發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒絕緣系統(tǒng)制造采用的局部放電防止技術(shù)與監(jiān)造

（國(guó)網(wǎng)新源建設(shè)有限公司，北京市 100053）

0 前言

改革開放以來，通過中外交流、技術(shù)引進(jìn)、合作設(shè)計(jì)、共同生產(chǎn)、聯(lián)合試驗(yàn)、人員培訓(xùn)等多種途徑，我國(guó)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的制造水平已經(jīng)取得很大進(jìn)步，截至目前，已投運(yùn)的30座大型抽水蓄能電廠中的發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況良好，還有在建23座大型抽水蓄能電站的發(fā)電電動(dòng)機(jī)在制造中。發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒絕緣在整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)中是核心部件，被稱電機(jī)心臟，約占發(fā)電電動(dòng)機(jī)總價(jià)的25%以上。大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，約有超過1/3的發(fā)電電動(dòng)機(jī)事故是由線棒絕緣故障引起的，而其中的主要原因是局部放電導(dǎo)致絕緣失效，由這種原因產(chǎn)生的事故，對(duì)設(shè)備損壞大，修復(fù)難度高。按照設(shè)備全壽命質(zhì)量管理要求，研究發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒絕緣結(jié)構(gòu)和性能，掌握局部放電的產(chǎn)生與防止機(jī)理，做好監(jiān)造，對(duì)于提高發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒制造質(zhì)量意義重大。

1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒的絕緣結(jié)構(gòu)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

線棒絕緣制造技術(shù)是發(fā)電電動(dòng)機(jī)制造的核心技術(shù)，盡管發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒絕緣材料都是由三部分組成即粉云母、玻璃布和環(huán)氧樹脂，而基本的組成結(jié)構(gòu)都是由股線絕緣、排間絕緣、換位絕緣、換位填充絕緣、均壓絕緣、對(duì)地絕緣（主絕緣）、外防暈層和端部防暈結(jié)構(gòu)等，但在涉及絕緣技術(shù)方面，不同的大電機(jī)制造廠都是絕對(duì)保密的，有各自的絕緣結(jié)構(gòu)，區(qū)別主要表現(xiàn)在：①粉云母的含量（絕緣的厚度不同）；②工藝是少膠VPI還是多膠模（液）壓絕緣；③內(nèi)部均壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。某大電機(jī)制造廠的發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒的絕緣結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1。

圖1 線棒的絕緣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Insulation structure of stator bar diagram

1.2 主要性能

發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒的絕緣結(jié)構(gòu)水平整體表現(xiàn)在電氣性能、熱性能、機(jī)械性能和化學(xué)性能上，它們是相互密切聯(lián)系和影響的，沒有單獨(dú)的絕對(duì)決定性。電氣性能主要是介電強(qiáng)度、體積和表面電阻系數(shù)、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、耐電暈、電弧性能、泄漏和表面放電等；機(jī)械性能主要是抗拉、壓、剪、彎曲強(qiáng)度，抗沖擊和撕裂強(qiáng)度、硬度、延伸性、可撓性、加工性等；熱性能主要是耐熱性、熱導(dǎo)性、熱膨脹性、閃點(diǎn)、軟化點(diǎn)等；化學(xué)性能主要是耐腐蝕、電化學(xué)穩(wěn)定性、抗老化、抗氧化、可溶性和耐溶劑性，以及與其他材料的相容性等。其中，絕緣電氣性能是主要的，其性能指標(biāo)有瞬時(shí)工頻耐電強(qiáng)度、長(zhǎng)期耐電壓性能、發(fā)熱功率（主要是導(dǎo)體發(fā)熱和介質(zhì)發(fā)熱）、熱擊穿電壓等。對(duì)于一定絕緣等級(jí)材料，例如發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒的環(huán)氧粉云母F級(jí)絕緣來說，這些指標(biāo)的好壞與局部放電有關(guān)，體現(xiàn)在線棒的制造上就是：絕緣內(nèi)部存在的氣隙、尖角和不可避免的雜質(zhì)等因素造成的電場(chǎng)集中引起局部放電，這是發(fā)電電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的重點(diǎn)問題之一。

