朱濤 覃誠群

摘 要：介紹了高原用高壓發(fā)電機定子繞組匝間絕緣、對地絕緣結構設計以及防暈措施，并成功應用于海拔4300m、電壓10500V、容量為2875kVA的JFG高壓三相同步發(fā)電機上。為高原用高壓發(fā)電機定子繞組絕緣結構設計提供了借鑒和思路。

關鍵詞：高原用高壓發(fā)電機 定子繞組 絕緣結構 設計應用

中圖分類號：TM307 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-00-03

隨著工業(yè)和科學技術的發(fā)展，高壓設備的廣泛使用，對高壓電力的需求日益增加，以前高壓電力主要通過電網系統(tǒng)獲得，對于水力、火電、燃汽等自然資源豐富的地方，可以不依賴電網，通過高壓發(fā)電機直接獲得高壓電力，從而降低電力成本。同時，隨著國民經濟的迅猛發(fā)展，能源和環(huán)境問題已逐漸成為世界性問題，近年來我國經濟面臨的資源、環(huán)境壓力日益突出，加快發(fā)展構建綠色能源體系將成為國家產業(yè)發(fā)展方，從而改善電網供電結構。以風能、太陽能、地熱能、生物質能、各種燃氣發(fā)電等清潔、低碳和可再生能源將快速發(fā)展，可以滿足局域網供電或并網供電。因此，對高壓發(fā)電機的需求將越來越多，同時對高壓發(fā)電機的技術要求也越來越高，使用環(huán)境地點條件也將越來越復雜，有高海拔、高寒、高溫、高潮濕、高腐蝕和鹽堿等。

在高壓發(fā)電成套設備中高壓發(fā)電機的絕緣結構系統(tǒng)非常關鍵，它不但體現(xiàn)了高壓發(fā)電機的技術水準，還決定了高壓發(fā)電機的運行可靠性和使用壽命。而高壓發(fā)電機的定子繞組絕緣結構是高壓發(fā)電機的核心，其技術水平在很大程度上由所選用的絕緣材料、絕緣結構和絕緣處理工藝決定的，對于高壓發(fā)電機來說，其絕緣結構系統(tǒng)的水平就代表了發(fā)電機的整體水平。

1 高原用高壓發(fā)電機定子繞組絕緣結構

高壓發(fā)電機定子繞組絕緣結構主要包括匝間絕緣和對地絕緣厚度的選定、絕緣材料的確定和防暈措施。

1.1 匝間絕緣選取

發(fā)電機定子繞組運行過程中，其瞬態(tài)過電壓遠遠高于匝間工作電壓，而且多次過電壓有一定的累積破壞效應 ，有可能使匝間絕緣擊穿。而且現(xiàn)場使用經驗表明，定子繞組大多數(shù)故障都是由匝間絕緣損壞開始，而最終導致絕緣對地擊穿。所以，匝間絕緣研究是高壓發(fā)電機絕緣中重要組成部分。

在過電壓徒波的作用下，繞組相端首匝將出現(xiàn)最大的過電壓Us（幅值），所以設計時匝間絕緣的耐沖擊擊穿電壓應高于Us。

Us=Uc·△t/Tf （1）

式（1）中：Uc為沖擊過電壓，一般取3.5Un（kV）；

△t為徒波沖擊經過線圈一匝所需時間，△t=2L/V（μs），其中V為繞組槽部波速m/μs，L為鐵心長度（m），V=0.25×1000××，δi指定子繞組對地絕緣單邊厚度（mm），hs指定子槽深（mm），bs指定子槽寬（mm）；Tf為沖擊過電壓波前時間，一般取1.5μs。

在我司產品JFG 6303-4/10500V-2300kW（2875kVA）高原4300m用高壓發(fā)電機設計應用中，預選定子繞組對地絕緣單邊厚δi=4.2，定子槽深hs=70㎜，定子槽寬bs=16，定子鐵心長L=0.7m。

