空冷汽輪發電機定子整浸VPI國產材料應用研究

何智蓉，陳 勇，陳永庚，彭 涵

（中國長江動力公司集團，湖北 武漢430068）

交流高壓電機的絕緣系統主要有兩大體系：多膠模壓體系和真空壓力浸漬體系.真空壓力浸漬（簡稱VPI）是工件先在真空下排除白坯線圈內部的空氣及揮發物，然后在加壓下浸漆的方法，是先進的絕緣處理技術之一.VPI絕緣技術在國外高、低壓電機領域已經得到廣泛應用，國內在高壓發電機上發展較慢，目前單只VPI定子線棒絕緣體系仍停留在國外技術引進階段，對VPI整浸研究才剛剛起步.

空冷汽輪發電機的優越性在于機組省掉了定子水冷卻系統，運行時定子繞組產生的熱量通過對地絕緣散熱后，再由空氣介質冷卻，機組運行時的冷卻和散熱問題，是制約空冷汽輪發電機單機容量提高的主要因素.整機VPI相對線圈VPI而言，不僅減少線棒制作時所需要的工裝模具和工序，而且使線棒與槽壁沒有間隙，提高傳熱性能，有利于定子線棒冷卻，同時防止鐵芯槽楔與線圈松弛，消除鐵芯與線棒之間的振動磨損，因此發電機定子整浸是真正意義上的VPI，空冷發電機適合采用整浸VPI絕緣技術.

引進國外VPI整浸絕緣體系成本很高，故選擇國內較早從事VPI浸漬樹脂和少膠粉云母帶研究生產廠家，開展了自主的VPI絕緣結構設計和絕緣工藝研發試驗，希望通過試驗，摸索出有自己特色的空冷發電機整浸絕緣體系，降低發電機定子制造成本，發展民族企業.

1 定子線棒絕緣結構

線棒為單匝雙排條式，單邊主絕緣厚度為2.4 mm.排間絕緣采用膠含量為50%多膠板，線棒經過排間熱壓膠化后包扎少膠帶.采用A公司生產的5442－1T含促進劑的環氧玻璃少膠粉云母帶和B公司生產的R－1145純環氧酸酐VPI樹脂.

線棒采用二級防暈結構，防暈帶采用C公司提供的VPI專用防暈帶.

2 定子整浸線棒制作

2.1 線棒包扎

用FANUC ROBOT R－2000iA 165A 全自動恒張力包帶機對線棒進行包扎.初始包帶張力為50 N時，少膠帶有掉粉現象，調整包帶張力為45N，少膠帶仍有掉粉現象，最終調整包扎張力為40N.

主絕緣包扎完畢后，手工包扎防暈層，線棒端部（模擬模具外）1／2包扎 VPI防護帶J611－1熱收縮薄膜交織布絕緣保護帶.

試驗發現，要保證線棒包扎的緊度和致密性，需要一定的包扎張力，而國產少膠云母帶在設定的包扎張力下，有掉粉現象，只能降低包扎張力包扎，使包扎出的白坯線棒緊度和致密性降低，尺寸偏大.

2.2 利用仿真模具對白坯線棒真空壓力浸漬和烘焙固化

采用有模擬通風溝的模具，按R－1145純環氧酸酐浸漬工藝，對線棒進行浸漬和烘焙固化.

3 試驗［1－4］

3.1 固化后線棒外觀檢驗試驗

隨機抽取4根線棒進行外觀尺寸檢查，試驗數據見表1.從表1數據可以看出，同一根線棒上窄邊尺寸相差較大，使線棒表面凹凸不平.主要由于包扎少膠帶時，包扎張力不能達到要求，包扎緊密度較差，嵌線過盈量過大，使白坯線棒經真空浸漬、加熱固化后，槽內線棒鐵芯部位、通風溝及端部線棒三者壓緊度不同，氣隙不同，造成浸漬后線棒主絕緣層的樹脂含量有較大差異（表2），線棒表面凹凸不平.

表1 線棒外觀尺寸

發電機運行時，如果線棒表面凹凸不平，很容易造成低阻防暈層磨損，進而引起槽內局部放電，影響電機運行壽命.

3.2 線棒主絕緣層不同部位樹脂含量分析試驗

抽取2根線棒，檢測線棒不同部位主絕緣層中的樹脂含量，試驗數據見表2.

表2 線棒主絕緣層各部位樹脂含量

從表2數據可知：線棒端部主絕緣樹脂含量＞槽內通風槽口處樹脂含量＞槽內鐵心樹脂含量，同一根線棒上，不同部位膠含量分布很不均勻，特別是槽內通風槽與模擬鐵芯的線棒主絕緣層樹脂含量相差5.1%，使線棒主絕緣層內電場分布不均勻，容易引發局部放電，影響電老化壽命試驗.

