浸漬良好、密實，絕緣性能優異。

(3) 相較于20 kV電壓等級，24 kV電壓等級定子線棒端部防暈結構設計難度呈指數級增長。首次開展24 kV級定子線棒的絕緣結構和防暈結構仿真分析，系統分析定子線棒導線曲率半徑、內均壓層結構和高寬比對電場分布的影響，提出了更合理可靠的定子線棒防暈結構。通過優化防暈材料和防暈結構，采用“一次成型+二次防暈處理”的雙通道防暈結構以及新型防暈保護層結構，使定子線棒的起暈電壓值由1.5UN提高到3.0UN。

本文通過測試首批次23支24 kV級定子真機線棒的關鍵絕緣性能，統計并分析了各項絕緣性能測試結果的分散性。測試結果表明：24 kV級水輪發電機定子線棒關鍵絕緣性能測試結果穩定，定子線棒絕緣材料、絕緣結構和工藝穩定可靠，完全滿足機組技術要求。

1 定子線棒測試項目

為了驗證24 kV電壓等級定子線棒主絕緣性能和防暈性能，定子線棒絕緣性能新增了很多測試項目。定子線棒絕緣性能測試項目如表1所示。

表1 定子線棒絕緣性能測試項目

2 測試結果分散性統計及討論

2.1 絕緣電阻和吸收比測試

對定子線棒施加5 000 V直流電壓，1 min絕緣電阻測試結果和吸收比計算值(R1 min/R15 s)的統計如圖1、圖2所示。絕緣電阻測試環境溫度為18 ℃，相對濕度為65%。

圖1 定子線棒絕緣電阻測試結果

圖2 定子線棒吸收比測試結果

定子線棒絕緣電阻測試結果表明，定子線棒的絕緣電阻在100 GΩ～300 GΩ范圍內波動，定子線棒的吸收比在2.0～4.0范圍內波動。定子線棒的絕緣電阻值穩定，分散性較小。

2.2 工頻交流耐電壓試驗

使用工頻交流試驗變壓器對定子線棒進行工頻交流耐壓試驗，定子線棒通過了2.75UN+6.5 kV(有效值72.5 kV)、1 min工頻交流耐電壓試驗，試驗過程中定子線棒絕緣未出現擊穿現象，定子線棒端部防暈層無冒煙和放電現象。

2.3 防電暈測試

(1) 暗室目測法

使用工頻交流試驗變壓器對定子線棒進行防電暈試驗，肉眼觀察線棒的起暈電壓大于3.0UN(有效值72.0 kV)，滿足定子線棒起暈電壓不低于1.5UN(有效值36.0 kV)的要求。

(2) 日盲型紫外成像測試法

使用日盲型紫外成像測試儀測量定子線棒在工頻交流耐電壓試驗過程中的電暈情況，定子線棒端部高電阻防暈區域在72.5 kV交流電壓下沒有產生紫外光子。

工頻交流耐電壓試驗和防電暈試驗結果表明，定子線棒防暈原材料穩定、防暈結構設計可靠、防暈處理實施工藝分散性小，保證了定子線棒端部防暈區域的電場分布均勻，線棒防暈結構起到了預期設計的良好均壓效果。

2.4 室溫下介質損耗因數(tanδ)測試

對定子線棒施加0～1.2UN電壓并在室溫條件下測試其介質損耗因數及其增量，測試結果如圖3、圖4所示。

圖3 介質損耗因數起始值tanδ0.2 UN測試結果

圖4 介質損耗因數增量Δtanδ測試結果

測試結果表明：定子線棒在0.2UN電壓下的介質損耗因數起始值tanδ0.2 UN均小于0.9%，0.6UN與0.2UN電壓下的介質損耗因數差值的一半Δtanδ均小于0.3%。滿足技術指標要求。

