大型發(fā)電機定子線棒VPI用絕緣材料的國產化應用研究(Ⅲ)

付 強，滿宇光，盧春蓮，黃程偉，鄭 偉，馮 超，張秋寒，潘延明，隋銀德（水力發(fā)電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

大型發(fā)電機定子線棒VPI用絕緣材料的國產化應用研究(Ⅲ)

付 強，滿宇光，盧春蓮，黃程偉，鄭 偉，馮 超，張秋寒，潘延明，隋銀德
（水力發(fā)電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

為保證國產VPI（Vacuum Pressure Impregnating，真空壓力浸漬）絕緣材料的性能穩(wěn)定，對VPI絕緣材料進行了性能檢測，并采用優(yōu)選出的材料制造真機試驗線棒。首先從兩方面檢測國產VPI絕緣材料性能，一方面對新批次少膠帶的關鍵項目及以前沒有檢測的項目進行檢測，國內外的浸漬漆新增加檢測項目（機械性能、玻璃化轉變溫度、吸水率、電氣性能）進行檢測；另一方面利用ALSTOM試驗方法檢測VPI材料的耐熱穩(wěn)定性。然后選用各項性能均合格的國產VPI絕緣材料制作真機線棒，并對線棒的電性能進行檢測。試驗結果表明A廠和B廠自制的真機試驗線棒具有優(yōu)良的電氣性能，除個別值外性能指標都達到了CEEIA/154-2003大型水輪發(fā)電機產品質量分等標準的優(yōu)等品水平。

真機定子線棒；真空壓力浸漬；少膠云母帶；浸漬漆

0 引言

VPI（Vacuum Pressure Impregnating，真空壓力浸漬）絕緣體系與多膠模壓絕緣體系是國際上制作大型電機定子線棒的兩種通用絕緣體系，哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱哈電機）成功應用VPI絕緣體系[1]，并且為國外多家水電站的發(fā)電機制作了VPI定子線棒[2]，但是使用的均是進口VPI絕緣材料。目前國產VPI絕緣材料研究進展較快，為適應大型電機VPI絕緣國產化的需求，哈電機完成了與材料制造廠家合作前兩個階段工作[3,4]。在第一階段工作中，三家國產少膠云母帶的基本性能滿足豐羅（Von Roll）公司的性能指標要求[3]，兩家浸漬漆的性能滿足Hexion漆的性能指標要求。在第二階段工作中，用三家國產云母帶和Hexion浸漬漆制作的鋁排試驗線棒，電性能基本能達到國外試驗線棒的水平[4]，但是沒有進行真機試驗線棒試驗工作，因此在第三階段工作中，將利用水輪發(fā)電機的定子線棒進行真機試驗線棒制造及性能研究工作。在第三階段工作中，首先對國產少膠云母帶和浸漬漆進行性能復檢，并介紹了在前兩個階段工作中沒有檢測的部分性能；然后利用真機定子線棒的導線制造真機試驗線棒，按照標準CEEIA154-2003大型水輪發(fā)電機產品質量分等的性能指標[5]進行電性能檢測，并對結果進行分析，為下一步整機應用奠定基礎。

1 試驗說明

云母帶挺度委托蘇州巨峰電氣絕緣系統(tǒng)股份有限公司用其自制的挺度儀器檢測。國產浸漬漆按照哈電機線圈分廠生產用浸漬漆配方（雙酚A環(huán)氧樹脂：甲基六氫苯酐=1:1.2）進行配比混合，加入0.2%（重量比）固化促進劑（二甲基芐胺），在160℃固化5h（本課題浸漬漆試樣固化方法均一致）。按照GB/T 15022.2-2007[6]制作試樣，檢測機械性能，利用電子萬能試驗機（型號WDW-100）檢測拉伸強度、抗壓強度，Instron萬能試驗機（型號3367，美國）檢測抗彎強度，Zwick沖擊試驗機（HIT-25P，德國）檢測抗沖強度。取10～20mg固化好的浸漬漆試樣，利用熱分析儀（thermo plus TG-DTA瑞士）檢測玻璃化轉變溫度[7]，升溫速度10℃/min，最高溫度200℃。按照GBT 1410-2006[8]制造試樣，檢測浸漬漆的體積電阻率和表面電阻率。

