葛臣忠，寧蘇輝，付 強(qiáng)，王 鑫，劉 帥

（1. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱賓州奧特工業(yè)自動化有限公司，哈爾濱 150040；3. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；4. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

大型發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣性能影響因素

葛臣忠1，寧蘇輝2，付 強(qiáng)3,4，王 鑫1，劉 帥1

（1. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱賓州奧特工業(yè)自動化有限公司，哈爾濱 150040；3. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；4. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

本文從幾方面對影響大型發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣性能一些因素進(jìn)行了總結(jié)分析。定子導(dǎo)線制造質(zhì)量、主絕緣包扎質(zhì)量、防暈處理質(zhì)量、主絕緣固化成型質(zhì)量等對定子線棒制造質(zhì)量有一定的影響。繞組表面的臟污物容易產(chǎn)生泄漏電流，引起表面放電，甚至出現(xiàn)閃絡(luò)。端部繞組表面防電暈層如果有缺陷，易產(chǎn)生局放或電暈而腐蝕表面防護(hù)漆和絕緣層。繞組絕緣熱效應(yīng)會使絕緣層中的膠黏劑老化降解、絕緣分層，分層的氣隙導(dǎo)致局放。振動、熱應(yīng)力及磁場力和離心力等因素使絕緣產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)線棒松動時(shí)，表面防護(hù)層易摩擦損壞，出現(xiàn)電暈和局放。定子繞組接線結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)也會影響繞組絕緣質(zhì)量。

定子繞組；絕緣性能；老化壽命；局部放電

0 前言

大型發(fā)電機(jī)的定子繞組絕緣性能老化源于材料受到的各種應(yīng)力作用，這些應(yīng)力包括熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力或化學(xué)腐蝕等方面。電、熱、機(jī)械及環(huán)境因素作用在電氣絕緣系統(tǒng)上導(dǎo)致了絕緣材料性能的改變?？梢娊^緣材料性能老化是由多方面原因造成的，國內(nèi)外有一些關(guān)于電機(jī)絕緣老化的報(bào)道，但都是從具體的某一機(jī)組分析。影響定子繞組絕緣性能的因素較多，分析性能與影響因素的關(guān)系是一個(gè)很復(fù)雜的問題，要分析透徹還需要電氣絕緣行業(yè)的專家們進(jìn)一步做大量的細(xì)致研究工作。本文僅從幾方面分析影響大型發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣性能的原因，希望能為機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)行提供參考，以采取防范措施，減小絕緣老化的幾率，延長電機(jī)使用壽命。

1 定子繞組絕緣性能的影響因素

1.1 線棒制造質(zhì)量及結(jié)構(gòu)的影響

1.1.1 定子導(dǎo)線制造

定子槽內(nèi)不同位置上的定子繞組會產(chǎn)生不同電勢，同時(shí)在不同位置的電磁線也將感應(yīng)產(chǎn)生不同的電勢，所以相鄰電磁線之間將出現(xiàn)電位差。為了盡量消除電磁線之間的電位差，減少定子線圈內(nèi)部渦流發(fā)熱引起的附加損耗，對高額定電壓的定子線圈在槽內(nèi)采取羅貝爾換位方式進(jìn)行編制導(dǎo)線。換位節(jié)距長度一般與鐵心長度、電磁線股線數(shù)量和電磁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。一般說來，鐵心長度越短，股線數(shù)量越多，換位節(jié)距距離越小。如果換位節(jié)距太短，導(dǎo)線編織和成型會很困難，容易出現(xiàn)股線短路現(xiàn)象。對于大型發(fā)電機(jī)的定子導(dǎo)線，槽部換位一般采取混合換位方法，如長換位、短換位、空換位等方法，還可以根據(jù)電磁計(jì)算選用適當(dāng)?shù)幕旌戏绞絒1]。

電磁線編花換位時(shí)，常常會損傷換位處的電磁線絕緣，需要在換位處墊一定厚度的換位絕緣，避免導(dǎo)線股線間出現(xiàn)短路。在導(dǎo)線制造過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)導(dǎo)線短路現(xiàn)象，主要原因就是換位絕緣被損壞造成的。對于 600MW 以上的機(jī)組導(dǎo)線一般是四排導(dǎo)線，在導(dǎo)線膠化壓制前（導(dǎo)線在模具內(nèi)）進(jìn)行短路試驗(yàn)，一旦出現(xiàn)導(dǎo)線短路，可以及時(shí)更換掉短路的電磁線。目前常用的換位絕緣有柔軟云母板、NOMEX紙或NHN復(fù)合紙。

