6KV電機VPI絕緣缺陷局部處理方案設計及成功實踐

福建福清核電有限公司 吳宏龍

6KV電機VPI絕緣缺陷局部處理方案設計及成功實踐

福建福清核電有限公司 吳宏龍

用VPI整浸工藝對少膠VPI整浸6kV電機線圈上層邊及端部絕緣缺陷進行局部處理，匝間絕緣、直流電阻測試、交、直流耐壓試驗合格，電機空載和滿負荷試運時，振動、溫升、電流等各項技術指標滿足運行要求，能夠長期安全穩定運行，并且所花費的時間，是更換電機整套VPI定子線圈所花費時間的二十分之一至三十分之一，費用也是傳統方法的二十分之一左右。但是該方法也有其局限性，那就是只能對VPI絕緣定子繞組上層邊和端部絕緣缺陷進行處理，不能對少膠VPI整浸工藝高壓電機定子線圈下層邊絕緣缺陷進行有效處理，這是由少膠VPI整浸工藝高壓電機定子線圈云母和環氧樹脂絕緣材料的機械、電氣特性所決定的。

真空壓力整浸；高壓電機；VPI絕緣缺陷；局部處理

1.高壓電機VPI絕緣缺陷局部處理方法的必要性

采用少膠VPI整浸工藝F級絕緣高壓電機絕緣損壞后，即使這些6kV伏高壓電機的絕緣損壞部位面積不大，只是某線圈的局部絕緣裂紋、破損或擊穿，但是采用傳統的局部絕緣補強處理技術或局部線圈更換處理技術，卻不能保證其長期安全穩定運行，最后不得不對其繞組進行全部更換。

在少膠VPI整浸工藝高壓電機日漸普及的行業大背景下，高壓電機運行、檢修企業將面臨越來越多的少膠VPI整浸工藝高壓電機絕緣缺陷修復問題，采用繞組整體更換方式顯然不是經濟的修理方式，有必要研究、探索一種安全、可靠的少膠VPI整浸工藝高壓電機絕緣缺陷局部處理技術，以大幅度降低檢修成本，提高檢修效率。

進行少膠VPI整浸工藝6kV電機定子線圈絕緣局部處理，應該從線圈絕緣材料、絕緣結構和工藝過程三個方面考慮。

2.高壓電機VPI絕緣缺陷局部處理方案設計

2.1 主絕緣設計

圖2.1 累積效應系數與外施場強的關系

圖2.2 端部防暈結構圖

對地絕緣材料選用蘇州巨峰電氣絕緣系統股份有限公司生產的JF-5446-1DS(P/G)型少膠云母帶，該云母帶以云母紙為基材，以電工用無堿玻璃布和聚酯薄膜為補強材料，采用F級耐熱型環氧膠粘劑，機械強度、電氣性能和柔韌性較好，適用于大中型高壓電機的對地絕緣,其主要參數為：

標稱厚度(mm)：0.13；云母含量(%)：120±10；玻璃布定量：(g/m2)20±2；薄膜定量：(g/m2)30±6；膠粘劑(%)：7-11；揮發物(%)：≤1.5；介電強度(Mv/m)：≥40；拉伸強度：(N/10mm)≥100。

對地絕緣材料選用環氧玻璃粉云母帶時，綜合考慮機械因素、歷次耐壓試驗的累計效應、絕緣分散度、正常運行條件下的年平均老化速率等因素后，其單邊絕緣厚度估算公式為：

式中：UN為額定電壓(KV)；

Kr為預防性試驗電壓倍數，一般取1.5

α1為歷次耐壓累積效應系數

α2為分散度，一般6KV以上取0.1,6KV及以下取0.15

β為平均老化速度指數，發電機取0.02，電動機取0.03

T為運行年限，發電機取30年，電動機取20年

Eb為擊穿場強(KV/mm),計算時一般取24KV/mm

少膠VPI整浸工藝6kV電機定子線圈對地絕緣材料選用環氧玻璃粉云母帶時，其單邊絕緣厚度設計計算如下。

少膠VPI整浸工藝6kV電機定子線圈工廠耐壓試驗電壓UT為：

假定所選絕緣厚度為3毫米，則外施場強E=UT/3=7(kV/mm) (2.3)

