何智蓉，陳 勇，陳永庚，彭 涵

（中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力公司集團(tuán)，湖北 武漢430068）

交流高壓電機(jī)的絕緣系統(tǒng)主要有兩大體系：多膠模壓體系和真空壓力浸漬體系.真空壓力浸漬（簡(jiǎn)稱VPI）是工件先在真空下排除白坯線圈內(nèi)部的空氣及揮發(fā)物，然后在加壓下浸漆的方法，是先進(jìn)的絕緣處理技術(shù)之一.VPI絕緣技術(shù)在國(guó)外高、低壓電機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在高壓發(fā)電機(jī)上發(fā)展較慢，目前單只VPI定子線棒絕緣體系仍停留在國(guó)外技術(shù)引進(jìn)階段，對(duì)VPI整浸研究才剛剛起步.

空冷汽輪發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性在于機(jī)組省掉了定子水冷卻系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)定子繞組產(chǎn)生的熱量通過(guò)對(duì)地絕緣散熱后，再由空氣介質(zhì)冷卻，機(jī)組運(yùn)行時(shí)的冷卻和散熱問(wèn)題，是制約空冷汽輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量提高的主要因素.整機(jī)VPI相對(duì)線圈VPI而言，不僅減少線棒制作時(shí)所需要的工裝模具和工序，而且使線棒與槽壁沒有間隙，提高傳熱性能，有利于定子線棒冷卻，同時(shí)防止鐵芯槽楔與線圈松弛，消除鐵芯與線棒之間的振動(dòng)磨損，因此發(fā)電機(jī)定子整浸是真正意義上的VPI，空冷發(fā)電機(jī)適合采用整浸VPI絕緣技術(shù).

引進(jìn)國(guó)外VPI整浸絕緣體系成本很高，故選擇國(guó)內(nèi)較早從事VPI浸漬樹脂和少膠粉云母帶研究生產(chǎn)廠家，開展了自主的VPI絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣工藝研發(fā)試驗(yàn)，希望通過(guò)試驗(yàn)，摸索出有自己特色的空冷發(fā)電機(jī)整浸絕緣體系，降低發(fā)電機(jī)定子制造成本，發(fā)展民族企業(yè).

1 定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)

線棒為單匝雙排條式，單邊主絕緣厚度為2.4 mm.排間絕緣采用膠含量為50%多膠板，線棒經(jīng)過(guò)排間熱壓膠化后包扎少膠帶.采用A公司生產(chǎn)的5442－1T含促進(jìn)劑的環(huán)氧玻璃少膠粉云母帶和B公司生產(chǎn)的R－1145純環(huán)氧酸酐VPI樹脂.

線棒采用二級(jí)防暈結(jié)構(gòu)，防暈帶采用C公司提供的VPI專用防暈帶.

2 定子整浸線棒制作

2.1 線棒包扎

用FANUC ROBOT R－2000iA 165A 全自動(dòng)恒張力包帶機(jī)對(duì)線棒進(jìn)行包扎.初始包帶張力為50 N時(shí)，少膠帶有掉粉現(xiàn)象，調(diào)整包帶張力為45N，少膠帶仍有掉粉現(xiàn)象，最終調(diào)整包扎張力為40N.

主絕緣包扎完畢后，手工包扎防暈層，線棒端部（模擬模具外）1／2包扎 VPI防護(hù)帶J611－1熱收縮薄膜交織布絕緣保護(hù)帶.

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要保證線棒包扎的緊度和致密性，需要一定的包扎張力，而國(guó)產(chǎn)少膠云母帶在設(shè)定的包扎張力下，有掉粉現(xiàn)象，只能降低包扎張力包扎，使包扎出的白坯線棒緊度和致密性降低，尺寸偏大.

2.2 利用仿真模具對(duì)白坯線棒真空壓力浸漬和烘焙固化

采用有模擬通風(fēng)溝的模具，按R－1145純環(huán)氧酸酐浸漬工藝，對(duì)線棒進(jìn)行浸漬和烘焙固化.

3 試驗(yàn)［1－4］

3.1 固化后線棒外觀檢驗(yàn)試驗(yàn)

隨機(jī)抽取4根線棒進(jìn)行外觀尺寸檢查，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.從表1數(shù)據(jù)可以看出，同一根線棒上窄邊尺寸相差較大，使線棒表面凹凸不平.主要由于包扎少膠帶時(shí)，包扎張力不能達(dá)到要求，包扎緊密度較差，嵌線過(guò)盈量過(guò)大，使白坯線棒經(jīng)真空浸漬、加熱固化后，槽內(nèi)線棒鐵芯部位、通風(fēng)溝及端部線棒三者壓緊度不同，氣隙不同，造成浸漬后線棒主絕緣層的樹脂含量有較大差異（表2），線棒表面凹凸不平.

