邵永斌

(1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，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)家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150040；4.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040)

0 引 言

1964年,哈電在鹽鍋峽機(jī)組開(kāi)始應(yīng)用B級(jí)主絕緣，提高了主絕緣材料的電氣強(qiáng)度和耐溫指數(shù)，滿足了電機(jī)容量和電壓等級(jí)逐漸提高的需求。1988年,在天生橋機(jī)組開(kāi)始應(yīng)用F級(jí)主絕緣材料，進(jìn)一步滿足了大容量和電壓等級(jí)更高的電機(jī)的性能要求。F級(jí)主絕緣應(yīng)用至今，已經(jīng)制作上千臺(tái)機(jī)組，沒(méi)有出現(xiàn)單純由主絕緣引起的擊穿事故，表明F級(jí)主絕緣材料耐老化性能良好。文章先分析定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)電老化性能的影響，再分別從電老化、耐冷熱循環(huán)性能、耐環(huán)境因素(潮濕、粉塵和油污)模擬試驗(yàn)等方面檢驗(yàn)定子線棒絕緣性能，最后分析定子線棒F級(jí)主絕緣使用壽命。

1 定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 角部場(chǎng)強(qiáng)優(yōu)化

高壓定子線棒角部存在著電場(chǎng)集中的現(xiàn)象，采取措施改善角部電場(chǎng)分布，線棒的電氣性能有明顯提高。其它條件不變的情況下，圓角半徑從0.8 mm增大到2.0 mm時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)可降至原來(lái)的80%，理論上擊穿場(chǎng)強(qiáng)可提高25%，而電老化壽命可提高至原來(lái)的3.8倍[1]。

制作試驗(yàn)線棒進(jìn)行試驗(yàn)角部場(chǎng)強(qiáng)優(yōu)化試驗(yàn)，從表 1可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的線棒擊穿電壓均值為137.75 kV，比普通結(jié)構(gòu)的擊穿電壓均值112 kV提高了23%，即擊穿場(chǎng)強(qiáng)提高了23%，與理論計(jì)算的25%相當(dāng)。從表 2可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的電老化中值壽命1 555 h是普通結(jié)構(gòu)的中值壽命743 h的2.1倍。

表1 定子線棒角部?jī)?yōu)化前后的擊穿電壓

表2 快速電老化試驗(yàn)結(jié)果(場(chǎng)強(qiáng)10 kV/mm)

制作真機(jī)線棒(單面絕緣厚度為4.4 mm)進(jìn)行角部場(chǎng)強(qiáng)優(yōu)化，然后進(jìn)行擊穿試驗(yàn)和電老化試驗(yàn)(場(chǎng)強(qiáng)44 kV/4.4 mm)，線棒擊穿電壓平均值為151 kV，擊穿場(chǎng)強(qiáng)為34.3 kV/mm，均達(dá)到令人滿意的結(jié)果；電老化壽命中值為1 620 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)600 h的規(guī)定值?？梢?jiàn)定子線棒角部場(chǎng)強(qiáng)優(yōu)化后，有效提高了線棒擊穿場(chǎng)強(qiáng)，延長(zhǎng)了電老化壽命。

1.2 電暈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

哈電定子線棒一次成型防暈結(jié)構(gòu)從1970年代開(kāi)始應(yīng)用后，已經(jīng)有40多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和業(yè)績(jī)。防暈材料采用薄型全固化聚酯半導(dǎo)體玻璃絲帶，防暈帶的特點(diǎn)是：厚度薄，在一定程度上提高了槽滿率；全固化的特性決定了其不影響絕緣的性能參數(shù)，同時(shí)本身阻值不受主絕緣膠的影響，且阻值對(duì)溫度相對(duì)穩(wěn)定；與主絕緣粘接良好。

哈電的線棒防暈技術(shù)是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成熟技術(shù)，線棒端部防暈結(jié)構(gòu)優(yōu)化必須達(dá)到以下要求[1]：1)各段防暈層的始端電位梯度在耐壓試驗(yàn)時(shí)不超過(guò)8.1 kV/cm；2)各段防暈層的始端單位表面損耗在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)，且不超過(guò)0.6 W/cm2，考慮到材料的分散性和工藝的波動(dòng)性，設(shè)計(jì)防暈結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)留有余地，即單位表面損耗不超過(guò)0.8 W/cm2；3)最后一段防暈層的末端對(duì)導(dǎo)體的電壓在規(guī)定的指標(biāo)內(nèi)；4)在1.5倍電機(jī)額定電壓下最高電位梯度不超過(guò)2.1 kV/cm，以免產(chǎn)生電暈。