介質損耗因素測量是宏觀上整體監測定子線棒主絕緣內部的氣隙放電情況，介質損耗因數起始值主要反映定子線棒主絕緣的固化狀態，介質損耗因數增量則主要反映定子線棒主絕緣的浸漬和成型工藝。當定子線棒主絕緣的介質損耗因數起始值和增量控制在某一范圍內，則表明定子線棒主絕緣內部的氣隙群大致在某一限值以下，定子線棒主絕緣材料和制造工藝穩定，定子線棒主絕緣浸漬良好、固化完全。不論是少膠VPI絕緣體系還是多膠模壓絕緣體系的線棒成型工藝都無法完全消除主絕緣內部氣隙，只能將其控制在某一限值以下[1]。

2.5 局部放電測試

采用工頻無局放試驗變壓器對線棒施加額定相電壓和額定線電壓進行局部放電測試，測試結果如圖5所示。

圖5 局部放電測試結果

測試結果表明：線棒在額定相電壓下的局部放電值低于1 500 pC，在額定線電壓下的局部放電值低于3 000 pC。

相比介質損耗因數測試，局部放電測試是從微觀的角度測量線棒主絕緣內部的氣隙放電情況和線棒端部高電阻防暈區域的放電情況。由于局部放電測試受到眾多外在因素的影響(如線棒絕緣表面狀態、測試線路、測試環境、測試設備等)，當線棒主絕緣內部或端部高電阻防暈區域的局部放電活動大致控制在某一限值以下時，可以認為線棒絕緣材料、絕緣結構和防暈結構以及絕緣浸漬和成型等工藝穩定可靠。

2.6 工頻瞬時擊穿試驗

將線棒置于絕緣油中，按照勻速連續升壓方式進行工頻瞬時擊穿試驗，平均升壓速率約為1.3 kV/s。

測試結果表明：定子線棒的工頻瞬時擊穿電壓均大于160 kV，擊穿電壓與額定線電壓的比值均大于6.67倍，滿足技術指標要求。

2.7 電老化壽命試驗

(1) 2.0UN常態電老化壽命試驗

抽取3支定子線棒，按照IEEE Std 1553以及合同規定，采用電老化穩壓控制系統對定子線棒進行2.0UN(有效值48.0 kV)的常態電老化壽命試驗。根據IEEE Std 1553規定，試驗電壓波動率不大于±2.0%。

試驗結果表明：定子線棒2.0UN常態電老化壽命試驗結果滿足規定的不少于500 h的要求。

(2) 3.0UN常態電老化壽命試驗

抽取3支定子線棒，按照IEEE Std 1553和合同規定，采用電老化穩壓控制系統對定子線棒進行3.0UN(有效值72.0 kV)的常態電老化壽命試驗。試驗結果表明：線棒3.0UN常態電老化壽命試驗結果滿足規定的不少于10 h的要求。

(3) 電熱老化壽命試驗

抽取4支定子線棒，按照IEEE Std 1553、IEEE Std 1043以及合同規定，采用電熱老化控制系統和電老化穩壓控制系統對定子線棒進行120 ℃、47.4 kV的電熱老化壽命試驗。試驗結果表明：定子線棒在47.4 kV、120 ℃下的電熱老化壽命試驗結果滿足規定的不少于400 h的要求。

2.0UN和3.0UN常態電老化壽命試驗以及電熱老化壽命試驗結果表明：定子線棒主絕緣所使用的云母帶和浸漬樹脂等原材料性能穩定、VPI浸漬和模壓固化成型工藝合理，定子線棒主絕緣密實，保證了定子線棒主絕緣在長期電老化和電熱老化因子下的絕緣壽命穩定、分散性小。

2.8 冷熱循環試驗

按照IEEE Std 1330以及合同規定，將線棒在30～45 min內，加溫至150 ℃±5 ℃，在30～45 min內降溫至40 ℃，試驗周期500個。在第0、50、100、250、500個周期結束后，要求試驗前后各參數無明顯變化。冷熱循環試驗線棒數量為7支，其中1支作為控溫線棒不進行試驗。

(1) 線棒絕緣整體性測試

冷熱循環試驗前后，用金屬小圓錘輕輕敲擊線棒直線大面和端部防暈層區域絕緣，檢查定子線棒絕緣的整體性。測試結果表明：線棒直線大面和端部防暈層區域絕緣整體性良好，沒有出現發空的現象。