查圖2.1可知歷次耐壓累積效應約為0。

由此可計算少膠VPI整浸工藝6kV電機定子線圈對地絕緣材料選用環氧玻璃粉云母帶時，其單邊絕緣厚度為：

假定假定所選絕緣厚度為2毫米，則外施場強

查圖2.1可知歷次耐壓累積效應約為0.007。

由此可計算少膠VPI整浸工藝6kV電機定子線圈對地絕緣材料選用環氧玻璃粉云母帶時，其單邊絕緣厚度為：

故少膠VPI整浸工藝6kV電機定子線圈對地絕緣材料選用環氧玻璃粉云母帶時，其單邊絕緣厚度取2.3毫米足夠，考慮檢修絕緣裕度，其單邊絕緣厚放大至3毫米。

對選定絕緣材料及其厚度的估算驗證：

對地絕緣材料選用蘇州巨峰電氣絕緣系統股份有限公司生產的JF-5446-1DS(P/G)型少膠云母帶，且單邊絕緣厚度取3毫米時，在檢修現場手工包繞并經VPI固化后絕緣厚度為：3×0.8=2.4(毫米)，其介電強度為：2.4×40×1000/1000=96(千伏)，計及手工包繞不規則率50%則其介電強度不小于：96×50%=48(千伏)

遠大于線圈修復后耐壓試驗值21千伏，絕緣材料選型及厚度計算滿足要求。

2.2 匝間絕緣設計：

由寧波工程學院電子信息工程學院包蕾已發表論文《高壓電機定子繞組絕緣結構設計》可知：在過電壓陡波的作用下，相端首匝將出現最大的過電壓Us(幅值)，所以設計時匝間絕緣的沖擊擊穿電壓應高于Us。

式中：Uc為沖擊過電壓，一般取3.5UN(KV)；

Tf為沖擊過電壓波前時間，一般取1.5sμ

對于少膠VPI整浸工藝6千伏電機定子線圈，其沖擊過電壓UC為:

在過電壓陡波作用下作用下，相端首匝出現的最大過電壓US為：

對少膠VPI整浸工藝6千伏電機，其繞組槽部波速

由上述計算可知：少膠VPI整浸工藝6千伏電機定子線圈匝間最大過電壓的幅值一般不超過2.1千伏，據此可采用JF-6650(NHN)型聚酰亞胺薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復合材料作為匝間絕緣恢復包繞用絕緣材料，其主要機械、電氣性能如下：

標稱厚度(mm)：0.15±0.02 標稱定量(g/m2)：155±25

拉伸強度(N/10mm)：

縱向：≥120

橫向：≥80

擊穿電壓(kV)：≥8

2.3 防電暈措施

在槽內噴JF-134型低阻防暈漆，在繞組的槽內部分包繞JF-CT(V)08×20型低阻防暈帶，其表面電阻為4.0×102－9×103Ω；端部采取如圖2.2的防暈措施，JF-CT(V)08×20型低阻防暈層與JF-SC(V)14×20型高阻防暈層搭接20～30毫米，高阻防暈層一直延伸至線圈端部的引線處，JF-SC(V)14×20型高阻防暈帶的表面電阻為1.0×1010－10×1012(±10%)Ω；在端部異相間及固定件間，一方面保持端部斜邊間隙在9毫米左右，另一方面端部的固定采用滌玻繩捆扎，將滌玻繩刷上高阻漆，使其與端部絕緣粘結良好以消除滌玻繩處起暈。

3.高壓電機VPI絕緣缺陷局部處理方法的實踐

3.1 故障及處理情況簡介

某發電公司一臺高壓給水泵電機發生了單相接地故障，對該電機解體后，發現其4：45處一匝線圈的首、尾端端部各有一個綁扎帶斷裂，其斷茬為舊茬。

疑該電機在真空加壓浸漬前曾處理過，拆開其端部連接后，用5000V兆歐表測其對地絕緣為零，電機定子線圈其它部分對地絕緣在90兆歐以上。

2月15日，在某電機修理廠，采取措施抬起該線圈尾端上層邊一毫米左右，其對地絕緣升至90兆歐以上，判斷該線圈上層邊在尾端近槽口部位接地。某電機修理廠認為這種情況無法處理，只能更換整個電機定子線圈，需費用50萬元，工期47天。

該電機無備件，這就意味著：某發電公司#1機組鍋爐高壓給水泵將有至少五十天無備用泵，這期間，運行泵一旦跳閘，機組將非計劃停運，一次非計劃停運的直接經濟損失是十萬元以上，再加上調度電量考核和少發電量利潤損失，間接損失不下百萬元。

考慮到這一情況，基于已有的6KV電機VPI絕緣缺陷局部修復設計方案，本著探索、嘗試的目的，一方面安排電機修理廠按原計劃聯系線圈供應商預訂繞組銅線，并囑咐暫且不要拆除繞組。

