發電電動機定子繞組線棒絕緣系統制造采用的局部放電防止技術與監造

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0 前言

改革開放以來，通過中外交流、技術引進、合作設計、共同生產、聯合試驗、人員培訓等多種途徑，我國發電電動機的制造水平已經取得很大進步，截至目前，已投運的30座大型抽水蓄能電廠中的發電電動機運行狀況良好，還有在建23座大型抽水蓄能電站的發電電動機在制造中。發電電動機定子繞組線棒絕緣在整個電機結構中是核心部件，被稱電機心臟，約占發電電動機總價的25%以上。大量的運行數據表明，約有超過1/3的發電電動機事故是由線棒絕緣故障引起的，而其中的主要原因是局部放電導致絕緣失效，由這種原因產生的事故，對設備損壞大，修復難度高。按照設備全壽命質量管理要求，研究發電電動機定子繞組線棒絕緣結構和性能，掌握局部放電的產生與防止機理，做好監造，對于提高發電電動機定子繞組線棒制造質量意義重大。

1 發電電動機定子繞組線棒的絕緣結構

1.1 基本結構

線棒絕緣制造技術是發電電動機制造的核心技術，盡管發電電動機定子繞組線棒絕緣材料都是由三部分組成即粉云母、玻璃布和環氧樹脂，而基本的組成結構都是由股線絕緣、排間絕緣、換位絕緣、換位填充絕緣、均壓絕緣、對地絕緣（主絕緣）、外防暈層和端部防暈結構等，但在涉及絕緣技術方面，不同的大電機制造廠都是絕對保密的，有各自的絕緣結構，區別主要表現在：①粉云母的含量（絕緣的厚度不同）；②工藝是少膠VPI還是多膠模（液）壓絕緣；③內部均壓結構設計。某大電機制造廠的發電電動機定子繞組線棒的絕緣結構示意圖，見圖1。

圖1 線棒的絕緣結構示意圖Fig.1 Insulation structure of stator bar diagram

1.2 主要性能

發電電動機定子繞組線棒的絕緣結構水平整體表現在電氣性能、熱性能、機械性能和化學性能上，它們是相互密切聯系和影響的，沒有單獨的絕對決定性。電氣性能主要是介電強度、體積和表面電阻系數、介電常數、介質損耗、耐電暈、電弧性能、泄漏和表面放電等；機械性能主要是抗拉、壓、剪、彎曲強度，抗沖擊和撕裂強度、硬度、延伸性、可撓性、加工性等；熱性能主要是耐熱性、熱導性、熱膨脹性、閃點、軟化點等；化學性能主要是耐腐蝕、電化學穩定性、抗老化、抗氧化、可溶性和耐溶劑性，以及與其他材料的相容性等。其中，絕緣電氣性能是主要的，其性能指標有瞬時工頻耐電強度、長期耐電壓性能、發熱功率（主要是導體發熱和介質發熱）、熱擊穿電壓等。對于一定絕緣等級材料，例如發電電動機定子繞組線棒的環氧粉云母F級絕緣來說，這些指標的好壞與局部放電有關，體現在線棒的制造上就是：絕緣內部存在的氣隙、尖角和不可避免的雜質等因素造成的電場集中引起局部放電，這是發電電動機制造技術的重點問題之一。

2 發電電動機定子繞組線棒絕緣局部放電

局部放電并非完全由電壓決定，而是電場強度。高電壓作用在主絕緣上，如果主絕緣中存在一個空氣泡（也被稱為絕緣發空或分層），電場強度高到使空氣擊穿，就會導致電火花，電火花會腐蝕絕緣，反復的放電會最終在主絕緣上腐蝕出一個貫穿性的孔洞，導致絕緣失效故障，這就是局部放電，而在線棒表面產生的局部放電習慣稱為電暈（電暈是局部放電的一種形式）。

2.1 主絕緣內部局部放電物理過程

從電場理論講，根據導體的形狀，將線棒截面的電場分為平面部分和圓角部分。對于線棒的寬面和窄面部分，可簡化成平板電容器電場來分析，電場強度為線棒的平均工作場強。對于線棒的四個角就是同心圓柱電容器電場，可近似地簡化為同心圓柱電容器一部分，電場分布不均勻，電場強度隨圓角半徑的增大而減小，線棒四角處的電場強度是線棒的最大電場強度Emax=finEav，式中fin為角部電場不均勻系數，與圓角半徑和絕緣厚度有關，Eav為平均電場強度。

1個大氣壓下的室溫空氣的電氣擊穿強度約為3kV/mm，而大多數固體絕緣材料如環氧樹脂和聚酯的復合材料，其固有電氣擊穿強度達到300kV/mm。緊鄰股線的主絕緣內部有氣泡的簡化等效電路圖，見圖2。

