付　強(qiáng)　滿(mǎn)宇光　盧春蓮　潘延明　隋銀德

（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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱　150040；3. 國(guó)家水利發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，哈爾濱　150040；4. 哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司，哈爾濱　150040）

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大型電機(jī)VPI絕緣體系的關(guān)鍵技術(shù)研究

付強(qiáng)1,2,3,4滿(mǎn)宇光1,2,3,4盧春蓮2,3,4潘延明2,3,4隋銀德2,3,4

（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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150040；3. 國(guó)家水利發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，哈爾濱150040；4. 哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

摘要本文介紹了哈電（哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司）在大型電機(jī)定子線(xiàn)棒真空壓力浸漬（Vacuum Pressure Impregnation，VPI）絕緣體系的關(guān)鍵技術(shù)方面的研究成果。首先，介紹了優(yōu)選的VPI絕緣體系原材料（浸漬漆、少膠云母帶及防暈材料）的性能；其次，介紹了VPI絕緣體系應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵設(shè)備（包括儲(chǔ)存漆、輸回漆系統(tǒng)、浸漬漆系統(tǒng)）性能；最后，通過(guò)利用水電真機(jī)定子線(xiàn)棒進(jìn)行大量工藝試驗(yàn)，確定了VPI定子線(xiàn)棒絕緣包扎工藝、浸漬工藝、一次成型防暈處理工藝及熱壓工藝，線(xiàn)棒的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等品要求，目前哈電的VPI絕緣技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

關(guān)鍵詞：大型發(fā)電機(jī)；VPI絕緣體系；定子線(xiàn)棒；關(guān)鍵技術(shù)

目前國(guó)際上大型高壓電機(jī)定子線(xiàn)棒有兩種絕緣體系，一種是多膠模壓絕緣體系，另一種是少膠真空壓力浸漆（Vacuum Pressure Impregnation，VPI）絕緣體系。由于一些國(guó)內(nèi)外客戶(hù)明確要求使用VPI技術(shù)制造發(fā)電機(jī)的定子線(xiàn)棒，為了滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，哈電（哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司）于2008年開(kāi)始進(jìn)行VPI絕緣體系的應(yīng)用研究工作。通過(guò)短短幾年的科研攻關(guān)，解決了一系列的技術(shù)難題。自2011年來(lái)，哈電VPI絕緣技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外20多家電廠(chǎng)機(jī)組上，為哈電帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。哈電的VPI絕緣體系能夠滿(mǎn)足汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、抽水蓄能機(jī)組等對(duì)VPI絕緣技術(shù)的要求，對(duì)哈電及國(guó)內(nèi)VPI絕緣技術(shù)的發(fā)展及新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1　試驗(yàn)說(shuō)明

1）浸漬漆的老化性能檢測(cè)

從哈電線(xiàn)圈分廠(chǎng)取浸漬漆（環(huán)氧樹(shù)脂EPR162、甲基六氫苯酐EPH868已經(jīng)按照比例混合好），檢測(cè)70℃下的粘度值（粘度測(cè)試儀，型號(hào)VT550，德國(guó)HAAKE公司）。

2）浸漬漆的機(jī)械性能檢測(cè)

按照環(huán)氧樹(shù)脂、甲基六氫苯酐固化劑及促進(jìn)劑二甲基芐胺（Butanediol dimethacrylate，BDMA）按100∶90∶1（重量比）進(jìn)行混合，倒入模具中進(jìn)行固化處理，檢測(cè)抗彎強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、抗沖強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度[1]。利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)WDW-100）檢測(cè)拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，Instron萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)3367，美國(guó)）檢測(cè)抗彎強(qiáng)度，Zwick沖擊試驗(yàn)機(jī)（HIT-25P，德國(guó)）檢測(cè)抗沖強(qiáng)度。

3）浸漬漆與少膠云母帶相容穩(wěn)定性試驗(yàn)

少膠云母帶（長(zhǎng)度300mm）在80℃預(yù)熱1h去除潮氣，然后放入裝有漆浸漬的1000ml磨口瓶中，在70℃放置8h為一個(gè)周期，每周期過(guò)后換一次云母帶，檢測(cè)10個(gè)周期過(guò)程中粘度的變化。

4）云母帶透氣性檢測(cè)