浸漬漆吸水率試驗：試樣規(guī)格為長、寬60mm±2mm，厚1mm±0.1mm，試樣數量3個；酒精擦拭干凈試樣表面后，50℃烘24h，稱量重量；然后在純凈水中室溫下放置96h，再稱量重量，按照GB/T 1034-2008[9]計算吸水率。

線棒高壓檢測設備（介質損耗自動測試儀，瑞士Tettex公司，型號2809a，介損相對誤差0.5%；60kV無局放試驗變壓器：營口精誠電器有限公司，型號YDW-10/60；300kV試驗變壓器：型號YDW-300/300，營口精誠電器有限公司）、局部放電測試儀LDS-6（德國，測試范圍1pC～1×105pC，頻率范圍100kHz～1000kHz）、無局放試驗變壓器（營口精誠電器有限公司）等。

常態(tài)介質損耗測試電壓范圍為0.2UN～1.0UN，間隔0.2UN，共測試5點；局部放電（局放）測試電壓為1.0UN；環(huán)境溫度為室溫。電老化試驗的電壓分別為2UN、3UN（UN是線棒的額定電壓值），環(huán)境溫度為室溫。擊穿試驗時，線棒放置在9m長的純凈變壓器油槽中，升壓速度1kV/S，試驗按照標準GB/T 1408. 1-2006[10]進行。

2 VPI絕緣材料性能

哈電檢測了國產與進口少膠帶的挺度值。對國產浸漬漆進行了進一步的性能檢測，如浸漬漆的機械性能、玻璃化轉變溫度、吸水率、電氣性能，并與進口材料的性能進行了對比分析。

2.1 云母帶挺度值

云母帶挺度值太大會影響其柔軟度，不利于云母帶包扎，國產及進口少膠云母帶的挺度值如表1所示。三家國產云母帶具有良好的挺度值，都符合豐羅公司標準要求（≤60N/m）?？杀ＷC在包扎線棒時云母帶柔軟服貼，提高包扎質量。

表1 不同廠家的少膠云母帶性能

2.2 浸漬漆機械性能、Tg、吸水率及電氣性能

為了檢測國產浸漬漆固化后的機械性能，哈電機分別利用A廠、Hexion公司浸漬漆制造檢測試樣，試樣規(guī)格及數量按照標準GB/T 15022.2-2007[6]制作。性能檢測結果見表2，A廠國產浸漬漆機械性能滿足Hexion公司漆的技術指標要求，國產浸漬漆的機械性能在抗彎強度和拉伸強度方面稍弱于Hexion公司浸漬漆，抗沖強度和抗壓強度與Hexion公司浸漬漆相當。

表2 國產浸漬漆與Heixon公司浸漬漆固化后的各項性能

浸漬漆的玻璃化轉變溫度（Tg）過高，會降低常溫下線棒絕緣的柔性使絕緣硬而脆，影響線棒使用性，而Hexion公司浸漬漆有多年的應用業(yè)績，它的Tg值應該能滿足使用要求，因此將國產浸漬漆的Tg值與Hexion公司浸漬漆的進行對比試驗。Hexion浸漬漆和國產A廠浸漬漆按照Hexion浸漬漆固化工藝進行固化，檢測玻璃化轉變溫度。DSC檢測結果見表2，Hexion公司與國產浸漬漆的Tg值分別為127.40℃和124.59℃?？梢妵a浸漬漆的Tg值與國外材料幾乎一致。

