大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵性能分析

馮 超，劉世澤，岳文亭

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大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵性能分析

馮 超1，劉世澤2，岳文亭2

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱大電機(jī)研究所)，哈爾濱 150040；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅 永靖 731600）

本文主要分析了大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)及其對(duì)提高線棒性能的作用。首先分析了定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)線角部電場(chǎng)優(yōu)化提高了線棒擊穿性能、降低了線棒介損，防暈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了線棒及繞組耐電暈性能。其次深入分析了定子導(dǎo)線的內(nèi)屏蔽技術(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)、電容量和局部放電的關(guān)系。最后對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)承受的熱機(jī)械應(yīng)力、電機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行了分析并介紹了檢測(cè)方法。本文為優(yōu)化大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高其性能提供了重要的參考依據(jù)。

水輪發(fā)電機(jī)；定子線棒；絕緣結(jié)構(gòu)；性能試驗(yàn)

0 前言

以三峽水電站、溪洛渡水電站、向家壩水電站為代表的大型電站機(jī)組的單機(jī)容量均達(dá)到或超過(guò)700MW，而發(fā)電機(jī)容量越大、額定電壓越高，對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的考驗(yàn)越嚴(yán)峻。定子線棒絕緣是發(fā)電機(jī)的核心部件，其性能優(yōu)劣直接影響發(fā)電機(jī)的散熱性能和運(yùn)行可靠性，因而其設(shè)計(jì)合理性是至關(guān)重要的。

定子線棒絕緣的擊穿與放電理論通?；凇白畋∪觞c(diǎn)”的Weibull極值分布。為有效檢驗(yàn)絕緣結(jié)構(gòu)的運(yùn)行可靠性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的弱點(diǎn)，仍需采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[1]。本文將對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的關(guān)系進(jìn)行討論，并對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)耐機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)進(jìn)行介紹。

1 定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)

定子線棒是發(fā)電機(jī)的重要部件，其絕緣質(zhì)量是衡量電機(jī)制造廠絕緣技術(shù)水平的重要指標(biāo)。哈電機(jī)公司絕緣技術(shù)經(jīng)過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，絕緣結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化提高，絕緣技術(shù)不斷創(chuàng)新改進(jìn)，所開(kāi)發(fā)的定子線棒F級(jí)桐馬環(huán)氧多膠模壓主絕緣可滿足大型高電壓水輪發(fā)電機(jī)的定子絕緣技術(shù)要求[2]。

1.1 電磁線絕緣

電磁線絕緣要求好的柔韌性和耐熱性，其股線絕緣厚度應(yīng)盡可能地薄，這樣既有利于熱傳導(dǎo)又可以提高電機(jī)定子槽滿率。要求具有優(yōu)異的耐電性、附著性和柔韌性。

漆包單滌綸玻璃絲燒結(jié)線的電氣性能優(yōu)于雙滌綸玻璃絲燒結(jié)線的電性能，特別是溫度指數(shù)能達(dá)到190℃，是目前國(guó)內(nèi)外用于高壓電機(jī)最好的材料，可大大提高電機(jī)繞組的運(yùn)行可靠性[3]。

1.2 導(dǎo)線絕緣

使用環(huán)氧玻璃粉云母多膠板材料作為導(dǎo)線排間絕緣，在常態(tài)下其為半固化狀態(tài)，在高溫下迅速與導(dǎo)線熱壓固化成整體，其粘接性能直接影響整個(gè)羅貝爾導(dǎo)線熱壓成型后的剛度。另外排間絕緣的膠滲入線棒電磁線之間的縫隙，填充了內(nèi)部縫隙，對(duì)降低介質(zhì)損耗因數(shù)增量及局部放電量有一定的作用[4]。表1為具有良好導(dǎo)線絕緣的單支線棒的介質(zhì)損耗因數(shù)和局部放電量測(cè)試值。

表1 具有良好導(dǎo)線絕緣的單支線棒的介質(zhì)損耗因數(shù)和局部放電量測(cè)試值

1.3 主絕緣結(jié)構(gòu)

