大型空冷汽輪發電機絕緣結構研究

張影

摘 要：大型空冷汽輪發電機定子線棒主絕緣性能與多種因素有關，包括絕緣體系、絕緣材料、絕緣結構、制造工藝、角部電場處理等，本文從線棒的主絕緣體系、線棒角部電場強度分布改善、絕緣材料選擇、線棒端部防暈處理、絕緣制造工藝改進等多方面闡述了大型空冷汽輪發電機定子線棒絕緣結構研究。

關鍵詞：定子線棒；絕緣結構；角部場強；防暈

中圖分類號：TM311 文獻標識碼：A

空冷汽輪發電機正是緊跟國內、外發電設備市場的需求，在吸收引進和掌握日本東芝和美國GE等公司先進設計理念、工藝方法的基礎上，以系列化、通用化和低成本為原則進行自主研發設計的新產品。本文在定子線棒的導線絕緣結構、主絕緣結構、防電暈結構、定子線棒制造工藝上進行了大量深入的科學研究工作。本文的研究工作將填補國內多膠模壓空冷汽輪發電機絕緣體系的空白。通過對空冷汽輪發電機定子線棒絕緣結構的研究，進一步提升定子線棒絕緣技術水平，為其他機組的絕緣設計和研究奠定堅實的基礎，帶動了其他產品的絕緣結構優化工作，將產生巨大的經濟效益和社會效益。針對定子線棒絕緣結構主要包括導線絕緣結構、主絕緣結構及性能評定等進行研究。

1 主絕緣體系的確定

多膠環氧粉云母帶連續式絕緣模壓型或液壓型絕緣體系，和少膠環氧粉云母帶線圈VPI型絕緣體系，都能獲得高質量的電機繞組絕緣，所以兩種絕緣體系在世界上都在廣泛使用。

我公司大型發電機定子繞組為F級桐馬環氧粉云母多膠模壓型絕緣體系。通過與國外公司的合作項目，我公司將國內交直流電機定子線圈、二灘18kV/550MW水輪發電機定子線棒及三峽20kV/700MW水輪發電機定子線棒分別發往日本三菱公司、加拿大GE公司、瑞士ALSTOM公司（原ABB），這幾家公司采用國際標準及相應國家標準，對我公司提供的線棒進行了外觀質量和幾何尺寸檢查；對表面電阻、介質損耗、冷熱循環、電熱老化及電老化試驗等進行了嚴格的考核評定。試驗結果表明：多膠模壓體系制造的線棒，其電氣、機械性能達到國外少膠VPI體系同等。同時，由于用于制造高電壓等級少膠VPI線棒用的主絕緣材料（特別是云母帶、浸漬樹脂）及部分配套材料需完全依賴進口。從材料供貨周期、質量保證、經濟性、生產安全性等長遠發展考慮，仍采用國內傳統的多膠模壓絕緣體系。

2 角部電場分布的改善

電機運行時，線棒導體的角部電場較為集中，即線棒導體角部的電場強度要比導體其它部位高得多。

針對線棒導體角部電場集中問題，國內外大電機制造商在這方面都進行了大量的研究工作。每個公司都有不同的處理方法，對改善角部電場分布都有一定的效果。通過角部場強的良好均化，使絕緣厚度減薄成為了可能，同時對云母帶材料進行了研究和改進，使云母帶的電氣性能得到提高，線棒的擊穿性能相應提高。

綜合分析國外技術，結合我公司獨有的經驗以及考慮產品性能、制造工藝、可靠性等諸多因素，最終確定了改善定子線棒角部電場分布的方案。即將導線的角部修成R2～R3，按試驗確定的長度找出等電位點，并控制等電位層阻值在一定的范圍內，達到均壓的目的。

3 線棒端部防電暈問題

為使起暈電壓提高，采用多級防暈處理法，起暈電壓明顯提高，同時采用新型防暈材料，減薄了線圈端部防暈層厚度，較少的占用了主絕緣尺寸。這種措施給模具加工、特別是線棒制造帶來很大難度，導致定子繞組的斜邊間隙變小，試驗及運行過程中易產生放電。

使用傳統的開槽結構，防暈層將占掉絕緣尺寸，這樣絕緣就會變薄，各項絕緣性能隨之下降，該處就會成為絕緣薄弱點。采用新型因此現有的防暈結構難于達到電暈的標準。因此需要選用新型的防暈材料，減薄了線圈端部防暈層厚度，較少的占用了主絕緣尺寸。新型防暈材料，阻值特性較好，袋子尺寸薄，使整體防暈層厚度變薄，有效的提高了線棒起暈電壓水平，新結構防暈層厚度較傳統結構防暈層厚度減薄了40.8%，有效的降低了對主絕緣的占用率。

4 絕緣材料開發

定子線棒的主絕緣材料的主絕緣材料是云母帶，汽性能好壞直接影響定子線棒的絕緣水平。因此，對云母帶的電、熱和力學性能要求較苛刻。云母帶是由膠和粉云母紙以及補強材料組成。粉云母紙的厚度、孔隙率和云母鱗片尺寸直接影響定子線棒電性能、老化壽命。因此，在云母礦的選擇、粉云母紙的操制時間及工藝上進行了嚴格的規定，對操制好的粉云母紙性能提出更高的標準。

針對空冷機組，若斜邊間隙過小，易產生放電，所以不能采用開槽結構。傳統的防暈材料特點是：帶子偏厚、阻值特性不滿足要求，因此采用新型防暈材料，新型反運材料具有阻值特型好，尺寸薄的優點。很好的提高了線棒的防暈水平，同時減薄了線棒的絕緣尺寸。

5 工藝改進

空冷汽輪發電機定子線棒第一大特點是絕緣厚度薄，工作場強高。國內外電機制造廠家對此種特點的線棒都是采用線棒VPI（真空壓力浸漬）工藝進行生產，如此制造的線棒既能保證絕緣厚度薄又使絕緣層均勻，公司多年來一直堅持傳統的多膠模壓體系，最大的弊端是絕緣厚度不均勻，最薄面絕緣厚度小于設計值。要制造性能要求如此之高的空冷汽輪發電機定子線棒，對傳統模壓工藝方法將是一個嚴峻的考驗。

使用柔軟的云母板材料，將松散的電磁線粘接在一起，既要保證使導線粘接好，又要防止壓制后導線側面有縫隙。縫隙過大將造成模壓后絕緣內部氣體在高電壓下游離放電，因此必須保證導線之間云母材料填充飽滿，使導線有足夠的強度。針對墊條使用數量和導線成型情況進行了試驗，既達到了流動性好保證填充，又滿足了粘接和強度要求，解決了導線壓制和填充的技術問題。

為保證云母帶包扎緊度、層數，提高絕緣包扎質量，從以下幾方面進行了研究：（1）采用數控包帶機，通過反復進行工藝試驗，確定了最佳包扎張力。（2）對線棒的不同部位，采用不同的包扎工藝，如直線轉角部位由于存在增厚、減薄問題；引線轉角去絲位置由于尺寸變小，采取特殊的包扎工藝，保證絕緣厚度均勻性和外觀質量。（3）通過包扎層數、尺寸、成品表面狀況及線棒性能測試，確定了合理的絕緣包扎層數。

參考文獻

[1]陳楠.大容量空冷汽輪發電機絕緣結構的設計與應用[J].電機技術，2010（01）：36-39.