100ml的氣體透過(guò)云母帶的時(shí)間，要求小于1000s（透氣儀：型號(hào)4110N，美國(guó)Gurley）。

定子線(xiàn)棒常態(tài)介質(zhì)損耗試驗(yàn)（介質(zhì)損耗自動(dòng)測(cè)試儀，瑞士Haefely公司，型號(hào)2809a），測(cè)試電壓范圍為0.2UN～1.0UN（UN是線(xiàn)棒的額定電壓值），間隔0.2UN，共測(cè)試5點(diǎn)，環(huán)境溫度為室溫。局部放電試驗(yàn)（局部放電測(cè)試儀：型號(hào)LDS—6，德國(guó)Doble公司），測(cè)試電壓為0.2UN～1.2UN，環(huán)境溫度為室溫。電老化試驗(yàn)，2UN和3UN電老化試驗(yàn)；其中使用的高壓設(shè)備有：300kV試驗(yàn)變壓器，型號(hào)YD—300/300，營(yíng)口精誠(chéng)電器有限公司；60kV無(wú)局放試驗(yàn)變壓器：營(yíng)口精誠(chéng)電器有限公司，型號(hào)YDW—10/60；線(xiàn)棒性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)[2]。

2　VPI絕緣技術(shù)研究

哈電從2008年開(kāi)始進(jìn)行VPI絕緣體系的開(kāi)發(fā)工作，哈電的技術(shù)人員依靠自身的能力及調(diào)研、借鑒國(guó)內(nèi)同行的研究工作，進(jìn)行了一系列的科技攻關(guān)，解決了以下關(guān)鍵技術(shù)，為哈電成功應(yīng)用VPI絕緣技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

2.1原材料性能研究

VPI絕緣體系主要包括少膠云母帶、浸漬漆、防暈材料。下面分別介紹哈電選擇的VPI絕緣體系的原材料。

1）浸漬漆

大型電機(jī)真空壓力F級(jí)浸漬樹(shù)脂主要有兩種：①以美國(guó)西屋公司和法國(guó)阿爾斯通公司為代表的環(huán)氧酸酐苯乙烯體系；②以德國(guó)西門(mén)子公司為代表的環(huán)氧酸酐體系[3]。這兩種樹(shù)脂都有長(zhǎng)期應(yīng)用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有各自的特點(diǎn)。環(huán)氧聚酯酸酐苯乙烯體系含有苯乙烯，粘度較小可在室溫浸漬，浸漬漆內(nèi)加有促進(jìn)劑。環(huán)氧酸酐體系是由高純度液體環(huán)氧樹(shù)脂和甲基六氫苯酐組成，無(wú)苯乙烯和其它任何稀釋劑，屬于環(huán)保型產(chǎn)品；但是室溫粘度較大，需要升溫至60℃左右浸漬，浸漬樹(shù)脂內(nèi)沒(méi)有促進(jìn)劑，要依靠少膠帶里的促進(jìn)劑使其絕緣最終固化。

圖1　浸漬漆耐老化性能檢測(cè)

從近幾年的情況看，環(huán)保型環(huán)氧酸酐類(lèi)浸漬漆越來(lái)越被各個(gè)廠(chǎng)家重視[4]，因此哈電綜合考慮選用Hexion公司環(huán)氧酸酐類(lèi)浸漬漆。此類(lèi)浸漬漆使用時(shí)需要注意以下問(wèn)題[3]：室溫粘度偏大必須在50℃～70℃下浸漬；在儲(chǔ)存和使用時(shí)，易被雜質(zhì)污染而粘度增大、絕緣性能降低，對(duì)環(huán)境溫度十分敏感。針對(duì)上述問(wèn)題，哈電采取了以下措施：選用可以調(diào)溫的浸漬設(shè)備保證浸漬時(shí)溫度穩(wěn)定在50℃～70℃范圍內(nèi)；浸漬設(shè)備與儲(chǔ)存罐密封連接保證浸漬漆不與外界接觸；浸漬漆輸回儲(chǔ)漆罐后，降低儲(chǔ)漆罐溫度，延長(zhǎng)浸漬漆的儲(chǔ)存期；浸漬漆輸出時(shí)加熱到50℃～70℃，利于浸漬漆的流動(dòng)性。

浸漬漆耐老化性能檢測(cè)如圖1（a）所示，經(jīng)過(guò)100℃放置20h后，在70℃檢測(cè)粘度幾乎沒(méi)有變化；70℃放置10d后，在70℃檢測(cè)粘度，粘度略有變化。浸漬漆使用32個(gè)月時(shí)間，期間監(jiān)測(cè)了儲(chǔ)漆罐中浸漬漆粘度變化值，如圖1（b）所示粘度增加緩慢，說(shuō)明浸漬漆儲(chǔ)存期長(zhǎng)，從這個(gè)結(jié)果可知哈電的國(guó)產(chǎn)儲(chǔ)漆罐、浸漬漆設(shè)備密閉性好，避免了浸漬漆受到外界的潮氣影響而降低了儲(chǔ)存期的問(wèn)題。

