近尾洲定子線棒改造絕緣性能研究及結(jié)果

付新星，吳金水，朱紅平，任章鰲，劉 瑩

（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州310000；2.五凌電力近尾洲水電廠，湖南 衡陽421000；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410000）

1 前言

近尾洲水電廠位于湖南衡陽市衡南縣，湘江中游，安裝有3 臺單機容量23.4 MVA，額定線電壓為10.5 kV 的全進口貫流式水輪發(fā)電機組。原機組定子在國外工廠組裝后整體運輸至現(xiàn)場安裝，2002 年3 月3 臺機組投產(chǎn)發(fā)電。經(jīng)過10 多年的運行，線棒端部及槽內(nèi)電腐蝕嚴重，以致發(fā)生線棒擊穿故障，如繼續(xù)運行再次出現(xiàn)繞組擊穿的風(fēng)險很高，電站決定2016 年開始進行定子線棒的更新改造。

由于原機組定子鐵心未出現(xiàn)其它同類機組的明顯的翹曲、松動等老化情況[1]，電站決定對定子鐵心留用不進行改造。同時，由于原機組在運行過程中定子線棒最高溫度已達到120 ℃左右，電站希望在保證絕緣強度的情況下能夠降低機組運行時的溫度。

若要降低運行時定子線棒的溫升，改造設(shè)計時就需要增加導(dǎo)體截面積，降低因電阻發(fā)熱引起的銅損。但鐵心留用其槽尺寸已確定，而主絕緣厚度僅2.0～2.1 mm，運行場強高達3.2 kV/mm，屬于很高的運行場強。因此，主絕緣厚度已不能再減薄。在如此矛盾的情況下要完成線棒更新改造，具有很大的難度和技術(shù)挑戰(zhàn)。

電站為保證線棒的絕緣質(zhì)量，要求對線棒的所有性能進行全數(shù)檢查，且滿足DS-ZJ011-2002《大型水輪發(fā)電機產(chǎn)品質(zhì)量分等》[2]中優(yōu)等品的要求。并對局部放電提出了遠高于行業(yè)標準，即額定線電壓時≤3 000 pC[3]的要求，需滿足單根線棒在額定線電壓時≤500 pC，1.5 倍的額定線電壓下≤1 500 pC，且整體組裝后對各相局部放電進行離線檢查。

為保證近尾洲電廠定子線棒國產(chǎn)化改造的順利完成，在優(yōu)化設(shè)計的情況下，使用了先進的VPR（Vacuum Pressurized Resin rich）絕緣系統(tǒng)制造了改造用更新線棒，并最終取得了良好的改造效果。

2 VPR 工藝特點介紹

定子線棒的真空液壓多膠絕緣工藝VPR 雖不同于常規(guī)多膠體系的熱壓絕緣工藝HP（Hot Press）及少膠體系的真空浸漬VPI（Vacuum Pressurize Impregnation）絕緣工藝，但又同時兼有多膠絕緣HP工藝和真空浸漬VPI 絕緣工藝的某部分工藝特點。區(qū)別及相互關(guān)系如圖1 所示。

VPR 絕緣工藝設(shè)備主要由1 個兼具干燥抽真空和輸入液壓介質(zhì)浸沒線棒進行加熱加壓雙重功能的真空壓力罐組成。輔助系統(tǒng)包括抽真空系統(tǒng)、輸送和回收液壓介質(zhì)系統(tǒng)、充氣加壓系統(tǒng)、對罐體液壓介質(zhì)進行加熱或冷卻來達到線棒絕緣加熱固化用的油循環(huán)系統(tǒng)，以及操作和監(jiān)控保護系統(tǒng)。

圖1 3 種絕緣系統(tǒng)的工藝流程特征

VPR 工藝過程的抽真空、加熱與冷卻、輸送及回收液體介質(zhì)、充氣加壓及排氣減壓等各分系統(tǒng)設(shè)備的多控制參數(shù)流程，通過編程形成完整的自動控制系統(tǒng)。