環(huán)氧酸酐類浸漬漆較易吸潮，為保證國產浸漬漆的吸潮性能與Hexion漆一致，需要比較二者的吸潮性。國產浸漬漆與Hexion公司浸漬漆固化工藝一致，固化好后測定吸水率見表2，國產浸漬漆的吸水率略低于Hexion的值，由此可知國產浸漬漆吸潮與進口材料無差別。

VPI定子線棒主絕緣由云母、玻璃絲布、膠黏劑三種材料組成，其中膠黏劑主要是浸漬漆。其中云母和玻璃絲布是無機材料，具有很好的耐熱性和電氣性能，因此浸漬漆性能對主絕緣性能起著舉足輕重的作用[11]。浸漬漆固化后的電氣性能見表2，國產浸漬漆的體積電阻率及表面電阻率與Hexion公司浸漬漆的在一個數量級上，介電強度與Hexion公司浸漬漆無區(qū)別。

3 絕緣熱穩(wěn)定性-ALSTOM公司測試方法

為了考察國產VPI絕緣熱穩(wěn)定性能否達到ALSTOM公司的要求，哈電按照ALSTOM公司HTAE660505試驗規(guī)程進行了線棒絕緣熱穩(wěn)定性試驗檢測。A廠、B廠少膠帶和浸漬漆均達到國外同類產品的性能指標要求[3]，因此A廠和B廠的鋁排試驗線棒分別使用各自的少膠帶和浸漬漆制造，C廠的鋁排線棒使用C廠少膠帶和Hexion公司浸漬漆制造。

每個廠家線棒截取5個試樣（200mm長），每個試樣標注5個檢測點，每個周期檢測寬度尺寸。在溫度可控的烘箱內，3個試樣在160℃下進行熱應力老化試驗，另外2個試樣在180℃進行熱應力老化試驗，每兩天為一個周期，檢測結果繪制為厚度的變化量VS老化時間曲線。HTAE660505試驗規(guī)程要求試驗時間大于200h時，線棒尺寸變化量小于絕緣厚度的2%。圖1是160℃與180℃下不同周期檢測的試樣尺寸變化量，從圖中可以看出，對于每個廠家的線棒，盡管180℃的線棒尺寸變化量均比160℃的大，但是均沒有超過2%（0.14mm）的要求。由此可知，國產VPI絕緣材料耐熱穩(wěn)定性能達到ALSTOM公司的要求。

A廠、B廠和C廠線棒在進行熱穩(wěn)定性試驗前，從主絕緣層取試樣，進行紅外光譜（如圖2 所示）檢測可知，三家線棒的膠黏劑紅外光譜譜圖一致，一些活性基團峰值均消失，表明膠黏劑反應完全即線棒絕緣固化良好。

4 真機試驗線棒

A廠、B廠少膠帶和浸漬漆制作的鋁排試驗線棒，性能達到哈電的要求[4]，為了能應用到真機產品上，必須制造真機試驗線棒，只有真機試驗線棒的性能達到產品要求[3]，才能進行產品應用。因此本文檢測國產及進口VPI絕緣材料制造的真機試驗線棒的性能，并進行對比分析。利用A廠和B廠的少膠帶和浸漬漆制造的真機試驗線棒，分別簡稱A廠線棒和B廠線棒，利用豐羅公司少膠帶浸漬Hexion公司浸漬漆制造的真機試驗線棒簡稱豐羅線棒。

