大型貫流式水輪發(fā)電機(jī)定子線圈關(guān)鍵絕緣性能穩(wěn)定性研究

胡　波，梁智明，何明鵬，謝志輝，劉　雁

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)　618000)

大型貫流式水輪發(fā)電機(jī)定子線圈關(guān)鍵絕緣性能穩(wěn)定性研究

胡波，梁智明，何明鵬，謝志輝，劉雁

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)618000)

摘要：通過(guò)隨機(jī)抽樣測(cè)試20余臺(tái)大型貫流式水輪發(fā)電機(jī)組定子線圈的關(guān)鍵絕緣性能，統(tǒng)計(jì)并分析了各項(xiàng)絕緣性能測(cè)試結(jié)果的分散性。研究結(jié)果表明：在整個(gè)生產(chǎn)周期中，公司生產(chǎn)的定子線圈的關(guān)鍵絕緣性能及絕緣質(zhì)量比較穩(wěn)定，所有定子線圈均能夠滿足機(jī)組的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：貫流式；水輪發(fā)電機(jī)；定子線圈；絕緣性能；穩(wěn)定性

0引言

隨著世界范圍內(nèi)電力市場(chǎng)的迅速發(fā)展，大容量發(fā)電機(jī)、調(diào)峰蓄能水輪發(fā)電機(jī)、貫流式水輪發(fā)電機(jī)與軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)等需求量日益增多，并逐步投入商業(yè)運(yùn)行，特別是以各種容量的貫流式水輪發(fā)電機(jī)為突出代表。燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種優(yōu)良機(jī)型，廣泛用于低水頭電站，并在一定范圍內(nèi)取代傳統(tǒng)軸流式水電機(jī)組。與同容量立式軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組相比，燈泡貫流式水電機(jī)組具有轉(zhuǎn)輪直徑小、重量輕、最大效率高、過(guò)流量大、空化性能好、運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)良、建設(shè)周期短、投資省等優(yōu)勢(shì)。在中高水頭段水力資源得到充分開(kāi)發(fā)后，人們?cè)絹?lái)越重視低水頭水力資源的開(kāi)發(fā)，而燈泡貫流式機(jī)組是開(kāi)發(fā)低水頭水力資源的一種最經(jīng)濟(jì)適宜的機(jī)型[1]。

燈泡貫流式發(fā)電機(jī)額定電壓隨發(fā)電機(jī)容量增大而不斷提高。目前，國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組是廣西橋鞏57 MW電站，其額定電壓Un為10.5 kV，巴西杰瑞(JIRAU)電站是世界上已經(jīng)投運(yùn)的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組中單機(jī)容量最大、額定電壓最高的，其單機(jī)容量為75 MW、額定電壓為13.8 kV。

對(duì)于大容量、高額定電壓的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，對(duì)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、防護(hù)、運(yùn)輸?shù)忍岢隽撕芨叩囊?。發(fā)電機(jī)線圈與繞組作為發(fā)電機(jī)的心臟，其關(guān)鍵絕緣性能及其穩(wěn)定性更是直接關(guān)系著發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期安全運(yùn)行[2]。

公司生產(chǎn)的大型燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組定子線圈已超過(guò)2萬(wàn)只，其線圈絕緣質(zhì)量的穩(wěn)定性就顯得非常重要，這對(duì)線圈絕緣設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、質(zhì)量監(jiān)控與改進(jìn)、質(zhì)保體系等方面均提出了很高的要求。

1定子線圈隨機(jī)抽檢試驗(yàn)

企業(yè)在每臺(tái)水電機(jī)組首批定子線圈生產(chǎn)完成后，定子線圈批量生產(chǎn)前，都按照表1中規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行線圈主要絕緣性能的隨機(jī)抽檢試驗(yàn)(合同或業(yè)主有特殊要求的除外)，以驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)和工藝的可靠性[3]。試驗(yàn)順利通過(guò)后，定子線圈才能進(jìn)行批量生產(chǎn)。

