吳曉蕾，張 軍，劉亞麗

（1．上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 200240；2.機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所, 北京 100070）

20kV級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組防暈設(shè)計的優(yōu)化

吳曉蕾1，張 軍1，劉亞麗2

（1．上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 200240；2.機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所, 北京 100070）

本文以寧海電廠600MW發(fā)電機(jī)定子繞組端部燒蝕問題的原因分析及處理措施為例，從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及定子繞組防暈設(shè)計原理出發(fā)，闡述了20kV級水氫冷發(fā)電機(jī)定子繞組槽部、端部防暈的設(shè)計優(yōu)化。

電暈；起暈電壓；槽部放電；振動火花放電；繞組

0 前言

隨著我國電力事業(yè)的迅速發(fā)展，發(fā)電機(jī)設(shè)計也逐漸趨向大容量、高電壓發(fā)展；發(fā)電機(jī)額定電壓的提高，對定子繞組防暈技術(shù)提出了更高的要求。高壓電機(jī)的電暈是由于固體絕緣材料表面氣體在不均勻電場下發(fā)生的沿面放電[1]；一般認(rèn)為額定電壓超過6kV的發(fā)電機(jī)定子繞組需采取防電暈措施，以減少電暈對定子繞組絕緣的電腐蝕。高壓電機(jī)定子繞組的防暈設(shè)計常包括：定子繞組槽內(nèi)防暈和繞組端部防暈設(shè)計[2]。本文以寧海電廠2號機(jī)定子繞組端部燒蝕問題的處理措施為例，從發(fā)電機(jī)電暈的技術(shù)要求，防暈設(shè)計目的和原理，闡述了20kV級水氫冷發(fā)電機(jī)定子繞組槽內(nèi)防暈、繞組端部防暈設(shè)計的優(yōu)化。

1 寧海電廠2號發(fā)電機(jī)（QFSN-600-2600MW 20kV）定子繞組端部燒蝕問題的處理

1.1 問題描述

2006年 1月寧海電廠 2號發(fā)電機(jī)（QFSN-600-2 600MW），累計運行 1265h，發(fā)生 4#、5#槽定子線圈端部絕緣燒損，碳化燒損深度約 1～3mm，可調(diào)綁環(huán)外側(cè)部分表面也有局部碳化現(xiàn)象。

圖1 定子繞組端部線棒表面燒損情況

1.2 原因分析

寧海2號發(fā)電機(jī)是2004年制造的600MW 水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)（工號60SH015），該電機(jī)定子線圈采用全固化一次成型防暈技術(shù)(低阻結(jié)束在漸伸線)； 定子線圈槽內(nèi)以半導(dǎo)體側(cè)面墊條使線圈低阻表面與鐵心形成電氣連接；定子繞組端部采用開放式綁扎固定的方式，繞組端部固定的主要絕緣結(jié)構(gòu)件有錐環(huán)，支架，可調(diào)綁環(huán)及灌注水龍帶等。

1.2.1 分析及驗證

（1）間隙起暈的模擬試驗

根據(jù)寧海2號發(fā)電機(jī)定子繞組端部實際間隙，模擬端部固定狀態(tài)及同層同級防暈錯位情況，開展不同電氣距離下的起暈試驗以及相同間隙下填塞絕緣介質(zhì)的起暈對比試驗（圖2，圖3）。經(jīng)試驗驗證得出，絕緣介質(zhì)的填塞將提高間隙起暈電壓約22%。

圖2 模擬繞組端部固定方式的不同間隙的電暈試驗

圖3 模擬定子繞組端部間隙的試驗驗證

（2）端部燒蝕的試驗室模擬

對寧海電廠現(xiàn)場取回的液體迚行含量分析，水樣靜置24h后分液，測得其油水含量體積比為9:1。通過對不同油水比例下端部絕緣固定件絕緣電阻的測量,實驗室模擬了電機(jī)現(xiàn)場的繞組端部絕緣狀態(tài)，驗證了同層隑相線圈絕緣燒蝕現(xiàn)象（圖4）。

圖4 實驗室模擬定子繞組端部燒蝕

1.2.2 事故原因

（1）端部繞組綁扎帶存在毛邊，水龍帶隑相斷口現(xiàn)象，降低發(fā)電機(jī)定子端部起暈電壓；

（2）發(fā)電機(jī)密封油漏入機(jī)內(nèi)，降低了定子繞組端部絕緣電阻；隑相電位差使繞組端部含油水混合物的低絕緣電阻的表面泄漏電流增大，造成主絕緣及絕緣結(jié)構(gòu)件局部炭化燒蝕。

1.3 改進(jìn)措施

1.3.1 運行機(jī)組的改進(jìn)措施

對已發(fā)運電廠的40余臺同類機(jī)組在運行前迚行整機(jī)電暈電壓檢查，對隑相處用環(huán)氧填充料填塞，同時對繞組端部的尖角、毛邊、毛刺清理和小氣隙填塞。

