大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒槽部固定結(jié)構(gòu)的研究

摘 要：近些年隨著高壓大容量水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展，定子線棒在發(fā)電機(jī)中要求承受溫度變化、濕度、振動(dòng)及突然短路產(chǎn)生的巨大電磁力的作用，為避免損傷線棒絕緣、提高機(jī)組運(yùn)行壽命，發(fā)電機(jī)定子槽部固定結(jié)構(gòu)也變得尤為重要。因此就需要研究更加牢固、工藝方便的槽內(nèi)固定結(jié)構(gòu)，以消除電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中由于固定不牢引起的主絕緣磨損及槽內(nèi)的電暈腐蝕和槽內(nèi)火花放電（“電腐蝕”）。本文介紹了大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒槽部幾種固定結(jié)構(gòu)及材料，并對(duì)定子線棒槽部的受力和槽部防電暈、電腐蝕理論進(jìn)行了淺析。

關(guān)鍵詞：大型水輪發(fā)電機(jī)；槽部固定結(jié)構(gòu)；槽部固定材料

中圖分類號(hào)：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 定子線棒槽內(nèi)固定的原理

大型水輪發(fā)電機(jī)槽內(nèi)固定的作用包括：（1）消除槽內(nèi)電暈腐蝕及“電腐蝕”； （2）承受電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電磁力和振動(dòng)對(duì)線棒的磨損，防止線棒軸向下沉。

根據(jù)槽部防電暈及防“電腐蝕”的要求，理論上定子線棒與鐵心槽壁的間隙越小越好。目前所使用的環(huán)氧絕緣為熱固性材料，熱膨脹性小，在電機(jī)運(yùn)行中絕緣本身無(wú)法補(bǔ)償線棒與鐵心槽壁的微小間隙。據(jù)研究當(dāng)線棒與槽壁間隙在0.4mm～1.0mm間產(chǎn)生電腐蝕的幾率最大。雖然槽部電暈的放電能量不是很大，故熱效應(yīng)對(duì)絕緣的影響也不大，但其產(chǎn)生的臭氧與氮反應(yīng)生成的酸將腐蝕線棒主絕緣，最終影響線棒壽命。因此控制線棒低阻層和半導(dǎo)體槽襯的表面電阻率，彌補(bǔ)線棒與槽壁的間隙尤為重要。

線棒低阻層和槽襯的表面電阻要求既不能太大也不能太小，太大易造成槽內(nèi)電暈腐蝕，太小易在其表面產(chǎn)生渦流損耗會(huì)增大。因此線棒低阻層及半導(dǎo)體槽襯的表面電阻率控制在103～105Ω較為合理。

水輪發(fā)電機(jī)在安裝過(guò)程中對(duì)于槽內(nèi)固定結(jié)構(gòu)的考核通常采用測(cè)量線圈槽部表面電位的辦法。在線圈嵌入定子鐵心槽中并固定后進(jìn)行。測(cè)試時(shí)電機(jī)繞組加上UN/ 交流電壓，用連有電壓表的金屬觸頭（操作者通過(guò)絕緣棒控制）接觸線圈表面，同時(shí)讀取電壓表上讀數(shù)。GB/T7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》中要求槽電位不大于10V。

2 哈電傳統(tǒng)的槽內(nèi)固定結(jié)構(gòu)

哈電過(guò)去傳統(tǒng)的槽部固定結(jié)構(gòu)采用的是線棒與槽壁間填塞半導(dǎo)體層壓板的固定方式，底部、層間為半導(dǎo)體墊條。此種固定方式側(cè)面為分段填塞，剛性接觸，線棒表面半導(dǎo)體層與鐵心槽壁存在間隙，因此易產(chǎn)生電腐蝕，從而損傷線棒絕緣影響電機(jī)運(yùn)行壽命。除貫流外，混流、軸流等大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)多為立式，線棒豎直安裝，隨著運(yùn)行過(guò)程中槽內(nèi)受力的重新分布，半導(dǎo)體墊條易產(chǎn)生松動(dòng)及滑出等情況。因此傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)在抵抗電機(jī)運(yùn)行中的振動(dòng)磨損及阻礙線棒軸向位移的作用稍差。

3 哈電新型槽內(nèi)固定結(jié)構(gòu)及材料

3.1 RTV（室溫固化硅橡膠）/CRTV（導(dǎo)電性室溫固化硅橡膠）槽內(nèi)固定結(jié)構(gòu)

哈電在引進(jìn)加拿大GE公司技術(shù)制造二灘定子線棒時(shí)采用的是RTV/CRTV配合楔下波紋板的槽內(nèi)固定結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是將RTV（室溫硫化硅橡膠）和CRTV（半導(dǎo)體硅橡膠）分別涂于定子線棒的兩面并經(jīng)室溫固化后下入槽內(nèi)，由于固化后的RTV和CRTV為彈性體，與定子槽壁為過(guò)盈配合，因此線棒下入槽之后與槽壁接觸緊密，槽電位（或槽電阻）測(cè)量符合GE公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但此種結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中存在硅橡膠涂覆工藝較為復(fù)雜、線棒下線前需特殊防護(hù)的缺點(diǎn)。