表1　常規(guī)水電機(jī)組線圈絕緣試驗(yàn)要求

* 表示：有要求時(shí)可以進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)。

業(yè)主與監(jiān)理非常關(guān)注該機(jī)組定子線圈的絕緣性能及其質(zhì)量穩(wěn)定性，技術(shù)合同對(duì)線圈絕緣性能及其穩(wěn)定性的要求相比我公司常規(guī)水電機(jī)組定子線圈的首件抽檢測(cè)試規(guī)定，差異很大。

為保證機(jī)組定子線圈關(guān)鍵絕緣性能和絕緣質(zhì)量的穩(wěn)定性，企業(yè)研究建立了定子線圈關(guān)鍵絕緣性能(包括電氣性能和物化性能)的監(jiān)控方法，與常規(guī)水電機(jī)組相比，新增了很多性能測(cè)試與質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目，具體如表2所示。

表2　線圈絕緣試驗(yàn)要求

在表2中，定子線圈絕緣附加試驗(yàn)和絕緣評(píng)定試驗(yàn)互不干涉、并行執(zhí)行。在具體實(shí)施細(xì)則上，通過(guò)隨機(jī)挑選線圈、不定批次指定、多批次抽試、同批次線圈測(cè)試結(jié)果對(duì)比、跨年度線圈測(cè)試結(jié)果對(duì)比等多種方式，進(jìn)一步優(yōu)化了隨機(jī)抽樣檢測(cè)的有效性，增強(qiáng)了測(cè)試結(jié)果的代表性。同時(shí)，盡可能減少了抽檢線圈的數(shù)量，降低了機(jī)組的生產(chǎn)成本。

2測(cè)試結(jié)果分散性統(tǒng)計(jì)及討論

2.1低電阻防暈層表面電阻率

對(duì)20余臺(tái)抽檢線圈直線部分的低電阻防暈層表面電阻率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1　低電阻防暈層表面電阻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈的表面電阻率平均值在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)幅度在規(guī)定范圍內(nèi)。這表明，在相同固化工藝條件下，線圈低電阻防暈漆滾涂工藝的質(zhì)量穩(wěn)定可控，包括涂層厚度、漆膜均勻性等。

2.2絕緣電阻測(cè)試

對(duì)線圈施加5 000 V DC電壓，1 min絕緣電阻測(cè)試結(jié)果和吸收比計(jì)算值(R1min/R15 s)的統(tǒng)計(jì)如圖2和圖3所示。

圖2　1 min絕緣電阻統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3　吸收比統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈的絕緣電阻(或吸收比)在100～500 GΩ范圍變化，每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈的吸收比在1.9～5.0范圍變化；同時(shí)測(cè)試結(jié)果也遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定的下限值。

這表明：在絕緣電阻很高(或直流電流很微弱)時(shí)，外在環(huán)境(包括線圈端部表面狀態(tài)、環(huán)境溫濕度等)對(duì)微弱直流電流(或高絕緣電阻)測(cè)試的準(zhǔn)確性影響很大，測(cè)試結(jié)果對(duì)絕緣預(yù)防性高壓試驗(yàn)的意義不大。這與“當(dāng)線圈或繞組的絕緣電阻高于5 GΩ時(shí)，吸收比或極化指數(shù)失去考核的意義”的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]的要求一致。

2.3室溫下介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)測(cè)試

對(duì)所有線圈施加0～1.2Un電壓并在室溫下測(cè)試其介質(zhì)損耗因數(shù)及其增量，測(cè)試結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4　介質(zhì)損耗因數(shù)初始值tanδ0.2U的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5　介質(zhì)損耗因數(shù)最大差異max(Δtanδ)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6　介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈絕緣在0.2Un電壓下的tanδ0.2U均小于1.0%，0.6Un與0.2Un電壓下的介質(zhì)損耗差異的一半Δtanδ均不大于0.2%，每相鄰0.2Un電壓間的最大介質(zhì)損耗增量max(Δtanδ)均不大于0.2%。該測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)[6-8]中的技術(shù)要求。