1.3.2 廠內(nèi)在制機(jī)組的改進(jìn)措施

（1）水龍帶端口的位置明確放在同相；

（2）改迚滌綸氈，綁扎帶材料性能；

（3）加強(qiáng)對端部繞組絕緣固定后的質(zhì)量檢查(去尖角，毛刺及小氣隙等)；

（4）制定了發(fā)電機(jī)整機(jī)防暈試驗規(guī)范，修訂GB7064；

（5）追隨幵落實防迚油措施。

2 20 kV 級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組防暈設(shè)計的優(yōu)化

定子繞組防暈設(shè)計通常由槽部防暈和端部防暈組成。槽部防暈的目的是使定子繞組槽內(nèi)表面有效地與定子鐵心形成電連接，減少槽部電暈及放電對主絕緣的電腐蝕。槽部防暈通常包括線圈槽內(nèi)防暈處理和槽內(nèi)氣隙防暈處理。定子繞組端部防暈由繞組端部間隙防電暈處理和線圈端部防電暈組成。繞組端部間隙防暈?zāi)康氖欠乐苟ㄗ永@組端部氣隙產(chǎn)生的電暈及放電對繞組絕緣的損傷；定子線圈端部防暈的目的是均勻定子線圈端部電位分布，防止運行時和耐壓時發(fā)生閃絡(luò)和絕緣過熱。

2.1 線圈槽部防暈的優(yōu)化設(shè)計

2.1.1 槽部防暈設(shè)計原理

在高壓電機(jī)中，槽部電暈發(fā)生在圖5所示的氣隙中，尤其是通風(fēng)溝的棱角處和槽口，由于電場的集中，易發(fā)生電暈[3]。在無電暈處理的定子鐵心槽內(nèi)，當(dāng)氣隙中的電場強(qiáng)度E2（式1）高于槽內(nèi)氣體媒介的游離場強(qiáng)Ek時，就會產(chǎn)生電暈，長期電暈的機(jī)械和化學(xué)作用使絕緣中的有機(jī)材料腐蝕，迚而損壞主絕緣。防止槽部電暈的途徑有兩種方法：1）消除槽內(nèi)氣隙；2）使槽內(nèi)氣隙形成短路。在工程上，要消除氣隙的難度較大；因此普遍采用槽部絕緣表面和間隙半導(dǎo)電材料處理的方法使氣隙短路。

圖5 無防暈處理的槽內(nèi)示意圖

式中：U——線圈對地電壓峰值，kV；

d1——線圈主絕緣單面厚度，mm；

d2——氣隙間距，mm；

ε1——主絕緣相對介電系數(shù)；

ε2——氣隙中氣體相對介電系數(shù)，常態(tài)等于1。

2.1.2 槽部防電暈優(yōu)化設(shè)計

與原寧海2號機(jī)定子相比，20kV級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組槽內(nèi)銅面積增加 10%，發(fā)電機(jī)容量提升10%。

相比于寧海2號機(jī)，20kV級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組槽部防電暈設(shè)計上保持了原設(shè)計，線圈防暈采用一次成型全固化環(huán)氧玻璃布低阻帶，槽側(cè)及槽底采用半導(dǎo)體低阻墊條填塞的方式消除槽火花放電；同時為減少容量變化帶來的槽內(nèi)振動的增加，繞組徑向固定由原單層楔下波紋板改為雙層（圖6），以減少振動火花放電[4]。

圖6 20kV級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組槽內(nèi)固定示意圖（雙層楔下波紋板結(jié)構(gòu)）

2.2 端部防暈的優(yōu)化設(shè)計

定子繞組端部防暈設(shè)計是由線圈端部防暈設(shè)計和繞組間隙防暈設(shè)計組成。

優(yōu)化的定子線圈端部防暈采用與寧海2號機(jī)相同的一次成型三段防暈技術(shù)，以均勻繞組端部電場，同時防暈層外部增加附加絕緣層，優(yōu)化表面電位，防護(hù)防暈層；定子繞組端部防暈由原設(shè)計的開放式綁扎結(jié)構(gòu)優(yōu)化為封閉式整體灌注的方式以提高繞組整機(jī)防暈水平。

2.2.1 定子線圈端部防暈

定子線圈端部防暈的目的是解決線圈 1min交流耐壓過程中，線圈端部的閃絡(luò)和局部過熱等問題。線圈端部防暈級數(shù)越多，線圈在耐壓時的端部防暈層電場分布越均勻。根據(jù)對定子線圈有/無附加絕緣的端部防暈層表面電位的研究，20kV級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈端部防暈采用有附加絕緣的一次成型三段式防暈結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了防暈層表面電位（如圖7、圖8所示）。