圖1 在160℃與180℃下不同周期檢測的試樣尺寸變化量

圖2 A廠、B廠和C廠線棒固化后的絕緣紅外光譜圖

4.1 制備工藝

利用國產VPI絕緣材料制造真機試驗線棒的制備工藝，與凱恩吉12號機組的產品（利用豐羅少膠帶浸漬Hexion漆制造）一致，試驗線棒的導線由兩排電磁線構成，直線部分進行羅貝爾換位編織，放入直線膠化模進行熱壓固化，使直線的兩排電磁線粘接成一體。然后利用數控成型設備（HBFM-6000，法國VINCENT公司）進行端部彎型，再進行端部膠化、線棒引線頭釬焊，制作成導線。導線的直線部位進行內屏蔽處理，以降低線棒的局部放電量，然后進行絕緣包扎，分別包扎A、B廠的少膠帶，包扎層數與產品一致。分別使用A、B廠的浸漬漆進行浸漬，浸漬工作分別由A、B廠進行，兩家浸漬工藝都滿足哈電的要求。浸漆完成后，采用哈電成熟的“一次成型防暈處理工藝”進行防暈處理，防暈材料及結構與產品一致，以保證試驗線棒的防暈性能滿足電性能試驗要求。試驗線棒的單面絕緣厚度為4.0mm，額定電壓UN=16kV。

4.2 線棒常規(guī)性能

A廠與B廠的線棒絕緣整體性良好，無發(fā)空分層現象，表明浸漬、壓制工藝都能滿足線棒質量要求。耐壓試驗（2.75UN+6.5kV保持1min[12]）順利通過，沒有出現放電、電暈現象，說明國產VPI絕緣材料與哈電機使用的防暈材料相容性好。

A廠、B廠和豐羅線棒的常態(tài)介損值、介損增量、局放值、擊穿電壓和擊穿場強如表3所示。A廠、B廠及豐羅線棒的常態(tài)介損起始值（0.2UN）都小于1%，達到標準[5]優(yōu)等品要求。A廠（Y8003、Y8010）與B廠（Y0003）個別線棒的介損增量大于0.5%，僅達到標準一等品要求[5]；而豐羅線棒的介損增量均小于0.5%，達到優(yōu)等品要求，可見A廠和B廠線棒的介損增量不如豐羅線棒的好。A廠和B廠線棒介損及介損增量略遜于豐羅線棒，這與線棒制造工藝有關，豐羅線棒是哈電機制造，A廠和B廠線棒是其自行制造。

B廠線棒的局放值達到GB/T 20833-2007 旋轉電機定子線棒及繞組局部放電的測量方法及評定導則[13]要求（＜500pC），A廠的線棒除了Y8003外都滿足標準要求。豐羅線棒是哈電機真機產品，因為合同沒有要求局放檢測，因此沒有測試局放值，但是哈電機使用豐羅云母帶制造的定子線棒，以前檢測的局放值介于80pC～300pC，都滿足標準要求[13]。A廠、B廠及豐羅線棒的擊穿電壓值和場強都達到標準[5]優(yōu)等品要求。

表3 A廠、B廠與豐羅線棒的常態(tài)介損、介損增量、局放值、擊穿電壓和擊穿場強

表4 A廠與B廠線棒電老化試驗結果

4.3 電老化性能

對A廠和B廠線棒進行了電老化試驗，電老化時間如表4所示。A廠和B廠線棒3UN電老化時間均滿足西門子公司＞10h的要求，兩廠線棒平均電老化時間無差別；A廠和B廠線棒2UN電老化時間均滿足西門子公司＞1000h的要求，B廠線棒的電老化時間明顯比A廠的長。可見國產VPI絕緣材料制造的真機試驗線棒，耐電老化能力滿足要求。

5 結論

（1）國產少膠云母帶的挺度值與進口少膠帶一致，能滿足包扎工藝要求。

（2）A廠浸漬漆的機械性能達到Hexion公司浸漬漆的指標要求；玻璃化轉變溫度為124.59℃，與Hexion漆的127.40℃幾乎一致；吸水率為0.5921%，略低于Hexion漆的吸水率0.6451%；浸漬漆的電氣性能與Hexion漆無區(qū)別。

（3）利用ALSTOM公司的測試方法檢測A廠、B廠和C廠的絕緣耐熱穩(wěn)定性，160℃與180℃下分別加熱200h后的線棒絕緣層尺寸變化量均小于2%（0.14mm），三家絕緣耐熱穩(wěn)定性都達到ALSTOM公司HTAE660505試驗規(guī)程的要求。