該測(cè)試主要代表線圈主絕緣內(nèi)部含有所有可能放電的氣隙群在不同電壓下的放電活動(dòng)的整體性域值[9]，能夠表征線圈主絕緣內(nèi)部氣隙的大致量級(jí)及其對(duì)應(yīng)的放電氣隙尺寸。而現(xiàn)代各型電機(jī)線圈成型工藝無(wú)法完全消除絕緣內(nèi)部氣隙，只能將其控制在某一限值以下[10]。

同時(shí)，如何準(zhǔn)確測(cè)量并明確表征主絕緣內(nèi)部的氣隙數(shù)量在業(yè)內(nèi)尚無(wú)可靠地方法，而胡波[11]等人的研究表明，氣隙群的特征尺寸(主要是氣隙沿電力線方向的間距)與線圈介質(zhì)損耗因數(shù)及其增量存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。

因此，介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果在某種程度上可以說(shuō)明，每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈主絕緣內(nèi)部的氣隙群大致在某一限值以下，線圈材料和成型工藝的穩(wěn)定性較好。

2.4局部放電測(cè)試

對(duì)多只線圈施加相電壓(8 kV)與線電壓(13.8 kV)，進(jìn)行了局部放電測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　局部放電最大值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

該測(cè)試主要代表了線圈主絕緣內(nèi)部含有的放電氣隙或者絕緣表面在不同電壓下的最劇烈放電活動(dòng)的單一性域值，主要表征線圈絕緣內(nèi)部與表面放電的最大數(shù)值及其對(duì)應(yīng)的放電模式(包括絕緣內(nèi)部、導(dǎo)體與絕緣之間、絕緣表面等)，還受到表面狀態(tài)、測(cè)試線路、環(huán)境、設(shè)備等因素的影響。

業(yè)內(nèi)盡管對(duì)電機(jī)線圈局部放電已經(jīng)研究了數(shù)十年，卻仍然存在很大的分歧，至今未能形成統(tǒng)一的考核標(biāo)準(zhǔn)[12]。目前比較通行的方法為：在相同設(shè)備、線路、環(huán)境、人員等條件下，對(duì)各批次線圈進(jìn)行測(cè)量與比較，盡量消除外在影響。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈在相電壓下的局部放電量低于1 500 pC，在線電壓下的局部放電量低于2 000 pC。盡管抽檢線圈局部放電存在一定的差異，但是考慮到該試驗(yàn)受到眾多因素的影響，而其它機(jī)組線圈的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也存在該分散性。因此，當(dāng)線圈內(nèi)部或表面的最劇烈放電活動(dòng)大致控制在某一限值以下時(shí)，可以認(rèn)為線圈材料和成型工藝處于受控的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.5對(duì)地電容測(cè)試

對(duì)多只線圈施加1.0Un電壓并測(cè)試每只線圈的對(duì)地電容值，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8　對(duì)地電容的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：在一定長(zhǎng)度范圍的測(cè)試電極下，每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈在線電壓下的對(duì)地電容基本一致。該檢測(cè)結(jié)果主要用于驗(yàn)證線圈的設(shè)計(jì)，有利于保證定子三相繞組裝配后的電參數(shù)平衡，包括定子繞組在運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)送三相電壓的幅值、相位、角度等，對(duì)保障電網(wǎng)質(zhì)量和安全具有較大的影響。

2.6工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)

將多只線圈置于絕緣油中，按照勻速連續(xù)升壓方式進(jìn)行工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9　工頻瞬時(shí)擊穿電壓的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈的工頻瞬時(shí)擊穿電壓在95～130 kV范圍內(nèi)，擊穿電壓與額定線電壓的比值在(6.9～9.4)倍范圍內(nèi)。前者高于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不低于90 kV的要求，后者遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不低于(5.5～6.0)倍的要求[8]。