導(dǎo)線換位處出現(xiàn)凹坑，需要填充絕緣材料。換位填充絕緣應(yīng)有一定的隨型性、流動性，固化后機(jī)械強(qiáng)度高。換位填充材料能填充滿換位凹坑，還要避免流到導(dǎo)線大面而影響導(dǎo)線截面尺寸。當(dāng)定子導(dǎo)線有空心線時(shí)，應(yīng)避免填充絕緣量過大而壓扁空心線的現(xiàn)象。目前換位填充絕緣一般都是無補(bǔ)強(qiáng)材料云母粉膩?zhàn)?，額定電壓較大的定子線棒換位填充還可以選用半導(dǎo)體填充材料。

定子導(dǎo)線排間絕緣寬度尺寸一般略小于導(dǎo)線高度尺寸，排間絕緣的膠有一定的滯留性，不但粘接好兩排電磁線，還要保證能填充滿電磁線的圓角空隙。導(dǎo)線壓制時(shí)，如果排間絕緣的膠流到導(dǎo)線大面，不但影響導(dǎo)線截面尺寸，還常常造成主絕緣與導(dǎo)線大面粘接不好而發(fā)空的現(xiàn)象出現(xiàn)。

1.1.2 主絕緣包扎

在包扎定子線棒主絕緣材料時(shí)，常存在以下3種缺陷：

（1）導(dǎo)線角部云母帶彎曲。包扎云母帶時(shí)，在線棒角部的云母帶出現(xiàn)彎曲，云母帶最小彎曲半徑取決于線棒角部曲率半徑，隨著包扎層數(shù)增加云母帶彎曲半徑增大。

（2）線棒角部云母帶打褶。這種類型的問題常常出現(xiàn)在多膠絕緣線棒中，多膠絕緣帶包扎好后，需要在加熱下壓制絕緣，擠出絕緣層中多余的膠，并利用膠填充不同層間出現(xiàn)的氣隙。在壓制過程中，云母帶在導(dǎo)體角部容易出現(xiàn)打褶現(xiàn)象。線棒絕緣層易出現(xiàn)的打褶的半徑在0.2mm～1mm之間。

（3）絕緣層中云母帶皺褶。在包扎絕緣時(shí)，云母帶經(jīng)常會出現(xiàn)皺褶現(xiàn)象，云母帶皺褶半徑經(jīng)常在0.2mm ～ 5mm 之間。

為了考察云母帶彎曲狀態(tài)對擊穿強(qiáng)度的影響，Vogelsang R等[2]將不同種云母帶彎成凸彎和凹彎后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，在達(dá)到擊穿的時(shí)間上，沒有發(fā)現(xiàn)明顯區(qū)別。耐壓時(shí)產(chǎn)生的電樹容易穿透云母帶彎曲部位，穿透的可能性隨著其彎曲半徑增大而減小。電樹不能穿透云母帶的最小彎曲半徑標(biāo)記為 Rc時(shí)，R. Vogelsang研究了幾種云母帶的Rc值，如聚酯薄膜-棉花纖維為補(bǔ)強(qiáng)材料的云母帶，它的Rc值是5mm；聚酯薄膜作為補(bǔ)強(qiáng)材料的云母帶的Rc值是3mm；玻璃絲作為補(bǔ)強(qiáng)材料的云母帶的Rc值是2mm。云母帶的韌性是由補(bǔ)強(qiáng)材料表現(xiàn)出來的，玻璃纖維作為補(bǔ)強(qiáng)材料能使云母帶韌性更好，玻璃絲作為補(bǔ)強(qiáng)材料的云母帶，其極限半徑Rc最小。但是Rc值不是考察絕緣材料擊穿強(qiáng)度的技術(shù)指標(biāo)之一，僅是為提高絕緣包扎工藝水平而提供的一種參考數(shù)據(jù)。

當(dāng)云母帶彎曲角度大于 172°時(shí)，電樹不容易穿透云母帶。因?yàn)殡姌淠艽┩杆袕澢霃叫∮?mm的云母帶，所以在包扎絕緣過程中，導(dǎo)線角部半徑應(yīng)該大于2mm。

