24 kV級水輪發(fā)電機定子線棒絕緣性能系統(tǒng)研究

黃紹波，梁智明，胡 波，張 躍，張小俊

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

隨著科學技術(shù)的進步，發(fā)電機迅速朝著高電壓、大容量方向發(fā)展。開發(fā)額定電壓為24 kV、額定容量為1 000 MW的水輪發(fā)電機組，在世界水電史上將是首次。定子線棒作為發(fā)電機的關(guān)鍵核心部件，所采用的絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)及絕緣工藝，不僅涉及到電機設計參數(shù)的選擇和整體結(jié)構(gòu)的布局，還關(guān)系到發(fā)電機的運行壽命和可靠性。為了確保1 000 MW級水輪發(fā)電機絕緣系統(tǒng)研發(fā)結(jié)果的正確性、合理性和可靠性，對24 kV電壓等級定子線棒的絕緣性能提出了更高的設計標準和性能要求。

(1) 線棒在進行500次冷熱循環(huán)試驗時，銅導體溫度迅速增加而沿著軸向快速膨脹，而主絕緣中的溫度是滯后的(溫度比銅導體低得多)、主絕緣膨脹較少，因此，在銅導體與主絕緣之間會產(chǎn)生軸向的剪切應力。線棒銅導體越長，冷熱循環(huán)產(chǎn)生的剪切應力對線棒主絕緣的影響越大，24 kV級定子線棒長度達到5.5 m。通過研發(fā)新型線棒主絕緣結(jié)構(gòu)，進一步提高定子線棒銅導體與絕緣黏接強度，并開展為期3年的三輪型式試驗驗證，試驗結(jié)果表明24 kV級定子線棒500次冷熱循環(huán)前后的絕緣性能基本無變化。

(2) 24 kV級定子線棒主絕緣厚度厚、高寬比大，主絕緣VPI浸漬和固化成型工藝難度大大增加。主絕緣成型后的密實程度直接關(guān)系到線棒絕緣性能的優(yōu)劣。通過優(yōu)化線棒主絕緣成型技術(shù)方案并開展多次驗證對比試驗。試驗結(jié)果表明24 kV級定子線棒主絕緣浸漬良好、密實，絕緣性能優(yōu)異。

(3) 相較于20 kV電壓等級，24 kV電壓等級定子線棒端部防暈結(jié)構(gòu)設計難度呈指數(shù)級增長。首次開展24 kV級定子線棒的絕緣結(jié)構(gòu)和防暈結(jié)構(gòu)仿真分析，系統(tǒng)分析定子線棒導線曲率半徑、內(nèi)均壓層結(jié)構(gòu)和高寬比對電場分布的影響，提出了更合理可靠的定子線棒防暈結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化防暈材料和防暈結(jié)構(gòu)，采用“一次成型+二次防暈處理”的雙通道防暈結(jié)構(gòu)以及新型防暈保護層結(jié)構(gòu)，使定子線棒的起暈電壓值由1.5UN提高到3.0UN。

本文通過測試首批次23支24 kV級定子真機線棒的關(guān)鍵絕緣性能，統(tǒng)計并分析了各項絕緣性能測試結(jié)果的分散性。測試結(jié)果表明：24 kV級水輪發(fā)電機定子線棒關(guān)鍵絕緣性能測試結(jié)果穩(wěn)定，定子線棒絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)和工藝穩(wěn)定可靠，完全滿足機組技術(shù)要求。

1 定子線棒測試項目

為了驗證24 kV電壓等級定子線棒主絕緣性能和防暈性能，定子線棒絕緣性能新增了很多測試項目。定子線棒絕緣性能測試項目如表1所示。

表1 定子線棒絕緣性能測試項目

2 測試結(jié)果分散性統(tǒng)計及討論

2.1 絕緣電阻和吸收比測試

對定子線棒施加5 000 V直流電壓，1 min絕緣電阻測試結(jié)果和吸收比計算值(R1 min/R15 s)的統(tǒng)計如圖1、圖2所示。絕緣電阻測試環(huán)境溫度為18 ℃，相對濕度為65%。

