哈電絕緣核心技術(shù)自主發(fā)展50年

盧 春 蓮

(哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040)

前言

50年來，哈電絕緣技術(shù)研究堅持走自主研發(fā)之路，經(jīng)過幾代人的不斷探索和努力，發(fā)電機(jī)絕緣耐熱等級由A級、B級到F級，各個階段哈電的絕緣技術(shù)都具國內(nèi)領(lǐng)先水平。特別是改革開放以來，隨著發(fā)電機(jī)國際合作生產(chǎn)項目的增加，絕緣技術(shù)面臨著技術(shù)不轉(zhuǎn)讓，要求不斷提高，甚至到了難以接受的艱難局面。在這種情況下，哈電絕緣技術(shù)的研究緊緊圍繞我們的傳統(tǒng)多膠模壓絕緣體系，創(chuàng)造性地開展工作，并逐步形成了獨具特色的哈電F級絕緣體系及防電暈技術(shù)。

1 大型發(fā)電機(jī)主絕緣技術(shù)發(fā)展

1959年哈電成立了哈爾濱大電機(jī)研究所，承擔(dān)起哈電發(fā)電機(jī)核心絕緣技術(shù)的研究工作。建所初期，我國水輪發(fā)電機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)定子絕緣基本都是仿蘇聯(lián)瀝青片云母（A級絕緣）。60年代初，哈電從研究絕緣材料入手，立足國內(nèi)重點解決了線圈浸膠用瀝青膠及國產(chǎn)斑點云母和粉云母的絕緣材料，并提出了“片-粉”、“斑點云母-白片云母”等絕緣結(jié)構(gòu)，緩解了當(dāng)時我國大電機(jī)云母絕緣材料的緊缺局面。同時，還對瀝青片云母絕緣的結(jié)構(gòu)、工藝進(jìn)行改進(jìn)，大大提高了絕緣的性能。利用瀝青云母絕緣制造的青銅峽水輪發(fā)電機(jī)(10.5 kV、36.5MW）至今已運行43年。中朝合建的云峰水電站水輪發(fā)電機(jī)采用的瀝青片云母絕緣以優(yōu)良的性能獲得各方好評。該電機(jī)后來被評為國家質(zhì)量銀獎產(chǎn)品。這是國內(nèi)瀝青片云母絕緣電機(jī)得到的最高質(zhì)量獎。

60年代中期，研究所絕緣室與北京電器科學(xué)研究院（現(xiàn)桂林電器研究院的母院）和哈爾濱絕緣材料廠等單位一起聯(lián)合開展了環(huán)氧粉云母絕緣的開發(fā)和應(yīng)用工作。研究所絕緣室和桂林所負(fù)責(zé)絕緣膠的配方研究，哈爾濱絕緣廠負(fù)責(zé)云母帶的制作。1964年，研制成功TOA環(huán)氧玻璃粉云母絕緣材料（B級絕緣），并于1965年在鹽鍋峽電站10.5kV、44MW水輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用。環(huán)氧粉云母絕緣取代了瀝青片云母絕緣，成為我國大電機(jī)的主絕緣體系，此絕緣體系的推廣和應(yīng)用是我國大電機(jī)絕緣技術(shù)的一個里程碑。哈電采用TOA環(huán)氧粉云母絕緣制造的葛洲壩電站 13.8kV、125MW 水輪發(fā)電機(jī)獲得了大型發(fā)電機(jī)設(shè)備的唯一質(zhì)量金獎，標(biāo)志著哈電TOA環(huán)氧粉云母新絕緣體系的成功。

20世紀(jì)70年代初期，哈電絕緣室著手進(jìn)行高壓電機(jī)F級主絕緣體系的研究，在此期間經(jīng)歷了環(huán)烷酸鉛絕緣體系、厚粉紙絕緣體系到桐馬環(huán)氧粉云母絕緣體系。1988年桐馬環(huán)氧粉云母絕緣終于在 15.75kV、200MW汽輪發(fā)電機(jī)和18kV、220.5MW的天生橋電站水輪發(fā)電機(jī)上得到成功的應(yīng)用。此后，桐馬環(huán)氧粉云母絕緣成為哈電公司F級電機(jī)定子主絕緣，并廣泛應(yīng)用于300MW和600MW汽輪發(fā)電機(jī)和幾乎所有大型水輪發(fā)電機(jī)上。國內(nèi)同行企業(yè)也相繼采用桐馬環(huán)氧粉云母絕緣。桐馬環(huán)氧粉云母的應(yīng)用，不僅使大電機(jī)定子線圈主絕緣的耐熱等級由B級提高到F級，而且從一定程度上減薄了定子主絕緣厚度，提高了電機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