目前線棒的絕緣包扎都采取機(jī)包方式，根據(jù)線棒不同位置確定不同的包扎方法，如轉(zhuǎn)角處、直線換位處末端都要采取措施保證包扎厚度一致。

1.1.3 防暈處理

因機(jī)組額定電壓等級及海拔高度的差別，不同的機(jī)組采用的防暈結(jié)構(gòu)也不同。如三峽水電站的機(jī)組就有兩種不同的防暈結(jié)構(gòu)[3]，國內(nèi)主要是對線棒端部采用傳統(tǒng)的半截結(jié)構(gòu)（如圖1所示），即端部高阻防暈層末端離引線有一定的放電距離，該結(jié)構(gòu)適用于定子繞組接頭封閉在灌注絕緣膠的絕緣盒內(nèi)的結(jié)構(gòu)。ABB-ALSTOM 對三峽發(fā)電機(jī)定子線棒端部采用全包防暈層（如圖2所示），防暈層末端與引線相連，該結(jié)構(gòu)適用于三峽定子繞組水內(nèi)冷接頭并且絕緣盒無填充絕緣結(jié)構(gòu)。

單根定子線棒的防暈結(jié)構(gòu)雖然相同，但是下線后處于低電位的線棒也有不同程度的電腐蝕，這是因?yàn)榈碗娢痪€棒與高電位線棒同槽且高電位線棒有較嚴(yán)重的電腐蝕，造成了低電位線棒也出現(xiàn)電腐蝕問題。在設(shè)計(jì)前需要考慮此類問題。

圖1 國內(nèi)傳統(tǒng)的防暈結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 三峽ABB-ALSTOM線棒防暈結(jié)構(gòu)示意圖

在高海拔地區(qū)，大氣壓力下降，空氣密度低，大型發(fā)電機(jī)出現(xiàn)電暈的電場強(qiáng)度比平原的要低，因此高海拔的發(fā)電機(jī)其電暈現(xiàn)象嚴(yán)重。高海拔機(jī)組的定子線棒在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，需要對起始電暈電壓進(jìn)行修正，以保證機(jī)組運(yùn)行時(shí)定子繞組不起暈。

端部斜邊間隙的大小與端部間隙的起始電暈電壓成反比關(guān)系，因此端部斜邊間隙要保證在工作電壓下不發(fā)生電暈。繞組端部與固定的斜邊墊塊及端箍間的間隙采用耐電暈的適型材料填充，所用的適型材料一般浸漬高阻漆。端部固定件綁扎采用滌玻繩，滌玻繩浸漬高阻漆，使其與端部粘接良好并能消除電暈。

1.1.4 主絕緣固化成型工藝

對于多膠模壓絕緣體系，線棒主絕緣與防暈層一次熱壓成型工藝十分成熟[4]。但是受夏季和冬季的氣候影響，不同季節(jié)模壓時(shí)壓制工藝必須進(jìn)行調(diào)整，以避免出現(xiàn)主絕緣發(fā)空現(xiàn)象。

少膠真空浸漆（Vacuum Pressure Impregnation，VPI）絕緣體系，一般是線棒主絕緣浸漬漆、固化成型后，再進(jìn)行刷防暈漆處理。固化時(shí)直線使用模具壓制，端部包扎熱縮帶處理。目前線棒的主絕緣與低阻層一起浸漬漆，浸漆后進(jìn)行中、高阻防暈段處理，再進(jìn)行固化成型。VPI絕緣體系中，環(huán)氧酸酐浸漬漆受濕度影響較大，浸漬漆使用一段時(shí)間后，其粘度逐漸增大，浸漬質(zhì)量會下降。開發(fā)新型的潛伏性固化劑取代酸酐固化劑能提高浸漬漆的使用壽命，希望絕緣材料廠家和電機(jī)廠聯(lián)手共同開發(fā)這種材料，使國產(chǎn)的VPI浸漬漆優(yōu)于國外的材料。

1.2 繞組表面狀況的影響

運(yùn)行的繞組端部常常覆蓋油漬、污穢、甚至凝露、霜凍。常規(guī)的絕緣測試表明這些覆蓋物對最初的絕緣體系影響較小，運(yùn)行時(shí)間較長時(shí)，覆蓋物、污染物會引起定子繞組表面出現(xiàn)放電現(xiàn)象。

