張秋寒，徐 冰,2

（1. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

前言

大型發(fā)電機(jī)定子繞組在運(yùn)行過程中會受到電、熱、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境因素的影響。電應(yīng)力會引起絕緣內(nèi)氣隙擴(kuò)大和局部放電，腐蝕絕緣；熱應(yīng)力會加速絕緣老化裂解；機(jī)組運(yùn)行和頻繁起動會引起繞組振動，電磁力會對絕緣產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力；潮氣、灰塵、油污等環(huán)境因素也會影響絕緣性能。定子繞組配套材料在發(fā)電機(jī)長期安全可靠運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用。

本文對1000MW水輪發(fā)電機(jī)組定子繞組配套用高強(qiáng)度波紋板、環(huán)氧玻璃布層壓板、高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃氈層壓板槽楔、半導(dǎo)體無紡布、半導(dǎo)體硅橡膠、浸膠固定材料、絕緣盒、端箍等進(jìn)行了研究，保證材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子繞組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

1 定子繞組配套材料

1.1 定子繞組槽部配套材料

槽內(nèi)噴環(huán)氧聚酯防電暈漆[1]，在繞組層間和槽楔下分別使用半導(dǎo)體層壓墊條，同時(shí)在槽楔下加入可產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的波紋彈簧板以加強(qiáng)徑向固定，在繞組和鐵心之間填充室溫硫化硅橡膠以改善繞組與鐵心的無間隙固定，通過主、副槽楔的配合使用，加強(qiáng)了槽部固定的牢靠性。

1.1.1 層壓板

高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃層壓板適用于大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組槽部固定用絕緣槽楔、層間墊條及端部固定用槽口墊塊、間隔墊塊和引線支架等。用玻璃絲氈浸漬環(huán)氧膠模壓而成的HEC3248層壓板可用于定子槽楔、引線支架等，用增強(qiáng)型玻璃布浸漬環(huán)氧膠模壓而成的HEC3240層壓板可用于層間墊條、槽口墊塊、間隔墊塊等。HEC3248和 HEC3240層壓板性能指標(biāo)見表1。

表1 HEC3248和HEC3240層壓板性能

HEC3248和 HEC3240層壓板已在三峽、龍灘、拉西瓦等水輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用。該層壓板的各項(xiàng)性能指標(biāo)可以保證1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子繞組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

1.1.2 環(huán)氧酯晾干漆

層壓板加工成零部件后，為防止受潮需在加工面上涂刷一層環(huán)氧酯晾干漆，環(huán)氧酯晾干漆性能見表2。

采用環(huán)氧酯晾干清漆涂刷層壓板已有很多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行證明是可靠的。

表2 環(huán)氧酯晾干清漆性能

1.1.3 波紋板

波紋板是由特種玻璃布經(jīng)F級熱固性樹脂浸漬成半固化玻璃坯布，然后在模具上加熱加壓固化而成。由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)電磁力特別是負(fù)荷突變時(shí)的沖擊電磁力對定子線棒作用力很大，所以對定子線棒槽內(nèi)固定的要求很高。根據(jù)定子線棒槽內(nèi)固定的要求，波紋板要具有永久變形小、抗壓變形、回彈力高的性能，這樣才能使其在機(jī)組長期運(yùn)行過程中保持彈性。通過與絕緣材料廠合作開發(fā)研制大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組槽部固定用波紋板的性能指標(biāo)見表3。

表3 波紋板性能

1.1.4 半導(dǎo)體槽襯

半導(dǎo)體槽襯是由無紡布和半導(dǎo)體膠粘劑復(fù)合而成。由于無紡布是聚酯體系，所選擇的半導(dǎo)體膠粘劑必須與它相容性好，否則將影響電阻值的均勻性以及半導(dǎo)體無紡布的強(qiáng)度。

半導(dǎo)體膠的性能決定半導(dǎo)體槽襯的性能及應(yīng)用工藝，所以對膠的體系進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。通過大量的配方試驗(yàn)，最后確定膠以環(huán)氧樹脂為主，選擇亞胺改性劑和特殊增韌劑提高固化后半導(dǎo)體槽襯的耐熱性和柔韌性能，同時(shí)選擇合適的偶聯(lián)劑提高膠與無紡布的粘接強(qiáng)度，滿足定子繞組下線對半導(dǎo)體槽襯強(qiáng)度的要求。選擇膠體石墨做半導(dǎo)體材料，試制的半導(dǎo)體無紡布表面電阻值穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。半導(dǎo)體無紡布槽襯性能指標(biāo)見表4。國產(chǎn)半導(dǎo)體無紡布槽襯各項(xiàng)性能指標(biāo)可以保證1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子繞組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