單根線棒起暈電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.5倍額定電壓水平，在單根線棒交流耐壓試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)放電、冒煙現(xiàn)象，空氣中的交流耐壓試驗(yàn)都能順利通過(guò)。哈電的線棒防暈技術(shù)能滿足從6 kV到30 kV電壓等級(jí)的機(jī)組防暈要求，保證了定子繞組長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)不出現(xiàn)起暈，為延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命奠定了良好的基礎(chǔ)。

1970年代出現(xiàn)槽內(nèi)電腐蝕問(wèn)題后，定子繞組槽內(nèi)采取包繞半導(dǎo)體槽襯結(jié)構(gòu)，使定子線棒槽部與鐵心壁之間充分接觸，有效降低了槽電位(槽電阻)，避免了槽內(nèi)出現(xiàn)電腐蝕問(wèn)題。目前大型機(jī)組采用引進(jìn)的技術(shù)(槽襯布涂刷硅橡膠纏繞線棒槽部)，能有效防止出現(xiàn)槽內(nèi)電腐蝕問(wèn)題。這項(xiàng)技術(shù)也為延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 電老化試驗(yàn)

哈電制作的700 MW/20 kV三峽定子線棒在瑞士ABB公司進(jìn)行了電老化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表 3)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)ABB公司的指標(biāo)，獲得ABB公司的高度評(píng)價(jià)。

表3 ABB公司對(duì)哈電三峽20kV水冷定子線棒電老化性能評(píng)定

哈電制造的24 kV/1 000 MW與26 kV/1 000 MW定子線棒，在進(jìn)行2.0Un和1.6Un電老化試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，所有線棒主絕緣及防暈結(jié)構(gòu)等均未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。試驗(yàn)表明，哈電公司設(shè)計(jì)制造的24 kV、26 kV兩種電壓等級(jí)的仿真線棒主絕緣體系的電老化結(jié)果完全滿足指標(biāo)要求(見(jiàn)表 4—表 7)。

表7 26 kV線棒1.6Un電老化試驗(yàn)結(jié)果

表4 24 kV線棒2.0Un電老化試驗(yàn)結(jié)果

哈電制造的F級(jí)主絕緣定子線棒耐電老化性能，達(dá)到并超過(guò)了國(guó)外同類型機(jī)組的指標(biāo)，表明哈電定子線棒具有良好的耐電老化性能，能保證機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

表5 24 kV線棒1.6Un電老化試驗(yàn)結(jié)果

表6 26 kV線棒2.0Un電老化試驗(yàn)結(jié)果

3 線棒耐冷熱循環(huán)性能

主絕緣冷熱循環(huán)試驗(yàn)按加拿大GE 公司(IEEE3010)要求，哈電公司制造4只二灘真機(jī)線棒送至加拿大GE 公司進(jìn)行冷熱循環(huán)試驗(yàn)：試驗(yàn)在30～45 min之內(nèi)溫度升至150±5 ℃，而后在30～45 min之內(nèi)降至40 ℃，為1個(gè)周期,試驗(yàn)周期500個(gè)。在第0、50、100、250和500個(gè)周期結(jié)束后分別進(jìn)行介損測(cè)量、尺寸測(cè)量、發(fā)空測(cè)量、局放測(cè)量，以比較各參數(shù)的變化情況來(lái)判斷線棒絕緣耐受冷熱循環(huán)的能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述參數(shù)各周期的變化不明顯，滿足加拿大GE公司要求，同時(shí)加拿大GE公司將4只冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的線棒進(jìn)行額外的電老化(39 kV/4.6 mm)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拿大GE公司250 h目標(biāo)值，見(jiàn)表 3。

采用F級(jí)主絕緣材料制造的24 kV、26 kV定子線棒進(jìn)行了冷熱循環(huán)試驗(yàn)，在30～45 min內(nèi)將線棒升溫至150±5 ℃，然后在30～45 min內(nèi)再將線棒降溫至40 ℃，為1個(gè)周期，一共進(jìn)行500個(gè)周期的試驗(yàn)。在第0、50、100、250和500個(gè)周期結(jié)束后，分別進(jìn)行介質(zhì)損耗(tanδ)測(cè)試、尺寸測(cè)量、發(fā)空測(cè)試和局部放電測(cè)量。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，試品的尺寸無(wú)明顯變化，絕緣整體性能良好，未出現(xiàn)發(fā)空現(xiàn)象；在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，常態(tài)tanδ及在額定線電壓下的局部放電量(Qmax)也無(wú)明顯變化。