根據(jù)Weibull理論關(guān)于線圈絕緣失效的研究[13～15]，每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈的瞬時(shí)擊穿電壓兩參數(shù)Weibull分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：擊穿電壓的特征值α為117.3 kV，形狀參數(shù)β為12.7且遠(yuǎn)大于1。因此，兩參數(shù)Weibull分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈的瞬時(shí)擊穿電壓的分散性較小。

2.7主絕緣內(nèi)樹(shù)脂含量測(cè)試

對(duì)多只線圈主絕緣擊穿后進(jìn)行絕緣解剖與取樣，檢測(cè)主絕緣內(nèi)部樹(shù)脂含量，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10　主絕緣內(nèi)部樹(shù)脂含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈的主絕緣樹(shù)脂含量在24%～31%范圍內(nèi)?？紤]到長(zhǎng)時(shí)期多批次浸漬烘焙，樹(shù)脂含量波動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象，基本在業(yè)內(nèi)熟知的單只線圈真空壓力浸漬工藝體系(SVPI)的主絕緣樹(shù)脂含量推薦范圍內(nèi)。這既保證了主絕緣內(nèi)部各組分(云母紙、玻璃布、樹(shù)脂等)足夠的粘接性，也保證了各組分之間的含量基本穩(wěn)定(直接影響電氣性能和機(jī)械性能)，對(duì)線圈絕緣系統(tǒng)的長(zhǎng)期使用提供了基本保障。

2.8熱態(tài)(在50℃，70℃和90℃階梯溫度下)介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試

對(duì)多只線圈施加0.6Un電壓并在50℃，70℃和90℃下測(cè)試其介質(zhì)損耗因數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11　介質(zhì)損耗因數(shù)在0.6 Un電壓下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：每臺(tái)機(jī)組抽檢線圈絕緣在3個(gè)溫度下的介質(zhì)損耗因數(shù)略有不同，隨著溫度的升高，介質(zhì)損耗因數(shù)有所增加。除首臺(tái)機(jī)組抽檢線圈略高之外，其余機(jī)組抽檢線圈絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)變化不大。這說(shuō)明，在相同主絕緣材料(主要是云母帶和VPI樹(shù)脂)和成型工藝下，線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的溫度敏感度(在機(jī)組運(yùn)行時(shí)定子繞組最高溫度限值以下)波動(dòng)不大。

2.9熱態(tài)后介質(zhì)損耗因數(shù)復(fù)測(cè)

對(duì)多只線圈熱態(tài)(50℃，70℃和90℃)前后的介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行測(cè)試與統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12　介質(zhì)損耗因數(shù)初始值tanδ0.2U的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖13　介質(zhì)損耗因數(shù)最大差異max(Δtanδ)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖14　介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：多臺(tái)機(jī)組抽檢線圈絕緣受熱前后的介質(zhì)損耗因數(shù)初始值tanδ0.2U基本無(wú)變化；受熱前后的介質(zhì)損耗因數(shù)最大差異max(Δtanδ)有一定變化但均滿足受熱前的新產(chǎn)品技術(shù)要求；受熱前后的介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ變化較小且滿足受熱前的新產(chǎn)品技術(shù)要求。

這說(shuō)明：線圈絕緣內(nèi)部氣隙群的整體性閾值在較高電壓下的放電活動(dòng)經(jīng)過(guò)階梯熱沖擊的作用[9]并未發(fā)生劇烈增長(zhǎng)，即線圈主絕緣內(nèi)部存在的小缺陷并未進(jìn)一步劣化或發(fā)展。線圈絕緣層間、絕緣與防暈層之間或絕緣與銅導(dǎo)體之間的粘接性良好，能夠抵御外部熱沖擊而不發(fā)生絕緣分層、導(dǎo)線脫殼等現(xiàn)象。

2.10電熱老化前后介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試

對(duì)多只線圈施加老化因子為32 kV，100℃的電熱老化試驗(yàn)，主絕緣承受電熱應(yīng)力不少于400 h后，對(duì)比測(cè)試線圈電熱老化前后的介質(zhì)損耗因數(shù)。試驗(yàn)場(chǎng)地與線圈布置如圖15所示。