表1 線棒外觀尺寸

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果線棒表面凹凸不平，很容易造成低阻防暈層磨損，進(jìn)而引起槽內(nèi)局部放電，影響電機(jī)運(yùn)行壽命.

3.2 線棒主絕緣層不同部位樹脂含量分析試驗(yàn)

抽取2根線棒，檢測(cè)線棒不同部位主絕緣層中的樹脂含量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2.

表2 線棒主絕緣層各部位樹脂含量

從表2數(shù)據(jù)可知：線棒端部主絕緣樹脂含量＞槽內(nèi)通風(fēng)槽口處樹脂含量＞槽內(nèi)鐵心樹脂含量，同一根線棒上，不同部位膠含量分布很不均勻，特別是槽內(nèi)通風(fēng)槽與模擬鐵芯的線棒主絕緣層樹脂含量相差5.1%，使線棒主絕緣層內(nèi)電場(chǎng)分布不均勻，容易引發(fā)局部放電，影響電老化壽命試驗(yàn).

3.3 線棒介質(zhì)損耗角正切試驗(yàn)

3.3.1 線棒室溫介質(zhì)損耗試驗(yàn) 隨機(jī)抽取5根線棒，測(cè)量室溫時(shí)線棒tanδ隨電壓變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見圖1.

圖1 線棒室溫tanδ與電壓關(guān)系

3.3.2 不同溫度，線棒介質(zhì)損耗隨電壓變化試驗(yàn)隨機(jī)抽取2根線棒，測(cè)量不同溫度下線棒tanδ隨電壓變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖2 不同溫度下線棒tanδ與電壓關(guān)系

線棒常態(tài)和熱態(tài)tanδ和Δtanδ均符合JB／T7608－2006標(biāo)準(zhǔn)要求，并且達(dá)到DS／ZJ002－2002中一等品及以上要求.線棒常溫10kV電壓下的tanδ比2kV電壓下tanδ增大了32%～109%，但隨著電壓升高，熱態(tài)tanδ變化僅為4.2%～6.1%.推斷線棒內(nèi)存在微小氣隙或夾層極化，常態(tài)時(shí)，隨電壓升高，線棒內(nèi)的氣隙出現(xiàn)局部游離放電，而使tanδ增大，高溫時(shí)氣隙由于固體絕緣的膨脹而受到壓縮，引起線棒中的氣隙變小，減少了局部游離放電，使tanδ升電壓變化較小.

3.4 線棒瞬時(shí)工頻擊穿試驗(yàn)

試驗(yàn)在室溫變壓器油中進(jìn)行，從40kV電壓開始，按2kV／s逐步升壓，直到主絕緣擊穿或防暈發(fā)生沿面擊穿，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3.

表3 線棒瞬時(shí)工頻擊穿試驗(yàn)

從表2可知：5根線棒的瞬間擊穿電壓和擊穿場(chǎng)強(qiáng)均達(dá)到DS／ZJ002－2002標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)等品要求.線棒的瞬間擊穿場(chǎng)強(qiáng)平均值高達(dá)36.22kV／mm，而我公司多膠模壓結(jié)構(gòu)制作出的線棒瞬時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)僅為27kV／mm.說(shuō)明VPI絕緣工藝可以提高線棒電氣強(qiáng)度，同時(shí)也說(shuō)明采用國(guó)產(chǎn)材料制作的整浸VPI線棒的瞬時(shí)介電性能不低于國(guó)外水平.

分析線棒擊穿點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)線棒擊穿點(diǎn)多數(shù)位于通風(fēng)溝與鐵芯交接處，即線棒凸起與平面交接處角部.

3.5 線棒1min階梯升壓擊穿電壓試驗(yàn)

試驗(yàn)在室溫變壓器油中進(jìn)行，從40kV電壓開始，保持1min，隨后每增加5kV電壓，保持1min，直到主絕緣擊穿或防暈發(fā)生沿面擊穿（表4）.

表4 線棒1 min階梯升壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用嚴(yán)酷的1min工頻階梯升壓法獲得的擊穿場(chǎng)強(qiáng)在26kV／mm以上，高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DS／ZJ002－2002中瞬時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)一等品的要求.