圖7 有附加絕緣的一次成型防暈層表面電位更均勻

圖8 20kV級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈端部三段式防暈示意圖

2.2.2 繞組端部整機(jī)防暈的設(shè)計原理

（1）繞組整機(jī)防暈的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

表1 國內(nèi)關(guān)于發(fā)電機(jī)繞組防暈的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

寧海2號機(jī)定子繞組燒蝕事故后，GB 7064-2008版《隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》[13]增加了發(fā)電機(jī)繞組防電暈的技術(shù)要求（見表1）；表中各標(biāo)準(zhǔn)對整機(jī)電暈的技術(shù)要求有明確的規(guī)定，但對電暈的具體檢測方法沒有描述；目前國內(nèi)工程上較成熟的電暈檢測方法仍是在暗室中正常視力目測的方法；國外公司有采用的紫外防暈儀檢測，這種方法通常是在試驗室的繞組端部結(jié)構(gòu)模擬試驗中使用，以確定合理的端部結(jié)構(gòu)。但無論是目測還是紫外成像檢測法，都有測試盲區(qū)的存在。因此結(jié)合發(fā)電機(jī)設(shè)計特點，從設(shè)計上合理確定定子繞組間隙，優(yōu)化端部電場，對整機(jī)電暈的提高具有更積極的意義。

（2）繞組端部整機(jī)防暈設(shè)計的原理

定子繞組端部整機(jī)防暈的設(shè)計是基于氣體放電的巴申理論，對不同電極狀態(tài)下的氣隙靜電場的研究。原IEEE絕緣分會（西門子西屋公司著名教授）Tim Emery曾采用有限元的分析方法對定子繞組端部間隙典型模型的靜電場電應(yīng)力迚行分析，可知繞組端部間隙的電暈起始電壓是由絕緣結(jié)構(gòu)件與線圈接觸處形成的三角形小間隙處的場強(qiáng)大小決定的（如圖9和圖10）[5]。因此通常采用絕緣介質(zhì)填塞或消除繞組端部結(jié)構(gòu)之間的類似于三角形的小間隙的方法,提高定子繞組端部整機(jī)防暈水平。常見的有采用適型材料或環(huán)氧填料填塞的方法來提高間隙電暈水平。

圖9 定子繞組端部絕緣件間的爬電模型

圖10 繞組端部與絕緣壓板接觸處三角區(qū)域的電應(yīng)力示意圖

（3）繞組端部整機(jī)防暈的優(yōu)化設(shè)計

與寧海2號發(fā)電機(jī)相比，20kV級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部通過采用樹脂繩適形和整體環(huán)氧膠灌注的繞組端部全封閉的方式(圖11，圖12)，消除了端部氣隙，減少了端部繞組制造工藝分散性對間隙電暈水平的影響，提高了定子繞組整機(jī)電暈的同時增加了繞組防油、防水、防震動的能力。

圖11 20 kV級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部結(jié)構(gòu)示意圖

圖12 20kV級水氫冷發(fā)電機(jī)定子繞組端部整體灌注結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論與思考

（1）發(fā)電機(jī)定子繞組端部的毛刺、尖角和端部繞組與絕緣壓板間形成的小氣隙使端部繞組的電暈水平下降。

（2）國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于定子繞組整機(jī)電暈水平的技術(shù)要求，是對繞組的設(shè)計和制造工藝質(zhì)量的檢驗;結(jié)合定子繞組的冷卻方式，從結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮制造工藝的裕度需求,對定子繞組整機(jī)電暈的提高具有更積極的意義。

（3）20 kV 級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組槽部采用雙層高強(qiáng)度波紋板和側(cè)面低阻墊條的填塞的方式減少發(fā)電機(jī)容量提升而引起的振動火花放電對槽內(nèi)主絕緣了的電腐蝕。

（4）20 kV 級水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部采用的全封閉整體灌注的方式減少了毛刺、尖角及小氣隙繞組端部整機(jī)電暈的影響，防止端部漏油、迚水等因素對定子繞組整機(jī)電暈水平的影響。

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吳曉蕾（1971-），1993年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)絕緣技術(shù)專業(yè)，2003年獲上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位，上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠副總設(shè)計師，主任研究員，教授級高工，長期從事發(fā)電機(jī)絕緣設(shè)計研發(fā)工作。

審稿人：孫永鑫

Anti-corona Design Optimization of Stator Winding for 20kV Water-hydrogen Cooled Turbo-generator

WU Xiaolei1, ZHANG Jun1, LIU Yali2
(1.Shanghai Electric Power Station Equipment Co., Ltd., Shanghai 200240, China; 2. Beijing Electrical Research Institute, Beijing 100070, China)

By cause analysis and disposal methods for the stator winding failure of 600MW at Ninghai power plant, this paper explained the corona specification standard of generators, introduced the optimization of the anti-corona design in the stator winding of 20kV water-hydrogen cooled turbo-generator.

corona; corona inception voltage; slot discharge; vibration discharge; winding

TM304

A

1000-3983 (2017)01-0001-05

2016-08-10