3.2 “U”形半導(dǎo)體槽襯固定結(jié)構(gòu)

目前常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)多采用U字形槽襯固定結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體槽襯“U”形包繞在線棒上，層間或槽底配合半導(dǎo)體適形氈。該種固定結(jié)構(gòu)槽內(nèi)配合緊密，易于線棒的安裝和拆卸。

半導(dǎo)體槽襯是由無(wú)紡布和半導(dǎo)體膠粘劑復(fù)合而成。由于無(wú)紡布是聚酯體系，所選擇的半導(dǎo)體膠粘劑必須與它相容性好，否則將影響電阻值的均勻性以及半導(dǎo)體無(wú)紡布的強(qiáng)度，在考慮相容性的同時(shí)還必須考慮膠在固化后達(dá)到F級(jí)，因此選擇以環(huán)氧樹脂為主要膠粘劑材料，同時(shí)選擇合適的改性劑及偶聯(lián)劑對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，使其與聚酯無(wú)紡布粘接好；另外，加入適量的增韌劑以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體無(wú)紡布的柔韌性。

半導(dǎo)體膠的性能決定半導(dǎo)體槽襯的性能及應(yīng)用工藝，所以對(duì)膠的體系進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，通過(guò)大量的配方試驗(yàn)，最后確定膠以環(huán)氧樹脂為主，選擇亞胺改性劑和特殊增韌劑提高固化后半導(dǎo)體槽襯的耐熱性和柔韌性能，同時(shí)也選擇合適的偶聯(lián)劑提高膠與無(wú)紡布的粘接強(qiáng)度，滿足定子繞組下線對(duì)半導(dǎo)體槽襯強(qiáng)度的要求。

3.3 硅橡膠繞包“三合一”槽襯固定結(jié)構(gòu)

此種結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體無(wú)紡布表面涂覆硅橡膠，對(duì)折為“三合一”結(jié)構(gòu)，繞包在線棒低阻層表面與線棒一同下入槽內(nèi)，硅橡膠膠固化前具有可塑性，可以補(bǔ)償槽壁表面存在的微小機(jī)械公差，同時(shí)也可以抵消由于鐵心槽段不平在線棒絕緣表面產(chǎn)生的局部機(jī)械應(yīng)力。室溫固化后為彈性體，與槽壁過(guò)盈配合，易于操作和安裝，槽內(nèi)固定牢固、基本無(wú)間隙，補(bǔ)償運(yùn)行中的熱膨脹和位移。

此種固定結(jié)構(gòu)有效地解決了定子線棒在運(yùn)行過(guò)程中的所受的電磁力、振動(dòng)力、絕緣磨損及線棒下沉等問題，同時(shí)有效地消除了槽內(nèi)的電腐蝕，槽電位可控制在5V以下。硅橡膠繞包“三合一”槽襯配合頂部波紋板固定結(jié)構(gòu)，有效地保證了線棒在運(yùn)行過(guò)程中承受振動(dòng)力的作用，同時(shí)也更好地避免了在負(fù)荷突變和短路時(shí)巨大的電磁力對(duì)線棒的破壞作用。國(guó)產(chǎn)化的半導(dǎo)體硅橡膠各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外公司的技術(shù)要求，完全滿足大型水輪發(fā)電機(jī)的安裝和運(yùn)行要求，目前已應(yīng)用在了國(guó)內(nèi)的龍灘、拉西瓦等多臺(tái)大型機(jī)組上，安全可靠。

國(guó)產(chǎn)的半導(dǎo)體室溫硫化硅橡膠，原材料進(jìn)口，將膠體石墨與硅橡膠混煉成均勻體，采用室溫硫化劑，可在室溫下完全硫化。

3.4頂部波紋板的應(yīng)用

波紋板作為一種新型的槽內(nèi)固定材料目前已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。波紋板有頂部波紋板和側(cè)面波紋板兩種用途，側(cè)面波紋板多用于汽輪發(fā)電機(jī)的槽內(nèi)固定，為半導(dǎo)體材料；頂部波紋板應(yīng)用在水輪發(fā)電機(jī)中多為絕緣材料，固定在槽楔之下，利用波紋板的壓縮為線棒施加徑向預(yù)應(yīng)力，有效地避免線圈的下沉和松動(dòng)。

波紋板是由特殊編織的玻璃布經(jīng)F級(jí)熱固性樹脂浸漬成半固化玻璃坯布，然后在模具上加熱加壓固化而成。根據(jù)定子線棒槽內(nèi)固定的要求，波紋板要具有永久變形小，抗壓變形小，回彈力高的性能，這樣才能使其在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中更好地保持波紋形狀，保持彈性。水輪發(fā)電機(jī)槽內(nèi)頂部波紋板利用壓縮變形有效地起到了固定定子線棒的作用，在電機(jī)運(yùn)行和突然短路等情況下保證了線棒的固定牢靠，防止由此產(chǎn)生的線棒松動(dòng)磨損及軸向下沉，提高了電機(jī)的運(yùn)行可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]大中型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒股線新?lián)Q位方式[D].浙江大學(xué).2008.