圖1 定子線棒絕緣電阻測試結(jié)果

圖2 定子線棒吸收比測試結(jié)果

定子線棒絕緣電阻測試結(jié)果表明，定子線棒的絕緣電阻在100 GΩ～300 GΩ范圍內(nèi)波動，定子線棒的吸收比在2.0～4.0范圍內(nèi)波動。定子線棒的絕緣電阻值穩(wěn)定，分散性較小。

2.2 工頻交流耐電壓試驗

使用工頻交流試驗變壓器對定子線棒進行工頻交流耐壓試驗，定子線棒通過了2.75UN+6.5 kV(有效值72.5 kV)、1 min工頻交流耐電壓試驗，試驗過程中定子線棒絕緣未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，定子線棒端部防暈層無冒煙和放電現(xiàn)象。

2.3 防電暈測試

(1) 暗室目測法

使用工頻交流試驗變壓器對定子線棒進行防電暈試驗，肉眼觀察線棒的起暈電壓大于3.0UN(有效值72.0 kV)，滿足定子線棒起暈電壓不低于1.5UN(有效值36.0 kV)的要求。

(2) 日盲型紫外成像測試法

使用日盲型紫外成像測試儀測量定子線棒在工頻交流耐電壓試驗過程中的電暈情況，定子線棒端部高電阻防暈區(qū)域在72.5 kV交流電壓下沒有產(chǎn)生紫外光子。

工頻交流耐電壓試驗和防電暈試驗結(jié)果表明，定子線棒防暈原材料穩(wěn)定、防暈結(jié)構(gòu)設計可靠、防暈處理實施工藝分散性小，保證了定子線棒端部防暈區(qū)域的電場分布均勻，線棒防暈結(jié)構(gòu)起到了預期設計的良好均壓效果。

2.4 室溫下介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)測試

對定子線棒施加0～1.2UN電壓并在室溫條件下測試其介質(zhì)損耗因數(shù)及其增量，測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 介質(zhì)損耗因數(shù)起始值tanδ0.2 UN測試結(jié)果

圖4 介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：定子線棒在0.2UN電壓下的介質(zhì)損耗因數(shù)起始值tanδ0.2 UN均小于0.9%，0.6UN與0.2UN電壓下的介質(zhì)損耗因數(shù)差值的一半Δtanδ均小于0.3%。滿足技術(shù)指標要求。

介質(zhì)損耗因素測量是宏觀上整體監(jiān)測定子線棒主絕緣內(nèi)部的氣隙放電情況，介質(zhì)損耗因數(shù)起始值主要反映定子線棒主絕緣的固化狀態(tài)，介質(zhì)損耗因數(shù)增量則主要反映定子線棒主絕緣的浸漬和成型工藝。當定子線棒主絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)起始值和增量控制在某一范圍內(nèi)，則表明定子線棒主絕緣內(nèi)部的氣隙群大致在某一限值以下，定子線棒主絕緣材料和制造工藝穩(wěn)定，定子線棒主絕緣浸漬良好、固化完全。不論是少膠VPI絕緣體系還是多膠模壓絕緣體系的線棒成型工藝都無法完全消除主絕緣內(nèi)部氣隙，只能將其控制在某一限值以下[1]。

2.5 局部放電測試

采用工頻無局放試驗變壓器對線棒施加額定相電壓和額定線電壓進行局部放電測試，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 局部放電測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：線棒在額定相電壓下的局部放電值低于1 500 pC，在額定線電壓下的局部放電值低于3 000 pC。

相比介質(zhì)損耗因數(shù)測試，局部放電測試是從微觀的角度測量線棒主絕緣內(nèi)部的氣隙放電情況和線棒端部高電阻防暈區(qū)域的放電情況。由于局部放電測試受到眾多外在因素的影響(如線棒絕緣表面狀態(tài)、測試線路、測試環(huán)境、測試設備等)，當線棒主絕緣內(nèi)部或端部高電阻防暈區(qū)域的局部放電活動大致控制在某一限值以下時，可以認為線棒絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)和防暈結(jié)構(gòu)以及絕緣浸漬和成型等工藝穩(wěn)定可靠。

