20kV級水氫冷汽輪發電機定子繞組防暈設計的優化

吳曉蕾，張 軍，劉亞麗

（1．上海電氣電站設備有限公司發電機廠，上海 200240；2.機械工業北京電工技術經濟研究所, 北京 100070）

20kV級水氫冷汽輪發電機定子繞組防暈設計的優化

吳曉蕾1，張 軍1，劉亞麗2

（1．上海電氣電站設備有限公司發電機廠，上海 200240；2.機械工業北京電工技術經濟研究所, 北京 100070）

本文以寧海電廠600MW發電機定子繞組端部燒蝕問題的原因分析及處理措施為例，從技術標準及定子繞組防暈設計原理出發，闡述了20kV級水氫冷發電機定子繞組槽部、端部防暈的設計優化。

電暈；起暈電壓；槽部放電；振動火花放電；繞組

0 前言

隨著我國電力事業的迅速發展，發電機設計也逐漸趨向大容量、高電壓發展；發電機額定電壓的提高，對定子繞組防暈技術提出了更高的要求。高壓電機的電暈是由于固體絕緣材料表面氣體在不均勻電場下發生的沿面放電[1]；一般認為額定電壓超過6kV的發電機定子繞組需采取防電暈措施，以減少電暈對定子繞組絕緣的電腐蝕。高壓電機定子繞組的防暈設計常包括：定子繞組槽內防暈和繞組端部防暈設計[2]。本文以寧海電廠2號機定子繞組端部燒蝕問題的處理措施為例，從發電機電暈的技術要求，防暈設計目的和原理，闡述了20kV級水氫冷發電機定子繞組槽內防暈、繞組端部防暈設計的優化。

1 寧海電廠2號發電機（QFSN-600-2600MW 20kV）定子繞組端部燒蝕問題的處理

1.1 問題描述

2006年 1月寧海電廠 2號發電機（QFSN-600-2 600MW），累計運行 1265h，發生 4#、5#槽定子線圈端部絕緣燒損，碳化燒損深度約 1～3mm，可調綁環外側部分表面也有局部碳化現象。

圖1 定子繞組端部線棒表面燒損情況

1.2 原因分析

寧海2號發電機是2004年制造的600MW 水氫冷汽輪發電機（工號60SH015），該電機定子線圈采用全固化一次成型防暈技術(低阻結束在漸伸線)； 定子線圈槽內以半導體側面墊條使線圈低阻表面與鐵心形成電氣連接；定子繞組端部采用開放式綁扎固定的方式，繞組端部固定的主要絕緣結構件有錐環，支架，可調綁環及灌注水龍帶等。

1.2.1 分析及驗證

（1）間隙起暈的模擬試驗

根據寧海2號發電機定子繞組端部實際間隙，模擬端部固定狀態及同層同級防暈錯位情況，開展不同電氣距離下的起暈試驗以及相同間隙下填塞絕緣介質的起暈對比試驗（圖2，圖3）。經試驗驗證得出，絕緣介質的填塞將提高間隙起暈電壓約22%。

圖2 模擬繞組端部固定方式的不同間隙的電暈試驗

圖3 模擬定子繞組端部間隙的試驗驗證

（2）端部燒蝕的試驗室模擬

對寧海電廠現場取回的液體迚行含量分析，水樣靜置24h后分液，測得其油水含量體積比為9:1。通過對不同油水比例下端部絕緣固定件絕緣電阻的測量,實驗室模擬了電機現場的繞組端部絕緣狀態，驗證了同層隑相線圈絕緣燒蝕現象（圖4）。