3.6 線棒耐候性試驗(yàn)

從室溫以一定的升溫速度升至155℃保溫16 h，然后迅速降至室溫為一個(gè)循環(huán)周期，循環(huán)次數(shù)為25個(gè)周期，線棒常、熱態(tài)介質(zhì)損耗試驗(yàn)示圖見圖3.

經(jīng)25個(gè)周期的冷熱循環(huán)，線棒常、熱態(tài)介質(zhì)損耗及增量仍能滿足JB／T7608－2006標(biāo)準(zhǔn)要求，并能達(dá)到DS／ZJ002－2002中合格品要求.但室溫0.6UN的tanδ由1.063%（平均值）升至1.446%，增幅達(dá)36%；155℃時(shí)，0.2UN的tanδ由5.254（平均值）升至8.150%，增幅達(dá)55.14%，0.6UN的tanδ由5.459（平均值）升至9.073%，增幅達(dá)66%.

圖3 線棒冷熱循環(huán)后，常、熱態(tài)tanδ與電壓關(guān)系

分析認(rèn)為：線棒中銅線與主絕緣間的線性膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致導(dǎo)線與絕緣層間產(chǎn)生一定剪切應(yīng)力，經(jīng)過(guò)25周期冷熱循環(huán)的熱應(yīng)力作用，銅線與主絕緣間產(chǎn)生了微小間隙，隨電壓升高，線棒內(nèi)間隙和線棒內(nèi)原有的氣隙局部游離放電加劇，使高溫和高電壓下的介質(zhì)損耗增幅較大，線棒有熱老化跡象.

3.7 線棒主絕緣彎曲和沖擊性能試驗(yàn)

將主絕緣層從線棒表面剝離，制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別進(jìn)行沖擊和彎曲性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5.

表5 線棒主絕緣層彎曲和抗沖擊性能

整浸VPI線棒常態(tài)彎曲強(qiáng)度高出多膠模壓線棒25.3%，熱態(tài)彎曲強(qiáng)度高出37%.少膠VPI線棒的沖擊強(qiáng)度比多膠線棒的沖擊強(qiáng)度稍低.

3.8 線棒耐電壽命試驗(yàn)

3.8.1 3UN快速電老化試驗(yàn) 取二根線棒并聯(lián)，施加工頻電壓，按照連續(xù)升壓的方式將試驗(yàn)電壓升到31.5kV，然后，維持在此電壓下直到主絕緣擊穿為止.試驗(yàn)在室溫空氣中進(jìn)行.其中一根線棒在30h39min擊穿，擊穿點(diǎn)在線棒出槽口處角部，有明顯灼燒痕跡.另一根線棒未擊穿.

室溫3UN快速電老化擊穿時(shí)間30.65h，滿足西門子公司的要求（＞10h）.

3.8.2 2UN快速電老化試驗(yàn) 取5根線棒并聯(lián)，施加工頻電壓，按照連續(xù)升壓的方式將試驗(yàn)電壓升到21.0kV，保持電壓直到線棒擊穿，7＃、16＃、31＃、32＃、44＃線棒2UN電老化壽命分別為436h、333h、365h、437h、168h.

室溫2UN快速電老化壽命為365h（取中值），小于1 000h.其中4根線棒擊穿點(diǎn)均為線棒直線部位的通風(fēng)溝與鐵芯交接附近.

3.8.3 電熱老化試驗(yàn) 取3＃、12＃、18＃、40＃、41＃線棒進(jìn)行熱電老化試驗(yàn)，工頻電壓24kV，試驗(yàn)溫度155℃.41＃線棒8h20min擊穿，觀察線棒表面有碳化痕跡，低阻部位有明顯膨脹，線棒擊穿點(diǎn)剖示圖見圖4，3＃、12＃、18＃、40＃線棒未擊穿，表面碳化痕跡不明顯，發(fā)現(xiàn)4根線棒低阻防暈全部脫殼，主絕緣層呈棕黃色，組織顯微示圖見圖5.

圖4 線棒擊穿點(diǎn)剖示圖

圖5 線棒擊穿點(diǎn)附近主絕緣顯微示圖

從圖5可看出，主絕緣層有碳化痕跡.線棒耐電壽命試驗(yàn)擊穿點(diǎn)大部份在線棒“平滑”處與“凸起”交接附近.

