高原用高壓發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

朱濤 覃誠群

摘 要：介紹了高原用高壓發(fā)電機(jī)定子繞組匝間絕緣、對(duì)地絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及防暈措施，并成功應(yīng)用于海拔4300m、電壓10500V、容量為2875kVA的JFG高壓三相同步發(fā)電機(jī)上。為高原用高壓發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了借鑒和思路。

關(guān)鍵詞：高原用高壓發(fā)電機(jī) 定子繞組 絕緣結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM307 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（b）-00-03

隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高壓設(shè)備的廣泛使用，對(duì)高壓電力的需求日益增加，以前高壓電力主要通過電網(wǎng)系統(tǒng)獲得，對(duì)于水力、火電、燃汽等自然資源豐富的地方，可以不依賴電網(wǎng)，通過高壓發(fā)電機(jī)直接獲得高壓電力，從而降低電力成本。同時(shí)，隨著國民經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)面臨的資源、環(huán)境壓力日益突出，加快發(fā)展構(gòu)建綠色能源體系將成為國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方，從而改善電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)。以風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、各種燃?xì)獍l(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(wǎng)供電或并網(wǎng)供電。因此，對(duì)高壓發(fā)電機(jī)的需求將越來越多，同時(shí)對(duì)高壓發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求也越來越高，使用環(huán)境地點(diǎn)條件也將越來越復(fù)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(shè)備中高壓發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)非常關(guān)鍵，它不但體現(xiàn)了高壓發(fā)電機(jī)的技術(shù)水準(zhǔn)，還決定了高壓發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性和使用壽命。而高壓發(fā)電機(jī)的定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)是高壓發(fā)電機(jī)的核心，其技術(shù)水平在很大程度上由所選用的絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣處理工藝決定的，對(duì)于高壓發(fā)電機(jī)來說，其絕緣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水平就代表了發(fā)電機(jī)的整體水平。

1 高原用高壓發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)

高壓發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)主要包括匝間絕緣和對(duì)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(jī)定子繞組運(yùn)行過程中，其瞬態(tài)過電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng) ，有可能使匝間絕緣擊穿。而且現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)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(dǎo)致絕緣對(duì)地?fù)舸?。所以，匝間絕緣研究是高壓發(fā)電機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)匝間絕緣的耐沖擊擊穿電壓應(yīng)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(jīng)過線圈一匝所需時(shí)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(duì)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(shí)間，一般取1.5μs。

在我司產(chǎn)品JFG 6303-4/10500V-2300kW（2875kVA）高原4300m用高壓發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，預(yù)選定子繞組對(duì)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(chǎn)品應(yīng)用于高原海拔4300m特殊環(huán)境下，要求可靠性更強(qiáng)，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(dá)5.5kV，提升近40%左右，確保產(chǎn)品的可靠性。

1.2 對(duì)地絕緣厚度的選取

高壓發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地絕緣是絕緣結(jié)構(gòu)的主要部分，其厚度的選取需綜合考慮產(chǎn)品制造過程中多次耐壓破壞的積累效應(yīng)、絕緣層的緊密性、絕緣材料本身的耐老化能力以及機(jī)器運(yùn)行的機(jī)械振動(dòng)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(chǔ)備系數(shù)，一般取7～9；

Eb為絕緣結(jié)構(gòu)的原始擊穿場(chǎng)強(qiáng)，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(jī)設(shè)計(jì)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(duì)地絕緣材料的選取

高壓電機(jī)運(yùn)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(jī)械性能。確定絕緣材料關(guān)鍵要考慮材料的介電強(qiáng)度，要求材料介電強(qiáng)度最小應(yīng)大于絕緣耐壓試驗(yàn)電壓。當(dāng)前高壓電機(jī)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(shù)的不斷進(jìn)步，VPI真空處理工藝在當(dāng)前電機(jī)制造中已被普遍采用，使電機(jī)具有更良好的電氣性能、機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)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(qiáng)度均不小于35MV/m，去對(duì)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(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度最小為117.6kV×50%=58.8kV>UT=33.375kV。