當(dāng)電機(jī)端部表面變臟時(shí)，尤其是臟污物潮濕時(shí)，將使繞組表面電阻率下降，改變繞組表面場強(qiáng)的分布。繞組表面的等電位線方向會偏離原來方向，局部的表面電位差會變大，導(dǎo)致出現(xiàn)局部放電（局放），局放會使表面絕緣層出現(xiàn)缺陷。雖然高壓電機(jī)的絕緣層較厚，但是端部缺陷會長時(shí)間存在，如果表面局部場強(qiáng)超過繞組承受能力，臟污物易導(dǎo)致繞組冒煙和燃燒事故，燒損繞組絕緣。

Weeber T等[5]研究表明，臟污物會使定子繞組表面不規(guī)則、不光滑，能把端部繞組絕緣表面的局部電場強(qiáng)度提高到 13.8kV/mm，然而目前絕緣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)表明，端部繞組表面電場強(qiáng)度在1.97～3.94kV/mm之間。電場強(qiáng)度達(dá)到13.8kV/mm時(shí)，會損壞線棒表面絕緣質(zhì)量。為了減小臟污物進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部的幾率，需要經(jīng)常清理表面臟污物，保持繞組端部絕緣具有良好的狀態(tài)。當(dāng)端部繞組表面局部有臟污物時(shí)，定子繞組耐壓試驗(yàn)經(jīng)常會失敗，發(fā)生這種情況的原因是端部表面電場強(qiáng)度分布不均衡。電場不均勻性分布會導(dǎo)致部分區(qū)域電場較高，出現(xiàn)局部放電造成繞組絕緣缺陷。

當(dāng)臟污物存在端部絕緣表面時(shí)，還會出現(xiàn)表面漏電缺陷，潮濕條件更會惡化漏電缺陷。在端部絕緣污染的表面經(jīng)常會吸附一層水膜，這個(gè)現(xiàn)象會導(dǎo)致端部表面出現(xiàn)泄漏電流。污染的形式和程度決定了泄漏電流的大小。泄漏電流存在時(shí)，會形成局部導(dǎo)體層，導(dǎo)體層發(fā)熱不均勻能導(dǎo)致端部表面水膜不均勻蒸發(fā)，局部形成干燥區(qū)域，這樣會導(dǎo)致干燥區(qū)域（高電阻區(qū)域）存在于潮濕膜區(qū)域（低阻區(qū)域）中。沿著干燥區(qū)域形成了表面高電位區(qū)域，出現(xiàn)了間隙閃絡(luò)現(xiàn)象，閃絡(luò)電弧溫度足夠高會分解和碳化表面材料。干燥區(qū)域、電弧及碳化物的形成均以隨機(jī)方式出現(xiàn)。電弧會使碳化污點(diǎn)更容易導(dǎo)電，最終在漏電活動區(qū)域形成了一條連續(xù)導(dǎo)電通道，甚至發(fā)生了閃絡(luò)現(xiàn)象。Dymond J H等[6]研究發(fā)現(xiàn)脂環(huán)族樹脂材料本質(zhì)具有耐漏電性，因?yàn)椴牧媳砻娼到夂吞蓟俣群艿?，因此端部繞組表面的防護(hù)層可以考慮利用脂環(huán)族樹脂材料制作。

1.3 繞組絕緣局部放電的影響

目前額定電壓6kV以上的電機(jī)繞組，槽內(nèi)繞組表面都有半導(dǎo)體防暈層，這種半導(dǎo)體層能避免線棒表面和鐵心之間微小氣隙的局部放電。另外，大部分廠家用碳化硅涂層或帶子包繞出槽口100mm左右的范圍，碳化硅涂層搭接半導(dǎo)體涂層，能降低出槽口部位較高的場強(qiáng)。

