大型電機絕緣工藝兩條路線的對比分析

陳笑竹

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150040)

0 引言

在電機工業(yè)發(fā)展的百年歷程中，制約其迅速前進的瓶頸，常常是通風(fēng)冷卻和絕緣系統(tǒng)這兩個專業(yè)方面的核心技術(shù)。近年來的國際會議上公認的電機專業(yè)領(lǐng)域的4大進步，就是:采用空氣冷卻、蒸發(fā)冷卻、高溫超導(dǎo)和超高壓技術(shù)的新型電機。由于采用超高壓圓形截面的電纜取代了矩形截面的“線棒”，從而成為電機結(jié)構(gòu)設(shè)計史上的一場革命。由于它的電壓很高，電流很小，發(fā)熱很少，通風(fēng)冷卻不是問題;由于高壓電纜可在市場上買到，材料來源及其成本，不是問題。前面提到的2個瓶頸(通風(fēng)和絕緣)問題 ，便迎刃而解。采用這種新技術(shù)的水輪發(fā)電機、汽輪發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機、電動機等大型電機產(chǎn)品已經(jīng)成功運行多年。作為研制企業(yè)的瑞典和瑞士公司的相關(guān)業(yè)務(wù)已被法國阿爾斯通收購、壟斷。日本等國已購買昂貴的樣機進行研究。包括我國在內(nèi)的其它國家也都在爭先恐后地進行開發(fā)。但它至今尚未形成規(guī)模、全面占領(lǐng)市場。當(dāng)今世界，大型電機繞組絕緣系統(tǒng)的制造工藝主要依靠兩條路線:即加熱模壓和真空浸漬。它們都能滿足各項性能和質(zhì)量要求，然而卻各有其特點。

1 絕緣系統(tǒng)

1.1 主要材料

大型電機定子繞組絕緣系統(tǒng)本體，主要由以下3種材料構(gòu)成:(1)粉云母——通過特殊工藝將它制成“紙”狀 ，以便于包繞，主要承擔(dān)耐電作用;(2)膠黏劑——一般為環(huán)氧樹脂 ，加熱、固化后使絕緣體致密，以便保證機械強度 ;(3)補強材料——一般為玻璃絲布，用來保證未成型前云母“紙”的強度，避免在包繞等操作中受到損傷。

1.2 基本要求

對于絕緣系統(tǒng)的基本要求如下:(1)成分的最佳配比，要確保包括電氣、機械、熱學(xué)、化學(xué)等方面性能要求在內(nèi)的綜合指標(biāo);(2)本體的最高密度，要保證最高的致密性，沒有氣孔、氣隙、疏松等缺陷;(3)整體的“魯棒”(robust的音譯 ，寓意為“山東大漢”，轉(zhuǎn)譯為“強悍、健壯”)性能，保證沒有分層、發(fā)空現(xiàn)象。

為了達到絕緣性能指標(biāo)要求，絕緣成分的篩選、配比、優(yōu)化、組合，非常重要。不同的含膠量和粉云母“紙”密度時，絕緣的擊穿電場強度對比見表1。

表1 不同的含膠量和粉云母紙密度時絕緣的擊穿電場強度 (kV/mm)

2 制造工藝

自從采用熱固性環(huán)氧樹脂粉云母絕緣，取代熱塑性的瀝青片云母絕緣以來的半個多世紀(jì)過程中，世界上大型電機定子繞組線棒絕緣系統(tǒng)的制造工藝，主要存在兩條路線:即加熱模壓(美國GE公司最先采用，國內(nèi)普遍應(yīng)用)和真空浸漬(美國西屋、德國西門子等公司采用)。但是不管采用哪種制造工藝，都必須滿足上面提到的絕緣特性基本要求。

2.1 加熱模壓

它采用含膠量(37%～40%)較多的粉云母帶(即多膠云母帶)，所以也稱為多膠加熱模壓工藝。其工藝流程如下:將定子“線棒”放進成型模具中，在自然環(huán)境中進行加熱、加壓，將絕緣帶中多余的環(huán)氧樹脂膠(由內(nèi)向外)擠出來，并將低分子物和潮氣等帶出來，最后加熱、固化成型。這種工藝(屬于加熱加壓擠出方法)要求定子線棒絕緣的截面尺寸，要在模壓以前大于模壓以后的，即留有一定的“壓縮量”。這個“壓縮量”是關(guān)鍵參數(shù)，全憑經(jīng)驗優(yōu)化選擇，它屬于公司保密的核心技術(shù)中的重要因素?，F(xiàn)在，國內(nèi)采用的這種工藝路線已經(jīng)成熟，完全可以與真空浸漬比美，并已成功的用于世界上各種類型的產(chǎn)品上。