將環(huán)氧樹(shù)脂、酸酐及促進(jìn)劑BDMA（Butanediol dimethacrylate，二甲基芐胺）按100∶90∶1（重量比）進(jìn)行混合，然后按要求的固化工藝處理，檢測(cè)浸漬漆的機(jī)械性能見(jiàn)表1，Hexion浸漬漆固化后的機(jī)械性能滿(mǎn)足要求。

表1　浸漬漆固化后的機(jī)械性能

浸漬漆與云母帶的相容穩(wěn)定性試驗(yàn)的目的是檢測(cè)云母帶對(duì)浸漬漆老化的影響，只有少膠云母帶對(duì)浸漬漆的粘度影響較小，才能保證浸漬漆長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。相容穩(wěn)定性試驗(yàn)中利用Hexion漆浸漬豐羅少膠云母帶（長(zhǎng)度300mm），在70℃放置8h為一個(gè)周期，每周期過(guò)后換一次云母帶，檢測(cè)10個(gè)周期過(guò)程中粘度的變化如圖2所示。10個(gè)周期后，粘度增加量為2.1mPa·s。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合成直線(xiàn)方程：Y=0.21x+19.62。由方程式可以知道，粘度增大到80mPa·s時(shí)，大約需要287個(gè)周期，根據(jù)生產(chǎn)工藝需要的時(shí)間推算出浸漬漆大致可以使用兩年的時(shí)間，因此浸漬漆與云母帶的相容穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。這個(gè)推算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用結(jié)果有偏差，從圖1 （b）可知浸漬漆實(shí)際使用時(shí)間接近32個(gè)月時(shí)間，原因是試驗(yàn)時(shí)每次拿出、放進(jìn)云母帶，容易帶進(jìn)潮氣，影響了試驗(yàn)效果。

圖2　Hexion浸漬漆與豐羅云母帶相容穩(wěn)定性試驗(yàn)

2）云母帶

少膠云母帶由云母紙、單面補(bǔ)強(qiáng)無(wú)捻玻璃絲布和膠粘劑三部分組成，少膠云母帶作為定子線(xiàn)圈主絕緣重要組成部分，關(guān)系到發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，因此少膠云母帶性能要求須達(dá)到以下要求[5]：材料基本性能滿(mǎn)足要求，如厚度、組成成份和拉伸強(qiáng)度、電氣強(qiáng)度等；具有良好的透氣性，保證浸漬時(shí)能浸透線(xiàn)棒的絕緣層；具有良好的包扎工藝性，包扎時(shí)沒(méi)有掉粉、粘連、分層、云母紙斷裂、玻璃布抽絲和帶盤(pán)松動(dòng)的現(xiàn)象；與配合使用的浸漬樹(shù)脂相容性好；具較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，在25℃密封儲(chǔ)存24個(gè)月。

2010年前國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家多采用濕法制造少膠云母帶，使用過(guò)程中容易出現(xiàn)分層、掉粉、反粘、拉絲、帶盤(pán)松動(dòng)的問(wèn)題[5]。國(guó)外通常采用干法制造少膠云母帶，即將樹(shù)脂顆粒均勻的噴撒在云母紙上，再與玻璃布通過(guò)熱輥復(fù)合成整體，制作工藝較先進(jìn)，沒(méi)有出現(xiàn)上述問(wèn)題。

2010年哈電鑒于國(guó)內(nèi)濕法制造的少膠云母帶達(dá)不到使用要求，因此哈電選用國(guó)外干法制造的少膠云母帶。哈電選用豐羅公司的少膠云母帶（型號(hào)：355.55），進(jìn)行性能比較，見(jiàn)表2。豐羅云母帶透氣性較優(yōu)良。

表2　三種少膠云母帶性能比較

豐羅云母帶制作的線(xiàn)棒瞬時(shí)擊穿電壓、擊穿場(chǎng)強(qiáng)及熱態(tài)介損值（見(jiàn)表3）達(dá)到優(yōu)等品要求[2]。豐羅線(xiàn)棒的常態(tài)介損值及增量（見(jiàn)表4）達(dá)到優(yōu)等品要求。豐羅云母帶包扎在線(xiàn)棒上，檢查其包扎工藝性，使用過(guò)程中沒(méi)有分層、掉粉、反粘、拉絲、帶盤(pán)松動(dòng)的現(xiàn)象，說(shuō)明豐羅云母帶包扎工藝性能滿(mǎn)足要求。