90年代起哈電發(fā)電機(jī)技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展時期，汽輪發(fā)電機(jī)容量由最初的25MW增加到650MW，水輪發(fā)電機(jī)容量由最初的0.8MW增長到二灘550MW、三峽700MW。電壓等級也提升到20kV及以上。隨著裝機(jī)容量及電壓等級的升高，對發(fā)電機(jī)絕緣技術(shù)的要求也越來越高。絕緣作為發(fā)電機(jī)核心技術(shù)，尤其是定子線圈制造技術(shù)是國內(nèi)外同行競爭的焦點。盡管哈電有過先后與多家國外公司合作生產(chǎn)的經(jīng)歷，但在技術(shù)轉(zhuǎn)讓中外國公司對定子線圈絕緣技術(shù)都有所保留，難以取得真經(jīng)。1996年哈電與加拿大GE公司合作生產(chǎn)了二灘550MW、18kV空冷水輪發(fā)電機(jī)，GE公司雖然也采用多膠絕緣體系，但在此項目上外方對哈電的多膠絕緣體系并不十分認(rèn)可。為此，哈電承擔(dān)起F級環(huán)氧粉云母多膠模壓主絕緣體系的優(yōu)化設(shè)計、改進(jìn)工作。研究所絕緣室牽頭，聯(lián)合國內(nèi)電磁線、絕緣材料、防暈材料廠等多家單位，首次制造成功道格拉斯電磁線、內(nèi)屏蔽半導(dǎo)體材料、高場強(qiáng)云母帶等。與此同時，哈電對模壓工藝進(jìn)行改進(jìn)，1998年哈電應(yīng)用先進(jìn)材料、工藝制作的定子線棒運抵加拿大 GE公司進(jìn)行綜合評定。各項性能指標(biāo)優(yōu)于GE標(biāo)準(zhǔn)（見表1），致使加拿大 GE公司真正認(rèn)可了哈電的絕緣技術(shù)。為此哈電利用完全自主的研發(fā)絕緣技術(shù)制造了國內(nèi)首臺空冷550MW、18kV水輪發(fā)電機(jī)組。二灘電站自1998年運行以來，絕緣各項性能優(yōu)良。

表1 加拿大GE公司對哈電公司主絕緣的老化評定

盡管哈電F級桐馬環(huán)氧粉云母多膠模壓主絕緣體系的電氣、機(jī)械性能達(dá)到國外少膠VPI體系同等電壓水平，但在三峽左岸發(fā)電機(jī)上想應(yīng)用我們自己的絕緣體系制造發(fā)電機(jī)定子線棒，并非易事。三峽左岸發(fā)電機(jī)是哈電與瑞士ABB公司合作生產(chǎn)的項目，哈電必須按ABB的圖紙生產(chǎn)出符合ABB標(biāo)準(zhǔn)的定子線棒。由于ABB公司定子絕緣采用的是少膠VPI體系，絕緣厚度僅為4.6mm，定子線棒耐壓標(biāo)準(zhǔn)是承受4倍額定電壓80kV 1min，其他電性能標(biāo)準(zhǔn)也是世界最高水平。我們的多膠模壓主絕緣體系能否滿足要求，無疑又是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。1996年哈電就開始了三峽定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)的研究工作，對云母帶的原材料粉紙、云母膠等都做了大量的研究，經(jīng)哈電、哈絕、杭云的共同努力，成功開發(fā)出新型高場強(qiáng)云母帶。導(dǎo)體的內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)在二灘的基礎(chǔ)上也做了相應(yīng)的改進(jìn)。在此期間哈電投入大量的技術(shù)改造資金，使線圈制造工藝裝備水平大有提高。1998年哈電用多膠模壓主絕緣體系制造的三峽左岸定子線棒，在瑞士ABB公司實驗室進(jìn)行了電老化等各項性能的綜合評定（見表 2），得到 ABB公司的高度評價和肯定。2002年我們也終于取得了用自己絕緣體系生產(chǎn)三峽左岸定子線圈的資格，得到了三峽左岸3臺定子線棒的生產(chǎn)份額。哈電生產(chǎn)的3臺份定子線棒在同臺對比中絕緣水平處于國內(nèi)外領(lǐng)先地位。