另一方面征得發電公司主管領導同意對該電機進行局部絕緣修復嘗試。并與電機制造廠聯系，說明用戶希望進行局部絕緣修復嘗試，得到電機制造廠售后服務經理的支持。然后就嘗試電機VPI絕緣缺陷局部處理的想法與電機修理廠廠長進行溝通，闡述少膠VPI整浸工藝6kV電機定子線圈絕緣損壞后進行局部修理嘗試的經濟意義，得到電機修理廠的積極配合承諾。

2月20日某電機制造廠安排線圈車間技師一名趕到發電公司，帶其一起到電機修理廠，對接地線圈采用傳統吊把工藝試抬，抬不動，按照已設計的6KV電機VPI絕緣缺陷局部修復設計方案，首先用丙酮、甲苯、無水乙醇等有機溶劑，對接地線圈進行浸潤，改變故障線棒對鐵芯的牢固粘結力，然后將電機定子推進烘房加熱至130度左右。

2月21日早晨8點，把該電機在烘房內整體加熱至130攝氏度，將其推出烘房后用吊把工藝試抬故障線圈上層邊，抬不動，在線槽內噴灑丙酮浸潤后，對接地線圈單獨用直流焊機通電加熱至130攝氏度，然后再抬，稍有松動，一端抬起兩三毫米后，用不銹鋼圓鋼(直徑8毫米)做一字型楔形專用工具，長1.5米左右，楔形前端厚度2毫米，嘗試將其逐漸打入上下層線圈之間的墊條上部，在楔形專用工具將近到達線圈另一端時，注意別頂壞另一端線棒端部絕緣，打通后，抽出專用工具，在其下面加墊長鍥形墊條，然后再逐漸打入專用工具，這樣反復幾次，直到線圈離開槽口為止，期間用點式紅外測溫儀監視缺陷線圈絕緣表面溫度，若線圈溫度低于130度，停止專用工具打入操作，及時用直流弧焊機對故障線圈加熱升溫。

至12時左右該接地線圈上層邊被抬離線槽，用鋒利的割刀小心刨開絕緣損壞處的線圈絕緣層(注意不要劃傷線匝表面絕緣)，發現接地點位置在其尾端距槽口大約2厘米處的右側面，約4平方厘米左右的絕緣層已碳化變黑(見圖3.3少膠VPI整浸工藝線圈絕緣刨開后照片)。

測量該電機參數如下：定子鐵芯長L為0.9米，槽寬bi為20毫米，槽深hs為80毫米，單邊絕緣厚度3毫米，計算其線圈首端匝間過電壓為：

用聚酰亞胺薄膜聚芳酰胺纖維復合材料對接地部位匝間絕緣進行加強能夠滿足要求。

主絕緣包繞JF-5446-1DS(P/G)型少膠云母帶層數為：

3/0.13=23(層)，半疊包層數為11.5層，按12層考慮。

剝離該線圈上層邊槽內部分全部絕緣，并且在該上層邊的伸出槽口部位多剝離7厘米以上、清理碳漬、用聚酰亞胺薄膜聚芳酰胺纖維復合材料對接地部位匝間絕緣進行包繞加強，然后在線圈溫度保持90攝氏度條件下，開始包繞JF-5446-1DS(P/G)型少膠云母帶：云母帶半疊包12層，熱縮帶半疊包一層。云母帶包繞過程中一定要密實，并用干凈手將其捋平時，兩端與原絕緣接口部位延伸多包10厘米，并用遞減法多包三層。在槽內噴JF-134型低阻防暈漆，在繞組的槽內部分包繞JF-CT(V)08×20型低阻防暈帶，分別在其端部采取如圖2.2所示的防暈措施，JF-CT(V)08×20型低阻防暈層與JFSC(V)14×20型高阻防暈層搭接20～30毫米，高阻防暈層一直延伸至線圈端部的引線處，將線圈加熱至130度后，槽口加薄環氧樹脂板引導，用橡皮錘將墊著樹脂板的線圈整形，然后嵌到槽內。為檢測修復后的線圈運行溫度，在該線圈上、下層邊之間加裝Pt100鉑熱測溫電阻一個。槽口加槽鍥固定，待線圈冷卻后做匝間絕緣試驗，合格后，用銀焊焊接線圈拆開的斷口后，半疊包繞云母帶12層，高阻防暈帶一層，接口處兩端多包繞5厘米左右。至晚上21點左右處理好，然后將電機定子推入烘房做干燥處理。

