張秋寒，潘延明，孫永鑫

（1.哈爾濱大電機研究所，黑龍江省哈爾濱市 150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，黑龍江省哈爾濱市 150040；3.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

1 前言

白鶴灘水電站是全球在建單機容量最大、總裝機容量世界第二的水電站，哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱哈電）承制白鶴灘水電站右岸電站全部8臺套水輪發(fā)電機組。哈電自2008年開始，就已著手開展24kV、26kV電壓等級定子線棒絕緣研發(fā)工作，并根據(jù)中國長江三峽工程開發(fā)總公司與哈爾濱電機廠有限責任公司簽訂的“金沙江水電工程特殊專項科研項目合同”的要求，對24kV、26kV電壓等級的仿真模壓定子線棒進行全面性能試驗研究[1]。

2017年為確保白鶴灘機組絕緣設(shè)計制造的安全穩(wěn)定，哈電在白鶴灘整機絕緣系統(tǒng)進行了深入的研究，實現(xiàn)了重大突破。本文對白鶴灘機組水輪發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的研發(fā)進行了全面的介紹和試驗分析。

2 定子繞組絕緣技術(shù)研究

白鶴灘發(fā)電機額定電壓24kV級為目前國際國內(nèi)水輪發(fā)電機定子設(shè)計最高電壓，絕緣設(shè)計難度最高。24kV級定子線棒所采用的絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣工藝在很大程度上反映著電機的設(shè)計和制造水平。本文針對這些關(guān)鍵技術(shù)問題進行了深入的分析。

2.1 工藝路線選擇

哈電擁有多膠模壓和少膠VPI兩種成熟的絕緣體系。針對白鶴灘定子繞組絕緣，哈電采用了多膠模壓主絕緣作為其工藝路線。多膠模壓的工藝路線為：多膠云母帶包扎→防暈帶包扎→上模具加壓、大電流加熱固化多膠模壓的基本原理是：在熱壓成型過程中從內(nèi)向外擠出多余的膠，填充擠出空氣中的氣隙。在工藝性方面，多膠模壓工藝簡單可靠，具有技術(shù)非常成熟、包扎帖服性好和端部幾何形狀好等諸多優(yōu)點，白鶴灘線棒通過嚴格控制工藝過程，保證溫度、時間、壓力等工藝參數(shù)相互配合、恰到好處，有效地保證了產(chǎn)品線棒的優(yōu)異性能。

絕緣厚度是影響電機設(shè)計的極為重要的經(jīng)濟技術(shù)指標。少膠VPI絕緣，因設(shè)計理念和浸漬工藝性的要求，絕緣厚度較薄，綜合技術(shù)指標較好。近年來，在基礎(chǔ)體系不變的情況下，哈電對多膠環(huán)氧粉云母絕緣進行了多項技術(shù)創(chuàng)新，品質(zhì)不斷提升，絕緣厚度也不斷變薄，厚度選取已游刃有余，絕緣厚度和工作場強可與少膠絕緣相媲美。哈電在白鶴灘絕緣厚度的設(shè)計方面根據(jù)機組的具體情況因地制宜，既滿足絕緣的技術(shù)、經(jīng)濟指標的合理性，同時也確保機組運行穩(wěn)定性及壽命要求。

2.2 主絕緣材料的選擇

定子線棒主絕緣用云母帶是制造定子線棒的關(guān)鍵材料，性能好壞直接影響定子繞組的性能和電機的使用壽命。哈電大型發(fā)電機采用F級桐馬環(huán)氧粉云母多膠主絕緣的電氣、機械性能均達到國外少膠VPI體系同等電壓水平。近年來開發(fā)的高云母含量的多膠云母帶，應(yīng)用在線棒主絕緣上使線棒電氣性能得到了較大提升，其瞬時擊穿水平較以往提升10%，白鶴灘線棒的瞬時擊穿場強達到了34kV/mm。

2.3 導線絕緣結(jié)構(gòu)的研究

2.3.1 電磁線的選擇

白鶴灘線棒采用的是目前國內(nèi)國外最先進的漆包單滌綸玻璃絲燒結(jié)線，該材料目前實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并成功應(yīng)用到三峽左岸、右岸和地下機組上。漆包單滌綸玻璃絲燒結(jié)線的電氣性能優(yōu)于雙滌綸玻璃絲燒結(jié)線，特別是溫度指數(shù)達到190℃，可大大提高電機繞組運行可靠性[1]。