綜合分析線棒介質(zhì)損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)、階梯升壓擊穿數(shù)據(jù)和電老化試驗(yàn)結(jié)果，分析部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)不理想的原因有兩方面.其一，線棒制作時(shí)線棒包扎緊密度較差，白坯線棒嵌線時(shí)過(guò)盈量較大，造成線棒表面“凹凸”不平，在外施高電壓作用下，線棒表面容易發(fā)生局部游離放電，局部放電逐漸損傷低阻防暈層，造成線棒“脫殼”，使局部放電增加，線棒損耗加劇，發(fā)熱量上升；其二，排間絕緣采用多膠板，因膠化工藝不當(dāng)，使線棒熱壓膠化后，細(xì)小氣隙被包封在膠化線棒中，線棒VPI處理時(shí)，樹脂無(wú)法對(duì)氣隙有效填充，隨電壓升高，氣隙發(fā)生局部放電，也促使線棒介質(zhì)損耗上升，發(fā)熱量上升.如果線棒發(fā)熱量總大于散熱量，隨時(shí)間延長(zhǎng)，線棒內(nèi)溫度持續(xù)上升，此時(shí)線棒內(nèi)銅線處溫度最高.當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，主絕緣與股線之間會(huì)出現(xiàn)貫穿性間隙，即脫殼，主絕緣脫殼后，主絕緣與繞組股線之間形成了一個(gè)空氣隙，使導(dǎo)熱情況變壞，線棒溫升加大，引起線棒內(nèi)有機(jī)絕緣材料（匝間膠化材料）分解、熔化、碳化等.從41＃線棒擊穿剖視圖可以看出，由于主絕緣機(jī)械強(qiáng)度較高，密封性極好，主絕緣內(nèi)分解產(chǎn)生的氣體無(wú)法排出，促使線棒內(nèi)的間隙形成高氣壓使線棒膨脹鼓起，最終使主絕緣在高溫、高氣壓和高電場(chǎng)作用下?lián)舸?筆者認(rèn)為排間膠化材料及其膠化工藝、白坯線棒包扎及其嵌線工藝是造成部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)不理想的主要原因.

重新制作了3根線棒，線棒為單匝單排條式，沒有排間絕緣，控制少膠帶包扎拉力為55N，嵌線過(guò)盈量小于0.20mm，線棒其它絕緣結(jié)構(gòu)和浸漬工藝與前一批線棒相同.調(diào)整結(jié)構(gòu)和工藝制作出的3根線棒表面沒有凹凸不平的現(xiàn)象.對(duì)線棒進(jìn)行常溫2UN試驗(yàn)，經(jīng)1 030h仍末擊穿.

試驗(yàn)證明改進(jìn)材料和工藝后，制得的模擬線棒有優(yōu)良電老化性能.

4 結(jié)論

1）利用國(guó)產(chǎn)5442－1T含促進(jìn)劑的環(huán)氧玻璃少膠粉云母帶和R－1145純環(huán)氧酸酐VPI樹脂，完全可以制造出符合發(fā)電機(jī)要求的整浸VPI定子.

2）空冷發(fā)電機(jī)定子整浸絕緣工藝和配套絕緣材料直接影響定子絕緣性能，配套絕緣材料的選擇很重要.與國(guó)外材料相比較，國(guó)產(chǎn)VPI整浸配套絕緣材料綜合性能還有較大的差距，希望國(guó)內(nèi)絕緣材料生產(chǎn)企業(yè)增強(qiáng)純環(huán)氧酸酐少膠整浸體系材料的研發(fā)力度，研發(fā)有優(yōu)良抗張拉力少膠云母帶和適用于純環(huán)氧酸酐浸漬體系的排間絕緣材料、股線絕緣材料、防暈材料、端部固定用綁繩等配套絕緣材料.

3）采用國(guó)產(chǎn)材料進(jìn)行發(fā)電機(jī)整機(jī)VPI試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)還未見報(bào)道，整浸工藝還有待進(jìn)一步試驗(yàn)摸索.

［1］梁智明，皮如貴，漆臨生，等.絕緣電熱老化試驗(yàn)研究［J］.東方電機(jī)，2011（1）：34－38.

［2］吳小蕾.660MW20kV汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈VPI應(yīng)用研究［J］.絕緣材料，2009，42（1）：25－28.

［3］漆臨生，皮如貴，梁智明.發(fā)電機(jī)單只線棒VPI絕緣系統(tǒng)研究［J］.東方電機(jī)，2007（4）：43－47.

［4］劉東升.上電絕緣系統(tǒng)少膠VPI整浸推廣及改進(jìn)［J］.科技情報(bào)，1999（4）：34－36.