VPR 采用多膠云母帶，具有與熱壓工藝HP 同樣的不耗損樹脂的優(yōu)點，操作人員不需與樹脂及有機溶劑接觸，VPR 工藝所使用的液態(tài)加熱加壓介質(zhì)具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，在加熱加壓過程中不會發(fā)生化學(xué)變化而可以重復(fù)循環(huán)使用，并且對人體無害，因此具有對人友好和對環(huán)境友好的優(yōu)點。另外VPR工藝的線棒抽真空及加熱加壓固化在同一個罐中由程序控制完成，與VPI 相比線棒不需要2 次進加熱固化罐而簡化了線棒制造的工藝流程。

VPR 整個抽真空和加熱成型過程均在真空壓力罐內(nèi)自動控制完成，不受人為及外部環(huán)境的影響，從其工藝原理上為滿足線圈絕緣高品質(zhì)和高穩(wěn)定要求奠定了基礎(chǔ)。VPR 工藝實際制造的線圈產(chǎn)品經(jīng)過實際運行及測試表明，其制造的線圈具有與VPI 等同的品質(zhì)和穩(wěn)定性，而VPR 工藝設(shè)備比VPI 設(shè)備稍簡單，在制造工藝的友好和環(huán)保性上則更優(yōu)。

3 定子線棒絕緣性能要求

根據(jù)合同及相關(guān)標準要求，近尾洲水電廠定子線棒改造后的線棒絕緣性能需滿足表1 中的指標。

表1 近尾洲定子線棒改造主要指標

技術(shù)規(guī)范還要求，現(xiàn)場整機試驗需滿足以下指標：機組定子組裝完成后，分相局部放電限值在額定相電壓時不超過5 000 pC，額定線電壓時不超過20 000 pC。

4 定子線棒試驗性能研究及測試結(jié)果

定子線棒的性能關(guān)系到機組能否長期穩(wěn)定運行，尤其對于像近尾洲這樣需要留用定子鐵心，且原線棒具有明顯的限制及性能缺陷的情況。改造線棒對絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計、材料的選擇、生產(chǎn)穩(wěn)定性及安裝過程都提出了較高的要求。

為了確保改造成果，對線棒提出了高性能要求：全部線棒需進行外觀、形狀、耐壓、電暈、常溫介損、局部放電、表面電阻測試；隨機抽取線棒進行第三方的局部放電、耐壓、電暈及介損試驗。在工廠隨機抽取線棒進行工頻擊穿試驗、運行溫度下的加熱電老化試驗；進行高阻表面電位測試及組裝后電暈試驗。

經(jīng)過試驗檢查及初期運行結(jié)果反饋，線棒的各項性能完全滿足要求。以下對定子線棒的主要性能進行統(tǒng)計及分析。

4.1 介質(zhì)損耗

定子線棒介損是反映線棒絕緣固化程度及絕緣缺陷檢測的重要指標，根據(jù)合同要求，近尾洲定子線棒的介損有常溫介損和熱態(tài)介損2 個指標，且需滿足定子線棒產(chǎn)品質(zhì)量分等要求中的優(yōu)等品要求。

為此，在近尾洲定子線棒改造設(shè)計初期，就選擇了高性能的材料，并對絕緣結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，最終達到了優(yōu)良的效果。

對其中一臺機組的全部線棒進行統(tǒng)計后，介損測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 定子線棒常溫介損值分布

分析可知，近尾洲定子線棒常溫介損初始值全部滿足＜1%的要求，且在0.6Un時的介損值也基本分布在＜1%的范圍內(nèi)。0.2Un～0.6Un電壓下的介損增量值全部分布在＜0.5%的范圍內(nèi)。介損性能整體優(yōu)良，分布合理。表明絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，絕緣材料性能優(yōu)良，固化后整體性好，絕緣密實。