2.2 真空浸漬

采用膠的含量(8% ～10%)較少的粉云母帶(即少膠云母帶)，是從定子線棒絕緣的外面注進環(huán)氧樹脂膠黏劑的方法。它將“線棒”放進真空罐中并抽真空，隨著真空度的增加，絕緣層間及股線間的絕對壓力便降低。當(dāng)它降到與環(huán)境溫度相對應(yīng)的飽和水蒸氣壓力時，便將內(nèi)部的水分子等汽化，并被連續(xù)抽出，從而有效地減少氣泡數(shù)目和針孔。在將包扎的多層粉云母帶層間等所有的氣孔、氣隙中的空氣抽凈以后，再利用真空負壓的原理，將環(huán)氧樹脂抽入罐中，并在壓力下將膠(由外向內(nèi))浸漬到絕緣體中(屬于真空負壓浸入方法)，然后，從罐中取出定子繞組線棒(此時要注意防止已經(jīng)注入的膠流失)，放在自然環(huán)境下的模具中，進行加壓、加熱、烘焙、固化。它要求定子線棒絕緣的截面尺寸，要在浸漬以前大于浸漬以后的，即留有一定的“膨脹量”。這個“膨脹量”是關(guān)鍵參數(shù)，全憑經(jīng)驗優(yōu)選，也是屬于公司保密的核心技術(shù)中的重要因素。

采用這種工藝，必須配備專用的大尺寸高壓力真空浸漬罐等工藝裝備，及其配套的附屬設(shè)備，從而額外增加了投資成本。以前，國內(nèi)還不能生產(chǎn)用于高壓發(fā)電機的少膠粉云母帶和浸漬膠。采用真空高壓浸漬工藝進行單個“線棒”的生產(chǎn)時，其全部材料，都必須依賴于國外進口。而且其價格是國內(nèi)的2倍左右。然而，它有市場需求。因此，哈電公司于2008年啟動“真空壓力浸漬”工程，真正實現(xiàn)“國外有的，我們也要有”?，F(xiàn)在，國產(chǎn)大型(用于制造單個“線棒”的)真空壓力浸漬工藝裝備，在通過驗收以后，首臺200 MW空冷燃氣輪發(fā)電機已經(jīng)投產(chǎn)，以便滿足各方面的用戶需要，從而進一步強化了我國在國內(nèi)外市場上的綜合競爭實力。

3 對比分析

3.1 工藝對比

加熱模壓和真空浸漬兩條工藝路線的區(qū)別，是“流膠”方向不同，即由絕緣體內(nèi)向外，和由絕緣體外向內(nèi)，但是都達到了絕緣標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用加熱模壓和真空浸漬這兩條工藝路線時，生產(chǎn)出來的定子繞組線棒絕緣的各項性能的綜合對比結(jié)果見表2。

表2 大型電機絕緣工藝兩條路線的對比

續(xù)表2 大型電機絕緣工藝兩條路線的對比

3.2 絕緣厚度

采用真空浸漬這種工藝的最大特點，是絕緣厚度較薄。因為它的粉云母帶中粉云母的含量較高，而含膠量較少。但是它要求保證浸透性、均勻性。由于粉云母“紙”的滲透性很差，很難保證各個方向全部浸透，特別是厚度方向的均勻性。因此，它要求盡可能的減薄絕緣厚度。由于片云母的浸透性大大高于粉云母，有的公司采用了粉、片混合結(jié)構(gòu)的云母帶，然而卻增加了原材料的成本。

從理論上看，電機的額定相電壓(kV)應(yīng)等于工作電場強度(kV/mm)與絕緣厚度(mm)的乘積。如何合理地選擇絕緣工作電場強度，是一個專業(yè)性很強、而且相當(dāng)復(fù)雜的問題，必須通過分析、計算，并結(jié)合豐富的經(jīng)驗予以綜合考慮來確定