表2 ABB公司對哈電三峽20kV等級定子線棒電老化壽命評定結(jié)果

圖1 哈電制造的三峽發(fā)電機(jī)定子繞組

圖2 三峽發(fā)電機(jī)定子線棒截面試樣

2006年哈電開始了700 MW全空冷水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究，三峽右岸定子線棒由水冷變成了空冷，線棒導(dǎo)線的高寬比大大增加，線棒主絕緣模壓制造過程的控制更加困難。為此，哈電對導(dǎo)線、絕緣結(jié)構(gòu)、模壓裝置的加壓方式等都進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)過反復(fù)的試驗，最終成功制造了世界上最大的空冷發(fā)電機(jī)定子線棒，且各項性能優(yōu)異。實測右岸國產(chǎn)26號機(jī)在600MW負(fù)荷運行時的線棒溫度在70℃以下。

隨著發(fā)電機(jī)市場競爭加劇，哈電尋求世界上電機(jī)技術(shù)制造力量雄厚的公司進(jìn)行合作，雖然 390H（470MW/19kV）燃汽輪發(fā)電機(jī)、百萬等級（1000MW/27kV）超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)先后引進(jìn)國外的技術(shù)，但國外公司絲毫不轉(zhuǎn)讓定子線圈制造技術(shù)，哈電暫時只有購買他們的定子線棒。在這種情況下，哈電對更高電壓等級的火電定子線棒絕緣體系開展研究工作，用模壓工藝成功制造了390H燃汽輪發(fā)電機(jī)、1000MW/27kV超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)國產(chǎn)定子線棒，各項性能指標(biāo)均達(dá)到國外同類水平（見表3和表4），可以完全取代國外進(jìn)口線棒。

表3 哈電公司制造的390H燃機(jī)主絕緣主要性能

表4 哈電公司制造的火電百萬等級發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣主要性能

2009年，長江三峽工程開發(fā)總公司要求國內(nèi)主要發(fā)電機(jī)制造廠家（主要是哈電和東電）開發(fā)24kV和26kV 等級1000 MW空冷水輪發(fā)電機(jī)。當(dāng)時，在世界水電生產(chǎn)史上還沒有制造如此高額定電壓和容量的水輪發(fā)電機(jī)的經(jīng)歷。這是具有劃時代意義的重大事件，意義非凡，同時難度巨大。其定子、轉(zhuǎn)子繞組所采用的絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)及絕緣工藝，必須經(jīng)過嚴(yán)格的驗證和考核，以保證電機(jī)運行的可靠性和穩(wěn)定性。哈電繼續(xù)采用傳統(tǒng)的優(yōu)勢模壓工藝，自主研發(fā)、成功制造了24kV、26kV電壓等級1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子線棒，并且經(jīng)過了電熱老化、冷熱循環(huán)、環(huán)境模擬因素等一系列試驗的考評，定子線棒的各項性能指標(biāo)優(yōu)良（見表5）。

圖3 哈電制造的390H燃機(jī)線棒

圖4 哈電制造的1000MW汽輪發(fā)電機(jī)線棒

表5 哈電公司制造的水電百萬等級發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣主要性能

2008年開始，哈電啟動了SVPI（單根線棒真空壓力浸漬）少膠整浸絕緣系統(tǒng)的研究工作。雖然國外有成熟的技術(shù)和先進(jìn)的設(shè)備，但哈電立足國內(nèi)，自主研發(fā)，克服了種種困難，創(chuàng)造性地開展工作。目前，哈電的國產(chǎn)大型單根線棒VPI設(shè)備已通過驗收。