則：

V=0.25×1000××=0.25×1000×× =29.3m/μs

△t=2L/V=2×0.7/29.3=0.0478μs

Us=Uc·△t/Tf=3.5×10500×0.0478/1.5=1171V

而Usmax=0.35，Un=0.35×10500=3675V

所以，1171V<匝間沖擊擊穿電壓<3675V。

定子繞組若采用自粘性玻璃絲包云母帶繞包銅扁線SBEFB，其彎曲后擊穿電壓為4kV，完全滿足上述要求?？紤]到該產品應用于高原海拔4300m特殊環(huán)境下，要求可靠性更強，決定采用自粘性玻璃絲包亞胺薄膜繞包加雙層云母帶繞包銅扁線SBMXB-60/180-2N，其擊穿電壓可達5.5kV，提升近40%左右，確保產品的可靠性。

1.2 對地絕緣厚度的選取

高壓發(fā)電機定子繞組對地絕緣是絕緣結構的主要部分，其厚度的選取需綜合考慮產品制造過程中多次耐壓破壞的積累效應、絕緣層的緊密性、絕緣材料本身的耐老化能力以及機器運行的機械振動變形等因素。

單邊絕緣厚度可按下式估算：

δi≥K·Un/Eb（mm） （2）

式中：Un為額定電壓，kV；

K為儲備系數(shù)，一般取7～9；

Eb為絕緣結構的原始擊穿場強，kV/mm，一般取23～30 kV/mm；

δi≥K·Un/Eb=8×10.5/23～30=3.65～2.8（mm）

在JFG 6303-4/10500V-2300kW（2875kVA）高原用高壓發(fā)電機設計中考慮到高原特殊環(huán)境，選取δi=4.2，比最大值高出15%左右。

1.3 對地絕緣材料的選取

高壓電機運行的可靠性和使用壽命，很大程度上取決于主絕緣材料的性能，要求主絕緣材料具有良好的電氣性能、具有良好的耐熱穩(wěn)定性能和良好的機械性能。確定絕緣材料關鍵要考慮材料的介電強度，要求材料介電強度最小應大于絕緣耐壓試驗電壓。當前高壓電機常用的絕緣材料為環(huán)氧玻璃粉云母帶，有多膠帶、中膠帶、少膠帶。多膠帶已很少使用，中膠帶主要用于模壓成型線圈，少膠帶主要用于VPI真空處理工藝。隨著材料技術的不斷進步，VPI真空處理工藝在當前電機制造中已被普遍采用，使電機具有更良好的電氣性能、機械性能、耐腐蝕性和耐環(huán)境性。在JFG 6303-4/10500V-2300kW高原用高壓發(fā)電機設計中，選用J5444-1環(huán)氧玻璃粉云母帶，其固化前、固化后的介電強度均不小于35MV/m，去對地絕緣δi=4.2mm，固化后δi1=4.2×0.8=3.36mm。由于線圈絕緣固化后絕緣耐壓試驗電壓UT=2.75Un+4.5kV=2.75×10.5+4.5=33.375kV，3.36mm的絕緣厚度介電強度最小為3.36×35=117.6kV，考慮線圈不均勻度50%，3.36mm的絕緣厚度介電強度最小為117.6kV×50%=58.8kV>UT=33.375kV。

1.4 防暈措施

高壓電機定子繞組在端部槽口及徑向通風道槽口處，由于線圈絕緣表面的電場分布不均勻，當局部電場強度達到一定數(shù)值后，在空氣中產生電離發(fā)生局部放電，出現(xiàn)藍色的熒光，并伴有呲呲的聲音，這種現(xiàn)象即為電暈。電暈會產生臭氧及氮的氧化物，它們與潮氣結合成有害的酸性物質會腐蝕繞組的絕緣；電暈還會使絕緣局部發(fā)熱，加速絕緣老化，嚴重時將迅速破壞絕緣。因此，高壓電機的絕緣防暈處理是非常重要的，特別是在高原環(huán)境下，空氣稀薄，一旦發(fā)生電暈后果非常嚴重。繞組容易產生電暈的部位有槽部、端部、端部相間。