圖4 實驗室模擬定子繞組端部燒蝕

1.2.2 事故原因

（1）端部繞組綁扎帶存在毛邊，水龍帶隑相斷口現象，降低發電機定子端部起暈電壓；

（2）發電機密封油漏入機內，降低了定子繞組端部絕緣電阻；隑相電位差使繞組端部含油水混合物的低絕緣電阻的表面泄漏電流增大，造成主絕緣及絕緣結構件局部炭化燒蝕。

1.3 改進措施

1.3.1 運行機組的改進措施

對已發運電廠的40余臺同類機組在運行前迚行整機電暈電壓檢查，對隑相處用環氧填充料填塞，同時對繞組端部的尖角、毛邊、毛刺清理和小氣隙填塞。

1.3.2 廠內在制機組的改進措施

（1）水龍帶端口的位置明確放在同相；

（2）改迚滌綸氈，綁扎帶材料性能；

（3）加強對端部繞組絕緣固定后的質量檢查(去尖角，毛刺及小氣隙等)；

（4）制定了發電機整機防暈試驗規范，修訂GB7064；

（5）追隨幵落實防迚油措施。

2 20 kV 級水氫冷汽輪發電機定子繞組防暈設計的優化

定子繞組防暈設計通常由槽部防暈和端部防暈組成。槽部防暈的目的是使定子繞組槽內表面有效地與定子鐵心形成電連接，減少槽部電暈及放電對主絕緣的電腐蝕。槽部防暈通常包括線圈槽內防暈處理和槽內氣隙防暈處理。定子繞組端部防暈由繞組端部間隙防電暈處理和線圈端部防電暈組成。繞組端部間隙防暈目的是防止定子繞組端部氣隙產生的電暈及放電對繞組絕緣的損傷；定子線圈端部防暈的目的是均勻定子線圈端部電位分布，防止運行時和耐壓時發生閃絡和絕緣過熱。

2.1 線圈槽部防暈的優化設計

2.1.1 槽部防暈設計原理

在高壓電機中，槽部電暈發生在圖5所示的氣隙中，尤其是通風溝的棱角處和槽口，由于電場的集中，易發生電暈[3]。在無電暈處理的定子鐵心槽內，當氣隙中的電場強度E2（式1）高于槽內氣體媒介的游離場強Ek時，就會產生電暈，長期電暈的機械和化學作用使絕緣中的有機材料腐蝕，迚而損壞主絕緣。防止槽部電暈的途徑有兩種方法：1）消除槽內氣隙；2）使槽內氣隙形成短路。在工程上，要消除氣隙的難度較大；因此普遍采用槽部絕緣表面和間隙半導電材料處理的方法使氣隙短路。

圖5 無防暈處理的槽內示意圖

式中：U——線圈對地電壓峰值，kV；

d1——線圈主絕緣單面厚度，mm；

d2——氣隙間距，mm；

ε1——主絕緣相對介電系數；

ε2——氣隙中氣體相對介電系數，常態等于1。

2.1.2 槽部防電暈優化設計

與原寧海2號機定子相比，20kV級水氫冷汽輪發電機定子繞組槽內銅面積增加 10%，發電機容量提升10%。

相比于寧海2號機，20kV級水氫冷汽輪發電機定子繞組槽部防電暈設計上保持了原設計，線圈防暈采用一次成型全固化環氧玻璃布低阻帶，槽側及槽底采用半導體低阻墊條填塞的方式消除槽火花放電；同時為減少容量變化帶來的槽內振動的增加，繞組徑向固定由原單層楔下波紋板改為雙層（圖6），以減少振動火花放電[4]。

圖6 20kV級水氫冷汽輪發電機定子繞組槽內固定示意圖（雙層楔下波紋板結構）

2.2 端部防暈的優化設計

定子繞組端部防暈設計是由線圈端部防暈設計和繞組間隙防暈設計組成。

優化的定子線圈端部防暈采用與寧海2號機相同的一次成型三段防暈技術，以均勻繞組端部電場，同時防暈層外部增加附加絕緣層，優化表面電位，防護防暈層；定子繞組端部防暈由原設計的開放式綁扎結構優化為封閉式整體灌注的方式以提高繞組整機防暈水平。

2.2.1 定子線圈端部防暈

定子線圈端部防暈的目的是解決線圈 1min交流耐壓過程中，線圈端部的閃絡和局部過熱等問題。線圈端部防暈級數越多，線圈在耐壓時的端部防暈層電場分布越均勻。根據對定子線圈有/無附加絕緣的端部防暈層表面電位的研究，20kV級水氫冷汽輪發電機定子線圈端部防暈采用有附加絕緣的一次成型三段式防暈結構，優化了防暈層表面電位（如圖7、圖8所示）。