（1）主絕緣材料選擇

定子線棒主絕緣用的云母帶是制造定子線棒的關(guān)鍵材料，其性能好壞直接影響定子繞組的性能和電機(jī)的使用壽命。為有效提升大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣制造質(zhì)量和可靠性，與有關(guān)單位合作開(kāi)發(fā)高電壓環(huán)氧玻璃粉云母帶，其電氣強(qiáng)度≥33MV/m，F(xiàn)級(jí)高電壓桐馬環(huán)氧粉云母帶板材固化后的性能見(jiàn)表2。

表2 F級(jí)高電壓桐馬環(huán)氧粉云母帶板材固化后的性能

（2）改善定子導(dǎo)線角部電場(chǎng)分布

使用Ansys有限元分析軟件對(duì)發(fā)電機(jī)定子線棒導(dǎo)體棱角處的電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析（如圖1），并計(jì)算出各種等位層曲率半徑下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)不均勻系數(shù)。

圖1 線棒角部網(wǎng)格劃分

（3）等電位層曲率半徑優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)導(dǎo)線棱角處的電場(chǎng)數(shù)值分析、根據(jù)不同等位層曲率半徑下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)不均勻系數(shù)的計(jì)算結(jié)果得出不均勻系數(shù)，確定合理的曲率半徑優(yōu)化方案[5, 6]。

1.4 防暈結(jié)構(gòu)

（1）防暈設(shè)計(jì)基本理念

碳化硅防暈帶具有和碳化硅粉料相似的電性能，對(duì)于額定電壓不小于18kV的高電壓定子線棒，通常采用多級(jí)防暈處理技術(shù)，滿足大型水輪發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行安全的要求[7, 8]。

（2）防暈質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)

一直以來(lái)，科研人員們希望通過(guò)直接檢測(cè)電場(chǎng)的方法來(lái)判定定子線棒的防暈質(zhì)量[9]，由此發(fā)展起來(lái)的方法包括表面電位法、電致發(fā)光法、紫外成像法等。但這些測(cè)量方法均存在著一定的局限性，如表面電位法和電致發(fā)光法測(cè)量誤差較大，紫外成像法僅能觀測(cè)到起暈電壓等。

紅外熱像儀可以觀測(cè)和記錄溫度云圖，具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，其檢測(cè)溫度的方法日趨成熟，檢測(cè)操作越來(lái)越簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度也越來(lái)越高，作為一種新型試驗(yàn)，是非常值得推薦和深入開(kāi)展的重要防暈檢測(cè)項(xiàng)目。

2 絕緣結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)關(guān)系分析

絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)增量試驗(yàn)都是檢驗(yàn)絕緣結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要手段，在檢測(cè)絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)及增量的同時(shí)還可測(cè)量被試品的電容量。國(guó)內(nèi)外的眾多標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)和電容量測(cè)試進(jìn)行了大量的論述。本文將重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是絕緣內(nèi)屏蔽技術(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)的關(guān)系，另一個(gè)是內(nèi)屏蔽技術(shù)與電容量試驗(yàn)的關(guān)系，以下將分別進(jìn)行分析。

2.1 內(nèi)屏蔽技術(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)的關(guān)系分析

為改善導(dǎo)線角部電場(chǎng)分布，降低羅貝爾換位處導(dǎo)線窄面墊條局部放電的影響，可對(duì)大型高壓電機(jī)定子線棒導(dǎo)線進(jìn)行內(nèi)屏蔽處理。大量研究表明，在眾多絕緣結(jié)構(gòu)質(zhì)量診斷試驗(yàn)中，介質(zhì)損耗因數(shù)與內(nèi)屏蔽技術(shù)的應(yīng)用具有密切的關(guān)系[10]。圖2所示為包含/不包含內(nèi)屏蔽層的大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒介質(zhì)損耗因數(shù)隨外施電壓變化的關(guān)系曲線。由圖2可知，當(dāng)內(nèi)屏蔽技術(shù)應(yīng)用合理時(shí)，介質(zhì)損耗因數(shù)增量是很小的[11]。