表3　豐羅云母帶制作的線(xiàn)棒瞬時(shí)擊穿電壓、熱態(tài)損耗值

表4　豐羅線(xiàn)棒的介損及介損增量平均值

3）防暈材料

（1）高阻防暈材料

由于VPI工藝的特殊性，線(xiàn)棒需進(jìn)入浸漆罐進(jìn)行浸漆，浸漆完成后，其余浸漬漆重新輸回儲(chǔ)漆罐，進(jìn)行低溫保存。許多廠(chǎng)家選擇主絕緣固化后再進(jìn)行刷漆防暈處理，效率低且污染環(huán)境，因此為了避免防暈漆對(duì)環(huán)境的污染和危害操作者健康，防暈結(jié)構(gòu)仍然采用哈電傳統(tǒng)的“一次防暈成型”結(jié)構(gòu)，即防暈層與主絕緣層一起熱壓固化成型，為此哈電與防暈材料制造廠(chǎng)家聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制了適用于VPI制造技術(shù)的新型國(guó)產(chǎn)高阻防暈材料。

表5是15.75kV電壓等級(jí)的線(xiàn)棒，分別使用國(guó)內(nèi)、國(guó)外高阻防暈材料后，起暈電壓試驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明國(guó)內(nèi)高阻防暈材料性能優(yōu)于國(guó)外材料。

圖3中B樣、D樣、E樣是國(guó)外的高阻防暈材料及結(jié)構(gòu)，C樣是國(guó)產(chǎn)高阻防暈材料及結(jié)構(gòu)。從圖3（a）1.0UN和（b）1.5UN下測(cè)量的兩種表面電位分布圖看，國(guó)產(chǎn)材料從低阻與高阻搭接處的電位較平緩升到最高電位，而國(guó)外材料的表面電位從低阻與高阻搭接處電位上升的很快，從圖上看圖形較陡，這說(shuō)明國(guó)外防暈結(jié)構(gòu)低阻到高阻電位變化有個(gè)突變。因此還是國(guó)內(nèi)的防暈材料及結(jié)構(gòu)好于國(guó)外的。因此VPI絕緣體系的高阻防暈材料選用國(guó)產(chǎn)材料。國(guó)產(chǎn)高阻材料在18kV/375MW真機(jī)VPI定子線(xiàn)棒應(yīng)用后，檢測(cè)線(xiàn)棒的防電暈性能見(jiàn)表6，各項(xiàng)性能均優(yōu)秀。

表5　國(guó)內(nèi)外高阻防暈材料起暈電壓

圖3　測(cè)量表面電位頒布圖

表6　18kV/375MW真機(jī)VPI定子線(xiàn)棒防電暈性能

（2）低阻防暈材料

利用國(guó)外低阻防暈材料制作VPI線(xiàn)棒，測(cè)量低阻段表面電阻率。測(cè)試結(jié)果表明，國(guó)外的低阻防暈材料的表面電阻率比較穩(wěn)定，測(cè)量的阻值范圍為1.53～3.22kΩ，見(jiàn)表7。國(guó)外低阻材料可以與主絕緣一起浸漬，而不污染浸漬漆，有多年的應(yīng)用業(yè)績(jī)，因此為了保證浸漬漆不被污染，哈電選用國(guó)外低阻材料。

表7　國(guó)外低阻防暈層表面電阻率

2.2VPI絕緣體系浸漬設(shè)備的性能

購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口VPI設(shè)備不但價(jià)格高，而且需要購(gòu)買(mǎi)其配套VPI絕緣材料，并且材料的價(jià)格昂貴，較難保證供貨周期。為了以后少膠絕緣材料國(guó)產(chǎn)化，哈電放棄從國(guó)外進(jìn)口VPI設(shè)備，走一條自主創(chuàng)新之路，與國(guó)內(nèi)設(shè)備制造廠(chǎng)家聯(lián)合進(jìn)行設(shè)備國(guó)產(chǎn)化工作，于2008年11月儲(chǔ)漆罐、浸漆罐及烘爐研制成功并投入使用。

1）儲(chǔ)漆、輸回漆系統(tǒng)