70年代以前由于制造技術(shù)原因或材料原因，大多數(shù)電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間都會陸續(xù)出現(xiàn)一些絕緣缺陷而導(dǎo)致局放現(xiàn)象，如絕緣表面防暈涂層分布不均勻或制造時(shí)在涂層下面有微小的氣孔[7]。局放能腐蝕表面涂層和主絕緣層，導(dǎo)致絕緣表面缺陷逐漸嚴(yán)重。端部繞組出現(xiàn)電暈和氣隙放電現(xiàn)象后，腐蝕了端部繞組表面防暈漆和紅色防護(hù)漆，紅色防護(hù)漆被電腐蝕后其顏色褪色。針對局部放電腐蝕表面漆的現(xiàn)象，重新涂刷防護(hù)漆可以延長機(jī)組使用壽命。

另外，高壓電機(jī)定子線棒運(yùn)行時(shí)，部分不同相間的線棒電位差較大，線棒間空間距離小會產(chǎn)生局放。局放會逐步腐蝕主絕緣，導(dǎo)致相間定子線棒絕緣劣化。電機(jī)的電壓等級越高，主絕緣層越薄，空間距離要求就越大。然而許多電機(jī)端部繞組沒有足夠的空間距離，結(jié)果產(chǎn)生局放，局放使空氣電離而產(chǎn)生臭氧和氮氧化合物，當(dāng)水蒸氣與其結(jié)合后形成對絕緣具有腐蝕作用的酸類物質(zhì)。Stone G C[8]認(rèn)為臭氧腐蝕絕緣表面漆膜而使線棒表面呈現(xiàn)白色，其實(shí)絕緣表面漆膜發(fā)白主要是電腐蝕造成的。

線棒槽內(nèi)振動是非VPI整浸定子通病，線棒振動的主要原因是機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，磁場力會使線棒振動。如果槽內(nèi)線棒固定得不好，鐵心沖片會摩擦線棒表面，線棒表面半導(dǎo)體層被磨掉，導(dǎo)致線棒表面與鐵心表面產(chǎn)生局部放電，逐漸損壞主絕緣層。

在VPI整浸定子的電機(jī)中，線棒與鐵心之間良好地粘接，理論上不會產(chǎn)生線棒松動。但是如果線棒尺寸比槽的尺寸小得多，運(yùn)行時(shí)線棒與定子鐵心之間會產(chǎn)生剪切力，逐漸使線棒出現(xiàn)松動，當(dāng)線棒與鐵心間出現(xiàn)間隙時(shí)會產(chǎn)生局放。

F級繞組絕緣系統(tǒng)運(yùn)行溫度高于 120℃或主絕緣電場強(qiáng)度高于3kV/mm易使定子繞組產(chǎn)生局放。因此，為避免定子繞組絕緣出現(xiàn)局放問題，設(shè)計(jì)及制造時(shí)應(yīng)考慮以下技術(shù)要求：

（1）為保證 30年使用壽命，F(xiàn)級絕緣體系應(yīng)該運(yùn)行在 B級溫度以下，或保證主絕緣電場強(qiáng)度在2.5kV/mm；

（2）控制好線棒的尺寸，槽內(nèi)相鄰的線棒其防暈段要匹配，并保證端部繞組有足夠的漏電距離；

（3）新的繞組做局放檢測，還要保證下線時(shí)線棒保持良好的性能和潔凈的端部表面；

（4）對于非整浸定子，要求使用槽楔、側(cè)面波紋板墊條及適型材料如硅橡膠等材料，以保證槽內(nèi)有一定的緊度，且槽內(nèi)線棒與鐵心間隙小于0.1mm。

1.4 繞組絕緣熱效應(yīng)的影響

理想狀態(tài)的環(huán)氧粉云母絕緣材料可看作純電容器，在加電壓時(shí)沒有功率損耗，也就沒有絕緣自身發(fā)熱的現(xiàn)象。然而，實(shí)際上環(huán)氧粉云母絕緣材料中包含極化分子基團(tuán)，當(dāng)改變施加的電場易導(dǎo)致極化分子運(yùn)動，分子運(yùn)動會引起材料發(fā)熱。在50～60Hz頻率時(shí)環(huán)氧粉云母絕緣材料中會有極其微弱的電容電流，這是形成極化損耗的原因，最終導(dǎo)致絕緣發(fā)熱。一般來說，絕緣層的極化損耗與銅損耗或鐵心損耗相比是很小的。絕緣材料本身的極化損耗引起的發(fā)熱作用是絕緣發(fā)熱的次要因素；發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，線棒的銅導(dǎo)體通過大電流而引起的發(fā)熱（即銅損耗）才是絕緣發(fā)熱的主要原因。