2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒絕緣局部放電

局部放電并非完全由電壓決定，而是電場(chǎng)強(qiáng)度。高電壓作用在主絕緣上，如果主絕緣中存在一個(gè)空氣泡（也被稱為絕緣發(fā)空或分層），電場(chǎng)強(qiáng)度高到使空氣擊穿，就會(huì)導(dǎo)致電火花，電火花會(huì)腐蝕絕緣，反復(fù)的放電會(huì)最終在主絕緣上腐蝕出一個(gè)貫穿性的孔洞，導(dǎo)致絕緣失效故障，這就是局部放電，而在線棒表面產(chǎn)生的局部放電習(xí)慣稱為電暈（電暈是局部放電的一種形式）。

2.1 主絕緣內(nèi)部局部放電物理過程

從電場(chǎng)理論講，根據(jù)導(dǎo)體的形狀，將線棒截面的電場(chǎng)分為平面部分和圓角部分。對(duì)于線棒的寬面和窄面部分，可簡(jiǎn)化成平板電容器電場(chǎng)來分析，電場(chǎng)強(qiáng)度為線棒的平均工作場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)于線棒的四個(gè)角就是同心圓柱電容器電場(chǎng)，可近似地簡(jiǎn)化為同心圓柱電容器一部分，電場(chǎng)分布不均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度隨圓角半徑的增大而減小，線棒四角處的電場(chǎng)強(qiáng)度是線棒的最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax=finEav，式中fin為角部電場(chǎng)不均勻系數(shù)，與圓角半徑和絕緣厚度有關(guān)，Eav為平均電場(chǎng)強(qiáng)度。

1個(gè)大氣壓下的室溫空氣的電氣擊穿強(qiáng)度約為3kV/mm，而大多數(shù)固體絕緣材料如環(huán)氧樹脂和聚酯的復(fù)合材料，其固有電氣擊穿強(qiáng)度達(dá)到300kV/mm。緊鄰股線的主絕緣內(nèi)部有氣泡的簡(jiǎn)化等效電路圖，見圖2。

圖2 簡(jiǎn)化等效電路圖（一）Fig.2 Simplified equivalent circuit diagram（one）

通過簡(jiǎn)單的電路理論，可以算出氣泡上的電壓為：Ua=CmU0/（Ca+Cm），式中U0是施加在線棒上的交流電壓值；Cm為線棒絕緣材料電容值；Ca為氣泡的電容值。假定氣泡的厚度為0.5mm，主絕緣厚度為4mm，空氣和絕緣的介電常數(shù)分別為1和4，那么可計(jì)算出氣泡上的電壓為外施電壓的33%。如果外施電壓為8kV（額定電壓為13.8kV的發(fā)電電動(dòng)機(jī)，相電壓為8kV），氣泡上的電壓約為2.6kV，氣泡中的電場(chǎng)強(qiáng)度為5.2kV，遠(yuǎn)超出了空氣的擊穿強(qiáng)度3kV，氣泡中將會(huì)發(fā)生局部放電，這種放電盡管發(fā)生在氣泡內(nèi)，但對(duì)主絕緣是有害的，絕緣材料分子在電子和離子轟擊下化學(xué)鍵被擊斷，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間（可能是數(shù)年），主絕緣最終受到侵蝕而失效。

