大型水輪發電機定子線棒絕緣結構與關鍵性能分析

馮 超，劉世澤，岳文亭

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大型水輪發電機定子線棒絕緣結構與關鍵性能分析

馮 超1，劉世澤2，岳文亭2

（1. 水力發電設備國家重點實驗室(哈爾濱大電機研究所)，哈爾濱 150040；2.國網甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅 永靖 731600）

本文主要分析了大型水輪發電機定子線棒絕緣結構及其對提高線棒性能的作用。首先分析了定子線棒絕緣結構，其中導線角部電場優化提高了線棒擊穿性能、降低了線棒介損，防暈結構優化設計提高了線棒及繞組耐電暈性能。其次深入分析了定子導線的內屏蔽技術與介質損耗因數、電容量和局部放電的關系。最后對絕緣結構承受的熱機械應力、電機械應力進行了分析并介紹了檢測方法。本文為優化大型水輪發電機定子線棒絕緣結構設計和提高其性能提供了重要的參考依據。

水輪發電機；定子線棒；絕緣結構；性能試驗

0 前言

以三峽水電站、溪洛渡水電站、向家壩水電站為代表的大型電站機組的單機容量均達到或超過700MW，而發電機容量越大、額定電壓越高，對發電機絕緣系統的考驗越嚴峻。定子線棒絕緣是發電機的核心部件，其性能優劣直接影響發電機的散熱性能和運行可靠性，因而其設計合理性是至關重要的。

定子線棒絕緣的擊穿與放電理論通常基于“最薄弱點”的Weibull極值分布。為有效檢驗絕緣結構的運行可靠性，及時發現設計與制造過程中的弱點，仍需采用相應的結構試驗進行驗證[1]。本文將對絕緣結構與結構試驗的關系進行討論，并對絕緣結構耐機械應力試驗進行介紹。

1 定子線棒絕緣結構

定子線棒是發電機的重要部件，其絕緣質量是衡量電機制造廠絕緣技術水平的重要指標。哈電機公司絕緣技術經過了半個多世紀的發展，絕緣結構不斷優化提高，絕緣技術不斷創新改進，所開發的定子線棒F級桐馬環氧多膠模壓主絕緣可滿足大型高電壓水輪發電機的定子絕緣技術要求[2]。

1.1 電磁線絕緣

電磁線絕緣要求好的柔韌性和耐熱性，其股線絕緣厚度應盡可能地薄，這樣既有利于熱傳導又可以提高電機定子槽滿率。要求具有優異的耐電性、附著性和柔韌性。

漆包單滌綸玻璃絲燒結線的電氣性能優于雙滌綸玻璃絲燒結線的電性能，特別是溫度指數能達到190℃，是目前國內外用于高壓電機最好的材料，可大大提高電機繞組的運行可靠性[3]。

1.2 導線絕緣

使用環氧玻璃粉云母多膠板材料作為導線排間絕緣，在常態下其為半固化狀態，在高溫下迅速與導線熱壓固化成整體，其粘接性能直接影響整個羅貝爾導線熱壓成型后的剛度。另外排間絕緣的膠滲入線棒電磁線之間的縫隙，填充了內部縫隙，對降低介質損耗因數增量及局部放電量有一定的作用[4]。表1為具有良好導線絕緣的單支線棒的介質損耗因數和局部放電量測試值。

表1 具有良好導線絕緣的單支線棒的介質損耗因數和局部放電量測試值

1.3 主絕緣結構

（1）主絕緣材料選擇

定子線棒主絕緣用的云母帶是制造定子線棒的關鍵材料，其性能好壞直接影響定子繞組的性能和電機的使用壽命。為有效提升大型水輪發電機定子線棒絕緣制造質量和可靠性，與有關單位合作開發高電壓環氧玻璃粉云母帶，其電氣強度≥33MV/m，F級高電壓桐馬環氧粉云母帶板材固化后的性能見表2。