圖2 包含/不包含內(nèi)屏蔽層定子線棒介質(zhì)損耗因數(shù)隨外施電壓變化的關(guān)系曲線

2.2 內(nèi)屏蔽技術(shù)與電容量的關(guān)系分析

大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒電容量變化是一個(gè)不容忽視的評(píng)估絕緣性能的有用參數(shù)。此參數(shù)可以在西林電橋測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)時(shí)同時(shí)測(cè)量，較為方便。過(guò)去的研究將更多的焦點(diǎn)聚焦于介質(zhì)損耗因數(shù)及其增量，而電容量測(cè)試也是表征絕緣質(zhì)量的重要手段。研究表明[12]，當(dāng)使用合理的導(dǎo)線內(nèi)屏蔽技術(shù)時(shí)，試品的起始電容量將大幅增加，電容增量減?。ㄈ鐖D3所示）。

圖3 內(nèi)屏蔽技術(shù)應(yīng)用合理的大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒電容量隨試驗(yàn)電壓的變化規(guī)律

2.3 絕緣結(jié)構(gòu)與局部放電的關(guān)鍵問(wèn)題分析

局部放電試驗(yàn)是檢驗(yàn)絕緣結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要手段，由于局部放電試驗(yàn)可以在一定程度上識(shí)別故障源，因而得到了國(guó)內(nèi)外業(yè)主的廣泛重視[13]。

局部放電試驗(yàn)是從多種技術(shù)發(fā)展而來(lái)，即使是電測(cè)法也根據(jù)測(cè)量硬件和參數(shù)的不同而存在差異；發(fā)電機(jī)繞組的維護(hù)策略正由定期維護(hù)向基于狀態(tài)維護(hù)的方向轉(zhuǎn)變，而局部放電試驗(yàn)是基于狀態(tài)維護(hù)的重要參考依據(jù)，這項(xiàng)試驗(yàn)得到了前所未有的重視并逐漸寫(xiě)入驗(yàn)收條款和質(zhì)量檢驗(yàn)程序中。目前國(guó)內(nèi)外主要使用基于脈沖電流法和無(wú)線電干擾電壓法進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外也制定了大量針對(duì)大型發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的局部放電試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[14]。

如前所述，當(dāng)對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的內(nèi)屏蔽處理后，將消除羅貝爾換位處的局部放電，介質(zhì)損耗因數(shù)增量減小，局部放電水平降低。

大型水輪發(fā)電機(jī)在負(fù)荷循環(huán)運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)對(duì)地絕緣分層，絕緣與銅導(dǎo)體分離的現(xiàn)象。而對(duì)這些老化線棒進(jìn)行局部放電試驗(yàn)時(shí)，通常在較低的電壓下局部放電量值較大。當(dāng)試驗(yàn)電壓繼續(xù)升高時(shí)，局部放電有變小的趨勢(shì)。不同的絕緣缺陷對(duì)應(yīng)著不同的放電模式，因此，可通過(guò)試驗(yàn)得到局部放電相應(yīng)模式識(shí)別圖來(lái)判斷絕緣缺陷。如圖4所示，根據(jù)生產(chǎn)及科研的實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)3種常見(jiàn)的局部放電缺陷識(shí)別模式。

3 絕緣結(jié)構(gòu)耐機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)方法

大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣在全壽命周期內(nèi)始終承受電應(yīng)力的作用，針對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)電應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響已形成多種成熟的試驗(yàn)方法。在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，絕緣還將受機(jī)械應(yīng)力的影響。已發(fā)生的許多絕緣失效問(wèn)題都與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)。針對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣開(kāi)發(fā)了相應(yīng)熱機(jī)械應(yīng)力和電機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)方法。

3.1 熱機(jī)械應(yīng)力

開(kāi)展了大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣熱機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)主要特征包括：選取1支線棒作為控溫線棒，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銅導(dǎo)線溫度，控制冷熱循環(huán)試驗(yàn)；在保證許用電流的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)軟連接結(jié)構(gòu)，方便連接并消除附加應(yīng)力；精準(zhǔn)的溫度控制程序保證升降溫速率要求。哈電機(jī)生產(chǎn)的大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒多膠模壓主絕緣具有優(yōu)異的耐熱機(jī)械應(yīng)力劣化性能。