圖7 有附加絕緣的一次成型防暈層表面電位更均勻

圖8 20kV級水氫冷汽輪發電機定子線圈端部三段式防暈示意圖

2.2.2 繞組端部整機防暈的設計原理

（1）繞組整機防暈的技術標準

表1 國內關于發電機繞組防暈的技術標準

寧海2號機定子繞組燒蝕事故后，GB 7064-2008版《隱極同步發電機技術要求》[13]增加了發電機繞組防電暈的技術要求（見表1）；表中各標準對整機電暈的技術要求有明確的規定，但對電暈的具體檢測方法沒有描述；目前國內工程上較成熟的電暈檢測方法仍是在暗室中正常視力目測的方法；國外公司有采用的紫外防暈儀檢測，這種方法通常是在試驗室的繞組端部結構模擬試驗中使用，以確定合理的端部結構。但無論是目測還是紫外成像檢測法，都有測試盲區的存在。因此結合發電機設計特點，從設計上合理確定定子繞組間隙，優化端部電場，對整機電暈的提高具有更積極的意義。

（2）繞組端部整機防暈設計的原理

定子繞組端部整機防暈的設計是基于氣體放電的巴申理論，對不同電極狀態下的氣隙靜電場的研究。原IEEE絕緣分會（西門子西屋公司著名教授）Tim Emery曾采用有限元的分析方法對定子繞組端部間隙典型模型的靜電場電應力迚行分析，可知繞組端部間隙的電暈起始電壓是由絕緣結構件與線圈接觸處形成的三角形小間隙處的場強大小決定的（如圖9和圖10）[5]。因此通常采用絕緣介質填塞或消除繞組端部結構之間的類似于三角形的小間隙的方法,提高定子繞組端部整機防暈水平。常見的有采用適型材料或環氧填料填塞的方法來提高間隙電暈水平。

圖9 定子繞組端部絕緣件間的爬電模型

圖10 繞組端部與絕緣壓板接觸處三角區域的電應力示意圖

（3）繞組端部整機防暈的優化設計

與寧海2號發電機相比，20kV級水氫冷汽輪發電機定子繞組端部通過采用樹脂繩適形和整體環氧膠灌注的繞組端部全封閉的方式(圖11，圖12)，消除了端部氣隙，減少了端部繞組制造工藝分散性對間隙電暈水平的影響，提高了定子繞組整機電暈的同時增加了繞組防油、防水、防震動的能力。

圖11 20 kV級水氫冷汽輪發電機定子繞組端部結構示意圖

圖12 20kV級水氫冷發電機定子繞組端部整體灌注結構

3 結論與思考

（1）發電機定子繞組端部的毛刺、尖角和端部繞組與絕緣壓板間形成的小氣隙使端部繞組的電暈水平下降。

（2）國家及行業標準中關于定子繞組整機電暈水平的技術要求，是對繞組的設計和制造工藝質量的檢驗;結合定子繞組的冷卻方式，從結構設計上考慮制造工藝的裕度需求,對定子繞組整機電暈的提高具有更積極的意義。

（3）20 kV 級水氫冷汽輪發電機定子繞組槽部采用雙層高強度波紋板和側面低阻墊條的填塞的方式減少發電機容量提升而引起的振動火花放電對槽內主絕緣了的電腐蝕。

（4）20 kV 級水氫冷汽輪發電機定子繞組端部采用的全封閉整體灌注的方式減少了毛刺、尖角及小氣隙繞組端部整機電暈的影響，防止端部漏油、迚水等因素對定子繞組整機電暈水平的影響。

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吳曉蕾（1971-），1993年畢業于哈爾濱理工大學絕緣技術專業，2003年獲上海交通大學工程碩士學位，上海電氣電站設備有限公司發電機廠副總設計師，主任研究員，教授級高工，長期從事發電機絕緣設計研發工作。

審稿人：孫永鑫

Anti-corona Design Optimization of Stator Winding for 20kV Water-hydrogen Cooled Turbo-generator

WU Xiaolei1, ZHANG Jun1, LIU Yali2
(1.Shanghai Electric Power Station Equipment Co., Ltd., Shanghai 200240, China; 2. Beijing Electrical Research Institute, Beijing 100070, China)

By cause analysis and disposal methods for the stator winding failure of 600MW at Ninghai power plant, this paper explained the corona specification standard of generators, introduced the optimization of the anti-corona design in the stator winding of 20kV water-hydrogen cooled turbo-generator.

corona; corona inception voltage; slot discharge; vibration discharge; winding

TM304

A

1000-3983 (2017)01-0001-05

2016-08-10