表2 F級高電壓桐馬環氧粉云母帶板材固化后的性能

（2）改善定子導線角部電場分布

使用Ansys有限元分析軟件對發電機定子線棒導體棱角處的電場進行數值分析（如圖1），并計算出各種等位層曲率半徑下的最大電場強度與電場不均勻系數。

圖1 線棒角部網格劃分

（3）等電位層曲率半徑優化設計

通過對導線棱角處的電場數值分析、根據不同等位層曲率半徑下的最大電場強度與電場不均勻系數的計算結果得出不均勻系數，確定合理的曲率半徑優化方案[5, 6]。

1.4 防暈結構

（1）防暈設計基本理念

碳化硅防暈帶具有和碳化硅粉料相似的電性能，對于額定電壓不小于18kV的高電壓定子線棒，通常采用多級防暈處理技術，滿足大型水輪發電機長期運行安全的要求[7, 8]。

（2）防暈質量檢測試驗

一直以來，科研人員們希望通過直接檢測電場的方法來判定定子線棒的防暈質量[9]，由此發展起來的方法包括表面電位法、電致發光法、紫外成像法等。但這些測量方法均存在著一定的局限性，如表面電位法和電致發光法測量誤差較大，紫外成像法僅能觀測到起暈電壓等。

紅外熱像儀可以觀測和記錄溫度云圖，具有不可比擬的優點，其檢測溫度的方法日趨成熟，檢測操作越來越簡單，準確度也越來越高，作為一種新型試驗，是非常值得推薦和深入開展的重要防暈檢測項目。

2 絕緣結構與結構試驗關系分析

絕緣介質損耗因數和介質損耗因數增量試驗都是檢驗絕緣結構質量優劣的重要手段，在檢測絕緣介質損耗因數及增量的同時還可測量被試品的電容量。國內外的眾多標準和文獻對介質損耗因數和電容量測試進行了大量的論述。本文將重點關注兩個問題，一個是絕緣內屏蔽技術與介質損耗因數的關系，另一個是內屏蔽技術與電容量試驗的關系，以下將分別進行分析。

2.1 內屏蔽技術與介質損耗因數的關系分析

為改善導線角部電場分布，降低羅貝爾換位處導線窄面墊條局部放電的影響，可對大型高壓電機定子線棒導線進行內屏蔽處理。大量研究表明，在眾多絕緣結構質量診斷試驗中，介質損耗因數與內屏蔽技術的應用具有密切的關系[10]。圖2所示為包含/不包含內屏蔽層的大型水輪發電機定子線棒介質損耗因數隨外施電壓變化的關系曲線。由圖2可知，當內屏蔽技術應用合理時，介質損耗因數增量是很小的[11]。

圖2 包含/不包含內屏蔽層定子線棒介質損耗因數隨外施電壓變化的關系曲線

2.2 內屏蔽技術與電容量的關系分析

大型水輪發電機定子線棒電容量變化是一個不容忽視的評估絕緣性能的有用參數。此參數可以在西林電橋測量介質損耗因數時同時測量，較為方便。過去的研究將更多的焦點聚焦于介質損耗因數及其增量，而電容量測試也是表征絕緣質量的重要手段。研究表明[12]，當使用合理的導線內屏蔽技術時，試品的起始電容量將大幅增加，電容增量減小（如圖3所示）。

圖3 內屏蔽技術應用合理的大型水輪發電機定子線棒電容量隨試驗電壓的變化規律

2.3 絕緣結構與局部放電的關鍵問題分析

局部放電試驗是檢驗絕緣結構質量優劣的重要手段，由于局部放電試驗可以在一定程度上識別故障源，因而得到了國內外業主的廣泛重視[13]。

局部放電試驗是從多種技術發展而來，即使是電測法也根據測量硬件和參數的不同而存在差異；發電機繞組的維護策略正由定期維護向基于狀態維護的方向轉變，而局部放電試驗是基于狀態維護的重要參考依據，這項試驗得到了前所未有的重視并逐漸寫入驗收條款和質量檢驗程序中。目前國內外主要使用基于脈沖電流法和無線電干擾電壓法進行局部放電試驗，國內外也制定了大量針對大型發電機絕緣結構的局部放電試驗標準[14]。

如前所述，當對大型水輪發電機定子線棒絕緣結構進行合理的內屏蔽處理后，將消除羅貝爾換位處的局部放電，介質損耗因數增量減小，局部放電水平降低。

大型水輪發電機在負荷循環運行時容易出現對地絕緣分層，絕緣與銅導體分離的現象。而對這些老化線棒進行局部放電試驗時，通常在較低的電壓下局部放電量值較大。當試驗電壓繼續升高時，局部放電有變小的趨勢。不同的絕緣缺陷對應著不同的放電模式，因此，可通過試驗得到局部放電相應模式識別圖來判斷絕緣缺陷。如圖4所示，根據生產及科研的實際測試經驗，總結3種常見的局部放電缺陷識別模式。