2.6 工頻瞬時擊穿試驗

將線棒置于絕緣油中，按照勻速連續(xù)升壓方式進行工頻瞬時擊穿試驗，平均升壓速率約為1.3 kV/s。

測試結(jié)果表明：定子線棒的工頻瞬時擊穿電壓均大于160 kV，擊穿電壓與額定線電壓的比值均大于6.67倍，滿足技術(shù)指標要求。

2.7 電老化壽命試驗

(1) 2.0UN常態(tài)電老化壽命試驗

抽取3支定子線棒，按照IEEE Std 1553以及合同規(guī)定，采用電老化穩(wěn)壓控制系統(tǒng)對定子線棒進行2.0UN(有效值48.0 kV)的常態(tài)電老化壽命試驗。根據(jù)IEEE Std 1553規(guī)定，試驗電壓波動率不大于±2.0%。

試驗結(jié)果表明：定子線棒2.0UN常態(tài)電老化壽命試驗結(jié)果滿足規(guī)定的不少于500 h的要求。

(2) 3.0UN常態(tài)電老化壽命試驗

抽取3支定子線棒，按照IEEE Std 1553和合同規(guī)定，采用電老化穩(wěn)壓控制系統(tǒng)對定子線棒進行3.0UN(有效值72.0 kV)的常態(tài)電老化壽命試驗。試驗結(jié)果表明：線棒3.0UN常態(tài)電老化壽命試驗結(jié)果滿足規(guī)定的不少于10 h的要求。

(3) 電熱老化壽命試驗

抽取4支定子線棒，按照IEEE Std 1553、IEEE Std 1043以及合同規(guī)定，采用電熱老化控制系統(tǒng)和電老化穩(wěn)壓控制系統(tǒng)對定子線棒進行120 ℃、47.4 kV的電熱老化壽命試驗。試驗結(jié)果表明：定子線棒在47.4 kV、120 ℃下的電熱老化壽命試驗結(jié)果滿足規(guī)定的不少于400 h的要求。

2.0UN和3.0UN常態(tài)電老化壽命試驗以及電熱老化壽命試驗結(jié)果表明：定子線棒主絕緣所使用的云母帶和浸漬樹脂等原材料性能穩(wěn)定、VPI浸漬和模壓固化成型工藝合理，定子線棒主絕緣密實，保證了定子線棒主絕緣在長期電老化和電熱老化因子下的絕緣壽命穩(wěn)定、分散性小。

2.8 冷熱循環(huán)試驗

按照IEEE Std 1330以及合同規(guī)定，將線棒在30～45 min內(nèi)，加溫至150 ℃±5 ℃，在30～45 min內(nèi)降溫至40 ℃，試驗周期500個。在第0、50、100、250、500個周期結(jié)束后，要求試驗前后各參數(shù)無明顯變化。冷熱循環(huán)試驗線棒數(shù)量為7支，其中1支作為控溫線棒不進行試驗。

(1) 線棒絕緣整體性測試

冷熱循環(huán)試驗前后，用金屬小圓錘輕輕敲擊線棒直線大面和端部防暈層區(qū)域絕緣，檢查定子線棒絕緣的整體性。測試結(jié)果表明：線棒直線大面和端部防暈層區(qū)域絕緣整體性良好，沒有出現(xiàn)發(fā)空的現(xiàn)象。

(2) 線棒尺寸穩(wěn)定性測量

冷熱循環(huán)試驗前后，采用游標卡尺分別測量每支線棒直線部分的截面尺寸。線棒直線部分均分測試5點，線棒冷熱循環(huán)前和500次冷熱循環(huán)后的尺寸變化率如圖6所示。

圖6 線棒尺寸穩(wěn)定性測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：定子線棒經(jīng)過500次冷熱循環(huán)試驗后，線棒高度方向尺寸的最大變化率為0.12%，線棒寬度方向尺寸的最大變化率為0.61%；試驗結(jié)果表明線棒絕緣的尺寸穩(wěn)定性良好。

