多膠模壓線棒與少膠VPI線棒的冷熱循環(huán)對比試驗

付新星，饒保林，韋衍樂，曾栢順

（桂林理工大學(xué) 有色金屬及材料加工新技術(shù)教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004）

多膠模壓線棒與少膠VPI線棒的冷熱循環(huán)對比試驗

付新星，饒保林，韋衍樂，曾栢順

（桂林理工大學(xué) 有色金屬及材料加工新技術(shù)教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004）

本文對多膠模壓和少膠VPI兩種線棒進行了冷熱循環(huán)處理，在相同試驗條件下對比了這兩種線棒的耐熱性和耐冷熱循環(huán)能力。

高壓電機；線棒；主絕緣；冷熱循環(huán)；導(dǎo)熱系數(shù)

前言

定子線圈是大型高壓發(fā)電機的心臟部件，定子線圈主絕緣在發(fā)電機運行過程中須承受高電場、熱和機械應(yīng)力等環(huán)境條件的作用，還要經(jīng)受發(fā)電機在啟動和停機時產(chǎn)生的冷熱循環(huán)熱應(yīng)力作用和突發(fā)短路時產(chǎn)生的強大電磁力的作用，因此定子線圈主絕緣必須具有良好的電氣性能、機械性能和耐冷熱沖擊的能力，從而保證發(fā)電機可靠運行。

目前大型高壓發(fā)電機定子線圈主絕緣按云母帶的膠含量劃分，有少膠VPI和多膠熱壓兩種絕緣體系。多膠熱壓又有模壓和液壓兩種成型工藝，我國目前多膠體系主要采用模壓工藝，國外多膠體系則采用真空液壓工藝（VPR工藝）。這些絕緣體系各有優(yōu)缺點，如果工藝處理得當，理論上都可以制造出性能優(yōu)良的主絕緣[1-2]。

我國從上世紀60年代開始制造大型高壓發(fā)電機以來，線圈主絕緣一直采用多膠熱壓絕緣體系。七八十年代曾經(jīng)采用過多膠液壓工藝，液壓加熱介質(zhì)為瀝青，后因VPR線圈尺寸偏差大、絕緣性能不理想，80年代逐漸被模壓工藝取代。

改革開放后，少膠VPI技術(shù)漸漸從國外傳入我國，經(jīng)過多年的努力，我國少膠云母帶和VPI浸漬樹脂的質(zhì)量水平，以及云母帶分切機、繞包機、VPI浸漬罐等相關(guān)設(shè)備的制造水平都得到了很大的提高，VPI技術(shù)在我國得到了很大的發(fā)展，以致近幾年不少電機廠紛紛投入資金進行技術(shù)改造，放棄傳統(tǒng)的多膠模壓工藝轉(zhuǎn)而采用VPI工藝。

未來大型高壓發(fā)電機主絕緣會不會全部被少膠VPI工藝取代？這是大電機行業(yè)、絕緣材料行業(yè)都在關(guān)注的一個問題。本文對多膠模壓和少膠VPI兩種真機線棒進行了冷熱循環(huán)對比試驗，從熱應(yīng)力的角度，探討了這兩種絕緣體系的優(yōu)缺點。

1 試驗

1.1 試驗樣品

選擇發(fā)電機額定電壓UN為20kV的多膠模壓和少膠VPI兩種真機線棒進行對比試驗，線棒外形尺寸相同，單邊絕緣厚度均為4.6mm(不含防暈層)。

1.2 冷熱循環(huán)試驗

試驗程序：室溫→180℃保持21h→25℃保持3h，每24h一個試驗周期。每種線棒試驗2個試樣。

1.3 性能測試

線棒主絕緣工頻介電損耗：采用三電極系統(tǒng)，電極長度 250mm，保護電極間隙 2mm，其余按 JB/T 7608-1994。以下其余性能則先用機加工方法從線棒上剝下主絕緣，然后按標準要求加工成試樣。其中，主絕緣的彎曲性能：試驗方向沿線棒縱向，試樣跨距64mm，試驗速度2mm/min，其余按GB/T 9341-2000；主絕緣的沖擊強度：簡支梁法無缺口試樣，支點跨距70mm ，其余按 GB/T 1043.1-2008；主絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)：試樣尺寸 25.4mm×25.4mm×4.0mm，熱流方向垂直于云母層，取2個試樣的平均值作為試驗結(jié)果，其余按ASTM E 1530-2006；主絕緣的密度：試樣尺寸與導(dǎo)熱系數(shù)試樣相同，其余按GB/T 1033.1-2008 中5.1條規(guī)定的方法A（浸漬法）；主絕緣的熱失重：用機械方法從線棒上取下主絕緣，稱量冷熱循環(huán)前后試樣質(zhì)量的變化，精確至0.001g，試樣原始質(zhì)量150～200g；主絕緣粘接劑的酸值：用細銼刀從主絕緣上銼取試樣1～2g，加入中性丙酮30ml，不時搖動浸泡1h后，加入1%酚酞指示劑2、3滴，用0.1N氫氧化鉀-甲醇標準溶液緩緩滴至中性，測得實測酸值后按下式計算主絕緣中粘接劑的酸值：粘接劑酸值=實測酸值/實測主絕緣膠含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷熱循環(huán)對線棒主絕緣介電損耗、損耗增量的影響