2.2 線棒表面的電暈

線棒的尺寸總是小于定子鐵芯槽尺寸，線棒才能放置在定子鐵芯槽內(nèi)，這就必然會(huì)在線棒與鐵芯槽壁間存在氣隙，那么帶電的線棒與鐵芯之間就會(huì)在電壓足夠高的條件下發(fā)生局部放電，因?yàn)樵诓蹆?nèi)是可見，習(xí)慣叫作電暈或槽放電。與主絕緣內(nèi)部氣泡中的情形相比，其等效電路圖只有一點(diǎn)小差別，多了一個(gè)表面電阻，見圖3。線棒表面電位Ua不能太高，與鐵芯槽應(yīng)有良好的足夠電氣接觸，否則，就會(huì)出現(xiàn)電暈，蝕傷線棒絕緣。

圖3 簡(jiǎn)化等效電路圖（二）Fig.3 Simplified equivalent circuit diagram（two）

另外，線棒出槽后的端部，類似于變壓器套管，等效電路圖見圖4，C為單位長(zhǎng)度主絕緣的體積電容，R1、R2、R3、R4為不同距離段表面電阻。從電路圖中分析，離槽口越遠(yuǎn)的電阻上流過的電流較少，而離槽口愈近，流過的總電流越大，那么在R1上的壓降就比遠(yuǎn)離槽口電阻上的壓降大，由此得出：愈接近槽口，電壓降愈大，即場(chǎng)強(qiáng)愈高。所以，線棒端部在離槽口一定距離段極易出現(xiàn)電暈。

圖4 簡(jiǎn)化等效電路圖（三）Fig.4 Simplified equivalent circuit diagram（three）

3 發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒絕緣制造采用的防止局部放電技術(shù)

3.1 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用防止局部放電技術(shù)

由于鐵芯槽的方形空間，線棒要占滿這個(gè)空間而放入，相應(yīng)也是方形才行，線棒導(dǎo)體的排列截面就是長(zhǎng)方形的，這就導(dǎo)致導(dǎo)體表面的電場(chǎng)分布不均勻，角部的電場(chǎng)強(qiáng)度高，極易發(fā)生局部放電。另外，繞組端部線棒出槽類似套管結(jié)構(gòu)，電場(chǎng)強(qiáng)度較高，也容易發(fā)生局部放電和電暈。無論常規(guī)發(fā)電機(jī)，還是發(fā)電電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠涠ㄗ永@組線棒絕緣受局部放電的致命影響，必須在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用防止局部放電技術(shù)措施，即便采用了防止局部放電技術(shù)，所能承受的電壓也不會(huì)太高，目前世界上發(fā)電機(jī)輸出電壓不會(huì)超過30～35kV。發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用防止局部放電技術(shù)主要是等電位結(jié)構(gòu)，它是改善線棒角部電場(chǎng)強(qiáng)度的有效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外大電機(jī)制造廠對(duì)等電位結(jié)構(gòu)采用的材料和具體方法不同，合理選擇圓角半徑和等電位材料是等電位結(jié)構(gòu)技術(shù)的關(guān)鍵。

（1）線棒絕緣內(nèi)部等電位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

內(nèi)部等電位結(jié)構(gòu)有以下兩類，一是小面局部?jī)?nèi)均壓層結(jié)構(gòu)，二是導(dǎo)線全屏蔽內(nèi)均壓層結(jié)構(gòu)。

小面局部?jī)?nèi)均壓結(jié)構(gòu)一般都是兩種型式，表面包扎或涂刷型和填充膩?zhàn)有汀１砻姘蛲克⑿褪蔷€棒股線換位、尺寸和整形處理后，在窄邊涂刷半導(dǎo)體漆樹脂或整體包繞一層半導(dǎo)體帶，形成等電位層；填充膩?zhàn)有途褪遣捎迷诠删€換位處填充導(dǎo)電膩?zhàn)?，一起固化成形?/p>

全屏蔽內(nèi)均壓結(jié)構(gòu)是在線棒直線部位整形完成后，在整個(gè)線棒直線部位建立一層導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層可以是導(dǎo)電膩?zhàn)踊虬雽?dǎo)體帶，然后再包扎一層主絕緣云母帶后，用銅薄條短路處理，銅薄條與股線只有一個(gè)短路點(diǎn)。這個(gè)全屏蔽內(nèi)均壓結(jié)構(gòu)特別適用于啟停頻繁的發(fā)電電動(dòng)機(jī)組和高壓大容量核電機(jī)組。

