采用圓形取代矩形的發(fā)電機(jī)線棒——電機(jī)發(fā)展史上的一項(xiàng)重大創(chuàng)新

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 劉孝忠

繞組線圈及其絕緣常被比作電機(jī)的心臟。大電機(jī)的造價(jià)中，絕緣部分約占25 %以上，表明它的技術(shù)含量很高。然而它又是很脆弱的，它的事故率約占電機(jī)的30%以上。大電機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，在較大程度上講就是絕緣的材料、性能、結(jié)構(gòu)和工藝等方面的競(jìng)爭(zhēng)，而且是相互保密的，即使高價(jià)也不出售、轉(zhuǎn)讓。

我國(guó)的大電機(jī)絕緣技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平相比，主要差距表現(xiàn)在主絕緣厚度和繞組固定這兩個(gè)方面，然而它們之間又是密切相關(guān)的兩個(gè)因素。我們發(fā)電機(jī)主絕緣厚度約厚10%左右，經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā)，采取了有效措施，改善了定子繞組線棒矩形截面的4個(gè)角部的電場(chǎng)強(qiáng)度集中問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了絕緣厚度減薄、縮小了差距。

本文簡(jiǎn)述一種根本解決辦法，即采用圓形截面的電纜來(lái)取代矩形截面的線棒，從而消除了4個(gè)角部電場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)發(fā)展史上的一項(xiàng)重大改革。

1 傳統(tǒng)的矩形線棒

按照設(shè)計(jì)要求，大型電機(jī)定子鐵芯的槽形為矩形，所以槽內(nèi)的線圈或線棒也選擇矩形截面，以提高槽滿率。然而這種矩形截面導(dǎo)體的電場(chǎng)強(qiáng)度沿四周的分布是不等的，其4個(gè)角部高達(dá)6-9kV／mm，而4個(gè)直邊卻只有3kV／mm。

定子繞組的可靠固定和線棒主絕緣厚度的減薄是我國(guó)與世界先進(jìn)技術(shù)水平的最主要差距，兩者又是相互影響的。最近5年來(lái)，我們進(jìn)行了專題研究，采取了下述有效的減薄措施：

①采用高云母含量、高機(jī)械強(qiáng)度、工藝性能好的云母帶材料；

②采取各種改善角部場(chǎng)強(qiáng)的有效措施；

③在工藝上精工精作；

④采取可靠的繞組固定措施等。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的主絕緣厚度已經(jīng)接近甚至達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)水平。

2 新型的圓形電纜

具有圓形截面的電纜不存在像矩形截面線棒的4個(gè)棱角，也就不會(huì)發(fā)生電場(chǎng)強(qiáng)度集中問(wèn)題。因此，采用圓形電纜取代矩形線棒便從根本上消除了角部場(chǎng)強(qiáng)集中和絕緣厚度不能減薄的問(wèn)題，因而這是電機(jī)工業(yè)發(fā)展史上的一項(xiàng)重大變革。這項(xiàng)改革的實(shí)現(xiàn)是與現(xiàn)代化高電壓輸電電纜的發(fā)展分不開(kāi)的，這種已達(dá)到商品化的交鏈聚乙烯電纜的電壓等級(jí)已達(dá)到500kV，可使發(fā)電機(jī)的輸出電壓提高到高壓電網(wǎng)的水平。從而不必再經(jīng)過(guò)變壓器升壓后并網(wǎng)，而傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)至今為止的額定電壓多為18或20kV，最高也不超過(guò)30kV。用于發(fā)電機(jī)上的這種電纜與普通輸配電用電纜的不同在于它既沒(méi)有金屬屏蔽，又沒(méi)有外皮，而其材料與工藝卻與現(xiàn)已應(yīng)用的高壓電纜技術(shù)相同，即采用了已被電力電纜工業(yè)所證明了的固體擠壓絕緣的高電壓電纜技術(shù)，它屬于市場(chǎng)上流行的標(biāo)準(zhǔn)件商品。

設(shè)備：D8 ADVANCE X射線衍射儀(德國(guó)布魯克AXS有限公司)；Laser SHIMADZU SALD-3101 analyser激光粒度分析儀；Optima-8000電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(PerkInElmer)；TG-DSC熱重-差熱分析儀(日本-島津)；JJ-4六聯(lián)電動(dòng)攪拌器、電加熱套(帶磁力攪拌)、高壓釜(聚四氟)、PHS-3C型酸度計(jì)、真空抽濾泵。

