多膠模壓線棒與少膠VPI線棒的冷熱循環對比試驗

付新星，饒保林，韋衍樂，曾栢順

（桂林理工大學 有色金屬及材料加工新技術教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004）

多膠模壓線棒與少膠VPI線棒的冷熱循環對比試驗

付新星，饒保林，韋衍樂，曾栢順

（桂林理工大學 有色金屬及材料加工新技術教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004）

本文對多膠模壓和少膠VPI兩種線棒進行了冷熱循環處理，在相同試驗條件下對比了這兩種線棒的耐熱性和耐冷熱循環能力。

高壓電機；線棒；主絕緣；冷熱循環；導熱系數

前言

定子線圈是大型高壓發電機的心臟部件，定子線圈主絕緣在發電機運行過程中須承受高電場、熱和機械應力等環境條件的作用，還要經受發電機在啟動和停機時產生的冷熱循環熱應力作用和突發短路時產生的強大電磁力的作用，因此定子線圈主絕緣必須具有良好的電氣性能、機械性能和耐冷熱沖擊的能力，從而保證發電機可靠運行。

目前大型高壓發電機定子線圈主絕緣按云母帶的膠含量劃分，有少膠VPI和多膠熱壓兩種絕緣體系。多膠熱壓又有模壓和液壓兩種成型工藝，我國目前多膠體系主要采用模壓工藝，國外多膠體系則采用真空液壓工藝（VPR工藝）。這些絕緣體系各有優缺點，如果工藝處理得當，理論上都可以制造出性能優良的主絕緣[1-2]。

我國從上世紀60年代開始制造大型高壓發電機以來，線圈主絕緣一直采用多膠熱壓絕緣體系。七八十年代曾經采用過多膠液壓工藝，液壓加熱介質為瀝青，后因VPR線圈尺寸偏差大、絕緣性能不理想，80年代逐漸被模壓工藝取代。

改革開放后，少膠VPI技術漸漸從國外傳入我國，經過多年的努力，我國少膠云母帶和VPI浸漬樹脂的質量水平，以及云母帶分切機、繞包機、VPI浸漬罐等相關設備的制造水平都得到了很大的提高，VPI技術在我國得到了很大的發展，以致近幾年不少電機廠紛紛投入資金進行技術改造，放棄傳統的多膠模壓工藝轉而采用VPI工藝。

未來大型高壓發電機主絕緣會不會全部被少膠VPI工藝取代？這是大電機行業、絕緣材料行業都在關注的一個問題。本文對多膠模壓和少膠VPI兩種真機線棒進行了冷熱循環對比試驗，從熱應力的角度，探討了這兩種絕緣體系的優缺點。

1 試驗

1.1 試驗樣品

選擇發電機額定電壓UN為20kV的多膠模壓和少膠VPI兩種真機線棒進行對比試驗，線棒外形尺寸相同，單邊絕緣厚度均為4.6mm(不含防暈層)。

1.2 冷熱循環試驗

試驗程序：室溫→180℃保持21h→25℃保持3h，每24h一個試驗周期。每種線棒試驗2個試樣。

1.3 性能測試

線棒主絕緣工頻介電損耗：采用三電極系統，電極長度 250mm，保護電極間隙 2mm，其余按 JB/T 7608-1994。以下其余性能則先用機加工方法從線棒上剝下主絕緣，然后按標準要求加工成試樣。其中，主絕緣的彎曲性能：試驗方向沿線棒縱向，試樣跨距64mm，試驗速度2mm/min，其余按GB/T 9341-2000；主絕緣的沖擊強度：簡支梁法無缺口試樣，支點跨距70mm ，其余按 GB/T 1043.1-2008；主絕緣的導熱系數：試樣尺寸 25.4mm×25.4mm×4.0mm，熱流方向垂直于云母層，取2個試樣的平均值作為試驗結果，其余按ASTM E 1530-2006；主絕緣的密度：試樣尺寸與導熱系數試樣相同，其余按GB/T 1033.1-2008 中5.1條規定的方法A（浸漬法）；主絕緣的熱失重：用機械方法從線棒上取下主絕緣，稱量冷熱循環前后試樣質量的變化，精確至0.001g，試樣原始質量150～200g；主絕緣粘接劑的酸值：用細銼刀從主絕緣上銼取試樣1～2g，加入中性丙酮30ml，不時搖動浸泡1h后，加入1%酚酞指示劑2、3滴，用0.1N氫氧化鉀-甲醇標準溶液緩緩滴至中性，測得實測酸值后按下式計算主絕緣中粘接劑的酸值：粘接劑酸值=實測酸值/實測主絕緣膠含量。