3.3 線棒介質損耗角正切試驗

3.3.1 線棒室溫介質損耗試驗 隨機抽取5根線棒，測量室溫時線棒tanδ隨電壓變化關系，試驗結果見圖1.

圖1 線棒室溫tanδ與電壓關系

3.3.2 不同溫度，線棒介質損耗隨電壓變化試驗隨機抽取2根線棒，測量不同溫度下線棒tanδ隨電壓變化關系，試驗結果見圖2.

圖2 不同溫度下線棒tanδ與電壓關系

線棒常態和熱態tanδ和Δtanδ均符合JB／T7608－2006標準要求，并且達到DS／ZJ002－2002中一等品及以上要求.線棒常溫10kV電壓下的tanδ比2kV電壓下tanδ增大了32%～109%，但隨著電壓升高，熱態tanδ變化僅為4.2%～6.1%.推斷線棒內存在微小氣隙或夾層極化，常態時，隨電壓升高，線棒內的氣隙出現局部游離放電，而使tanδ增大，高溫時氣隙由于固體絕緣的膨脹而受到壓縮，引起線棒中的氣隙變小，減少了局部游離放電，使tanδ升電壓變化較小.

3.4 線棒瞬時工頻擊穿試驗

試驗在室溫變壓器油中進行，從40kV電壓開始，按2kV／s逐步升壓，直到主絕緣擊穿或防暈發生沿面擊穿，試驗數據見表3.

表3 線棒瞬時工頻擊穿試驗

從表2可知：5根線棒的瞬間擊穿電壓和擊穿場強均達到DS／ZJ002－2002標準中優等品要求.線棒的瞬間擊穿場強平均值高達36.22kV／mm，而我公司多膠模壓結構制作出的線棒瞬時擊穿場強僅為27kV／mm.說明VPI絕緣工藝可以提高線棒電氣強度，同時也說明采用國產材料制作的整浸VPI線棒的瞬時介電性能不低于國外水平.

分析線棒擊穿點，發現線棒擊穿點多數位于通風溝與鐵芯交接處，即線棒凸起與平面交接處角部.

3.5 線棒1min階梯升壓擊穿電壓試驗

試驗在室溫變壓器油中進行，從40kV電壓開始，保持1min，隨后每增加5kV電壓，保持1min，直到主絕緣擊穿或防暈發生沿面擊穿（表4）.

表4 線棒1 min階梯升壓試驗數據

采用嚴酷的1min工頻階梯升壓法獲得的擊穿場強在26kV／mm以上，高于行業標準DS／ZJ002－2002中瞬時擊穿場強一等品的要求.

3.6 線棒耐候性試驗

從室溫以一定的升溫速度升至155℃保溫16 h，然后迅速降至室溫為一個循環周期，循環次數為25個周期，線棒常、熱態介質損耗試驗示圖見圖3.

經25個周期的冷熱循環，線棒常、熱態介質損耗及增量仍能滿足JB／T7608－2006標準要求，并能達到DS／ZJ002－2002中合格品要求.但室溫0.6UN的tanδ由1.063%（平均值）升至1.446%，增幅達36%；155℃時，0.2UN的tanδ由5.254（平均值）升至8.150%，增幅達55.14%，0.6UN的tanδ由5.459（平均值）升至9.073%，增幅達66%.

圖3 線棒冷熱循環后，常、熱態tanδ與電壓關系

分析認為：線棒中銅線與主絕緣間的線性膨脹系數的差異，導致導線與絕緣層間產生一定剪切應力，經過25周期冷熱循環的熱應力作用，銅線與主絕緣間產生了微小間隙，隨電壓升高，線棒內間隙和線棒內原有的氣隙局部游離放電加劇，使高溫和高電壓下的介質損耗增幅較大，線棒有熱老化跡象.

3.7 線棒主絕緣彎曲和沖擊性能試驗

將主絕緣層從線棒表面剝離，制成標準試樣，分別進行沖擊和彎曲性能試驗，試驗數據見表5.

表5 線棒主絕緣層彎曲和抗沖擊性能

整浸VPI線棒常態彎曲強度高出多膠模壓線棒25.3%，熱態彎曲強度高出37%.少膠VPI線棒的沖擊強度比多膠線棒的沖擊強度稍低.

3.8 線棒耐電壽命試驗

3.8.1 3UN快速電老化試驗 取二根線棒并聯，施加工頻電壓，按照連續升壓的方式將試驗電壓升到31.5kV，然后，維持在此電壓下直到主絕緣擊穿為止.試驗在室溫空氣中進行.其中一根線棒在30h39min擊穿，擊穿點在線棒出槽口處角部，有明顯灼燒痕跡.另一根線棒未擊穿.

室溫3UN快速電老化擊穿時間30.65h，滿足西門子公司的要求（＞10h）.