（2）線棒外部等電位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

線棒直線段（槽內(nèi)部分），線棒表面與鐵芯槽內(nèi)壁之間如果接觸不良、有間隙、就會(huì)產(chǎn)生火花放電。為防止這種電暈現(xiàn)象，在線棒表面與鐵芯之間需要采用局部放電抑制的等電位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以防止在任一間隙處發(fā)生局部放電，這就是外部防電暈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)分線棒直線段防暈結(jié)構(gòu)和線棒端部防暈結(jié)構(gòu)。線棒直線部分防暈是在主絕緣外包繞一層半導(dǎo)體帶，采用“一次成型防暈”技術(shù)，將防暈層與主絕緣一起在壓模上固化成型。線棒端部防暈復(fù)雜一點(diǎn)，分低阻區(qū)、過渡區(qū)和高阻區(qū)，線棒端部防暈結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖5 線棒端部防暈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Stator bar end Anti-corona stucture diagram

3.2 制造工藝上采用的防止局部放電技術(shù)

線棒絕緣內(nèi)部絕對(duì)沒有氣隙那是理想狀況，但通過制造工藝的不斷完善和改進(jìn)，可以將氣隙控制在可行的范圍內(nèi)，達(dá)到定子繞組設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命。發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒制造工藝上采用的防止局部放電技術(shù)就是VPI工藝，高壓真空浸漬，將絕緣材料中的空氣最大可能地排除，使線棒絕緣基本達(dá)到無氣隙，同時(shí)，每一個(gè)大電機(jī)制造廠制造線棒時(shí)，相應(yīng)制造和設(shè)計(jì)了線棒的安裝專用方式，用以固定線棒，保證線棒與鐵芯槽有足夠的電氣接觸，降低線棒表面電位，彌補(bǔ)線棒與鐵芯槽間因氣隙而產(chǎn)生的電暈。

3.3 配套的安裝方面防止局部放電技術(shù)

無論多么好的絕緣結(jié)構(gòu)，如果繞組固定不好，線棒松動(dòng)，就會(huì)發(fā)生電暈，發(fā)電電動(dòng)機(jī)的可靠性和預(yù)期壽命都得不到保證，所以，相應(yīng)配套的防止局部放電安裝工藝同樣重要，它主要是指槽內(nèi)線棒直線段部分的安裝固定。目前發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組槽內(nèi)線棒直線段固定型式都采用了彈性固定工藝型式，不同的發(fā)電機(jī)制造廠，對(duì)于彈性固定工藝型式不盡相同，總結(jié)歸納一般有如下三種：①純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充和固定材料的定子繞組固定系統(tǒng)；②使用波紋板的定子繞組固定系統(tǒng)；③波紋板和半導(dǎo)體硅膠相結(jié)合的定子繞組固定系統(tǒng)。

4 發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒防止局部放電技術(shù)的監(jiān)造內(nèi)容

從上面的分析，可以得出防止局部放電技術(shù)與材料和制造工藝緊密相關(guān)，而驗(yàn)證防止局部放電技術(shù)的有效性還是要通過電氣試驗(yàn)來進(jìn)行。所以，監(jiān)造的內(nèi)容主要是材料見證、工藝見證和試驗(yàn)見證。為了做好見證，監(jiān)造人員要了解制造廠質(zhì)量管理組織機(jī)構(gòu)、工作流程，重視整個(gè)制造過程，開展材料符合性核查，進(jìn)行制造工藝全過程跟蹤檢驗(yàn)等監(jiān)造。

4.1 絕緣材料關(guān)鍵見證點(diǎn)