冷熱循環(huán)試驗(yàn)全部結(jié)束后，對(duì)定子線棒進(jìn)行了電老化試驗(yàn)和電熱老化試驗(yàn)。對(duì)24 kV線棒，在44.5 kV/5.25 mm/120 ℃條件下考核絕緣熱老化壽命；對(duì)26 kV線棒，其試驗(yàn)電壓按照與24 kV線棒相同的試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)確定，試驗(yàn)溫度也為120 ℃。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 8—表 11，均達(dá)到指標(biāo)要求，并無(wú)線棒擊穿，說(shuō)明線棒主絕緣耐冷熱循環(huán)試驗(yàn)后線棒耐老化性能仍然較好。

表8 24 kV定子線棒冷熱循環(huán)試驗(yàn)后2.0Un電老化試驗(yàn)結(jié)果

表9 24 kV定子線棒冷熱循環(huán)試驗(yàn)后電熱老化試驗(yàn)結(jié)果

表10 26 kV定子線棒冷熱循環(huán)試驗(yàn)后2.0 Un電老化試驗(yàn)結(jié)果

表11 26 kV定子線棒冷熱循環(huán)試驗(yàn)后電熱老化試驗(yàn)結(jié)果

4 耐環(huán)境因素模擬試驗(yàn)

將1 000 MW/24 kV定子線棒放入環(huán)境試驗(yàn)箱中的模擬鐵心內(nèi)，上、下層定子線棒各6根，為了更接近真機(jī)條件，使12根上下層線棒的端部防暈區(qū)域完全交叉，線棒端部斜邊間隙、層間間距及端部對(duì)地距離、端部對(duì)結(jié)構(gòu)部件距離完全與真機(jī)相同。這樣，模擬運(yùn)行環(huán)境(潮濕、粉塵和油霧)試驗(yàn)結(jié)果可真實(shí)反映線棒主絕緣及繞組耐環(huán)境因素的性能。模擬運(yùn)行條件，進(jìn)行潮濕、熱老化、耐電壓等試驗(yàn)。試驗(yàn)共進(jìn)行3個(gè)周期(如圖 1所示)，每個(gè)試驗(yàn)周期結(jié)束后，測(cè)量樣品的tanδ和Qmax。

圖1 模擬環(huán)境因素試驗(yàn)流程

試驗(yàn)結(jié)果如下：

1)24kV模擬真機(jī)繞組經(jīng)人工噴涂粉塵油污前后的介電性能無(wú)明顯變化。

2)經(jīng)過(guò)3個(gè)周期的耐環(huán)境模擬試驗(yàn)后，繞組的100 ℃等效絕緣電阻均有下降，而吸收比和極化指數(shù)均有增加。試驗(yàn)后模擬真機(jī)繞組在5 000 V電壓下1 min的100 ℃等效絕緣電阻值為0.264 GΩ，比試驗(yàn)前下降73.9%，而試驗(yàn)繞組的吸收比和極化指數(shù)分別為3.27和7.09，比試驗(yàn)前分別增加13.9%和115.5%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 8564—2003 水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的吸收比應(yīng)大于1.6和極化指數(shù)應(yīng)大于2.0的要求。

3)經(jīng)過(guò)3個(gè)周期的耐環(huán)境模擬試驗(yàn)后，模擬真機(jī)繞組的tanδ有所增加。試驗(yàn)后哈電繞組在24 kV、26 kV級(jí)的1.0Un電壓下的tanδ值分別為0.016 5和0.017 2，比試驗(yàn)前分別增加7.1%和6.2%；而在24 kV、26 kV級(jí)的1.0Un電壓下的Δtanδ(=Untanδ-0.2Untanδ)值分別為0.009 4 和0.009 9，比試驗(yàn)前分別增加13.9%和7.6%。

4)經(jīng)過(guò)3個(gè)周期的耐環(huán)境模擬試驗(yàn)后，模擬真機(jī)繞組的局部放電量有所增加。試驗(yàn)前后變化不顯著，符合電力標(biāo)準(zhǔn)《DL/T492—92發(fā)電機(jī)定子繞組環(huán)氧粉云母絕緣老化鑒定導(dǎo)則》規(guī)定的1.0Un電壓下的最大放電量應(yīng)小于10 000 pC的要求。