2 結果與討論

2.1 冷熱循環對線棒主絕緣介電損耗、損耗增量的影響

冷熱循環試驗前，多膠模壓線棒和少膠VPI線棒主絕緣的室溫介電損耗、155℃介電損耗和損耗增量都處在較好的水平，如表1、表2。前4個試驗周期，少膠VPI線棒主絕緣的損耗增量上升較快，之后漸漸趨于平緩，最后穩定在 1.1%附近。多膠模壓線棒的損耗增量比VPI線棒要小一些，經歷8個周期后穩定在0.6%～0.7%附近，如圖1所示。

多膠模壓線棒經 180℃冷熱循環 14個周期后（180℃下歷時共 21×14=294h），主絕緣的高溫介電損耗有上升的趨勢：冷熱循環前為1.3%，冷熱循環14個周期后增大至5.3%；同等條件下VPI線棒主絕緣的高溫介損基本保持不變。

2.2 冷熱循環后主絕緣導熱系數、密度和膠含量的變化

按試驗程序冷熱循環14個周期后，多膠模壓線棒和少膠VPI線棒主絕緣的導熱系數、密度、膠含量都明顯下降，如表3所示，線棒敲擊聲也不再清脆，損耗增量都有所增大，表明主絕緣已經開始發空。對于內冷式機組，發電機線圈的運行溫度除個別點外，一般都不超過80～90℃[3]，本文采用180℃的試驗溫度似有點偏高。但對于空冷機組，發電機線圈的設計最高允許運行溫度一般為120℃。實際運行時，在氣溫較高且滿負荷的情況下，線圈的最高溫度已接近120℃[4]，故對主絕緣的耐熱性應予以足夠的重視，進一步提高空冷機組定子線棒絕緣結構的耐熱性是有必要的。

表1 冷熱循環過程中線棒主絕緣室溫介電損耗 %

2.3 主絕緣的熱失重和熱降解機理

注意到在冷熱循環過程中，多膠模壓線棒和少膠VPI線棒主絕緣的熱失重曲線雖然很接近，如圖 2所示，但粘接劑酸值的變化、線棒尺寸的變化卻有很大的差別。

表2 冷熱循環前后線棒主絕緣的155℃介電損耗（試驗電壓0.2UN） %

圖1 冷熱循環過程中線棒主絕緣損耗增量的變化

表3 冷熱循環前后線棒主絕緣導熱系數、膠含量和整體性的變化

多膠模壓線棒主絕緣粘接劑的酸值，在老化前幾乎為零，經180℃老化300h（14個循環周期累計）后呈緩慢上升趨勢；少膠VPI線棒主絕緣粘接劑的酸值，起始值就比較大（達36 mgKOH/g），隨熱老化過程呈下降趨勢，180℃老化300h后降至20 mgKOH/g，如表4所示。

在熱老化過程中，多膠模壓線棒的尺寸是變大的，發生輕微的膨脹；少膠VPI線棒的尺寸則是變小的，發生一定程度的收縮，如表5所示。

圖2 冷熱循環過程中線棒主絕緣的熱失重

表4 冷熱循環前后線棒主絕緣粘接劑酸值的變化

這些試驗現象表明：在熱老化過程中，多膠模壓線棒主絕緣粘接劑主要發生的是熱分解反應；少膠 VPI線棒則主要是未反應徹底的液體酸酐受熱后進一步漸漸揮發。

對于 VPI引進技術和國內目前主要使用的環氧酸酐浸漬樹脂體系，線棒中存在未反應的液體酸酐是有可能的。在這種樹脂體系中，使用的環氧樹脂是高純結晶環氧，基本上沒有羥基，為了獲得較好的貯存穩定性，浸漬樹脂還必須嚴格防潮。故在通常情況下，這種樹脂體系中既沒有羥基也沒有水分存在。