圖2 簡化等效電路圖（一）Fig.2 Simplified equivalent circuit diagram（one）

通過簡單的電路理論，可以算出氣泡上的電壓為：Ua=CmU0/（Ca+Cm），式中U0是施加在線棒上的交流電壓值；Cm為線棒絕緣材料電容值；Ca為氣泡的電容值。假定氣泡的厚度為0.5mm，主絕緣厚度為4mm，空氣和絕緣的介電常數分別為1和4，那么可計算出氣泡上的電壓為外施電壓的33%。如果外施電壓為8kV（額定電壓為13.8kV的發電電動機，相電壓為8kV），氣泡上的電壓約為2.6kV，氣泡中的電場強度為5.2kV，遠超出了空氣的擊穿強度3kV，氣泡中將會發生局部放電，這種放電盡管發生在氣泡內，但對主絕緣是有害的，絕緣材料分子在電子和離子轟擊下化學鍵被擊斷，經過長時間（可能是數年），主絕緣最終受到侵蝕而失效。

2.2 線棒表面的電暈

線棒的尺寸總是小于定子鐵芯槽尺寸，線棒才能放置在定子鐵芯槽內，這就必然會在線棒與鐵芯槽壁間存在氣隙，那么帶電的線棒與鐵芯之間就會在電壓足夠高的條件下發生局部放電，因為在槽內是可見，習慣叫作電暈或槽放電。與主絕緣內部氣泡中的情形相比，其等效電路圖只有一點小差別，多了一個表面電阻，見圖3。線棒表面電位Ua不能太高，與鐵芯槽應有良好的足夠電氣接觸，否則，就會出現電暈，蝕傷線棒絕緣。

圖3 簡化等效電路圖（二）Fig.3 Simplified equivalent circuit diagram（two）

另外，線棒出槽后的端部，類似于變壓器套管，等效電路圖見圖4，C為單位長度主絕緣的體積電容，R1、R2、R3、R4為不同距離段表面電阻。從電路圖中分析，離槽口越遠的電阻上流過的電流較少，而離槽口愈近，流過的總電流越大，那么在R1上的壓降就比遠離槽口電阻上的壓降大，由此得出：愈接近槽口，電壓降愈大，即場強愈高。所以，線棒端部在離槽口一定距離段極易出現電暈。

圖4 簡化等效電路圖（三）Fig.4 Simplified equivalent circuit diagram（three）

3 發電電動機定子繞組線棒絕緣制造采用的防止局部放電技術

3.1 絕緣結構設計上采用防止局部放電技術

由于鐵芯槽的方形空間，線棒要占滿這個空間而放入，相應也是方形才行，線棒導體的排列截面就是長方形的，這就導致導體表面的電場分布不均勻，角部的電場強度高，極易發生局部放電。另外，繞組端部線棒出槽類似套管結構，電場強度較高，也容易發生局部放電和電暈。無論常規發電機，還是發電電動機，因為其定子繞組線棒絕緣受局部放電的致命影響，必須在絕緣結構設計上采用防止局部放電技術措施，即便采用了防止局部放電技術，所能承受的電壓也不會太高，目前世界上發電機輸出電壓不會超過30～35kV。發電電動機定子繞組線棒絕緣結構設計上采用防止局部放電技術主要是等電位結構，它是改善線棒角部電場強度的有效結構設計，國內外大電機制造廠對等電位結構采用的材料和具體方法不同，合理選擇圓角半徑和等電位材料是等電位結構技術的關鍵。

（1）線棒絕緣內部等電位結構設計。

內部等電位結構有以下兩類，一是小面局部內均壓層結構，二是導線全屏蔽內均壓層結構。

小面局部內均壓結構一般都是兩種型式，表面包扎或涂刷型和填充膩子型。表面包扎或涂刷型是線棒股線換位、尺寸和整形處理后，在窄邊涂刷半導體漆樹脂或整體包繞一層半導體帶，形成等電位層；填充膩子型就是采用在股線換位處填充導電膩子，一起固化成形。

全屏蔽內均壓結構是在線棒直線部位整形完成后，在整個線棒直線部位建立一層導電層，該導電層可以是導電膩子或半導體帶，然后再包扎一層主絕緣云母帶后，用銅薄條短路處理，銅薄條與股線只有一個短路點。這個全屏蔽內均壓結構特別適用于啟停頻繁的發電電動機組和高壓大容量核電機組。

（2）線棒外部等電位結構設計。

線棒直線段（槽內部分），線棒表面與鐵芯槽內壁之間如果接觸不良、有間隙、就會產生火花放電。為防止這種電暈現象，在線棒表面與鐵芯之間需要采用局部放電抑制的等電位結構設計，以防止在任一間隙處發生局部放電，這就是外部防電暈結構，該結構分線棒直線段防暈結構和線棒端部防暈結構。線棒直線部分防暈是在主絕緣外包繞一層半導體帶，采用“一次成型防暈”技術，將防暈層與主絕緣一起在壓模上固化成型。線棒端部防暈復雜一點，分低阻區、過渡區和高阻區，線棒端部防暈結構示意圖見圖5。