儲(chǔ)漆罐儲(chǔ)存浸漬漆約6～7t/罐，儲(chǔ)存溫度由制冷系統(tǒng)控制為10℃以下。加熱系統(tǒng)可以加熱至95℃，由循環(huán)泵保證加熱溫度的均勻性。

浸漬前儲(chǔ)漆罐中浸漬漆需加熱至50℃～60℃，并進(jìn)行攪拌使浸漬漆溫度均勻，然后打開(kāi)管道閥門(mén)，利用浸漆罐的真空壓力差將加熱好的浸漬漆從浸漆罐底部均勻的輸入浸漆罐內(nèi)的槽車(chē)中。輸漆完成后，關(guān)閉管道閥門(mén)，同時(shí)儲(chǔ)漆罐停止加熱并起動(dòng)制冷系統(tǒng)，盡快將儲(chǔ)漆罐的溫度降至10℃以下。線(xiàn)棒浸漆完成后，打開(kāi)管道閥門(mén)，利用壓力差將浸漬漆輸回儲(chǔ)漆罐內(nèi)冷卻保存。

2）浸漆系統(tǒng)

浸漆罐是一個(gè)臥式浸漬罐（如圖4（a）所示），具有密封式開(kāi)閉罐門(mén)裝置。浸漆罐包括加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)（如圖4（b）所示）、儲(chǔ)漆槽車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)、空氣壓縮干燥系統(tǒng)等。浸漆前浸漆罐開(kāi)始加熱至浸漬溫度，需要浸漬的線(xiàn)棒放置在槽車(chē)內(nèi)，槽車(chē)勻速進(jìn)入浸漆罐內(nèi)，關(guān)閉罐門(mén)。對(duì)浸漆罐加熱并抽真空，打開(kāi)管道閥門(mén)，利用壓力差將加熱好的浸漬漆從浸漆罐底部均勻的輸入浸漆罐內(nèi)的槽車(chē)中，浸漬漆輸入穩(wěn)定后再次抽真空至20Pa保持一段時(shí)間。然后通過(guò)空氣壓縮機(jī)用干燥的壓縮空氣給浸漆罐加壓，加壓過(guò)程中需通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)氣裝置確保正常的壓力范圍。線(xiàn)棒完成浸漬后，儲(chǔ)漆罐內(nèi)的空氣通過(guò)循環(huán)裝置排大氣中，卸壓到一定壓力值后，打開(kāi)管道閥門(mén)，利用壓力差將浸漬漆輸回儲(chǔ)漆罐內(nèi)。在罐內(nèi)浸漬漆輸回儲(chǔ)漆罐后，使罐內(nèi)壓力與大氣壓力平衡，然后將罐門(mén)打開(kāi)，控制槽車(chē)勻速出罐。

圖4　浸漆系統(tǒng)

3）VPI定子線(xiàn)棒壓模及烘爐

（1）VPI定子線(xiàn)棒壓模

浸漆的定子線(xiàn)圈需要在模具中固化，以保證線(xiàn)棒槽內(nèi)尺寸符合要求。哈電根據(jù)VPI絕緣工藝的特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一模多壓的VPI絕緣壓模模具。

①水輪發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒VPI壓模

為了實(shí)現(xiàn)一模多壓，模具直線(xiàn)部分采用多個(gè)模腔組合結(jié)構(gòu)，每個(gè)模腔依靠上下止口的寬度控制槽部線(xiàn)棒寬度尺寸，線(xiàn)棒放置在模具內(nèi)采用線(xiàn)棒小面平行于地面的方式，一模能放置多根線(xiàn)棒，整副模具的寬度考慮線(xiàn)棒的節(jié)距及活動(dòng)車(chē)平臺(tái)寬度，使模具能擺放在活動(dòng)車(chē)平臺(tái)上。

模具加壓方式為風(fēng)動(dòng)加壓方式，避免了操作工人的不穩(wěn)定性導(dǎo)致線(xiàn)棒的直線(xiàn)部分橫截面尺寸超差的問(wèn)題，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。端部的截面尺寸要求相對(duì)槽部要低一些，因此端部采用多層熱收縮帶包扎墊板的方式來(lái)壓制。水電定子線(xiàn)圈在引線(xiàn)部分的并頭塊位置尺寸復(fù)雜多樣，上、下層除了普通線(xiàn)棒還有引出、連接線(xiàn)棒，線(xiàn)棒并頭空間位置對(duì)線(xiàn)棒在節(jié)距、升高等方面有嚴(yán)格要求，并頭位置使用了固定工具（如圖5），線(xiàn)圈的節(jié)距和升高都靠固定工具精度來(lái)控制。

