27kV定子繞組主絕緣及防暈層設計開發

吳曉蕾 金雯靜 陳 梁

（上海電氣電站設備有限公司上海發電機廠，上海 200240）

1 引言

隨著我國電力事業的迅速發展，發電機也逐漸趨向大容量、高電壓。目前我國自己生產的汽輪發電機最大容量為600MW，電壓等級為20kV，但是，已經有許多容量超過600MW，電壓超過20kV的汽輪發電機在我國的電廠運行，而這些汽輪發電機都是從國外進口的，消耗了國家大量的外匯。27kV電壓等級的定子線圈絕緣研制在國內尚屬首次。據初步詢價，進口一臺百萬千瓦級的發電機定子線圈價格要2500萬左右的人民幣。因此，從國家利益和民族產業的利益出發，研制生產超大容量的汽輪發電機定子線圈事在必行。為了適應這一形勢的要求我們確定了“27kV級定子線圈絕緣研制”這一課題，從而為我公司自行生產百萬千瓦級汽輪發電機定子線圈作以技術儲備。

發電機定子線棒主絕緣的制造工藝大體上可以分為多膠模（液）壓工藝和少膠真空壓力浸漬（VPI）工藝。國外著名大公司如西屋公司，三菱公司，ABB公司，西門子公司等大多采用VPI工藝。

我公司于2001年通過了VPI技術制造空冷定子線圈的西門子西屋公司的考證，在2003年底制造了國內首臺 660MW VPI絕緣大型汽輪發電機，從而開創了國內VPI技術制造大型汽輪發電機的歷史。

1.1 目的和任務

“27kV級發電機定子線圈絕緣研制”課題的目的是結合上海汽輪發電機有限公司現有的絕緣體系和工裝設備的特點確定合的27kV定子線圈膠化線棒的絕緣結構，主絕緣的絕緣結構，以及防暈結構，而達到西門子西屋公司定子線圈絕緣性能的要求。

1.2 百萬千瓦級定子線圈主絕緣的制造工藝路線的選取

27k定子線圈絕緣設計是以 VPI線圈制造設計為基礎，參考西門子西屋公司的設計并做以改進后采用真空壓力浸漬工藝進行絕緣處理的絕緣結構。

真空壓力浸漬（VPI）具有以下特性，這些特性是有效地預防導致電動機和發電機故障的根本因素。

（1）通過VPI工藝可以消除絕緣體系內部的氣隙，提高主絕的導熱性。

（2）通過VPI工藝可以減少主絕緣的早期電老化，提高了絕緣的耐久性。VPI工藝的采用，使絕緣內部的氣隙降到了最低限（從理論上而言，可以降低到零氣隙）在高壓電氣絕緣結構中，絕緣結構中的氣隙會發生放電，這也就是常見的電暈現象。電暈現象的產生加劇了絕緣材料的電老化過程，縮短絕緣的壽命[1]。

（3）通過VPI工藝可以減少由于震動而導致的機械損傷：電機在運行的過程中，線圈會受到震動，滑動或彎曲等機械應力的作用，VPI工藝的采用，使高黏結強度的浸漬樹脂填補了線圈內部的間隙，使線圈成為一個整體，避免線圈由于機械應力的老化過程[1]。

（4）由于VPI工藝的無氣隙的優勢，使得采用該工藝制造的主絕緣的耐侯性和耐溶劑性有所提高[1]。

（5）膠模壓的線圈，因模具設備原因，易產生主絕緣厚度單邊的狀態，而VPI工藝制造的線圈主絕緣雙面均勻，有利于提高線圈的制造水平。

227kV定子線圈的絕緣結構的選定

2.1 膠化線棒絕緣結構的選定

（1）定子線圈所用的絕緣銅扁線

由于百萬千瓦27kV級定子線圈的設計時的換位節距較20kV定子線圈小，每根股線的寬邊/窄邊比較大，因此在考慮絕緣銅扁線的絕緣結構時，既要考慮到材料機械強度，又要考慮到材料的電氣強度。為此，我們通過多方比較選用了玻璃絲/滌玻絲包聚酰胺酰亞胺漆包銅扁線。該電磁線的性能見表 1。

表1 絕緣銅扁線性能

（2）換位絕緣的選用

對于 27kV級定子線圈的換位絕緣，由于定子線圈的換位節距較小，為了避免股間短路，在絕緣設計時選用了高剪切強度的NOMEX材料。

圖1 股線換位和放入換位絕緣

圖2 線圈膠化后的照片

（3）定子線圈內屏蔽結構的確定

西門子西屋公司對少膠主絕緣的常態介損和增量的數值要求遠比國內多膠模壓主絕緣的要求要低，國內制造的多膠模壓線圈普遍達到部頒一等品線圈的介損要求即：tg0.2E＜2%，tg (0.6-0.2)E＜1%；而西門子西屋公司的要求tg0.2E＜1%，tg (0.8-0.2)E＜0.65%；為了使達到這一要求，我們借鑒國外成功的經驗，對膠化線棒采取內屏蔽的方式。國際上，定子線圈的內屏蔽方式多種多樣，主要有：導電板方式、導電膩子方式、導電帶方式以及導電漆等方式。通過在定子線圈上的試驗比較得到的結果見表2。