根據在催化劑作用下環氧與酸酐的反應機理，如果環氧酸酐固化體系中沒有羥基也沒有水分存在，環氧基與酐基按等當量進行反應[5]。如果反應體系中有環氧過量，反應結束后則有剩余環氧基存在；如有酸酐過量則有酸酐存在。在實際操作過程中，由于酸酐除了需要固化VPI樹脂中的環氧樹脂外，還要固化少膠云母帶中的環氧，而少膠帶中的樹脂含量總有一個正常的偏差范圍，因此固化體系要一直保持環氧基與酐基正好等當量是不容易的。

此外，VPI樹脂在長期使用和貯存過程中，難免會或多或少吸收一些潮氣，吸潮后的VPI樹脂達到完全固化所需酸酐的當量就會比理論值小，這樣一來造成酸酐過量的可能性就比較大了。在用銼刀從VPI線棒上銼取粉末試樣時，可以聞到輕微的液體酸酐氣味，也證實了VPI線棒主絕緣中有少量酸酐存在。

表5 冷熱循環前后線棒尺寸的變化

2.4 冷熱循環對主絕緣力學性能的影響

冷熱循環結束后，用機加工的方法從線棒上剝下主絕緣，測定了冷熱循環前后主絕緣的力學性能，試驗結果如表6所示?？梢钥闯?，經冷熱循環后，少膠VPI線棒主絕緣的力學性能下降的幅度比多膠模壓線棒大。用機加工方法從線棒上剝離主絕緣時還發現，VPI主絕緣與線棒導體的粘接性較差，輕易就可以從線棒導體上剝離下來，表明VPI主絕緣的層間粘接力和對導體的粘接力不如多膠模壓線棒好。

3 結語

通過對相同尺寸的多膠模壓線棒和少膠 VPI線棒在相同條件下的冷熱循環對比試驗，得到以下結論：

（1）多膠模壓和少膠VPI兩種絕緣結構都具有優良的介電性能和機械性能，但經過 180℃冷熱循環14個周期后，兩種絕緣結構的性能都有所下降，其中多膠模壓絕緣的機械性能的保持率要比少膠VPI絕緣好些；少膠VPI絕緣的介電性能的保持率要比多膠模壓絕緣好些。用于空冷機組的主絕緣還需要進一步提高耐熱性。

（2）這兩種絕緣結構各有優缺點，且遵循不同的熱老化機理。

表6 冷熱循環前后線棒主絕緣力學性能的變化

[1] 袁曉紅, 王玉田. VPI 與模壓的發電機定子線棒之性價比[J]. 大電機技術, 2011 (1): 37-38, 64.

[2] 何智江. 三峽左岸電站發電機定子線棒主絕緣技術特點[J]. 大電機技術, 2003 (6): 1-4.

[3] 韓毅, 欒慶偉. 700MW水輪發電機定子線棒及匯流銅環溫升分布測量試驗新方法[J]. 防爆電機,2009, 44(4): 29-32.

[4] 張新聞. 150MW空冷發電機運行溫度高原因分析及對策[J]. 發電設備, 2009 (5): 370-373.

[5] 孫曼靈主編. 環氧樹脂應用原理與技術[M]. 北京:機械工業出版社, 2002: 142-143.

審稿人：滿宇光

Psychro-Thermal Cycle Contrast Tests between Resin-Rich Molded and VPI Stator Bar

FU Xinxing, RAO Baolin, WEI Yanle, ZENG Baishun
(Key Laboratory of New Processing Technology for Nonferrous Metals and Materials,Ministry of Education, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

The stator bars made by resin-rich molding and VPI technique have been exposed at the same psychro-thermal cycle conditions, and the heat resistance and the resistance of psychro-thermal cycling of this two kinds of stater bars has also been compared in this paper.

high-voltage generator; stator bar; ground insulation; psychro-thermal cycle; thermal conductivity

TM303

A

1000-3983(2012)06-0017-04

國家自然科學基金項目(51067003)；廣西科學基金應用基礎研究專項(桂科基0832015)；科技部科技人員服務企業項目(2009GJE10024)

2011-10-06

付新星(1988-)，2011年6月畢業于桂林理工大學材料學專業，研究方向為電氣絕緣材料，碩士研究生。