②汽輪發(fā)電機(jī)VPI定子線(xiàn)棒壓模

圖5　水輪發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒VPI壓模

空冷汽輪發(fā)電機(jī)VPI定子線(xiàn)棒熱壓模如圖6所示，直線(xiàn)有壓緊模具，端部沒(méi)有模具?？绽淦啺l(fā)電機(jī)VPI定子線(xiàn)棒的熱壓模模具底座是通用的底座，不同空冷火電產(chǎn)品只需制作一套直線(xiàn)定位壓鐵和上下止口及制作端部夾緊裝置。模具的端部壓緊裝置可以調(diào)節(jié)，裝配時(shí)能夠準(zhǔn)確靈活地調(diào)節(jié)定子線(xiàn)圈的升高、端部長(zhǎng)度、節(jié)距等幾何尺寸。

圖6　空冷汽輪發(fā)電機(jī)VPI定子線(xiàn)棒壓模

（2）VPI線(xiàn)棒烘爐

烘爐（如圖7）有自動(dòng)加熱系統(tǒng)，設(shè)置好程序可以自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制爐溫，爐溫最高可達(dá)200℃，恒溫時(shí)溫度穩(wěn)定，爐內(nèi)溫差小于±1℃，滿(mǎn)足有機(jī)樹(shù)脂類(lèi)材料的固化工藝要求；烘爐內(nèi)有電動(dòng)臺(tái)車(chē)，模具放在臺(tái)車(chē)上，由臺(tái)車(chē)運(yùn)進(jìn)、運(yùn)出烘爐；烘爐有排風(fēng)系統(tǒng)，可以將絕緣固化過(guò)程中產(chǎn)生的小分子氣體排出。

圖7　哈電的VPI烘爐

VPI線(xiàn)棒浸漬、防暈處理完成后，放進(jìn)熱壓模內(nèi)固定好，由臺(tái)車(chē)將裝壓好線(xiàn)棒的模具運(yùn)進(jìn)烘爐內(nèi)，勻速升溫升到固化溫度保溫固化。

2.3真機(jī)試驗(yàn)線(xiàn)棒VPI技術(shù)研究

為了探索VPI絕緣制造技術(shù)，本項(xiàng)目以托口水電站的真機(jī)線(xiàn)棒作為試驗(yàn)線(xiàn)棒（主絕緣單面厚度為4.25mm，額定電壓為UN=15.75kV），分批進(jìn)行工藝探索，在探索過(guò)程中，不斷進(jìn)行工藝、工具等方面優(yōu)化，總結(jié)出合適的工藝技術(shù)，為VPI線(xiàn)棒規(guī)模投產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1）絕緣包扎工藝研究

自動(dòng)包帶機(jī)一直應(yīng)用在多膠模壓云母帶的包扎，應(yīng)用在VPI少膠云母帶時(shí)，需要重新探索設(shè)備工藝參數(shù)，避免包扎時(shí)云母帶打褶、拉斷、層間不緊密等現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，確定了VPI少膠云母帶包扎時(shí)設(shè)備工藝參數(shù)，保證了包扎質(zhì)量。線(xiàn)棒的絕緣包扎層數(shù)是決定線(xiàn)棒絕緣電氣性能主要因素之一，因此必須確定好合適的絕緣包扎層數(shù)。根據(jù)不同包扎層數(shù)對(duì)應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)值確定了VPI真機(jī)定子線(xiàn)棒的絕緣包扎層數(shù)。

2）浸漬工藝研究

托口試驗(yàn)線(xiàn)棒采取的浸漬溫度為50℃，50℃時(shí)浸漬漆的粘度值約為53mPa·s。真空浸漬時(shí)浸漬漆進(jìn)入絕緣層的途徑：線(xiàn)棒引線(xiàn)處沿著電磁線(xiàn)之間的縫隙被吸入；從云母帶層間的縫隙被吸入。為保證更好的浸漬效果，線(xiàn)棒絕緣層包的保護(hù)帶有φ 5孔，利于浸漬漆從絕緣層云母帶之間浸漬。其它浸漬與哈電預(yù)定的浸漬工藝相同。為檢測(cè)哈電浸漬工藝的效果，浸漬完的線(xiàn)棒加熱固化后扒開(kāi)絕緣層檢查，發(fā)現(xiàn)浸漬效果良好。良好的浸漬工藝能保證線(xiàn)棒的性能，這可從線(xiàn)棒的電性能（圖9至圖10）及電老化性能得出。