熱態(tài)介損上下層各抽檢1 根線棒進行測量。測量時先將線棒放置在155 ℃的環(huán)境中保溫2 h，然后再在該溫度下進行測量，測量結(jié)果如表2 所示。

表2 定子線棒熱態(tài)介損測試結(jié)果

從測試結(jié)果可知，近尾洲定子線棒在0.6Un時的熱態(tài)介損值為2%左右，遠小于指標要求的6%。表明主絕緣材料固化度高，耐熱性優(yōu)良。

4.2 局部放電

定子線棒在制造和組裝過程中不可避免的會存在微小缺陷或空隙，在運行過程中部分空隙受到電場作用后會出現(xiàn)擊穿放電的情況，此類放電一般比較微弱，短期內(nèi)不會造成絕緣擊穿事故，如絕緣內(nèi)部放電、端部的電暈放電及槽部的火花放電等。但在長期運行過程中持續(xù)的放電將不斷造成絕緣劣化，縮短絕緣壽命，最終導(dǎo)致絕緣被擊穿。近尾洲改造前事故都與線棒槽內(nèi)放電（圖3）。及端部發(fā)生局部放電有關(guān)（圖4）。

為避免因局部放電對機組的運行壽命造成影響，我們選擇了成熟、先進的防暈材料和防暈結(jié)構(gòu)，并根據(jù)近尾洲鐵心結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，通過試驗驗證可以完全消除槽口及端部電暈，并有較大的安全裕度。單根線棒在1.5Un下無起暈，在2.75Un+6.5 kV 的耐壓值附近也未觀察到明顯的電暈。

圖3 原定子線棒槽內(nèi)局部放電腐蝕

圖4 原定子線棒出槽口局部放電腐蝕

在線棒制作中，采用多膠真空液壓VPR 工藝對絕緣進行了固化處理，由優(yōu)良的工藝保證了單根線棒的電氣性能，最大限度地消除絕緣內(nèi)部缺陷，將局放值控制在要求之內(nèi)，達到優(yōu)良水平。

對整臺機全部線棒的局放測試結(jié)果進行統(tǒng)計后，如圖5 所示。

圖5 定子線棒局部放電值分布

分析可知，近尾洲定子線棒單根的局部放電在1.0Un電壓下完全滿足≤500 pC 的要求，在1.5Un電壓下完全滿足≤1 500 pC 的要求。單根線棒局放值的技術(shù)指標達到了行業(yè)領(lǐng)先的水平。同時，抽取線棒在湖南電科院進行了第三方對比測試，測試結(jié)果和東芝水電的測試結(jié)果吻合。

為防止定子鐵心槽內(nèi)鐵心和線棒之間發(fā)生局部放電，定子線棒下線采用螺旋包過盈的安裝方式，保證了定子線棒和鐵心之間零間隙，有效地避免了因槽電位過高和振動火花放電引起的槽內(nèi)電腐蝕。在定子線棒下線后進行了槽電位測試，測試電壓為額定相電壓，所有測試點的電位值全部＜1 V，遠小于≤10 V 的要求值，表明定子線棒和鐵心槽接觸良好。

定子線棒組裝后，在吊入機坑前，現(xiàn)場進行了分相局部放電測試，測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 定子線棒組裝后整機分相局部放電測試值

從測試結(jié)果可知，定子線棒組裝后的分相局放值遠小于合同要求優(yōu)等品的＜3 000 pC 的要求。表明定子線棒安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，下線施工優(yōu)良。

4.3 瞬時工頻擊穿電壓

近尾洲定子線棒絕緣厚度（包含防暈層厚度）僅2.0～2.1 mm，但要求擊穿電壓需大于70 kV，與額定電壓為10.5 kV 等級的常規(guī)設(shè)計一致，對應(yīng)擊穿場強要求達到35 kV/mm 以上，對主絕緣的擊穿性能提出了很高的要求。