圖15　4只線圈電熱老化試驗(yàn)布置

測(cè)試結(jié)果如圖16～圖17所示。

圖16　介質(zhì)損耗因數(shù)初始值tanδ0.2U的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖17　介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：多臺(tái)機(jī)組抽檢線圈絕緣電熱老化前后的介質(zhì)損耗因數(shù)初始值tanδ0.2U及其介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ基本無(wú)變化，甚至略有減?。煌耆珴M足新線圈絕緣技術(shù)要求。

這說(shuō)明：線圈絕緣內(nèi)部氣隙群的整體性閾值在較高電壓下的放電活動(dòng)經(jīng)過(guò)電應(yīng)力和熱應(yīng)力的聯(lián)合作用而并未發(fā)生劇烈增長(zhǎng)，即，線圈主絕緣內(nèi)部存在的小缺陷并未進(jìn)一步劣化或發(fā)展。

同時(shí)，線圈絕緣內(nèi)部膠粘劑(或環(huán)氧樹(shù)脂)還在電應(yīng)力和熱應(yīng)力的聯(lián)合作用(主要是熱作用)下進(jìn)行了少量的高分子交聯(lián)反應(yīng)，俗稱后固化效應(yīng)[16]。該進(jìn)程更進(jìn)一步增加了絕緣內(nèi)部樹(shù)脂的聚合度和交聯(lián)度，略微降低了樹(shù)脂以及主絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)。

2.11其它

其它無(wú)法量化的驗(yàn)收性試驗(yàn)包括：外觀檢查、股間短路試驗(yàn)、工頻交流耐壓試驗(yàn)、電暈試驗(yàn)、電熱老化壽命等，均100%通過(guò)驗(yàn)收，這些關(guān)鍵絕緣性能的驗(yàn)收試驗(yàn)也是一次性通過(guò)，獲得了各方的認(rèn)可。

3監(jiān)測(cè)通過(guò)率

在機(jī)組定子線圈關(guān)鍵絕緣性能穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)過(guò)程中，很多檢測(cè)項(xiàng)目為破壞性或不可重復(fù)性試驗(yàn)，這些試驗(yàn)不能在外方監(jiān)理正式見(jiàn)證前進(jìn)行摸底試驗(yàn)，這就給見(jiàn)證試驗(yàn)帶來(lái)了較大的不確定性。

試驗(yàn)結(jié)果表明：22臺(tái)機(jī)組定子抽檢線圈進(jìn)行表2中試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，全部一次性通過(guò)試驗(yàn)考核，未出現(xiàn)任何需要質(zhì)量反饋和處理的問(wèn)題。這也說(shuō)明定子線圈關(guān)鍵絕緣性能比較穩(wěn)定，能夠完全滿足合同和業(yè)主關(guān)注的質(zhì)量穩(wěn)定性要求。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)隨機(jī)抽樣測(cè)試22臺(tái)大型燈泡貫流式發(fā)電機(jī)定子線圈的關(guān)鍵絕緣性能，統(tǒng)計(jì)并分析了各項(xiàng)絕緣性能測(cè)試結(jié)果的分散性。研究結(jié)果表明：

1) 我公司大型燈泡貫流式水電機(jī)組定子線圈關(guān)鍵絕緣性能技術(shù)要求比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更加全面。

2) 我公司大型燈泡貫流式水電機(jī)組定子線圈關(guān)鍵絕緣性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動(dòng)比較小，能夠完全滿足合同和業(yè)主關(guān)注的質(zhì)量穩(wěn)定性要求。

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胡波，男，1981年生，碩士研究生，工程師，畢業(yè)于西安交通大學(xué)電氣絕緣專業(yè)，現(xiàn)從事高壓電機(jī)絕緣技術(shù)研究。

作者簡(jiǎn)介：