3）一次成型防暈處理及熱壓工藝研究

線(xiàn)棒低阻防暈層與主絕緣一起浸漬好后，按照防暈工藝要求處理中高阻段，然后包上防護(hù)層放入壓模熱壓固化成型。本試驗(yàn)過(guò)程中制作了15根VPI線(xiàn)棒，端部防暈段為兩段結(jié)構(gòu)，低阻材料為國(guó)外材料，高阻材料為國(guó)產(chǎn)材料，包在主絕緣層外與主絕緣層一次熱壓固化成型。15根VPI線(xiàn)棒在1.5UN（=23.625kV）沒(méi)有起暈，升壓至50kV時(shí)仍沒(méi)有起暈，說(shuō)明試驗(yàn)線(xiàn)棒的防暈結(jié)構(gòu)合理，國(guó)產(chǎn)防暈材料效果良好。

線(xiàn)棒加熱到規(guī)定的溫度，保溫10～15h，VPI浸漬漆固化前后的紅外光譜圖如圖8（a）和（b）所示，固化后的紅外光譜圖表明沒(méi)有活性基團(tuán)存在，固化工藝較合適。

圖8　VPI浸漬漆固化前后光譜圖

4）常規(guī)電性能檢測(cè)

常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)是在0.2UN電壓下，絕緣介質(zhì)中的氣隙未產(chǎn)生放電時(shí)進(jìn)行的測(cè)試，主要考察的是定子線(xiàn)棒材料的本征性能；常態(tài)介質(zhì)損耗增量是測(cè)試電壓為0.6UN和0.2UN下的介質(zhì)損耗因數(shù)的差值，考察的是絕緣制造工藝的穩(wěn)定性。隨著測(cè)試電壓增大通常氣隙和尖端產(chǎn)生的局部放電會(huì)加重，介質(zhì)損耗會(huì)有明顯的增大。如果線(xiàn)棒絕緣整體性好，正確固化后氣隙含量低，那么損耗因數(shù)增量也會(huì)很低。從圖9（a）與（b）可以看出，兩根試驗(yàn)線(xiàn)棒在測(cè)試電壓0.2UN下的常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)均小于1%，介損增量小于0.2%，都達(dá)到了CEEIA/154—2003標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等品[2]要求。

圖9　線(xiàn)棒的介質(zhì)損耗

熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)是在155℃/0.6UN下測(cè)量的，考察的是高溫下絕緣結(jié)構(gòu)中發(fā)生氣體放電產(chǎn)生的損耗值。從圖10（a）可以看出，試驗(yàn)線(xiàn)棒的熱態(tài)損耗值均小于5%，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等品[2]要求。

局部放電量的大小可反映線(xiàn)棒絕緣的整體性，如果氣隙含量大或有發(fā)空現(xiàn)象，局部放電量就相對(duì)大。從圖10（b）可以看到，試驗(yàn)線(xiàn)棒在額定電壓下（UN=15.75kV）的局放值均小于200pC，達(dá)到了GB/T 20833—2007標(biāo)準(zhǔn)的要求[6]。

圖10　熱態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試

在變壓器油箱內(nèi)進(jìn)行逐級(jí)耐壓試驗(yàn)和瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)。逐級(jí)耐壓試驗(yàn)從53kV開(kāi)始升壓，每隔5kV停留1min，直至擊穿；瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)，以1kV/s的速度升壓，直至擊穿。

逐級(jí)耐壓與瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表8與表9，逐級(jí)耐壓值和瞬時(shí)擊穿電壓值都較高，瞬時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等品[2]的要求。逐級(jí)耐壓沒(méi)有國(guó)標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是三菱公司的逐級(jí)耐壓試驗(yàn)要求擊穿場(chǎng)強(qiáng)大于25kV/mm，哈電VPI試驗(yàn)線(xiàn)棒達(dá)到三菱公司的要求。

表8　逐級(jí)耐壓試驗(yàn)

表9　瞬時(shí)擊穿電壓試驗(yàn)

5）電老化試驗(yàn)