5)經(jīng)過(guò)3個(gè)周期的耐環(huán)境模擬試驗(yàn)后，對(duì)哈電模擬真機(jī)繞組和東電試驗(yàn)繞組進(jìn)行了24 kV、26 kV級(jí)的系列1 min交流耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)繞組分別通過(guò)了24 kV級(jí)的1.3Uφ(Uφ為定子繞組額定相電壓)、1.05Un、1.5Un和2Un耐壓試驗(yàn)。

由此可見(jiàn)，哈電利用F級(jí)主絕緣材料制作的定子線棒具有良好的耐環(huán)境老化能力。

5 使用壽命

哈電曾經(jīng)應(yīng)用擊穿電壓法[2]分析了運(yùn)行25年的B級(jí)絕緣定子線棒使用壽命，當(dāng)時(shí)保守的計(jì)算結(jié)果表明線棒使用壽命大于38年。為了觀察絕緣擊穿的部位、擊穿路徑和絕緣的整體性，選擇上、下層線棒各l只進(jìn)行了解剖。其中，上層線棒上286號(hào)擊穿點(diǎn)位于電極部分棱角處，下層線棒下4號(hào)擊穿點(diǎn)位于電極搭接處寬面上。從解剖結(jié)果看，該絕緣的整體性很好，絕緣與導(dǎo)線粘接的也很好。擊穿通道很細(xì)，基本上呈S型。絕緣不起層，沒(méi)有大面燒焦的痕跡。

哈電對(duì)核電定子線棒F級(jí)主絕緣的耐電老化壽命進(jìn)行了分析。根據(jù)《IEC/TR 60727-2—1993 電氣絕緣系統(tǒng)耐電壽命評(píng)定第二部分：在極值分布基礎(chǔ)上的評(píng)定程序》，分別在1.6Un、2.0Un、3.0Un下對(duì)定子線棒進(jìn)行電老化試驗(yàn)，直至線棒擊穿，由此數(shù)據(jù)繪出線棒的壽命曲線。根據(jù)電老化壽命終止時(shí)間進(jìn)行線性擬合，用外推法估算出核電線棒的絕緣壽命在60年以上，如圖 2所示。以上計(jì)算僅考慮高電壓下的電老化壽命，實(shí)際上電機(jī)在運(yùn)行中往往還受到其它各種因素的影響，如倍頻振動(dòng)、電磁應(yīng)力、電暈、磨損、運(yùn)行工況、環(huán)境溫度、濕度等，一般很少單純由于絕緣老化而產(chǎn)生絕緣擊穿或者破損。

圖2 核電線棒電老化壽命曲線

另外，奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)的Sumereder C博士[3]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(tái)機(jī)組的定子繞組使用壽命，其中37%是多膠模壓絕緣制備技術(shù)[4-6]。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。在Sumereder C的博士文獻(xiàn)中，他沒(méi)有區(qū)分B級(jí)和F級(jí)主絕緣材料。

6 結(jié) 語(yǔ)

哈電從1980年代在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)發(fā)應(yīng)用F級(jí)桐馬環(huán)氧玻璃粉云母帶以來(lái)，已經(jīng)具有40多年的發(fā)電機(jī)主絕緣應(yīng)用和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，制造了近千臺(tái)大型水輪發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)及核電發(fā)電機(jī)，至目前為止這些發(fā)電機(jī)的絕緣性能表現(xiàn)優(yōu)良。國(guó)外學(xué)者根據(jù)機(jī)組實(shí)際應(yīng)用情況，統(tǒng)計(jì)的多膠模壓定子線棒應(yīng)用年限約41年。國(guó)內(nèi)F級(jí)主絕緣應(yīng)用至今已經(jīng)有40多年的歷史，沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)橹鹘^緣的問(wèn)題而導(dǎo)致事故停機(jī)的問(wèn)題，從理論上計(jì)算理想狀態(tài)下F級(jí)主絕緣應(yīng)用年限在60年以上;但是實(shí)際應(yīng)用中有各種影響因素，因此線棒使用壽命應(yīng)該在40～60年。具體剩余使用壽命數(shù)值可以根據(jù)電廠拆除的舊線棒性能進(jìn)行評(píng)估。