圖5 百萬水電試驗線棒耐環(huán)境因素試驗（哈電，多膠膜壓技術(shù)）

圖6 百萬水電試驗線棒耐環(huán)境因素試驗（東電，VPI技術(shù)）

2 防電暈技術(shù)的發(fā)展

高壓定子繞組防電暈技術(shù)是發(fā)電機(jī)的又一核心技術(shù)，是伴隨著定子繞組主絕緣材料的發(fā)展和電壓等級的升高而不斷完善的。在二十世紀(jì)50年代到60年代初，發(fā)電機(jī)定子線棒為瀝青片云母時，防暈材料為半導(dǎo)體填料復(fù)合含鐵石棉帶或玻璃絲帶。1965年，隨著TOA環(huán)氧粉云母絕緣的應(yīng)用，開始研制成功醇酸半導(dǎo)體漆。1966年，又對15.75kV級定子線棒防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，研究成功含碳化硅的醇酸高電阻半導(dǎo)體漆防暈結(jié)構(gòu)。含碳化硅的半導(dǎo)體漆是一種非線性高電阻半導(dǎo)體漆，它的電阻值會隨電壓的升高而降低，防電暈效果好，當(dāng)時處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。這種材料在1968年用于劉家峽電站15.75kV/225MW水輪發(fā)電機(jī)，收到了良好的效果。

為了降低半導(dǎo)體漆涂刷時有機(jī)溶劑對人體的傷害和對環(huán)境的污染，研究所絕緣室于1971年成功開發(fā)“一次成型”防電暈結(jié)構(gòu)，這種防暈結(jié)構(gòu)是在定子線棒主絕緣包扎后，直接包扎防暈帶，一次與主絕緣固化成型，無需二次處理，既減少污染又極大地提高了生產(chǎn)效率。此技術(shù)首先在黃龍灘電站13.8kV水輪發(fā)電機(jī)上得到應(yīng)用，至今已運行30余年?！耙淮纬尚汀狈离姇灲Y(jié)構(gòu)的研究是國內(nèi)防暈技術(shù)的一次革命，為國內(nèi)首創(chuàng)，很快在全國各大電機(jī)廠得到推廣，成為我國普遍采用的一種防電暈結(jié)構(gòu)。

80年代以后，絕緣室開始研制新型的防電暈材料，防暈帶底材由玻璃絲帶代替了石棉帶，防暈結(jié)構(gòu)向更高電壓等級發(fā)展，《18kV～26kV防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計》課題項目于1987年獲機(jī)械部科技進(jìn)步二等獎。

進(jìn)入90年代，隨著大型高壓發(fā)電機(jī)快速發(fā)展，對防電暈技術(shù)提出更高的要求，特別是三峽左岸定子線棒必須全部通過80kV·1min耐電壓試驗，這對主絕緣和防暈體系都是十分苛刻的考驗。當(dāng)時哈電還很難達(dá)到這個要求，為了攻克這一難關(guān)，絕緣室與防暈材料廠聯(lián)合，不斷摸索，反反復(fù)復(fù)，經(jīng)過成千上萬次試驗，終于研制出性能可靠的防暈材料，掌握了世界領(lǐng)先水平的定子線圈防暈技術(shù)。《三峽發(fā)電機(jī)定子線棒防暈結(jié)構(gòu)的研究和防暈材料的篩選》于2002年獲黑龍江省科技進(jìn)步二等獎，這一技術(shù)廣泛用于三峽右岸、三峽地下、龍灘和小灣等機(jī)組。國內(nèi)同行企業(yè)也十分青睞我們的防暈技術(shù)，借助我們的研究成果解決了他們發(fā)電機(jī)中存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。

近年來，絕緣室繼續(xù)開展防電暈技術(shù)研究，研制的新型防電暈材料電阻值穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)搭配合理，總體防電暈效果優(yōu)良，其成果已經(jīng)成功應(yīng)用在百萬水電（1000MW/26kV）試驗線棒，百萬超超臨界（1000MW/27kV）真機(jī)線棒上,也為百萬核電防暈技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

多膠膜壓工藝是哈電多年來一直傳承的絕緣技術(shù)，具有獨到特點。哈電人堅持走自主研發(fā)之路，將多膠模壓技術(shù)與世界先進(jìn)的VPI技術(shù)之間的競技推上了又一個高潮，相信無論是模壓技術(shù)還是少膠VPI技術(shù)，只要堅持不懈的創(chuàng)新與發(fā)展，技術(shù)的優(yōu)勢定能突顯出來。