2.3.2 定子線棒等電位層處理

利用有限元分析軟件ANSYS，對白鶴灘發(fā)電機定子線棒導體棱角處的電場進行了數(shù)值分析，計算出各種等位層曲率半徑下的最大電場強度與電場不均勻系數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果提出了等位層曲率半徑的優(yōu)化設(shè)計方案（見圖1），有效提高線棒擊穿場強和老化壽命。

圖1 導體曲率半徑變化的影響Figure 1 The influence of conductor curvature radius changing

2.4 定子繞組防暈技術(shù)

白鶴灘定子繞組防暈結(jié)構(gòu)的研發(fā)和應(yīng)用主要針對單根線棒防暈水平和整機繞組防暈水平的提高做了一系列研究與試驗驗證[2]。

2.4.1 2.4.1 單根線棒防暈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

定子線棒采用“端部全防暈結(jié)構(gòu)”[4]，通過計算分析，對定子線棒端部防暈結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計（見圖2），優(yōu)化后線棒間的斜邊電場大幅降低，放電區(qū)域更為分散，斜邊場強下降效果明顯，大幅度提高了定子線棒的起暈電壓、閃絡(luò)電壓和耐電強度，單根線棒在耐壓試驗2.75UN+6.5kV（72.5kV）下無電暈及放電現(xiàn)象，遠超合同規(guī)定的大于1.5UN（36kV）的要求。

圖2 繞組斜邊電場紫外試驗Figure 2 Ultraviolet imaging test of electricfield at end-winding

2.4.2 整機繞組防暈結(jié)構(gòu)驗證試驗

對于定子繞組在真機中的運行來說，繞組防暈結(jié)構(gòu)和線棒主絕緣結(jié)構(gòu)同樣重要，互相依托。隨著電壓的升高，定子繞組端部放電、電暈現(xiàn)象將直接影響機組運行壽命。

哈電為在白鶴灘線棒正式投產(chǎn)前，特制備試驗工裝（見圖3）用于模擬整機繞組下線狀態(tài)，在試驗工裝上進行耐壓試驗及繞組電暈試驗。從而確保整機繞組在機組中安全可靠運行。經(jīng)試驗驗證，哈電設(shè)計的白鶴灘定子繞組端部防暈結(jié)構(gòu)在各級耐壓試驗過程中和模擬運行電壓下經(jīng)暗室肉眼觀察和紫外UV觀察均無明顯電暈放電現(xiàn)象。

圖3 繞組模擬電暈試驗裝置Figure 3 Corona test device for simulation winding

2.5 定子線棒主絕緣性能試驗

2.5.1 定子線棒介質(zhì)損耗

影響絕緣介質(zhì)損耗的因素很多，低電壓下主要反映材料本征性能，常態(tài)介質(zhì)損耗增量反映絕緣工藝的穩(wěn)定性；另外，導體的絕緣結(jié)構(gòu)、主絕緣結(jié)構(gòu)、防暈材料及測試環(huán)境等對線棒絕緣介質(zhì)損耗也有很大的影響。所以，通過介質(zhì)損耗試驗來確定線棒絕緣模壓工藝、使用合適的材料、合理的導線處理技術(shù)，保證定子線棒產(chǎn)品絕緣性能。白鶴灘定子線棒絕緣介質(zhì)損耗tanδ0.2UN＜1%，tanδ0.6UN-tanδ0.2UN＜0.5%，滿足合同要求，電壓特性曲線見圖4。

圖4 定子線棒介質(zhì)損耗電壓特性曲線Figure 4 Dielectric loss voltage characteristic curve of stator bar

2.5.2 主絕緣熱穩(wěn)定性試驗

高壓電機主絕緣的熱穩(wěn)定性也是一項關(guān)鍵指標，熱穩(wěn)定性的好壞直接影響電機的安全運行可靠性。哈電對白鶴灘定子線棒主絕緣進行熱穩(wěn)定性試驗過程如下：即線棒在180℃溫度下，持續(xù)熱老化48h，待自然冷卻后測量絕緣整體性和尺寸變化情況。定子線棒絕緣不發(fā)空，尺寸沒有明顯變化，可以滿足電機長期安全穩(wěn)定運行。

2.5.3 主絕緣介電強度

主絕緣介電強度試驗是對定子線 棒在油中進行工頻瞬時擊穿試驗（見圖5），升壓速度為1kV/s，試驗結(jié)果見表1。由表1試驗表明：白鶴灘定子線棒工頻瞬時擊穿電壓達到并遠超合同要求。