3 絕緣結構耐機械應力試驗方法

大型水輪發電機定子線棒絕緣在全壽命周期內始終承受電應力的作用，針對絕緣結構電應力和熱應力的影響已形成多種成熟的試驗方法。在穩態和暫態運行過程中，絕緣還將受機械應力的影響。已發生的許多絕緣失效問題都與機械應力有關。針對大型水輪發電機定子線棒絕緣開發了相應熱機械應力和電機械應力試驗方法。

3.1 熱機械應力

開展了大型水輪發電機定子線棒絕緣熱機械應力試驗。試驗主要特征包括：選取1支線棒作為控溫線棒，實時監測銅導線溫度，控制冷熱循環試驗；在保證許用電流的基礎上，設計軟連接結構，方便連接并消除附加應力；精準的溫度控制程序保證升降溫速率要求。哈電機生產的大型水輪發電機定子線棒多膠模壓主絕緣具有優異的耐熱機械應力劣化性能。

3.2 電機械應力

大型水輪發電機定子線棒絕緣在制造和運行過程中所承受的機械應力主要包括搬運和下線時的局部彎曲應力和穩態運行過程中的雙倍工頻振動力。各種機械應力將引起線棒絕緣層磨損甚至出現裂紋及疲勞直至失效引發電廠事故。在大型水輪發電機絕緣結構設計中要考慮絕緣的剛柔兼顧；對彎曲剛度、疲勞特性等絕緣的機械性能進行檢驗是十分必要的。對大型水輪發電機定子試驗鋼棒絕緣結構進行機械性能檢驗是十分必要的[15]。

由于在制造和運行過程中機械應力的影響不容忽視，國內外的許多公司都進行了研究，并形成了不同的機械應力評定方法，哈爾濱電機廠采用四點彎曲靜態斷裂試驗和四點彎曲動態疲勞試驗檢驗絕緣結構的機械性能。

所開展的四點彎曲疲勞與斷裂試驗在有效測試范圍內，線棒絕緣結構僅受到彎矩的作用，線棒絕緣層間僅有正應力的作用，而沒有剪應力的作用，有效考核距離更大，并可檢驗絕緣的分層狀態。Ansys模擬的四點彎曲彎矩與剪力如圖5所示。

大型水輪發電機定子試驗鋼棒試品失效后進行診斷試驗，即使在疲勞試驗失效（應變比變化20%）后，其擊穿電壓仍不小于95kV，表明本文所研究的水輪發電機定子線棒絕緣結構具有優異的機械性能。

4 結論

（1）本文從電磁線絕緣、導線絕緣、主絕緣結構、防暈結構4個方面論述大型水輪發電機定子線棒絕緣，合理的絕緣結構是繞組可靠運行的保證；

（2）使用合理的內屏蔽技術，介質損耗因數增量顯著減少，起始電容量增大，電容增量減小；

（3）總結3種典型的局部放電識別模式，定位大型水輪發電機定子線棒絕緣故障類型；

（4）機械性能試驗證明哈電機大型水輪發電機定子線棒多膠模壓主絕緣具有優異的耐機械劣化性能。

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Insulation System and Key Performance Analysis for Stator Bar of Large Hydro-generator

FENG Chao1, LIU Shize2, YUE Wenting2

(1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China; 2. Liujiaxia Hydro Power Station, Yongjing 731600, China)

Insulation system and its effect on increasing performance for large hydro-generator stator bar are discussed in this paper. Insulation system for stator bar is analyzing first. The corner electric field optimization increases the breakdown level and decreases the dissipation factor. Anti-corona structure optimization design increases the anti-corona performance. Secondly, conductor inner-shield technology dependent of dissipation factor, capacitance and partial discharge is analyzed deeply. At last, insulation system endurance with thermal-mechanical stress and electric-mechanical stress is discussed and testing method is introduced. This paper can provide important reference for insulation system design optimization and increasing its performance.

hydro-generator; stator bar; insulation system; performance testing

TM303.4

A

1000-3983(2018)01-0015-04

2017-05-16

馮超（1985-），2008年7月畢業于哈爾濱理工大學高壓絕緣專業，現從事大型高壓發電機絕緣技術研究工作，工程師。