采用圓形電纜的發(fā)電機(jī)可使電站省去變壓器、開(kāi)關(guān)、連接銅排、通道等許多電氣、機(jī)械、土建工程設(shè)施，同時(shí)又以廉價(jià)的聚乙烯取代了昂貴的云母帶。

3 結(jié)構(gòu)工藝特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的矩形線棒相比，采用圓形電纜的大電機(jī)在結(jié)構(gòu)、工藝等方面確實(shí)是一次重大變革。

3.1 槽形奇特

與傳統(tǒng)大電機(jī)的矩形線槽不同，采用圓形電纜時(shí)定子鐵芯槽形非常特殊，槽內(nèi)二側(cè)槽壁都帶有一定的半圓形以便緊貼電纜。電機(jī)的整個(gè)繞組線圈由一根長(zhǎng)電纜連續(xù)地穿入槽內(nèi)，而不是矩形線棒那樣由槽口嵌入槽內(nèi)。此時(shí)定子槽形很深，即齒很高，約為軛部高的4-5倍。成排的圓形電纜在槽內(nèi)是通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的三角形硅橡膠軟管來(lái)緊固的，以便減小振動(dòng)。將該軟管插入圓形電纜與鐵芯槽壁之間并在管中充滿液體硅膠，然后在受壓情況下使之固化，并使電纜緊貼槽壁。它們之間的緊固力必須保持在一定范圍內(nèi)，以便容許電纜絕緣的熱膨脹。

3.2 絕緣不同

定子繞組中的感應(yīng)電壓，從中性點(diǎn)起直到線端為止是逐漸升高的，電纜的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨著長(zhǎng)度的增加而增大，所以其絕緣厚度是不同的，即繞組的第一匝線圈采用較薄的絕緣，以后便階梯式地增加絕緣厚度，此外，電纜本身的股線絕緣也不同，為了減小漏磁通引起的附加損耗，電纜的多股股線應(yīng)被細(xì)分并進(jìn)行相互絕緣，然而事實(shí)上采用是不同的股線絕緣，即大多數(shù)股線是絕緣的，而股線線束的最外2層是非絕緣的，這樣可以確保股線和內(nèi)半導(dǎo)體層之間的等電勢(shì)。對(duì)于電壓為155kV、容量為75MVA的水輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，定小繞組用這種電纜總長(zhǎng)度為16m。

4 經(jīng)濟(jì)效益

采用圓形電纜取代矩形線棒的大電機(jī)可以帶來(lái)下述經(jīng)濟(jì)效益。

①用聚乙烯取代云母帶，成本大為降低；

②采用高壓電纜取代傳統(tǒng)線棒，可以不經(jīng)升壓變壓器直接并網(wǎng)；

③由于電壓很高，當(dāng)容量不變時(shí)，便可減小電流和電流密度，從而減小損耗，提高電機(jī)效率，還簡(jiǎn)化了冷卻系統(tǒng)。以直接并網(wǎng)運(yùn)行而不必再經(jīng)過(guò)降壓變壓器。

實(shí)踐證明，采用圓形電纜的高電壓大電機(jī)效率可提高0.5%～2%；而對(duì)于發(fā)電站來(lái)說(shuō)則可使總成本節(jié)約25.3%左右。

5 研究課題

根據(jù)近年來(lái)參加國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議的我國(guó)代表介紹，采用圓形電纜取代矩形線棒的大電機(jī)在國(guó)外經(jīng)歷了8年的研究開(kāi)發(fā)，已實(shí)現(xiàn)了商品化和工業(yè)化，訂貨量逐年增加。除了已投運(yùn)5臺(tái)外，加拿大和日本也向法國(guó)阿爾斯通訂購(gòu)，目的在于仿制和自己開(kāi)發(fā)。這種電機(jī)將帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)熱潮，有的人稱之為“電機(jī)結(jié)構(gòu)的一場(chǎng)革命”。

采用圓形電纜的大電機(jī)既可以是發(fā)電機(jī)(包括汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)），也可以是電動(dòng)機(jī)。這種專利發(fā)明是絕對(duì)保密的。

我國(guó)已經(jīng)掌握了將信息迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的能力，許多大電機(jī)行業(yè)單位非常重視，紛紛立題研究開(kāi)發(fā)。當(dāng)前的主要研究課題是：

①高電壓電纜的研制；

②電纜在鐵芯槽內(nèi)的因定；

③具有階梯式絕緣厚度的電纜在鐵芯槽內(nèi)的穿插工藝；

④電纜繞組的端部固定等。