定子繞組溫度較高，會逐漸引起環(huán)氧膠黏劑電性能和機(jī)械性能下降，環(huán)氧粘接云母紙及云母帶層的能力也下降。絕緣中膠黏劑受熱老化后，易使絕緣出現(xiàn)分層。絕緣分層出現(xiàn)的氣隙導(dǎo)致局部放電。在多膠模壓絕緣的定子線棒中，發(fā)現(xiàn)了在電磁線和對地絕緣層之間分層現(xiàn)象，分層部位的白色或灰色粉末是局放致使環(huán)氧樹脂分解產(chǎn)生。另外在電磁線羅貝爾換位處可以觀察到絕緣發(fā)黑的點(diǎn)，這些黑點(diǎn)也是局放導(dǎo)致的結(jié)果。

絕緣分層除了減少熱傳遞，還能導(dǎo)致泄漏電流增大，大多數(shù)分層部分的電導(dǎo)率有所增大，這導(dǎo)致整個(gè)線棒表面不同電位部位出現(xiàn)微弱電流。在高電位部位，出現(xiàn)空氣擊穿現(xiàn)象，使絕緣表面產(chǎn)生碳化痕跡，一般幾個(gè)月或幾年后，碳化通道能導(dǎo)致出現(xiàn)相對地或相對相間放電問題。

在電熱老化試驗(yàn)中，F(xiàn)級環(huán)氧粉云母絕緣在160℃的耐老化壽命比在20℃的長，分析其一個(gè)原因是絕緣中的環(huán)氧膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于 160℃，在160℃溫度下絕緣有著較好的柔韌性，能降低裂紋出現(xiàn)的幾率；另一個(gè)原因是環(huán)氧膠黏劑常常是在160℃進(jìn)行固化，而在此溫度下使用時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小。在180℃下絕緣做耐熱試驗(yàn)時(shí)，絕緣層常常會出現(xiàn)發(fā)空現(xiàn)象，這是因?yàn)榄h(huán)氧膠黏劑發(fā)生熱降解降低了絕緣層之間的粘接強(qiáng)度，致使絕緣層出現(xiàn)分層缺陷。Sumereder C與Weiers T[9]研究表明，90℃左右使用F級環(huán)氧粉云母絕緣，能確保絕緣有最大的使用壽命，這個(gè)溫度也在大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度范圍中。

1.5 繞組振動的影響

施加在高壓電機(jī)絕緣上的機(jī)械應(yīng)力包括電磁振動、離心力等。在1m長的線棒上進(jìn)行振動檢測，檢測頻率100Hz，振幅±0.5mm。兩種不同絕緣材料用于振動試驗(yàn)，絕緣試樣A是玻璃絲布補(bǔ)強(qiáng)環(huán)氧基VPI絕緣；絕緣試樣B是聚酯薄膜補(bǔ)強(qiáng)聚酯基VPI絕緣。振動試驗(yàn)結(jié)果表明試樣B的使用壽命減小，試樣A幾乎沒有變化。剖析兩種試樣，發(fā)現(xiàn)試樣B中有分層現(xiàn)象，其原因是聚酯樹脂粘接力較低，收縮率比環(huán)氧高，另外聚酯薄膜作為補(bǔ)強(qiáng)材料的絕緣帶，其機(jī)械強(qiáng)度比玻璃絲布的低。這也是汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的主絕緣采用玻璃絲布補(bǔ)強(qiáng)環(huán)氧基粉云母絕緣的原因之一。

單獨(dú)的振動作用不會對環(huán)氧粉云母絕緣的耐壓產(chǎn)生太大影響，但是如果線棒的槽楔松動，振動會導(dǎo)致槽內(nèi)防暈層與鐵心沖片摩擦而損壞防暈層，槽內(nèi)防暈層破損部位會產(chǎn)生局放而降低線棒的使用壽命。振動引起的機(jī)械磨損，加上有機(jī)絕緣材料的化學(xué)降解都會引起局放現(xiàn)象。這種惡性循環(huán)是高壓電機(jī)絕緣提前老化的主要原因之一。經(jīng)常檢測槽楔是否松動并及時(shí)處理是保證繞組使用壽命的有效措施之一。