3.2 電機(jī)械應(yīng)力

大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣在制造和運(yùn)行過(guò)程中所承受的機(jī)械應(yīng)力主要包括搬運(yùn)和下線時(shí)的局部彎曲應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中的雙倍工頻振動(dòng)力。各種機(jī)械應(yīng)力將引起線棒絕緣層磨損甚至出現(xiàn)裂紋及疲勞直至失效引發(fā)電廠事故。在大型水輪發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮絕緣的剛?cè)峒骖?；?duì)彎曲剛度、疲勞特性等絕緣的機(jī)械性能進(jìn)行檢驗(yàn)是十分必要的。對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)定子試驗(yàn)鋼棒絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械性能檢驗(yàn)是十分必要的[15]。

由于在制造和運(yùn)行過(guò)程中機(jī)械應(yīng)力的影響不容忽視，國(guó)內(nèi)外的許多公司都進(jìn)行了研究，并形成了不同的機(jī)械應(yīng)力評(píng)定方法，哈爾濱電機(jī)廠采用四點(diǎn)彎曲靜態(tài)斷裂試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)檢驗(yàn)絕緣結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。

所開(kāi)展的四點(diǎn)彎曲疲勞與斷裂試驗(yàn)在有效測(cè)試范圍內(nèi)，線棒絕緣結(jié)構(gòu)僅受到彎矩的作用，線棒絕緣層間僅有正應(yīng)力的作用，而沒(méi)有剪應(yīng)力的作用，有效考核距離更大，并可檢驗(yàn)絕緣的分層狀態(tài)。Ansys模擬的四點(diǎn)彎曲彎矩與剪力如圖5所示。

大型水輪發(fā)電機(jī)定子試驗(yàn)鋼棒試品失效后進(jìn)行診斷試驗(yàn)，即使在疲勞試驗(yàn)失效（應(yīng)變比變化20%）后，其擊穿電壓仍不小于95kV，表明本文所研究的水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的機(jī)械性能。

4 結(jié)論

（1）本文從電磁線絕緣、導(dǎo)線絕緣、主絕緣結(jié)構(gòu)、防暈結(jié)構(gòu)4個(gè)方面論述大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣，合理的絕緣結(jié)構(gòu)是繞組可靠運(yùn)行的保證；

（2）使用合理的內(nèi)屏蔽技術(shù)，介質(zhì)損耗因數(shù)增量顯著減少，起始電容量增大，電容增量減??；

（3）總結(jié)3種典型的局部放電識(shí)別模式，定位大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣故障類型；

（4）機(jī)械性能試驗(yàn)證明哈電機(jī)大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒多膠模壓主絕緣具有優(yōu)異的耐機(jī)械劣化性能。

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Insulation System and Key Performance Analysis for Stator Bar of Large Hydro-generator

FENG Chao1, LIU Shize2, YUE Wenting2

(1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China; 2. Liujiaxia Hydro Power Station, Yongjing 731600, China)

Insulation system and its effect on increasing performance for large hydro-generator stator bar are discussed in this paper. Insulation system for stator bar is analyzing first. The corner electric field optimization increases the breakdown level and decreases the dissipation factor. Anti-corona structure optimization design increases the anti-corona performance. Secondly, conductor inner-shield technology dependent of dissipation factor, capacitance and partial discharge is analyzed deeply. At last, insulation system endurance with thermal-mechanical stress and electric-mechanical stress is discussed and testing method is introduced. This paper can provide important reference for insulation system design optimization and increasing its performance.

hydro-generator; stator bar; insulation system; performance testing

TM303.4

A

1000-3983(2018)01-0015-04

2017-05-16

馮超（1985-），2008年7月畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)高壓絕緣專業(yè)，現(xiàn)從事大型高壓發(fā)電機(jī)絕緣技術(shù)研究工作，工程師。