表4 半導(dǎo)體無紡布槽襯性能

1.1.5 半導(dǎo)體室溫硫化硅橡膠

半導(dǎo)體室溫硫化硅橡膠采用室溫硫化劑，可在室溫下完全硫化。半導(dǎo)體室溫硫化硅橡膠性能見表5。

1000MW 水輪發(fā)電機(jī)采用包繞涂有室溫硫化半導(dǎo)體硅橡膠的半導(dǎo)體無紡布復(fù)合材料，使得線圈與鐵心間以“面”的形式接觸，有效降低了槽電位，從而防止了槽部電暈的產(chǎn)生。

半導(dǎo)體硅橡膠無紡布“三合一”槽部固定技術(shù)已在三峽、龍灘、拉西瓦等水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組上應(yīng)用，效果良好。

1.1.6 環(huán)氧聚酯防電暈漆

環(huán)氧聚酯防電暈漆噴在鐵心槽內(nèi)，作為防電暈涂層。環(huán)氧聚酯防電暈漆性能指標(biāo)見表6。

表5 半導(dǎo)體室溫硫化硅橡膠性能

表6 絕緣盒灌注膠性能

采用環(huán)氧聚酯防電暈漆作為防電暈涂層已有很多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行證明材料安全可靠。

槽部固定結(jié)構(gòu)及配套材料見圖1。

1.2 定子繞組端部配套材料

1.2.1 浸膠材料

浸膠材料包括浸膠滌綸氈、浸膠玻璃絲繩和浸膠玻璃絲帶。浸膠滌綸氈用于絕緣墊塊和繞組絕緣之間，具有固定和適形作用，滌綸氈采用針刺滌綸氈。浸膠玻璃絲帶用于間隔墊塊的綁扎固定，玻璃絲帶采用定向（少緯）玻璃絲帶，槽口墊塊和槽口處槽楔固定用綁扎繩，銅環(huán)引線與絕緣支架、繞組與端箍間的綁扎固定用玻璃絲套管，玻璃絲繩及玻璃絲套管外部是玻璃絲編織的護(hù)套，內(nèi)部由玻璃絲膨紗紡成的多股纖維束組成，浸膠固定材料采用雙組份室溫固化環(huán)氧樹脂浸漬膠[1]。

浸漬材料應(yīng)用時(shí)需先將浸漬膠混合均勻，再將氈（繩）加入其中浸透浸勻，然后在使用部位上室溫下固化24h（或高溫固化）。采用浸漬材料進(jìn)行端部固定也是成熟的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行安全可靠。

1.2.2 絕緣盒及填充材料

絕緣盒分上端絕緣盒和下端絕緣盒兩種。上端絕緣盒兩面開口，使用時(shí)把絕緣盒套入線圈后用封口膩?zhàn)訉⒑邢露丝诜庾?，再注入灌注膠；下端絕緣盒一面開口，使用時(shí)把絕緣盒套入線圈后直接注入灌注膠。絕緣盒灌注膠性能指標(biāo)見表6。

絕緣盒及填充材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)可以保證1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子繞組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

1.2.3 端箍

端箍采用非磁性材料，外包桐馬環(huán)氧玻璃粉云母帶熱收縮固化成型。1000MW百萬機(jī)組端箍采用硬端箍結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是綁扎牢固，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，這種結(jié)構(gòu)更適用于高電壓大容量機(jī)組。

圖1 槽部固定結(jié)構(gòu)及配套材料

1.2.4 非線性半導(dǎo)體高阻防暈漆

定子線棒下線后，對定子繞組端部固定件與繞組接觸的所有部位均進(jìn)行防暈處理，端部固定絕緣件如支架和間隔墊片之間所墊的滌綸氈適形材料均需浸漬含碳化硅的環(huán)氧膠，定子繞組端部綁扎固定后需噴半導(dǎo)體高阻防暈漆。

定子線棒下線后，對整個(gè)繞組端部上下層間噴涂非線性半導(dǎo)體高阻防暈漆，消除場強(qiáng)分布不均勻的現(xiàn)象。該技術(shù)已應(yīng)用在三峽、龍灘、拉西瓦等水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組上，材料性能安全可靠。