2月22日上午，對該電機定子推出烘房，降至室溫后，測直流電阻合格，測絕緣100兆歐、吸收比2.4，開始做直流耐壓試驗(具體方法介紹見3.3直流耐壓試驗)，在打壓至直流1萬5千伏時約維持兩秒鐘后擊穿，檢查發現位于處理線圈隔一槽的4：15處又一線圈上層邊擊穿。

將該線圈首尾用火焊加熱解開后，用直流弧焊機加熱至130度，抬起該線圈，其接地點位于尾端距槽口約1.5厘米處線圈右下部，接地點有小米粒般大小，重復上述剝離槽內主絕緣、修復匝間絕緣、修復主絕緣、采取防暈措施程序，至21時左右該線圈絕緣處理好，為檢測修復后的線圈運行溫度，下線前亦在該線圈上、下層邊之間加裝Pt100鉑熱測溫電阻一個，對該線圈做直阻及匝間絕緣試驗合格，首尾端焊接并做絕緣修復處理后，再次推入烘房干燥。

2月23下午，測電機定子整體絕緣100兆歐、吸收比2.4，做直流耐壓試驗時，在1萬5千伏維持5秒左右5：15處又有一線圈在尾端上層邊上部槽口部位接地，接地點同樣只有小米粒般大小。2月24日，將接地線圈抬出又一次重復上述剝離槽內主絕緣、修復匝間絕緣、修復主絕緣、采取防暈程序進行絕緣修復處理，為檢測修復后的線圈運行溫度，亦在該線圈上、下層邊之間加裝Pt100鉑熱測溫電阻一個。

至此，接二連三的發生原來完好線圈耐壓試驗時擊穿問題，并且從擊穿現象看，似乎是修好一個線圈后，相對薄弱的附近線圈又擊穿，難道真的是VPI絕緣線圈不能局部修復嗎？難道是在修復絕緣過程中損傷了臨近線圈的絕緣嗎？

仔細觀察后來兩個故障線圈的位置和擊穿特點發現：

故障的兩個線圈與原故障線圈隔一個線圈，而吊把工藝抬起故障線圈過程中，變形最大部位是故障線圈的端部，能夠引起絕緣皸裂的部位應該是故障線圈的端部或者是故障線圈所在的另一槽下層邊槽口附近，不會引起隔槽線圈故障；

后來故障線圈的故障點特征很相似，均表現為小米粒般大小絕緣直流耐壓擊穿故障特征，與絕緣皸裂的裂縫擊穿明顯不同。

懷疑試驗超壓，導致耐壓試驗時，絕緣相對薄弱線圈的相對薄弱部位被擊穿，若這樣試驗下去，將無休止的頻繁出現新的故障線圈，并且用6KV電子式直流兆歐表也間接證明了這一懷疑是正確的。

為避免再次出現超壓擊穿，要求電機修理廠借來經校驗指示正確的直流高壓表替換原來指示有誤的直流高壓表，同時為避免舊槽鍥油污影響絕緣，退出整臺電機舊槽鍥，用毛刷蘸甲苯清洗定子槽部，并將定子推入烘房干燥24小時后，安裝新的環氧樹脂槽鍥。

表3.1 定子泄漏試驗數據 環境溫度 22℃ 環境濕度50%

表3.2 銘牌

表3.3 直流電阻 t=22℃

表3.4 絕緣電阻測量(MΩ) t=22℃

表3.5 定子泄漏試驗數據 環境溫度 22℃ 環境濕度50%

表3.6 交流耐壓：1分鐘 環境溫度 22℃ 環境濕度50%

表3.7 空載試運 t=22℃

圖3.6 對匝間絕緣修復后的故障線圈包繞少膠云母帶照片

圖3.7 故障線圈近槽口部位絕緣修復過程照片

圖3.8 故障線圈修復后待嵌入線槽照片

圖3.9 直流超壓擊穿后接地部位照片

2月25日，直流耐壓試驗裝置對電機直流耐壓合格，并且發現由于試驗失誤，原來的直流耐壓值實際超壓約6000伏，也就是說，修復后的線圈承受了15000+6000=21000(伏)的直流耐壓考驗，一個失誤的試驗無意中對修復線圈做了一次高達21000伏的超壓擊穿試驗，證明該絕緣結構能夠承受至少21000伏的直流耐壓試驗。