圖5 線棒端部防暈結構示意圖Fig.5 Stator bar end Anti-corona stucture diagram

3.2 制造工藝上采用的防止局部放電技術

線棒絕緣內部絕對沒有氣隙那是理想狀況，但通過制造工藝的不斷完善和改進，可以將氣隙控制在可行的范圍內，達到定子繞組設計運行壽命。發電電動機定子繞組線棒制造工藝上采用的防止局部放電技術就是VPI工藝，高壓真空浸漬，將絕緣材料中的空氣最大可能地排除，使線棒絕緣基本達到無氣隙，同時，每一個大電機制造廠制造線棒時，相應制造和設計了線棒的安裝專用方式，用以固定線棒，保證線棒與鐵芯槽有足夠的電氣接觸，降低線棒表面電位，彌補線棒與鐵芯槽間因氣隙而產生的電暈。

3.3 配套的安裝方面防止局部放電技術

無論多么好的絕緣結構，如果繞組固定不好，線棒松動，就會發生電暈，發電電動機的可靠性和預期壽命都得不到保證，所以，相應配套的防止局部放電安裝工藝同樣重要，它主要是指槽內線棒直線段部分的安裝固定。目前發電電動機定子繞組槽內線棒直線段固定型式都采用了彈性固定工藝型式，不同的發電機制造廠，對于彈性固定工藝型式不盡相同，總結歸納一般有如下三種：①純使用半導體硅膠作為填充和固定材料的定子繞組固定系統；②使用波紋板的定子繞組固定系統；③波紋板和半導體硅膠相結合的定子繞組固定系統。

4 發電電動機定子繞組線棒防止局部放電技術的監造內容

從上面的分析，可以得出防止局部放電技術與材料和制造工藝緊密相關，而驗證防止局部放電技術的有效性還是要通過電氣試驗來進行。所以，監造的內容主要是材料見證、工藝見證和試驗見證。為了做好見證，監造人員要了解制造廠質量管理組織機構、工作流程，重視整個制造過程，開展材料符合性核查，進行制造工藝全過程跟蹤檢驗等監造。

4.1 絕緣材料關鍵見證點

線棒絕緣材料是防止局部放電的基礎，發電電動機定子繞組線棒監造中首先把住材料關，材料的好壞直接影響防止局部放電的效果。在監造過程中，材料的關鍵是環氧粉云母帶和股線。

環氧粉云母帶：①采用同一批生產的產品，出廠日期不能超過半年；②外觀檢查，無外來雜質，膠黏劑分布均勻，無氣泡、針眼，不允許有粘連、分層、云母紙斷裂抽絲等現象；③其主要性能的測量與試驗。

電磁線：①銅的純度在99.5%以上；②外觀檢查、股線絕緣均勻，色澤一致，表面不能有影響性能的缺陷；③絕緣尺寸檢查；④直流電阻和擊穿電壓試驗；⑤彎曲與附著力檢查。

4.2 制造工藝關鍵見證點

開展對制造廠技術、生產管理等環節調查和研究，掌握制造工藝要求的同時，發現問題并提出有針對性的改進意見。對于定子線棒端部成形工序，以及直線部分成形工序都應強化監造，主要是：①對于模具與線棒的貼合度檢查；②加熱溫度規定檢查；③溫度測定方式檢查；④溫度測點的布置是否能滿足要求檢查；⑤加熱過程的記錄信息是否齊全檢查；⑥加熱設備的溫度控制檢查；⑦加熱記錄檢查；⑧加熱后線棒表面情況檢查。

4.3 絕緣介電性能關鍵見證點

發電電動機定子繞組線棒絕緣介電性能主要是檢查線棒制造結果是否合格的一些表征值的測量，主要監造項目應包括：①定子線圈股線間耐電壓試驗；②定子線圈槽部表面電阻測定；③定子線圈冷熱狀態的介質損耗角正切及其常態增量測定、起暈電壓測定；④定子線圈工頻擊穿電壓試驗；⑤定子線圈工頻耐電壓試驗。

近年來發電電動機電暈放電引發的故障比較多，為此有的抽水蓄能公司決定在招標合同技術規范中增加一項關于制造過程中和繞組現場下線后電暈檢查的初步要求，用紫外線攝像機作為質量控制的工具，如用紫外線攝像機沒有觀察到表面的電暈放電，這些線棒就通過了檢查，相反，如果觀察到了表面放電，則要在所有檢查出電暈的線棒上進行黑暗試驗。

5 結論與建議

發電電動機定子繞組由方形絕緣導體棒組成，其絕緣系統是通過在導體外用云母帶，再用環氧樹脂膠來浸漬而形成的，這種絕緣的工作場強大約是在2.6kV/mm。其關鍵技術之一是重點考慮防止局部放電的問題，不僅在制造的過程中確保其絕緣系統是十分緊密的結合體，而且在絕緣結構設計上、制造工藝上和配套安裝工藝上都做了相應的技術措施，掌握和了解并研究這些防止局部放電技術，開展局部放電分析是可以用來確定發電電動機絕緣狀況的最有效的方法，為此制定有針對性的監造，有利于提高發電電動機定子繞組線棒的制造質量。

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