1.4 防暈措施

高壓電機(jī)定子繞組在端部槽口及徑向通風(fēng)道槽口處，由于線圈絕緣表面的電場(chǎng)分布不均勻，當(dāng)局部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值后，在空氣中產(chǎn)生電離發(fā)生局部放電，出現(xiàn)藍(lán)色的熒光，并伴有呲呲的聲音，這種現(xiàn)象即為電暈。電暈會(huì)產(chǎn)生臭氧及氮的氧化物，它們與潮氣結(jié)合成有害的酸性物質(zhì)會(huì)腐蝕繞組的絕緣；電暈還會(huì)使絕緣局部發(fā)熱，加速絕緣老化，嚴(yán)重時(shí)將迅速破壞絕緣。因此，高壓電機(jī)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(yán)重。繞組容易產(chǎn)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(fēng)道槽口電場(chǎng)分布不均勻，都會(huì)使繞組與槽部結(jié)合處發(fā)生電暈。為了有效防止電暈的產(chǎn)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(dǎo)體低阻漆或包扎低阻帶方法，同時(shí)鐵心槽內(nèi)要噴涂半導(dǎo)體低阻漆，這樣使通風(fēng)槽口電場(chǎng)分布趨于均勻，降低軸向電場(chǎng)；同時(shí)低阻漆與槽壁接觸，可將該處間隙有效短路，使產(chǎn)生電暈的可能性盡量減少。涂刷半導(dǎo)體低阻漆時(shí)需要攪拌均勻，否則漆的不均勻會(huì)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(chǎn)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(chǎn)生電暈的部位。所以通過調(diào)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(chǎn)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(guān)系。因此，防止端部電暈產(chǎn)生就是用適形材料加絕緣件將端部線圈間進(jìn)行間隔，用滌玻繩綁扎固定，經(jīng)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(jié)良好以消除滌玻繩處起暈。

2 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

（1）根據(jù)相關(guān)要求，高原高壓電機(jī)線圈的起暈起始電壓應(yīng)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(jī)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(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)的海拔，單位km；

Ha為電機(jī)安裝地點(diǎn)的海拔，單位km；

在海拔4300m電機(jī)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(jī)繞組的起暈起始電壓值應(yīng)不低于：

Uis=1.3UΦ（1-KHs）/（1-KHa） （4）

式（4）中，Uis為電機(jī)繞組的電暈起始電壓，單位kV；

UΦ為電機(jī)的額定相電壓，單位kV。

在海拔4300m電機(jī)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(yàn)結(jié)果：按上述方案設(shè)計(jì)的JFG 6303-4/10500V- 2300kW，線圈匝間絕緣順利通過工頻39kV耐壓、5個(gè)脈沖，繞組嵌入鐵心并連接通過后工頻22.5kV耐壓、5個(gè)脈沖的試驗(yàn)；線圈對(duì)地絕緣順利通過工頻43.39kV耐壓、1min的試驗(yàn)，繞組嵌入鐵心并連接通過后工頻，33.41kV耐壓、1min的試驗(yàn)；線圈起暈電壓約30kV>24.87kV；繞組起暈起始電壓約15kV>12.44kV。

3 結(jié)語

本文對(duì)高原用高壓電機(jī)定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，給出了設(shè)計(jì)依據(jù)和方法，并應(yīng)用在JFG6303-4/10500V-2300kW高壓發(fā)電機(jī)中，產(chǎn)品自2014年至今均正常運(yùn)行，狀況良好，受到用戶的高度認(rèn)可。為開發(fā)高原用高壓發(fā)電機(jī)確定繞組絕緣結(jié)構(gòu)體系提供了借鑒和思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 上海電器科學(xué)研究所編.中小型電機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[2] 上海電器科學(xué)研究所編.國外變頻調(diào)速電機(jī)研究綜述[Z].1998.

[3] 徐君賢.電機(jī)與電器制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.