(3) 線棒低阻防暈層表面電阻率測試

冷熱循環(huán)試驗前后，線棒直線部分均分測試5點，測試結(jié)果表明：定子線棒經(jīng)過500次冷熱循環(huán)試驗后，線棒低阻防暈層表面電阻率逐漸減小，最小值為5.24 kΩ，滿足相關(guān)技術(shù)指標要求。

(4) 介質(zhì)損耗因數(shù)及其增量測試

冷熱循環(huán)試驗前后，對線棒施加0UN～1.2UN電壓并在室溫下測試其介質(zhì)損耗因數(shù)及其增量，線棒冷熱循環(huán)前和500次冷熱循環(huán)后的介質(zhì)損耗因數(shù)起始值及其增量測試結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 線棒冷熱循環(huán)前后的介質(zhì)損耗因數(shù)起始值tanδ0.2 UN測試結(jié)果

圖8 線棒冷熱循環(huán)前后的介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ的統(tǒng)計結(jié)果

測試結(jié)果表明：定子線棒經(jīng)過500次冷熱循環(huán)后的介質(zhì)損耗因數(shù)起始值tanδ0.2 UN都略有減小，介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ無明顯變化，完全滿足新線棒絕緣的介質(zhì)損耗指標要求。

通過500次冷熱循環(huán)試驗后，定子線棒主絕緣與導線之間以及主絕緣云母層之間黏接牢固，線棒主絕緣內(nèi)部膠黏劑(或環(huán)氧樹脂)在熱應力作用下進行了少量的高分子交聯(lián)反應，俗稱后固化效應[2]，因此定子線棒的介質(zhì)損耗因數(shù)起始值有所降低。

(5) 局部放電測試

冷熱循環(huán)試驗前后，對線棒施加相電壓與線電壓進行局部放電測試，測試結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 線棒冷熱循環(huán)前后相電壓下的局部放電最大值統(tǒng)計結(jié)果

圖10 線棒冷熱循環(huán)前后線電壓下的局部放電最大值統(tǒng)計結(jié)果

測試結(jié)果表明：線棒在經(jīng)過500次冷熱循環(huán)后，相電壓下的局部放電值低于1 500 pC，線電壓下的局部放電值低于3 000 pC。

通過500次冷熱循環(huán)試驗后，線棒主絕緣內(nèi)部和端部高電阻防暈區(qū)域的局部放電活動沒有出現(xiàn)明顯增長；進一步證明定子線棒主絕緣與導線之間以及主絕緣云母層之間黏接牢固，定子線棒端部高電阻防暈層與主絕緣黏接良好，沒有出現(xiàn)脫殼或分層現(xiàn)象。

(6) 2.0UN常態(tài)電老化壽命試驗

500次冷熱循環(huán)試驗后，抽取3支定子線棒進行2.0UN的常態(tài)電老化壽命試驗。

測試結(jié)果表明：定子線棒經(jīng)過500次冷熱循環(huán)試驗后，在2.0UN常態(tài)下的電老化壽命試驗結(jié)果滿足規(guī)定的不少于400 h的要求。

(7) 線棒電熱老化壽命試驗

500次冷熱循環(huán)試驗后，抽取3支定子線棒進行120 ℃、44.5 kV的電熱老化壽命試驗。

測試結(jié)果表明：定子線棒經(jīng)過500次冷熱循環(huán)試驗后，在44.5 kV、120 ℃下的電熱老化壽命試驗結(jié)果滿足規(guī)定的不少于250 h的要求。

3 結(jié)論

(1) 24 kV級水輪發(fā)電機定子線棒關(guān)鍵絕緣性能測試結(jié)果均滿足合同和相關(guān)標準要求。

(2) 24 kV級水輪發(fā)電機定子線棒經(jīng)過500次冷熱循環(huán)試驗后，線棒各項絕緣性能參數(shù)無明顯變化，線棒主絕緣與導線之間以及主絕緣云母層之間黏接牢固，定子線棒端部高電阻防暈層與主絕緣黏接良好。

(3) 定子線棒采用的絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣工藝合理可靠，能夠滿足24 kV級、1 000 MW水輪發(fā)電機組的長期安全穩(wěn)定運行需求。