冷熱循環(huán)試驗前，多膠模壓線棒和少膠VPI線棒主絕緣的室溫介電損耗、155℃介電損耗和損耗增量都處在較好的水平，如表1、表2。前4個試驗周期，少膠VPI線棒主絕緣的損耗增量上升較快，之后漸漸趨于平緩，最后穩(wěn)定在 1.1%附近。多膠模壓線棒的損耗增量比VPI線棒要小一些，經(jīng)歷8個周期后穩(wěn)定在0.6%～0.7%附近，如圖1所示。

多膠模壓線棒經(jīng) 180℃冷熱循環(huán) 14個周期后（180℃下歷時共 21×14=294h），主絕緣的高溫介電損耗有上升的趨勢：冷熱循環(huán)前為1.3%，冷熱循環(huán)14個周期后增大至5.3%；同等條件下VPI線棒主絕緣的高溫介損基本保持不變。

2.2 冷熱循環(huán)后主絕緣導(dǎo)熱系數(shù)、密度和膠含量的變化

按試驗程序冷熱循環(huán)14個周期后，多膠模壓線棒和少膠VPI線棒主絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、膠含量都明顯下降，如表3所示，線棒敲擊聲也不再清脆，損耗增量都有所增大，表明主絕緣已經(jīng)開始發(fā)空。對于內(nèi)冷式機組，發(fā)電機線圈的運行溫度除個別點外，一般都不超過80～90℃[3]，本文采用180℃的試驗溫度似有點偏高。但對于空冷機組，發(fā)電機線圈的設(shè)計最高允許運行溫度一般為120℃。實際運行時，在氣溫較高且滿負荷的情況下，線圈的最高溫度已接近120℃[4]，故對主絕緣的耐熱性應(yīng)予以足夠的重視，進一步提高空冷機組定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)的耐熱性是有必要的。

表1 冷熱循環(huán)過程中線棒主絕緣室溫介電損耗 %

2.3 主絕緣的熱失重和熱降解機理

注意到在冷熱循環(huán)過程中，多膠模壓線棒和少膠VPI線棒主絕緣的熱失重曲線雖然很接近，如圖 2所示，但粘接劑酸值的變化、線棒尺寸的變化卻有很大的差別。

表2 冷熱循環(huán)前后線棒主絕緣的155℃介電損耗（試驗電壓0.2UN） %

圖1 冷熱循環(huán)過程中線棒主絕緣損耗增量的變化

表3 冷熱循環(huán)前后線棒主絕緣導(dǎo)熱系數(shù)、膠含量和整體性的變化

多膠模壓線棒主絕緣粘接劑的酸值，在老化前幾乎為零，經(jīng)180℃老化300h（14個循環(huán)周期累計）后呈緩慢上升趨勢；少膠VPI線棒主絕緣粘接劑的酸值，起始值就比較大（達36 mgKOH/g），隨熱老化過程呈下降趨勢，180℃老化300h后降至20 mgKOH/g，如表4所示。

在熱老化過程中，多膠模壓線棒的尺寸是變大的，發(fā)生輕微的膨脹；少膠VPI線棒的尺寸則是變小的，發(fā)生一定程度的收縮，如表5所示。

圖2 冷熱循環(huán)過程中線棒主絕緣的熱失重

表4 冷熱循環(huán)前后線棒主絕緣粘接劑酸值的變化

這些試驗現(xiàn)象表明：在熱老化過程中，多膠模壓線棒主絕緣粘接劑主要發(fā)生的是熱分解反應(yīng)；少膠 VPI線棒則主要是未反應(yīng)徹底的液體酸酐受熱后進一步漸漸揮發(fā)。

對于 VPI引進技術(shù)和國內(nèi)目前主要使用的環(huán)氧酸酐浸漬樹脂體系，線棒中存在未反應(yīng)的液體酸酐是有可能的。在這種樹脂體系中，使用的環(huán)氧樹脂是高純結(jié)晶環(huán)氧，基本上沒有羥基，為了獲得較好的貯存穩(wěn)定性，浸漬樹脂還必須嚴格防潮。故在通常情況下，這種樹脂體系中既沒有羥基也沒有水分存在。