(2) 線棒尺寸穩定性測量

冷熱循環試驗前后，采用游標卡尺分別測量每支線棒直線部分的截面尺寸。線棒直線部分均分測試5點，線棒冷熱循環前和500次冷熱循環后的尺寸變化率如圖6所示。

圖6 線棒尺寸穩定性測試結果

測試結果表明：定子線棒經過500次冷熱循環試驗后，線棒高度方向尺寸的最大變化率為0.12%，線棒寬度方向尺寸的最大變化率為0.61%；試驗結果表明線棒絕緣的尺寸穩定性良好。

(3) 線棒低阻防暈層表面電阻率測試

冷熱循環試驗前后，線棒直線部分均分測試5點，測試結果表明：定子線棒經過500次冷熱循環試驗后，線棒低阻防暈層表面電阻率逐漸減小，最小值為5.24 kΩ，滿足相關技術指標要求。

(4) 介質損耗因數及其增量測試

冷熱循環試驗前后，對線棒施加0UN～1.2UN電壓并在室溫下測試其介質損耗因數及其增量，線棒冷熱循環前和500次冷熱循環后的介質損耗因數起始值及其增量測試結果如圖7、圖8所示。

圖7 線棒冷熱循環前后的介質損耗因數起始值tanδ0.2 UN測試結果

圖8 線棒冷熱循環前后的介質損耗因數增量Δtanδ的統計結果

測試結果表明：定子線棒經過500次冷熱循環后的介質損耗因數起始值tanδ0.2 UN都略有減小，介質損耗因數增量Δtanδ無明顯變化，完全滿足新線棒絕緣的介質損耗指標要求。

通過500次冷熱循環試驗后，定子線棒主絕緣與導線之間以及主絕緣云母層之間黏接牢固，線棒主絕緣內部膠黏劑(或環氧樹脂)在熱應力作用下進行了少量的高分子交聯反應，俗稱后固化效應[2]，因此定子線棒的介質損耗因數起始值有所降低。

(5) 局部放電測試

冷熱循環試驗前后，對線棒施加相電壓與線電壓進行局部放電測試，測試結果如圖9、圖10所示。

圖9 線棒冷熱循環前后相電壓下的局部放電最大值統計結果

圖10 線棒冷熱循環前后線電壓下的局部放電最大值統計結果

測試結果表明：線棒在經過500次冷熱循環后，相電壓下的局部放電值低于1 500 pC，線電壓下的局部放電值低于3 000 pC。

通過500次冷熱循環試驗后，線棒主絕緣內部和端部高電阻防暈區域的局部放電活動沒有出現明顯增長；進一步證明定子線棒主絕緣與導線之間以及主絕緣云母層之間黏接牢固，定子線棒端部高電阻防暈層與主絕緣黏接良好，沒有出現脫殼或分層現象。

(6) 2.0UN常態電老化壽命試驗

500次冷熱循環試驗后，抽取3支定子線棒進行2.0UN的常態電老化壽命試驗。

測試結果表明：定子線棒經過500次冷熱循環試驗后，在2.0UN常態下的電老化壽命試驗結果滿足規定的不少于400 h的要求。

(7) 線棒電熱老化壽命試驗

500次冷熱循環試驗后，抽取3支定子線棒進行120 ℃、44.5 kV的電熱老化壽命試驗。

測試結果表明：定子線棒經過500次冷熱循環試驗后，在44.5 kV、120 ℃下的電熱老化壽命試驗結果滿足規定的不少于250 h的要求。

3 結論

(1) 24 kV級水輪發電機定子線棒關鍵絕緣性能測試結果均滿足合同和相關標準要求。

(2) 24 kV級水輪發電機定子線棒經過500次冷熱循環試驗后，線棒各項絕緣性能參數無明顯變化，線棒主絕緣與導線之間以及主絕緣云母層之間黏接牢固，定子線棒端部高電阻防暈層與主絕緣黏接良好。

(3) 定子線棒采用的絕緣材料、絕緣結構和絕緣工藝合理可靠，能夠滿足24 kV級、1 000 MW水輪發電機組的長期安全穩定運行需求。