根據表2，我們在線圈內屏蔽結構的選用上采取了介損增量較低的優化的導電帶結構。

2.227kV級定子線圈主絕緣結構的選定

27kV級定子線圈主絕緣單邊絕緣厚度的設計是和西門子西屋公司絕緣厚度同步的，都是LEVEL602的水平，單邊絕緣厚度在7mm左右。線圈主絕緣的云母帶采用進口的不含促進劑的少膠帶；VPI浸漬樹脂采用西門子西屋公司牌號為PDS 53841PU樹脂。該絕緣體系是西門子西屋公司的Thermalastic絕緣系統，西門子西屋公司采用該系統作為大型高壓電機的絕緣體系已經有幾十年的歷史。在我公司 VPI線圈的試制歷史上，試制絕緣厚度在7mm左右的VPI定子線圈尚屬首次， 因此在絕緣結構確定后需選取合理的VPI參數，使主絕緣在VPI樹脂中浸透，從而最終保證主絕緣的電氣性能。

表2 內屏蔽方式的不同對定子線圈常態介損的影響

表3 VPI線圈常態介損與增量值

3 線圈主絕緣的性能研究

3.127kV級VPI定子線圈膠化線棒的制造

按照 27kV級定子線圈膠化線棒的絕緣結構要求， 選用玻璃絲/滌玻絲包聚酰胺酰亞胺漆包銅扁線數十根進行編織換位后，放入排間絕緣， 換位絕緣及換位面凹坑絕緣后進行定子線圈的成型膠化并對膠化線圈進行內屏蔽處理。

3.227kV級VPI定子線圈的介質損耗

（1）常態介損和增量（見圖3）

西門子西屋公司的常態介損要求是tg0.2UN≤1%，介損增量 tg(0.8-0.2)UN≤0.65%；我們制造的 27kV級定子線圈的介損平均值均達到西門子西屋公司的技術指標，可以初步確定我們設計的 27kV級定子線圈的絕緣結構基本是合理的。

圖3 27kV級定子線圈的常態介損及增量與多膠部頒標準比較

27kV級 VPI定子線圈的常態介損和介損增量均比多膠模壓部頒標準優等品線圈主絕緣要低，這主要是由于VPI工藝的特點，使定子線圈內部的氣隙減少，從而在線圈的常態介損尤其在常態介損增量上比多膠模壓線圈具有更突出的優勢。

（2）27kV級定子線圈的熱態介損

西門子西屋公司對于 27kV定子線圈主絕緣的熱態介損無明確規定。但 27kV級定子線圈的熱態介損要比多膠模壓 JB/T56082（優等品）的要求低近50%（見表4，圖4）， 這主要是由27kV級定子線圈主絕緣體系的樹脂和VPI工藝無氣隙的特點所決定的。

表4 27kV級定子線圈熱態介損與多膠線圈部頒標準比較

圖4 27kV級定子線圈介損與多膠線圈部頒標準的比較

3.327kV級定子線圈的主絕緣擊穿強度

表527kV級考核線圈的主絕緣擊穿強度

西門子西屋公司定子線圈的擊穿強度的要求是大于25kV/mm，我們試制的定子線圈在進行擊穿試驗時，均是主絕緣未擊穿就發生了防暈層擊穿的現象，因此定子線圈的擊穿場強是滿足西門子西屋公司的要求的。

圖5 27kV級定子線圈的擊穿強度與多膠線圈部頒標準比較

3.427kV級定子線圈主絕緣的彎曲強度

表627kV級VPI線圈的彎曲強度和多膠模壓主絕緣的對比

圖6 27kV定子線圈的彎曲強度與多膠模壓線圈的比較

通過VPI線圈的彎曲強度與多膠主絕緣相比，VPI線圈的熱態和常態的機械強度要高于多膠主絕緣，這主要和VPI體系的樹脂以及VPI工藝制造的主絕緣的致密性有關。VPI工藝使得線圈絕緣的致密度提高，存在于線圈內部的內應力減少，因此在常溫及中溫下的強度要遠高于多膠桐馬體系，但在130℃時的抗彎強度下降較快且接近于多膠體系，這主要是由于該溫度附近正好是VPI（Thermalastic）主絕緣的玻璃化轉變溫度，因此導致了絕緣機械性能的迅速下跌。

3.527kV定子線圈主絕緣玻璃化溫度和多膠主絕緣的對比

線圈主絕緣的玻璃化溫度是體現絕緣機械強度的熱態耐久性的指標，從表7的對比中可以看出

從上圖5可以看出，27kV級VPI定子線圈的主絕緣的電氣強度高于部頒標準要求的優等品 20kV級多膠模壓主絕緣的電氣強度。這主要是由于采用VPI工藝處理的主絕緣的內部是致密的整體，減少了氣隙缺陷，從而提高了主絕緣的電氣強度。