將電機定子清潔后，按照原設計方案用JF-9960環氧亞胺無溶劑浸漬樹脂進行VPI整浸處理，以加強絕緣修復線圈的電氣絕緣強度和機械強度。

冷卻后按照預防性試驗規程的更換局部線圈標準做直流電阻、直流泄露和交流耐壓試驗合格。

回裝電機，同時對冷卻器端面堆焊，上車床車平修復試壓，打壓至0.75MPa時，后端蓋一焊縫漏水，焊補后打壓合格。

電機組裝后，對電機進行空載試驗，振動、線圈溫度及軸瓦溫度均合格。

修復后實物圖見圖3.6-3.9。

3.2 耐壓試驗及試運

按照預防性試驗規程的規定：交流電機在大修或局部更換繞組后，應進行2.5Un的直流耐壓試驗。該電機在繞組絕緣局部修復后，比照交流電動機更換繞組后的試驗標準，進行2.5Un直流耐壓試驗。實驗報告如表3.1。

對試驗結果進行判斷，泄露電流在8微安以下，合格。

2月26日，電機回裝完畢，空試合格。

該電機絕緣局部處理后，總的預防性試驗試驗報告及試運行記錄如表3.2-3.7。

該電機投運后，滿負荷運行，處理過的三個定子線圈溫度為39度，與電機其他測點溫度38-40度相近，電流150A左右，與處理前運行電流一樣，最大振動3絲，符合要求。

至此，從15日發現定子線圈上層邊接地到三個絕緣薄弱點全部處理完畢，歷時11天，花費人工，機械及材料費合計不到2.5萬元。比繞組整體更換方案節約時間36天，節省費用四十七萬元，若刨除初次修復，探索修復方法、制作修復專用工具及修復過程中，由于試驗失誤，多修復兩個線圈的時間和費用，單個故障點的修復時間對于熟練的線圈修復技工和電機拆裝工人來說三天足夠，所花費用不會超過1.5萬元。

該電機至今已運行近二年，運行狀況良好，此后電機修理廠又運用此方法修復6kV 780KW磨煤機電機一臺，運行狀況良好。

4.高壓電機VPI絕緣缺陷局部處理方法的局限性

實踐證明，對少膠VPI整浸工藝6kV電機定子線圈絕緣缺陷用VPI整浸工藝進行局部處理是可行的，質量也是有保障的，能夠通過《電力設備預防性試驗規程》中高壓電機局部更換線圈的預防性試驗要求，即直流1.5萬伏和交流9千伏耐壓1分鐘的嚴格考驗，其處理費用和處理時間都會大大減少，對于單故障點采用局部處理的辦法，在工具、材料、人員均符合要求的情況下，只需4小時左右，加上電機拆裝時間也不會超過一天，花費在1萬元以內，與更換電機整體線圈相比，其檢修時間是整體繞組更換的二十分之一到三十分之一，其檢修費用是整體繞組更換的二十分之一左右，節約了大量人力、財力和時間。

“少膠VPI整浸工藝6kV電機定子線圈缺陷用VPI整浸工藝進行局部修復方法的成功實踐”打破了高壓電機修理領域“少膠VPI整浸工藝高壓電機定子線圈絕緣一旦損壞，就必須更換整套定子線圈的定論”，為該類型高壓電機使用企業和電機修理企業節約了人力、物力、財力，實現了雙贏，推廣前景廣闊。

但是該方法也有其局限性，那就是只能對VPI絕緣定子繞組上層邊和端部絕緣缺陷進行處理，不能對少膠VPI整浸工藝高壓電機定子線圈下層邊絕緣缺陷進行有效處理，這是由少膠VPI整浸工藝高壓電機定子線圈云母和環氧樹脂絕緣材料的機械、電氣特性所決定的。因此，今后高壓電機絕緣材料研發、絕緣結構設計及高壓電機檢修行業應在充分考慮材料抗振、耐磨、耐潮濕、耐高溫、高絕緣強度的前提下，關注電機絕緣結構一旦損壞后的可快速修復性，高可靠性前提下的可快速修復性應該是未來電機絕緣材料及絕緣結構的研究方向之一。

[1]包蕾.高壓電機定子繞組絕緣結構的設計[J].硅谷,2008,9:16-17.

[2]清華大學,西安交大合編.高電壓絕緣[M].

[3]《電氣電子絕緣技術手冊》編輯委員會編.電氣電子絕緣技術手冊[M].機械工業出版社,2008.

吳宏龍（1969—），河南鄭州人，大學本科，福建福清核電有限公司高級工程師。