3.8.2 2UN快速電老化試驗 取5根線棒并聯，施加工頻電壓，按照連續升壓的方式將試驗電壓升到21.0kV，保持電壓直到線棒擊穿，7＃、16＃、31＃、32＃、44＃線棒2UN電老化壽命分別為436h、333h、365h、437h、168h.

室溫2UN快速電老化壽命為365h（取中值），小于1 000h.其中4根線棒擊穿點均為線棒直線部位的通風溝與鐵芯交接附近.

3.8.3 電熱老化試驗 取3＃、12＃、18＃、40＃、41＃線棒進行熱電老化試驗，工頻電壓24kV，試驗溫度155℃.41＃線棒8h20min擊穿，觀察線棒表面有碳化痕跡，低阻部位有明顯膨脹，線棒擊穿點剖示圖見圖4，3＃、12＃、18＃、40＃線棒未擊穿，表面碳化痕跡不明顯，發現4根線棒低阻防暈全部脫殼，主絕緣層呈棕黃色，組織顯微示圖見圖5.

圖4 線棒擊穿點剖示圖

圖5 線棒擊穿點附近主絕緣顯微示圖

從圖5可看出，主絕緣層有碳化痕跡.線棒耐電壽命試驗擊穿點大部份在線棒“平滑”處與“凸起”交接附近.

綜合分析線棒介質損耗試驗數據、階梯升壓擊穿數據和電老化試驗結果，分析部分試驗數據不理想的原因有兩方面.其一，線棒制作時線棒包扎緊密度較差，白坯線棒嵌線時過盈量較大，造成線棒表面“凹凸”不平，在外施高電壓作用下，線棒表面容易發生局部游離放電，局部放電逐漸損傷低阻防暈層，造成線棒“脫殼”，使局部放電增加，線棒損耗加劇，發熱量上升；其二，排間絕緣采用多膠板，因膠化工藝不當，使線棒熱壓膠化后，細小氣隙被包封在膠化線棒中，線棒VPI處理時，樹脂無法對氣隙有效填充，隨電壓升高，氣隙發生局部放電，也促使線棒介質損耗上升，發熱量上升.如果線棒發熱量總大于散熱量，隨時間延長，線棒內溫度持續上升，此時線棒內銅線處溫度最高.當溫度升高到一定數值時，主絕緣與股線之間會出現貫穿性間隙，即脫殼，主絕緣脫殼后，主絕緣與繞組股線之間形成了一個空氣隙，使導熱情況變壞，線棒溫升加大，引起線棒內有機絕緣材料（匝間膠化材料）分解、熔化、碳化等.從41＃線棒擊穿剖視圖可以看出，由于主絕緣機械強度較高，密封性極好，主絕緣內分解產生的氣體無法排出，促使線棒內的間隙形成高氣壓使線棒膨脹鼓起，最終使主絕緣在高溫、高氣壓和高電場作用下擊穿.筆者認為排間膠化材料及其膠化工藝、白坯線棒包扎及其嵌線工藝是造成部分試驗數據不理想的主要原因.

重新制作了3根線棒，線棒為單匝單排條式，沒有排間絕緣，控制少膠帶包扎拉力為55N，嵌線過盈量小于0.20mm，線棒其它絕緣結構和浸漬工藝與前一批線棒相同.調整結構和工藝制作出的3根線棒表面沒有凹凸不平的現象.對線棒進行常溫2UN試驗，經1 030h仍末擊穿.

試驗證明改進材料和工藝后，制得的模擬線棒有優良電老化性能.

4 結論

1）利用國產5442－1T含促進劑的環氧玻璃少膠粉云母帶和R－1145純環氧酸酐VPI樹脂，完全可以制造出符合發電機要求的整浸VPI定子.

2）空冷發電機定子整浸絕緣工藝和配套絕緣材料直接影響定子絕緣性能，配套絕緣材料的選擇很重要.與國外材料相比較，國產VPI整浸配套絕緣材料綜合性能還有較大的差距，希望國內絕緣材料生產企業增強純環氧酸酐少膠整浸體系材料的研發力度，研發有優良抗張拉力少膠云母帶和適用于純環氧酸酐浸漬體系的排間絕緣材料、股線絕緣材料、防暈材料、端部固定用綁繩等配套絕緣材料.

3）采用國產材料進行發電機整機VPI試驗，國內還未見報道，整浸工藝還有待進一步試驗摸索.

［1］梁智明，皮如貴，漆臨生，等.絕緣電熱老化試驗研究［J］.東方電機，2011（1）：34－38.

［2］吳小蕾.660MW20kV汽輪發電機定子線圈VPI應用研究［J］.絕緣材料，2009，42（1）：25－28.

［3］漆臨生，皮如貴，梁智明.發電機單只線棒VPI絕緣系統研究［J］.東方電機，2007（4）：43－47.

［4］劉東升.上電絕緣系統少膠VPI整浸推廣及改進［J］.科技情報，1999（4）：34－36.