表1 白鶴灘定子線棒工頻瞬時擊穿Table 1 Power frequency breakdown test of Baihetan stator bar

2.5.4 電老化試驗

圖5 線棒擊穿試驗Figure 5 Breakdown test of stator bar

對白鶴灘定子線棒主絕緣進行電老化壽命試驗是考核主絕緣能否滿足機組長期耐電性能及安全運行的關(guān)鍵指標。進行定子線棒主絕緣電老化試驗時，在高于數(shù)倍的額定電壓下進行快速老化試驗，雖與定子線棒實際運行電老化機理不同，但主絕緣電老化壽命試驗結(jié)果符合統(tǒng)計學規(guī)律，可按照統(tǒng)計學相關(guān)理論推算主絕緣實際運行壽命。分別進行了2.0UN和3.0UN電壓下，白鶴灘線棒電老化壽命試驗結(jié)果見表2和表3，試驗超過合同目標值即停止試驗，線棒未擊穿。白鶴灘線棒電老化試驗見圖6。

表2 白鶴灘定子線棒3.0UN電老化試驗結(jié)果Table 2 3.0UN electrical aging test result of Baihetan stator bar

表3 白鶴灘定子線棒2.0UN電老化試驗結(jié)果Table 3 2.0UN electrical aging test result of Baihetan stator bar

圖6 電老化試驗Figure 6 Electrical aging test of stator bar

在進行2.0UN和3.0UN電老化試驗整個過程中，所有線棒主絕緣及防暈結(jié)構(gòu)等均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

2.5.5 電熱老化試驗

熱態(tài)電老化壽命試驗，主要考核定子線棒主絕緣耐電和熱綜合因素的性能，電熱老化試驗更接近定子線棒運行環(huán)境條件，所以電熱老化壽命也是定子線棒主絕緣的關(guān)鍵指標。

試驗時，將定子線棒固定在模擬鐵芯槽內(nèi)，定子線棒導線施加試驗電壓外表面覆以電熱板對其進行加熱和自動調(diào)溫控制，當試驗結(jié)果達到并超過合同要求指標后，停止試驗。在整個電熱老化過程中，受試的白鶴灘定子線棒主絕緣均未擊穿，特別是定子線棒防暈結(jié)構(gòu)也未出現(xiàn)放電現(xiàn)象。結(jié)果見表4，由此可以看出，電熱老化試驗（見圖7）結(jié)果滿足合同要求。

圖7 電熱老化試驗Figure 7 Electrothermal aging test of Baihetan stator bar

表4 白鶴灘定子線棒電熱老化試驗結(jié)果Table 4 Electrothermal aging test result of Baihetan stator bar

電老化試驗和電熱老化試驗是定子線棒在規(guī)定的試驗電壓和溫度下的絕緣壽命評估試驗，是對定子線棒絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)進行綜合分析的診斷方法。本次試驗結(jié)果表明：白鶴灘定子線棒的主絕緣結(jié)構(gòu)和防暈結(jié)構(gòu)具有可靠的耐高電壓和電熱老化性能，體現(xiàn)了優(yōu)良的絕緣整體性能和電氣穩(wěn)定性能。同時，試驗過程中定子線棒沒有發(fā)生閃絡(luò)和爬電現(xiàn)象，也說明了防暈結(jié)構(gòu)合理可靠。

2.5.6 冷熱循環(huán)試驗

按照合同中規(guī)定，需對線棒進行室溫-150±5℃～室溫，往復500周期的冷熱循環(huán)試驗（見圖8），并在第0、50、100、250和500個周期結(jié)束后，分別進行介質(zhì)損耗（tanδ）測試、尺寸測量、發(fā)空測試和局部放電測量，并于500周期后對線棒再進行電老化和電熱老化試驗。

圖8 冷熱循環(huán)試驗Figure 8 Thermal cycle testing of stator bars

在整個試驗過程中，線棒截面尺寸無明顯變化，絕緣整體性能良好；在整個試驗周期內(nèi)，常態(tài)介質(zhì)損耗（tanδ）及在額定線電壓下的局部放電量（Qmax）也無明顯變化。見圖9～圖11。

圖9 冷熱循環(huán)過程介損增量變化Figure 9 Thermal cycle test of stator Bars

圖10 冷熱循環(huán)前后局放變化Figure 10 Thermal cycle test of stator Bars

圖11 冷熱循環(huán)前后局放變化（線電壓）Figure 11 Thermal cycle test of stator bars

白鶴灘定子線棒冷熱循環(huán)后電老化試驗結(jié)果（見表5）和電熱老化試驗結(jié)果滿足合同的要求。

表5 白鶴灘定子線棒冷熱循環(huán)后老化試驗結(jié)果Table 5 Thermal cycle test result of stator bars

3 定子繞組固定用配套絕緣材料

針對白鶴灘水輪發(fā)電機組定子繞組配套用高強度波紋板、環(huán)氧玻璃布層壓板、高強度環(huán)氧玻璃氈層壓板槽楔、半導體無紡布、硅橡膠、浸膠固定材料、絕緣盒、絕緣端箍等進行了開發(fā)和研究，保證了材料各項技術(shù)指標可以滿足白鶴灘水輪發(fā)電機定子繞組安全、穩(wěn)定的運行。定子繞組端部固定結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 端部固定結(jié)構(gòu)Figure 12 Fixing structure of stator bar ending