1.2.5 環(huán)氧酯晾干紅瓷漆

定子下線全部結(jié)束后，整個(gè)鐵心內(nèi)表面和繞組端部噴涂環(huán)氧酯晾干紅瓷漆。環(huán)氧酯晾干紅瓷漆性能見表7。

采用環(huán)氧酯晾干紅瓷漆噴涂鐵心內(nèi)表面和繞組端部已有很多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行證明是可靠的。

端部固定結(jié)構(gòu)及配套材料見圖2。

圖2 端部固定結(jié)構(gòu)及配套材料

表7 環(huán)氧酯晾干紅瓷漆性能

2 1000MW發(fā)電機(jī)模擬定子繞組試驗(yàn)

在模擬定子鐵心槽中嵌入 1000MW 水輪發(fā)電機(jī)24kV電壓等級上、下層定子試驗(yàn)線棒，使用本文中的配套材料模擬真機(jī)固定結(jié)構(gòu)將試驗(yàn)線棒的槽部和端部進(jìn)行可靠地固定，試驗(yàn)線棒端部斜邊間隙、上下層線棒端部間隙皆與真機(jī)相同（見圖3）。模擬真實(shí)的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境，最后進(jìn)行診斷試驗(yàn)。

試驗(yàn)的過程是將試驗(yàn)樣品放入試驗(yàn)箱中，模擬運(yùn)行條件，表面噴涂油污，進(jìn)行潮濕、熱老化、耐電壓等試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行三個(gè)周期，每個(gè)試驗(yàn)周期結(jié)束后，測量樣品的介質(zhì)損耗和局部放電量。試驗(yàn)過程見圖3，性能測試結(jié)果見圖4。

經(jīng)過三個(gè)周期的耐環(huán)境模擬試驗(yàn)后，模擬真機(jī)繞組的絕緣電阻、介質(zhì)損耗、局部放電量均在國標(biāo)要求的范圍內(nèi)，并且順利地通過了 24kV級的 1.3Uφ（Uφ為定子繞組額定相電壓）、1.05UN、1.5UN和2UN耐壓試驗(yàn)；同時(shí)也分別通過了26kV級的1.3Uφ、1.05UN、1.5UN和2UN耐壓試驗(yàn)。

圖3 1000MW模擬定子繞組試驗(yàn)

圖4 定子繞組耐環(huán)境模擬試驗(yàn)后的介質(zhì)損耗曲線

試驗(yàn)證明本文所研究的定子繞組的配套絕緣材料性能可靠，完全滿足1000MW水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全的要求，該項(xiàng)試驗(yàn)也順利地通過了長江三峽工程開發(fā)總公司、長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院等單位的驗(yàn)收。

3 結(jié)論

（1）本文對1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子繞組配套材料的研究結(jié)果表明：材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可以保證1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子繞組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

（2）定子繞組槽內(nèi)固定用半導(dǎo)體硅橡膠三合一結(jié)構(gòu)，達(dá)到世界先進(jìn)水平，并已在三峽、龍灘、拉西瓦等水輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用。

（3）定子繞組采用硬端箍結(jié)構(gòu)主要是將繞組端部固定為一個(gè)更加結(jié)實(shí)的整體結(jié)構(gòu)，以抵御定子繞組機(jī)械振動力，提高了發(fā)電機(jī)的可靠性延長了運(yùn)行壽命。

（4）定子線圈引線并頭采用絕緣盒和灌注膠結(jié)構(gòu)，定子繞組端部噴涂環(huán)氧酯晾干紅瓷漆對抵御環(huán)境因素影響有著重要的作用。

（5）定子繞組端部上下層間噴涂非線性半導(dǎo)體高阻防暈漆，消除了由于繞組綁扎和支撐等結(jié)構(gòu)件而產(chǎn)生電場分布不均勻的現(xiàn)象，提高了高壓電機(jī)安全運(yùn)行可靠性。

（6）本文的研究成果通過了 1000MW 發(fā)電機(jī)模擬定子繞組試驗(yàn)，效果良好。該成果完全可推廣應(yīng)用到1000MW大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組槽部、端部固定配套絕緣上，提高國產(chǎn)大電機(jī)在國內(nèi)外市場上的競爭能力。

[1]隋銀德. 三峽水輪發(fā)電機(jī)繞組端部絕緣固定系統(tǒng)的特點(diǎn)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008 (2).

[2]徐冰, 李振海, 張秋寒, 等. 1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣技術(shù)的研究[J]. 絕緣材料, 2012,45(3).