國際上公認的工作電場強度在2.5 kV/mm左右時的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)是合理的。然而用于核電站的電機時，由于安全可靠性的要求排在第一位，絕緣工作電場強度就取得“低”一點(2.1 kV/mm)左右;用于全空冷汽輪發(fā)電機時，絕緣的熱傳導(dǎo)性能要求是主要矛盾，希望盡可能減薄絕緣厚度。所以選用的絕緣工作電場強度就取高一些(3 kV/mm)左右。工作電場強度確定以后，絕緣厚度也就確定了。在電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，絕緣厚度的選擇也是一項相當(dāng)復(fù)雜的課題。減薄絕緣厚度，有很多好處，可以提高鐵心槽的利用率，減小電機的體積、重量，提高電機效率等。但是，絕緣厚度的減薄必須要由它具有的優(yōu)良絕緣性能作為保證。我國采用加熱模壓的絕緣系統(tǒng)電場強度與絕緣厚度的進步見表3。

3.3 綜合性能

改革開放以來，通過技術(shù)引進、消化、吸收和再創(chuàng)新，我國大型電機的絕緣技術(shù)取得了重大發(fā)展。實踐證明，先進技術(shù)是不可能引進的，只能依靠自己創(chuàng)新發(fā)明。我國具有完全知識產(chǎn)權(quán)的加熱模壓工藝技術(shù)，由于實現(xiàn)了下述典型產(chǎn)品的國產(chǎn)化而達到了高度升華:(1)為了取得三峽機組投標(biāo)資質(zhì)，20世紀(jì)90年代初期，哈電公司曾經(jīng)與加拿大合作，生產(chǎn)二灘水電站機組(18 kV，550 MW)。

表3 我國加熱模壓絕緣系統(tǒng)電場強度與絕緣厚度的進步

但是定子線圈制造技術(shù)國外絕不轉(zhuǎn)讓，甚至連線圈生產(chǎn)車間都不能看，必須購買它們的線圈。后來哈電公司通過創(chuàng)新發(fā)明、不斷改進材料和模壓工藝，于1998年將研制的產(chǎn)品空運到加拿大GE公司，進行絕緣各項性能的綜合性能評定，結(jié)果證明:優(yōu)于GE標(biāo)準(zhǔn)。(2)哈電公司首次采用道格拉斯電磁線、內(nèi)屏蔽半導(dǎo)體材料、高電場強度云母帶等，繼續(xù)采用又有重大改進的模壓工藝，于2002年又將研制的線棒(三峽水電站 -左岸機組，20 kV，700 MW)空運到瑞士ABB公司實驗室，進行絕緣各項性能的綜合性能評定，結(jié)果證明:優(yōu)于國外標(biāo)準(zhǔn)。實踐證明:哈電公司的絕緣水平已經(jīng)達到國內(nèi)外領(lǐng)先水平。(3)“哈電”公司研制的百萬水電機組(24 kV，26 kV，1 000 MW)2009年已經(jīng)通過了電熱老化、冷熱循環(huán)、承受環(huán)境因素、常態(tài)、熱態(tài)介質(zhì)損耗、局部放電量、“起暈”電壓、擊穿電壓等一系列考評試驗。結(jié)果證明:其各項性能指標(biāo)均為優(yōu)良。(4)哈電公司終于實現(xiàn)了470 MW燃氣輪發(fā)電機絕緣的國產(chǎn)化，采用加熱模壓工藝優(yōu)勢，取代了國外的真空浸漬，達到了標(biāo)準(zhǔn)要求。這種空冷發(fā)電機的絕緣厚度要求很薄，國外通常采用真空浸漬工藝。

表4 我國采用加熱模壓工藝生產(chǎn)的世界最大級發(fā)電機的絕緣性能

4 結(jié)語

(1)加熱模壓這兩條絕緣制造工藝路線的主要區(qū)別就是“流膠”方向不同，即:由絕緣“內(nèi)部向外”和由絕緣“外部向內(nèi)"。然而生產(chǎn)的線棒絕緣質(zhì)量都能達到標(biāo)準(zhǔn)要求

(2)我國創(chuàng)新開發(fā)的模壓工藝，已經(jīng)成為自己的核心技術(shù)，并已經(jīng)成功地用于百萬火電、百萬水電和470 MW“燃電”(燃氣輪發(fā)電機)等世界最大級的尖端產(chǎn)品上。其中“百萬水電”是世界上至今還處于空白狀態(tài)的最大產(chǎn)品。

(3)為了滿足市場需求，國產(chǎn)大型發(fā)電機(用于“單個”線棒)的真空壓力浸漬工藝裝備，在通過驗收以后，已經(jīng)用于生產(chǎn)首臺200 MW空冷燃氣輪發(fā)電機。從而達到了兩條工藝路線都能掌握的全能狀態(tài)。