為此，我們通過對導(dǎo)體電場均勻化設(shè)計，優(yōu)選主絕緣材料并對制造工藝進行合理優(yōu)化，最終使近尾洲定子線棒的瞬時擊穿電壓超過了8Un，擊穿場強超過了40 kV/mm，遠高于技術(shù)指標要求值。

4.4 加熱電老化試驗結(jié)果及壽命評估

近尾洲定子線棒絕緣設(shè)計運行場強3.2 kV/mm，屬于厚度很薄的主絕緣設(shè)計，為驗證主絕緣的運行壽命，對5 根試驗線棒在機組運行溫度范圍進行了電熱聯(lián)合老化試驗，試驗電壓28.0 kV，線棒溫度100 ℃。

如圖7 所示，與基準線比較，近尾洲線棒絕緣老化壽命高于基準線要求，在設(shè)計的絕緣厚度下可以滿足運行壽命的要求。

圖7 定子線棒熱電老化壽命

5 改造后運行情況

為了對線棒改造前后的運行參數(shù)進行確認，設(shè)計對改造前后的線棒運行溫度進行了有限元解析。近尾洲1 號機定子線棒改造前，在夏季河水溫度較高的時間段，在某工況運行時，溫度分布解析如圖8 所示。上層線棒最高溫度為118 ℃，位于上游側(cè)靠近槽楔的區(qū)域，溫升為73.4 K；層間測溫電阻區(qū)域的最高溫度為107 ℃，平均溫度為104 ℃。實際測量最高溫度為107.9 ℃，最低溫度101.3 ℃，平均溫度104.7 ℃。解析結(jié)果與實際運行測量結(jié)果較吻合。

圖8 近尾洲定子線棒改造前某工況下溫度分布解析

根據(jù)改造線棒設(shè)計參數(shù)和下線結(jié)構(gòu)對改造后的線棒運行溫度分布的解析結(jié)果如圖9 所示。解析結(jié)果表明，雖然導(dǎo)體面積沒有增加，但在同等滿負荷運行工況及環(huán)境條件下，改造后線棒溫升可降低5.5 K。

電站1 號發(fā)電機線棒更新改造后于2017 年2月開始投運，經(jīng)過1 年多的運行記錄，定子線棒改造后，在同樣的工況下定子線棒溫升降低了5～7 K，與改造前解析的溫升降低5.5 K 一致。

電站3 號發(fā)電機線棒改造后于2018 年2 月開始投運，截止2018 年8 月，在各個工況下，發(fā)電機運行平穩(wěn)。定子線棒的溫升降低情況與1 號機相當。表明兩臺機改造效果一致，工藝具有較好的穩(wěn)定性。

圖9 近尾洲定子線棒改造后某工況下溫度分布解析

6 總結(jié)

近尾洲定子線棒的順利改造，表明了在較薄的絕緣厚度下，優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)，選擇與工藝匹配的優(yōu)良材料，通過對設(shè)計、制造、安裝各個環(huán)節(jié)質(zhì)量的嚴格控制，可以得到性能優(yōu)良的產(chǎn)品，實現(xiàn)國產(chǎn)化。

定子線棒的所有性能進行了100%檢查，全部達到行業(yè)標準要求的優(yōu)等品標準。其中局部放電要求遠高于常規(guī)機組定子線棒，全部滿足在Un電壓下≤500 pC、1.5Un電壓時≤1 500 pC 的要求，組裝后整體性能也保持了優(yōu)良水平。

改造后機組運行平穩(wěn)，雖然線棒導(dǎo)體截面沒有增加，發(fā)電機原通風(fēng)冷卻系統(tǒng)也留用未作改造，改造合同對線棒溫度降低也沒有要求，但實際通過絕緣改善和下線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，原線棒過高的溫升也得到了明顯的改善，達到了業(yè)主的期望。

近尾洲電站定子線棒的成功更新改造，獲得了電站和專家的認可和好評，也為國內(nèi)外類似機組定子改造提供了寶貴的參考和借鑒。