1.4.1 槽部防電暈處理

由于繞組絕緣表面與鐵心槽部之間存在間隙、通風道槽口電場分布不均勻，都會使繞組與槽部結合處發(fā)生電暈。為了有效防止電暈的產生發(fā)生有害影響，采用在絕緣層表面加上低電阻的防暈層，可以涂刷半導體低阻漆或包扎低阻帶方法，同時鐵心槽內要噴涂半導體低阻漆，這樣使通風槽口電場分布趨于均勻，降低軸向電場；同時低阻漆與槽壁接觸，可將該處間隙有效短路，使產生電暈的可能性盡量減少。涂刷半導體低阻漆時需要攪拌均勻，否則漆的不均勻會造成電位分布不均勻從而再次發(fā)生電暈。

1.4.2 端部防電暈處理

端部電暈防止主要是解決繞組端部出槽口處的電暈，其產生的原因是由于繞組端部絕緣表面的泄漏電流向鐵心方向遞增，因此出槽口處絕緣表面的壓降最大，也是最容易產生電暈的部位。所以通過調整端部表面防暈層的電阻率使端部電位分布均勻化來避免電暈的產生。即采用防暈層電阻率向鐵心方向遞減的方法，而且低阻防暈層與高阻防暈層搭接20～30mm，高阻防暈層一直延伸至線圈端部的引線部位，可以獲得較高的防暈效果。

1.4.3 端部相間防暈處理

端部斜邊間隙大小與端部起暈電壓成反比關系。因此，防止端部電暈產生就是用適形材料加絕緣件將端部線圈間進行間隔，用滌玻繩綁扎固定，經浸漬處理固化后，將滌玻繩涂刷上高阻漆，使其與端部絕緣粘結良好以消除滌玻繩處起暈。

2 試驗測試及結果

（1）根據(jù)相關要求，高原高壓電機線圈的起暈起始電壓應不低于：

Ubs=1.5Un（1-KHs）/（1-KHa） （3）

式（3）中，Ubs為線圈的電暈起始電壓，單位kV；

Un為電機的額定電壓，單位kV；

K為電暈起始電壓隨海拔升高的遞減率，取K=0.1， 單位km-1；

Hs為電機試驗地點的海拔，單位km；

Ha為電機安裝地點的海拔，單位km；

在海拔4300m電機線圈的起始電壓最低值為：

Ubs=1.5×10.5×（1-0.1×1）/（1-0.1×4.3）=24.87kV

（2）電機繞組的起暈起始電壓值應不低于：

Uis=1.3UΦ（1-KHs）/（1-KHa） （4）

式（4）中，Uis為電機繞組的電暈起始電壓，單位kV；

UΦ為電機的額定相電壓，單位kV。

在海拔4300m電機線圈的起始電壓最低值為：

Uis=1.3×6.062×（1- 0.1×1）/（1-0.1×4.3）=12.44kV

（3）試驗結果：按上述方案設計的JFG 6303-4/10500V- 2300kW，線圈匝間絕緣順利通過工頻39kV耐壓、5個脈沖，繞組嵌入鐵心并連接通過后工頻22.5kV耐壓、5個脈沖的試驗；線圈對地絕緣順利通過工頻43.39kV耐壓、1min的試驗，繞組嵌入鐵心并連接通過后工頻，33.41kV耐壓、1min的試驗；線圈起暈電壓約30kV>24.87kV；繞組起暈起始電壓約15kV>12.44kV。

3 結語

本文對高原用高壓電機定子繞組絕緣結構進行了分析，給出了設計依據(jù)和方法，并應用在JFG6303-4/10500V-2300kW高壓發(fā)電機中，產品自2014年至今均正常運行，狀況良好，受到用戶的高度認可。為開發(fā)高原用高壓發(fā)電機確定繞組絕緣結構體系提供了借鑒和思路。

參考文獻

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