1.6 定子繞組接線結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)的影響

額定電壓為20kV以上的水輪發(fā)電機(jī)組，每相定子繞組的極數(shù)多。運(yùn)行時(shí)繞組電壓較高容易導(dǎo)致局放或電暈現(xiàn)象，尤其是高原地帶。如果設(shè)計(jì)的定子繞組接線方式不當(dāng)，部分線棒易出現(xiàn)相間電位差大的弊病。西南某電站（國外某著名公司設(shè)計(jì)的機(jī)組結(jié)構(gòu)）就出現(xiàn)了此類問題，定子繞組每隔7根線棒的相電位差偏大，運(yùn)行一段時(shí)間后，相電位差大的線棒端部表面電暈腐蝕現(xiàn)象十分明顯（如圖3所示），并且此線棒端部固定的斜邊墊塊及端箍表面有明顯的局部放電痕跡。因此對于額定電壓較高的大型發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)定子繞組接線方式時(shí)，要考慮到降低線棒相電位差的接線方式，以利于提高定子繞組耐局放和電暈?zāi)芰Α?/p>

圖3 每隔7根的線棒表面有電暈腐蝕現(xiàn)象

西南部另一個(gè)電站額定電壓為 20kV的機(jī)組，是國外另一家著名公司設(shè)計(jì)及制造的機(jī)組。機(jī)組下層線棒下線完，耐壓試驗(yàn)時(shí)不斷出現(xiàn)對地放電現(xiàn)象。分析原因發(fā)現(xiàn)機(jī)組下端固定的槽鋼表面裸露，離定子繞組高阻段較近，耐壓試驗(yàn)時(shí)定子線棒高阻段對槽鋼（槽鋼與機(jī)座焊接在一起）放電。槽鋼表面包上絕緣層后，才消除耐壓試驗(yàn)對地放電現(xiàn)象。后幾臺機(jī)組的下端固定槽鋼，都采取表面包上絕緣層的措施。機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，一定考慮離線棒高阻段較近的金屬件的影響，一方面要保證金屬件與線棒之間有足夠的放電距離，另一方面金屬件表面可以包上絕緣層作為防護(hù)層。

2 不同絕緣體系老化壽命

Sumereder C[10]在2004年，統(tǒng)計(jì)了不同絕緣材料和不同生產(chǎn)工藝制作的400臺機(jī)組的定子繞組使用壽命。在這些機(jī)組中，其中43%是少膠VPI絕緣制備技術(shù)，37%是多膠模壓絕緣制備技術(shù)，其余的是其他制備技術(shù)。從韋伯方程分析結(jié)果看，樹脂膠絕緣體系的壽命是27年，蟲膠絕緣體系的壽命是45年，瀝青絕緣體系的壽命是55年。樹脂膠體系擊穿發(fā)生的最早，4年至10年；瀝青體系約在39年出現(xiàn)擊穿。Sumereder C利用韋伯分布函數(shù)分析了不同絕緣體系的使用壽命的狀態(tài)，韋伯分布函數(shù)中的韋伯指數(shù)是對繞組性能穩(wěn)定性進(jìn)行比較的參數(shù)，韋伯指數(shù)值大，說明繞組性能穩(wěn)定性更好。Sumereder C分析結(jié)果是樹脂膠和蟲膠的韋伯指數(shù)相近，約為2.0和1.8，而瀝青的約為3.4。

不同的絕緣體系韋伯指數(shù)不同，使用壽命也不同，原因是不同絕緣體系的額定電場強(qiáng)度不同。舊的絕緣體系使用瀝青作為絕緣粘接材料，有較大的壽命裕度和使用穩(wěn)定性，主要原因是電機(jī)容量低，定子線棒的電負(fù)荷和熱負(fù)荷都明顯低于新的樹脂絕緣體系。新的樹脂絕緣體系承擔(dān)更大的電場負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，因此電機(jī)使用壽命降低。

使用壽命與制造技術(shù)也有一定的相關(guān)性，從出現(xiàn)擊穿和繞組替換的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，多膠模壓絕緣表現(xiàn)出的使用壽命是41年，少膠VPI絕緣是29年，這兩個(gè)絕緣體系的韋伯指數(shù)相近，分別是1.7和1.8。而從絕緣層中膠黏劑的統(tǒng)計(jì)壽命看，多膠模壓和少膠VPI兩個(gè)絕緣體系沒有區(qū)別，多膠的統(tǒng)計(jì)壽命為31年，VPI的為29.5年，二者的韋伯指數(shù)均為1.6。這也是少膠絕緣技術(shù)和多膠模壓絕緣技術(shù)并存于世界的原因之一。