（4）電老化前性能檢測，A廠與B廠線棒的絕緣整體性良好；A廠和B廠線棒介損及介損增量略遜于豐羅線棒；A廠線棒局放值不如B廠穩(wěn)定；A廠、B廠線棒的擊穿電壓值和場強都達到CEEIA154-2003優(yōu)等品要求。

（5）電老化后性能檢測，A廠和B廠3UN電老化時間均滿足西門子公司＞10h的要求；A廠和B廠2UN電老化時間均滿足西門子公司＞1000h的要求，B廠的電老化時間明顯比A廠的長。

下一步研究工作中，哈電機將利用國產少膠帶浸漬Hexion漆，進行整機線棒制造應用工作。

[1] 胡春秀, 盧春蓮. 發(fā)電機單只定子線棒VPI絕緣系統(tǒng)研究[J]. 大電機技術, 2013, (1): 1-3,21.

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[4] 付強, 滿宇光, 盧春蓮, 黃程偉, 馮超, 鄭偉, 等.大型發(fā)電機定子線棒VPI用絕緣材料的國產化應用研究（Ⅱ）[J]. 絕緣材料, 2015, 48(4): 1-7.

[5] CEEIA/154-2003, 大型水輪發(fā)電機產品質量分等[S].

[6] GB/T 15022.2-2007, 電氣絕緣用樹脂基活性復合物 第2部分 試驗方法[S].

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[8] GB/T 1410-2006, 固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法[S].

[9] GB/T 1034-2008, 塑料 吸水性的測定[S].

[10] GB/T 1408.1-2006, 絕緣材料電氣強度試驗方法第1部分：工頻下試驗[S].

[11] 陳宗旻,田建輝. 環(huán)氧樹脂在電機絕緣中應用[J].上海大中型電機, 2010(3): 44-47.

[12] JB/T 6204-2002, 高壓交流電機定子線圈及繞組絕緣耐電壓試驗規(guī)范[S].

[13] GB/T 20833-2007, 旋轉電機定子線棒及繞組局部放電的測量方法及評定導則[S].

Domestic Applications of High Voltage Generate Stator Coil VPI Insulating Materials (Ⅲ)

FU Qiang, MAN Yuguang, LU Chunlian, HUANG Chengwei, ZHENG Wei, FENG Chao, ZHANG Qiuhan, PAN Yanming, SUI Yinde
（State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin 150040, China）

The properties of national VPI (Vacuum Pressure Impregnating) insulation material were measured to be sure its steady properties. The real stator bars were fabricated by selected VPI material. Firstly, the properties of VPI insulation material were measured by HEC (Harbin Electric Machinery Company Limited) in two aspects. On the one hand, the main properties, and the items no measured before, of new producing less-resin mica tape (LMT) were measured, and the new increasing items of impregnating varnish were measured, such as mechanical property, glass transition temperature, water absorption, electrical property. On the other hand, thermal stability of VPI material was measured by ALSTOM test method. And then the national VPI insulation material with eligible properties was selected to fabricate real stator bars, the electrical properties of the bars were measured. The test results showed that the stator bars fabricated by A and B factory had perfect electrical properties, which almost arrives at first-class level of standard CEEIA/154-2003.

real stator coil; VPI (Vacuum Pressure Impregnating); less-resin mica tape (LMT); impregnating varnish

TM215.4；TM215.5；TM215.6

A

1000-3983(2016)02-0018-05

2015-03-13

付強(1968－)，2008年6月畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學化學工程與技術專業(yè)，博士，研究方向為復合材料、高電壓技術、新型絕緣材料及絕緣技術、新型防電暈材料及技術、新型能源材料，高級工程師。

審稿人：赫 兟

水力發(fā)電設備國家重點實驗室基金資助項目(820-GC-011)