研發(fā)的定子繞組槽部、端部固定配套絕緣上通過白鶴灘模擬定子繞組試驗，效果良好。全部絕緣材料實現(xiàn)了國產(chǎn)化，提高國產(chǎn)大電機在國內(nèi)外市場上的競爭能力[3]。

4 定子鐵芯絕緣研制

由于白鶴灘機組合同要求采用定子沖片絕緣漆采用水溶性漆，水溶性漆以往多用于火電機組，在水電產(chǎn)品上的應(yīng)用業(yè)績較少。對于水溶性漆在白鶴灘機組上的應(yīng)用，哈電前期進行了大量的試驗研究[5]。沖片絕緣漆及端片黏接材料均采用進口，研發(fā)過程從水溶性沖片漆涂覆工藝、包裝運輸、疊片安裝進行了試驗和改進，并在萬家寨改造機組上進行了試用，效果良好。定子沖片絕緣領(lǐng)域除主沖片絕緣外，端片黏接膠的性能也會對發(fā)電機定子運行安全有重大的影響，哈電對端片黏接材料及黏接工藝進行了大量的嘗試，確保端片黏接質(zhì)量，此項研究成果也將應(yīng)用在白鶴灘定子沖片的制造和安裝中（見圖13～圖15）。

圖13 水溶性漆涂漆工藝試驗Figure 13 Painting test of water soluble paint

圖14 端片黏接試驗Figure 14 Adhesive test of stator punched plate

圖15 水溶性漆真機擴試Figure 15 Application test of water soluble paint

5 轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)研制

白鶴灘轉(zhuǎn)子磁極繞組與三峽發(fā)電機采用的絕緣結(jié)構(gòu)相同，即轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣用上膠Nomex紙與磁極繞組熱壓成整體。磁極鐵芯長，線圈壓制難度高，哈電對磁極線圈壓力分布、溫度分布及黏接強度等問題進行試驗研究，并對相應(yīng)的磁極壓制工藝參數(shù)進行優(yōu)化，防止磁極線圈匝間開裂問題的發(fā)生，目前哈電制造的磁極線圈完全滿足300r/min及以上轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機要求，確保運行過程中銅排匝間黏接強度，并保證匝間絕緣不開裂。磁極匝間絕緣壓制工藝試驗見圖16。

圖16 磁極匝間絕緣壓制工藝試驗Figure 16 Turn-to-turn insulation technology test

極身絕緣采用Nomex紙纏繞并附加角絕緣保證有足夠的爬電距離。磁極繞組與極身絕緣間隙用浸漬滌綸氈和高強度環(huán)氧層壓板。絕緣托板表面黏接一層聚四氟乙烯滑移層，有效地防止磁極銅排與絕緣托板間的相對位移對絕緣的損傷（托板性能見表6）。

表6 帶有滑移層絕緣托板性能Table 6 Performance of insulation bracket

6 結(jié)束語

（1）本文研制的定子導線絕緣結(jié)構(gòu)及定子線棒主絕緣結(jié)構(gòu)，完全滿足白鶴灘機組合同的對定子絕緣的要求。

（2）通過性能試驗評定，哈電制造的白鶴灘24kV定子線棒的各項電氣性能指標達到國內(nèi)領(lǐng)先、國外先進水平，且絕緣能夠反復承受電、熱、機械應(yīng)力沖擊的，有效提高機組使用壽命。

（3）開發(fā)的主絕緣材料、防暈材料及配套絕緣新材料，并全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

（4）對水溶性沖片漆在水電機組上的應(yīng)用進行了試驗研究，研究成果可應(yīng)用在白鶴灘機組上。

（5）該成果為24kV、26kV及以上巨型空冷水輪發(fā)電機組奠定可靠的絕緣技術(shù)基礎(chǔ)，提高哈電公司高壓巨型空冷水輪發(fā)電機在國內(nèi)外市場上的競爭能力，有利地帶動了我國水電重大裝備國產(chǎn)化水平、技術(shù)水平穩(wěn)步提升。