3 結(jié)束語

通過分析影響大型發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣性能的幾個(gè)主要因素，定子繞組在制造、安裝及使用過程中需要從以下幾方面保證繞組性能。

（1）導(dǎo)線編織的換位節(jié)距不能太小，避免出現(xiàn)短路現(xiàn)象；線棒導(dǎo)線的楞角部位需要倒角處理，倒角半徑在2mm以上較好；多膠模壓絕緣線棒在不同季節(jié)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整模壓工藝，減少出現(xiàn)絕緣發(fā)空現(xiàn)象；VPI絕緣線棒的浸漬漆應(yīng)開發(fā)新型的固化劑，以降低浸漬漆的粘度延長其使用時(shí)間。

（2）定子繞組下線后需要保持現(xiàn)場的潔凈環(huán)境，避免臟污物污染繞組；定期清理端部繞組表面的臟污物，避免出現(xiàn)漏電、局放現(xiàn)象；電機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要保持干燥的環(huán)境，能提高電機(jī)使用壽命。

（3）端部繞組需要有足夠大的空間，避免相間電位差大的線棒之間產(chǎn)生局放，腐蝕繞組表面的防護(hù)漆和絕緣層；端部繞組表面的防護(hù)漆出現(xiàn)褪色現(xiàn)象，是局放腐蝕的結(jié)果，需要重新涂刷防護(hù)漆，以延長機(jī)組使用壽命。

（4）電機(jī)的銅損耗、鐵心損耗、絕緣層損耗均使絕緣出現(xiàn)熱老化現(xiàn)象；繞組受到機(jī)械振動、電磁應(yīng)力等產(chǎn)生的機(jī)械老化現(xiàn)象，均使絕緣出現(xiàn)性能的退化。在電機(jī)結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮避免熱老化和機(jī)械老化的影響。

（5）定子繞組接線方式設(shè)計(jì)前，應(yīng)計(jì)算線棒的相電位差，采取能降低線棒相電位差的接線方式，以提高定子繞組耐局放和電暈?zāi)芰?；另一方面，機(jī)組的金屬件與線棒端部高阻段之間的距離要滿足放電距離的要求，必要時(shí)金屬件表面可以包上絕緣層作為防護(hù)層。

（6）從出現(xiàn)擊穿的統(tǒng)計(jì)壽命看，多膠模壓絕緣體系表現(xiàn)出的使用壽命是 41年，少膠 VPI絕緣體系是29年；而從絕緣層中膠黏劑的統(tǒng)計(jì)壽命看，多膠模壓和少膠VPI兩個(gè)絕緣體系都在30年左右。

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審稿人：滿宇光

Impact Factors on Large Generator Stator Windings Insulation Property

GE ChenZhong1, NING Suhui2, FU Qiang3, WANG xin1, LIU Shuai1
(1. Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, China;2. Harbin Binzhouauto Industry Automation Company Limited, Harbin 150040, China;3. State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin 150040, China; 4. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China)

The paper discusses some factors on generator stator windings insulation property. The quality of stator conductor manufacture, insulation wrapping, anti-corona treatment, curing and molding of insulation, could have made some impact on the stator coil. The contaminated surface of the coil will cause leakage current and discharge, severely flashover. A failure in corona protection layer of the end winding reduce party discharge (PD), which could erode the protect lacquer and insulation layer. The thermal ageing causes binder decomposition and insulation delamination, the gap of delamination causes PD. Such factors, such as vibration, thermal stress, magnetic field stress and centrifugal stress, produce the mechanical stress in the insulation. When coils are loose, the damaged surface protection layers cause corona and PD. Stator winding connection structure and other structure could also impact on winding insulation property.

stator winding; insulation property; ageing; party discharge

TM305.2

A

1000-3983(2014)03-0035-06

2013-08-17

葛臣忠（1964-），1985年畢業(yè)于哈爾濱電機(jī)制造學(xué)校，現(xiàn)從事電機(jī)制造工藝工作，工程師。