VPI線圈主絕緣的玻璃化溫度要比多膠模壓線圈主絕緣的玻璃化溫度高，這說明 VPI線圈的Thermalastic主絕緣的熱態耐久性要比桐馬體系的主絕緣好。從VPI（Thermalastic）主絕緣的玻璃化溫度來看，VPI（Thermalastic）主絕緣更適合用于應用到空冷汽輪發電機主絕緣和溫升高的大容量發電機。

表7 660MW主絕緣玻璃化溫度與多膠主絕緣的對比

3.6 快速電老化試驗

27kV級定子線圈的主絕緣按照西門子西屋公司的要求需進行電老化試驗，電老化試驗分為兩種：①兩倍的額定電壓下的定子線圈的電老化；②三倍額定電壓下的定子線圈的電老化。 根據西門子西屋公司提供的經驗， 一般快速電老化的試驗條件更加苛刻。 因此我們選擇了快速電老化試驗對線圈進行老化試驗。

表8 27kV級VPI線圈主絕緣的快速電老化試驗

圖7 百萬千瓦級定子線圈的快速電老化

427kV級定子線圈的防暈

27kV級定子線圈的研制中另一較大的難點是定子線圈的防暈結構的確定，由于電壓等級的提高，對定子線圈的起暈電壓提出了更高的要求，西門子西屋公司對于 27kV級定子線圈的起暈電壓要大于63kV； 而定子線圈完成后需對定子線圈進行83kV1分鐘的耐壓試驗，西門子公司的線圈防暈無法承受如此高的電壓，因此進行該試驗時是采用外接電容分流法進行的。

我公司一次成型防暈在首臺VPI 660MW 20kV級定子線圈上已經得到了成功應用， 為此我們的設計思路是在 20kV級線圈防暈的基礎上進行改進，通過數百根模擬線棒的反復試驗，最終確定了四級防暈的一次成型防暈結構。

4.1 低阻帶隨主絕緣固化后的阻值

表9 低阻帶在VPI線圈表面的阻值

該系列的低阻帶在經過 VPI處理， 主絕緣固化后的阻值范圍在1.2～10kΩ范圍之內，這符合線圈槽內部分阻值要求大于1kΩ小于50kΩ的要求。

4.2 一次成型的防暈線棒的防暈性能

經過反復防暈結構的試驗， 最終線圈防暈長度得以確定，其防暈水平見表10。

表10 線圈分步耐壓試驗

西門子西屋公司的刷漆型防暈的要求是，定子線圈的起暈電壓大于63kV；而我們設計的防暈結構達到并高于西門子西屋的要求。同時該防暈結構也順利通過線圈83kV 1min的耐壓試驗，而西門子西屋公司在進行該試驗時是采用電容分流的方法。

4.327kV級定子線圈防暈結構的電老化

通過反復試驗確定的定子線圈的防暈結構， 應用到定子線圈上，在線圈主絕緣電老化試驗中，防暈結構也經歷了81kV 70h的老化。國外的同行業競爭對手，將高電壓電老化的防暈結構作為 27kV級技術壁壘來限制我們的發展；百萬千瓦級防暈結構在這次的快速電老化試驗的一舉成功，是我公司防暈技術的又一突破。

5 結論

（1）27kV級VPI定子線圈主絕緣的擊穿電壓和場強均比多膠模壓主絕緣有優勢，27kV級 VPI定子線圈主絕緣的擊穿場強達到了西門子西屋公司的設計要求。

（2）27kV級VPI定子線圈主絕緣的玻璃化溫度要高于多膠模壓桐馬體系線圈的玻璃化溫度， 這使得線圈的剛性好。通過對 VPI線圈主絕緣玻璃化溫度的研究發現，使我們認識到VPI絕緣更適合于冷卻效果相對欠佳，溫升較高的電機，如空冷發電機的線圈絕緣。

（3）27kV級 VPI定子線圈主絕緣的常態介損，介損增量以及熱態介損均達到西門子西屋公司的絕緣設計要求，這說明27kV級VPI定子線圈內部的內屏蔽結構是合理的，主絕緣制造工藝參數的選擇是恰當的。

（4）27kV級VPI定子線圈主絕緣的抗彎強度高于多膠桐馬體系，VPI線圈的剛性好，這主要是由Thermalastic 絕緣的玻璃化溫度和VPI工藝主絕緣的無氣隙性決定的。

（5）通過27kV級VPI定子線圈的防暈，采用了一次成型的防暈結構，該結構較西門子西屋公司的刷漆結構簡單，易操作。在防暈性能上超越了西門子西屋公司的防暈水平。

[1]Thomas Weege. Basic Impregnation Techniques[C]//Electrical Electronics Insulation Conference, 1997, and Electrical Manufacturing & Conference Procedings,September 22-25, 1997:709-715.

[2]G.deutschmann, K.kraβnitzer. Influence of mica paper type and construction on the dielectric properties of VPI and resin rich high voltage insulation[M]//Electrical Electronics Insulation Conference, 1991,Boston’91 EEIC/CWA Exposition Proceedings of the 20th, October 7-10, 1991:60-64.