通過(guò)高出額定電壓一定倍數(shù)的快速電老化試驗(yàn)是國(guó)際通行的考核定子線(xiàn)棒長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵試驗(yàn)，相對(duì)其他試驗(yàn)，電老化試驗(yàn)對(duì)定子線(xiàn)棒絕緣系統(tǒng)的評(píng)估更全面。VPI真機(jī)試驗(yàn)線(xiàn)棒（額定電壓UN=15.75kV）電老化試驗(yàn)分別在2.0UN和3.0UN下在空氣中進(jìn)行，按照西門(mén)子公司的要求在2.0UN下不小于1000h，在3.0UN下不小于10h。國(guó)外高電壓等級(jí)的VPI定子線(xiàn)棒在加速老化時(shí)，需要裝分流電阻，否則線(xiàn)棒端部防暈表面溫度達(dá)到100℃以上，根本無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期電老化試驗(yàn)。而本項(xiàng)目中的3.0UN下電老化試驗(yàn)是沒(méi)有借助任何分流設(shè)備下完成的。項(xiàng)目試驗(yàn)中，VPI線(xiàn)棒在2UN（=31.5kV）電老化試驗(yàn)進(jìn)行了1416h，沒(méi)有擊穿現(xiàn)象出現(xiàn)；3UN（=47.25kV）電老化試驗(yàn)進(jìn)行了500h，線(xiàn)棒的主絕緣仍完好無(wú)損，2.0UN和3.0UN電老化都是人為停止試驗(yàn)，線(xiàn)棒沒(méi)有放電、擊穿現(xiàn)象。電老化試驗(yàn)結(jié)果表明VPI主絕緣性能與防暈系統(tǒng)性能都滿(mǎn)足長(zhǎng)期使用的要求。

3　結(jié)論

哈電在VPI絕緣體系應(yīng)用研究過(guò)程中，依靠團(tuán)隊(duì)的技術(shù)能力，解決了一系列的技術(shù)難題，從材料、設(shè)備、工藝等幾方面進(jìn)行探索，然后在真機(jī)線(xiàn)棒開(kāi)始試驗(yàn)研究，研制結(jié)果如下：

1）通過(guò)對(duì)大型發(fā)電機(jī)組VPI絕緣體系關(guān)鍵技術(shù)的研究，優(yōu)化出合適哈電技術(shù)條件的VPI絕緣材料體系，為哈電進(jìn)一步開(kāi)展VPI絕緣體系核心材料國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用研究奠定了堅(jiān)強(qiáng)的基礎(chǔ)。

2）VPI需要的關(guān)鍵設(shè)備成功國(guó)產(chǎn)化，使哈電與國(guó)內(nèi)制造企業(yè)掌握了VPI設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，避免VPI技術(shù)受制于人的困境，為國(guó)家節(jié)省了900多萬(wàn)資金。

3）在研制托口真機(jī)VPI定子線(xiàn)棒過(guò)程中，從原材料的選用、絕緣包扎工藝、浸漬工藝、防暈材料國(guó)產(chǎn)化、熱壓工藝等方面入手，解決了許多難題，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為VPI定子線(xiàn)棒產(chǎn)品投產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前哈電在水電、火電、巨型機(jī)組等都有成熟的VPI絕緣技術(shù)，哈電的VPI絕緣體系已具備與發(fā)達(dá)國(guó)家抗衡的能力。

參考文獻(xiàn)

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付強(qiáng)（1968-），男，黑龍江人，博士，哈爾濱大電機(jī)研究所高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閺?fù)合材料、高電壓技術(shù)、新型絕緣材料及絕緣技術(shù)、新型防電暈材料及技術(shù)、新型能源材料。

Research on Essential Technology of Large Generator VPI Insulating System

Fu Qiang1,2,3,4Man Yuguang1,2,3,4Lu Chunlian2,3,4Pan Yanming2,3,4Sui Yinde2,3,4
(1. Harbin Institute of Large Electric Machinery, Harbin150040; 2. State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin150040; 3. National Engineering Research Center Hydropower Equipment, Harbin150040; 4. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin150040)

Abstract The paper introduces research results of key technologies of VPI (Vacuum Pressure Impregnation) insulation system for large generator stator coils in HEC (Harbin Electric Machinery Company Limited). Firstly, raw material properties of VPI insulation system (such as impregnation lacquer, less-resin mica tape and anti-corona material) optimized selected are introduced. Secondly, key equipments properties of VPI insulation system (such as storge lacquer system, transport and return lacquer system and impregnating system) manufactured by domestic corporations are introduced. At lastly, plenty of tests of hydrogenerator stator coils had been carried out, and the test results ascertained some technologies which were about VPI stator coil insulation wrapping quelity, impregnate technology, onetime-molding-anticorona technology and hot-press technology. The stator coils properties can up to scratch of excellent product. Nowadays VPI insulation technology in HEC had rearch advanced international standards.

Keywords：large generator; VPI insulation system; stator coil; key technology

作者簡(jiǎn)介