線棒絕緣材料是防止局部放電的基礎(chǔ)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒監(jiān)造中首先把住材料關(guān)，材料的好壞直接影響防止局部放電的效果。在監(jiān)造過程中，材料的關(guān)鍵是環(huán)氧粉云母帶和股線。

環(huán)氧粉云母帶：①采用同一批生產(chǎn)的產(chǎn)品，出廠日期不能超過半年；②外觀檢查，無外來雜質(zhì)，膠黏劑分布均勻，無氣泡、針眼，不允許有粘連、分層、云母紙斷裂抽絲等現(xiàn)象；③其主要性能的測(cè)量與試驗(yàn)。

電磁線：①銅的純度在99.5%以上；②外觀檢查、股線絕緣均勻，色澤一致，表面不能有影響性能的缺陷；③絕緣尺寸檢查；④直流電阻和擊穿電壓試驗(yàn)；⑤彎曲與附著力檢查。

4.2 制造工藝關(guān)鍵見證點(diǎn)

開展對(duì)制造廠技術(shù)、生產(chǎn)管理等環(huán)節(jié)調(diào)查和研究，掌握制造工藝要求的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)問題并提出有針對(duì)性的改進(jìn)意見。對(duì)于定子線棒端部成形工序，以及直線部分成形工序都應(yīng)強(qiáng)化監(jiān)造，主要是：①對(duì)于模具與線棒的貼合度檢查；②加熱溫度規(guī)定檢查；③溫度測(cè)定方式檢查；④溫度測(cè)點(diǎn)的布置是否能滿足要求檢查；⑤加熱過程的記錄信息是否齊全檢查；⑥加熱設(shè)備的溫度控制檢查；⑦加熱記錄檢查；⑧加熱后線棒表面情況檢查。

4.3 絕緣介電性能關(guān)鍵見證點(diǎn)

發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒絕緣介電性能主要是檢查線棒制造結(jié)果是否合格的一些表征值的測(cè)量，主要監(jiān)造項(xiàng)目應(yīng)包括：①定子線圈股線間耐電壓試驗(yàn)；②定子線圈槽部表面電阻測(cè)定；③定子線圈冷熱狀態(tài)的介質(zhì)損耗角正切及其常態(tài)增量測(cè)定、起暈電壓測(cè)定；④定子線圈工頻擊穿電壓試驗(yàn)；⑤定子線圈工頻耐電壓試驗(yàn)。

近年來發(fā)電電動(dòng)機(jī)電暈放電引發(fā)的故障比較多，為此有的抽水蓄能公司決定在招標(biāo)合同技術(shù)規(guī)范中增加一項(xiàng)關(guān)于制造過程中和繞組現(xiàn)場(chǎng)下線后電暈檢查的初步要求，用紫外線攝像機(jī)作為質(zhì)量控制的工具，如用紫外線攝像機(jī)沒有觀察到表面的電暈放電，這些線棒就通過了檢查，相反，如果觀察到了表面放電，則要在所有檢查出電暈的線棒上進(jìn)行黑暗試驗(yàn)。

5 結(jié)論與建議

發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組由方形絕緣導(dǎo)體棒組成，其絕緣系統(tǒng)是通過在導(dǎo)體外用云母帶，再用環(huán)氧樹脂膠來浸漬而形成的，這種絕緣的工作場(chǎng)強(qiáng)大約是在2.6kV/mm。其關(guān)鍵技術(shù)之一是重點(diǎn)考慮防止局部放電的問題，不僅在制造的過程中確保其絕緣系統(tǒng)是十分緊密的結(jié)合體，而且在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上、制造工藝上和配套安裝工藝上都做了相應(yīng)的技術(shù)措施，掌握和了解并研究這些防止局部放電技術(shù)，開展局部放電分析是可以用來確定發(fā)電電動(dòng)機(jī)絕緣狀況的最有效的方法，為此制定有針對(duì)性的監(jiān)造，有利于提高發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒的制造質(zhì)量。

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