根據(jù)在催化劑作用下環(huán)氧與酸酐的反應(yīng)機理，如果環(huán)氧酸酐固化體系中沒有羥基也沒有水分存在，環(huán)氧基與酐基按等當量進行反應(yīng)[5]。如果反應(yīng)體系中有環(huán)氧過量，反應(yīng)結(jié)束后則有剩余環(huán)氧基存在；如有酸酐過量則有酸酐存在。在實際操作過程中，由于酸酐除了需要固化VPI樹脂中的環(huán)氧樹脂外，還要固化少膠云母帶中的環(huán)氧，而少膠帶中的樹脂含量總有一個正常的偏差范圍，因此固化體系要一直保持環(huán)氧基與酐基正好等當量是不容易的。

此外，VPI樹脂在長期使用和貯存過程中，難免會或多或少吸收一些潮氣，吸潮后的VPI樹脂達到完全固化所需酸酐的當量就會比理論值小，這樣一來造成酸酐過量的可能性就比較大了。在用銼刀從VPI線棒上銼取粉末試樣時，可以聞到輕微的液體酸酐氣味，也證實了VPI線棒主絕緣中有少量酸酐存在。

表5 冷熱循環(huán)前后線棒尺寸的變化

2.4 冷熱循環(huán)對主絕緣力學(xué)性能的影響

冷熱循環(huán)結(jié)束后，用機加工的方法從線棒上剝下主絕緣，測定了冷熱循環(huán)前后主絕緣的力學(xué)性能，試驗結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，經(jīng)冷熱循環(huán)后，少膠VPI線棒主絕緣的力學(xué)性能下降的幅度比多膠模壓線棒大。用機加工方法從線棒上剝離主絕緣時還發(fā)現(xiàn)，VPI主絕緣與線棒導(dǎo)體的粘接性較差，輕易就可以從線棒導(dǎo)體上剝離下來，表明VPI主絕緣的層間粘接力和對導(dǎo)體的粘接力不如多膠模壓線棒好。

3 結(jié)語

通過對相同尺寸的多膠模壓線棒和少膠 VPI線棒在相同條件下的冷熱循環(huán)對比試驗，得到以下結(jié)論：

（1）多膠模壓和少膠VPI兩種絕緣結(jié)構(gòu)都具有優(yōu)良的介電性能和機械性能，但經(jīng)過 180℃冷熱循環(huán)14個周期后，兩種絕緣結(jié)構(gòu)的性能都有所下降，其中多膠模壓絕緣的機械性能的保持率要比少膠VPI絕緣好些；少膠VPI絕緣的介電性能的保持率要比多膠模壓絕緣好些。用于空冷機組的主絕緣還需要進一步提高耐熱性。

（2）這兩種絕緣結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，且遵循不同的熱老化機理。

表6 冷熱循環(huán)前后線棒主絕緣力學(xué)性能的變化

[1] 袁曉紅, 王玉田. VPI 與模壓的發(fā)電機定子線棒之性價比[J]. 大電機技術(shù), 2011 (1): 37-38, 64.

[2] 何智江. 三峽左岸電站發(fā)電機定子線棒主絕緣技術(shù)特點[J]. 大電機技術(shù), 2003 (6): 1-4.

[3] 韓毅, 欒慶偉. 700MW水輪發(fā)電機定子線棒及匯流銅環(huán)溫升分布測量試驗新方法[J]. 防爆電機,2009, 44(4): 29-32.

[4] 張新聞. 150MW空冷發(fā)電機運行溫度高原因分析及對策[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2009 (5): 370-373.

[5] 孫曼靈主編. 環(huán)氧樹脂應(yīng)用原理與技術(shù)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2002: 142-143.

審稿人：滿宇光

Psychro-Thermal Cycle Contrast Tests between Resin-Rich Molded and VPI Stator Bar

FU Xinxing, RAO Baolin, WEI Yanle, ZENG Baishun
(Key Laboratory of New Processing Technology for Nonferrous Metals and Materials,Ministry of Education, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

The stator bars made by resin-rich molding and VPI technique have been exposed at the same psychro-thermal cycle conditions, and the heat resistance and the resistance of psychro-thermal cycling of this two kinds of stater bars has also been compared in this paper.

high-voltage generator; stator bar; ground insulation; psychro-thermal cycle; thermal conductivity

TM303

A

1000-3983(2012)06-0017-04

國家自然科學(xué)基金項目(51067003)；廣西科學(xué)基金應(yīng)用基礎(chǔ)研究專項(桂科基0832015)；科技部科技人員服務(wù)企業(yè)項目(2009GJE10024)

2011-10-06

付新星(1988-)，2011年6月畢業(yè)于桂林理工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，研究方向為電氣絕緣材料，碩士研究生。