白鶴灘水輪發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)研制

張秋寒，潘延明，孫永鑫

（1.哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江省哈爾濱市 150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省哈爾濱市 150040；3.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)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(jī)容量最大、總裝機(jī)容量世界第二的水電站，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱哈電）承制白鶴灘水電站右岸電站全部8臺(tái)套水輪發(fā)電機(jī)組。哈電自2008年開(kāi)始，就已著手開(kāi)展24kV、26kV電壓等級(jí)定子線棒絕緣研發(fā)工作，并根據(jù)中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司與哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司簽訂的“金沙江水電工程特殊專項(xiàng)科研項(xiàng)目合同”的要求，對(duì)24kV、26kV電壓等級(jí)的仿真模壓定子線棒進(jìn)行全面性能試驗(yàn)研究[1]。

2017年為確保白鶴灘機(jī)組絕緣設(shè)計(jì)制造的安全穩(wěn)定，哈電在白鶴灘整機(jī)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，實(shí)現(xiàn)了重大突破。本文對(duì)白鶴灘機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)行了全面的介紹和試驗(yàn)分析。

2 定子繞組絕緣技術(shù)研究

白鶴灘發(fā)電機(jī)額定電壓24kV級(jí)為目前國(guó)際國(guó)內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)定子設(shè)計(jì)最高電壓，絕緣設(shè)計(jì)難度最高。24kV級(jí)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(jī)的設(shè)計(jì)和制造水平。本文針對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)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(duì)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(guò)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(jiǎn)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(diǎn)，白鶴灘線棒通過(guò)嚴(yán)格控制工藝過(guò)程，保證溫度、時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)的極為重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。少膠VPI絕緣，因設(shè)計(jì)理念和浸漬工藝性的要求，絕緣厚度較薄，綜合技術(shù)指標(biāo)較好。近年來(lái)，在基礎(chǔ)體系不變的情況下，哈電對(duì)多膠環(huán)氧粉云母絕緣進(jìn)行了多項(xiàng)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(chǎng)強(qiáng)可與少膠絕緣相媲美。哈電在白鶴灘絕緣厚度的設(shè)計(jì)方面根據(jù)機(jī)組的具體情況因地制宜，既滿足絕緣的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的合理性，同時(shí)也確保機(jī)組運(yùn)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(jī)的使用壽命。哈電大型發(fā)電機(jī)采用F級(jí)桐馬環(huán)氧粉云母多膠主絕緣的電氣、機(jī)械性能均達(dá)到國(guó)外少膠VPI體系同等電壓水平。近年來(lái)開(kāi)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(shí)擊穿水平較以往提升10%，白鶴灘線棒的瞬時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了34kV/mm。

2.3 導(dǎo)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(guó)內(nèi)國(guó)外最先進(jìn)的漆包單滌綸玻璃絲燒結(jié)線，該材料目前實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，并成功應(yīng)用到三峽左岸、右岸和地下機(jī)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(dá)到190℃，可大大提高電機(jī)繞組運(yùn)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(duì)白鶴灘發(fā)電機(jī)定子線棒導(dǎo)體棱角處的電場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，計(jì)算出各種等位層曲率半徑下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)不均勻系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了等位層曲率半徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖1），有效提高線棒擊穿場(chǎng)強(qiáng)和老化壽命。

圖1 導(dǎo)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(duì)單根線棒防暈水平和整機(jī)繞組防暈水平的提高做了一系列研究與試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)計(jì)算分析，對(duì)定子線棒端部防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2），優(yōu)化后線棒間的斜邊電場(chǎng)大幅降低，放電區(qū)域更為分散，斜邊場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度，單根線棒在耐壓試驗(yàn)2.75UN+6.5kV（72.5kV）下無(wú)電暈及放電現(xiàn)象，遠(yuǎn)超合同規(guī)定的大于1.5UN（36kV）的要求。

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

2.4.2 整機(jī)繞組防暈結(jié)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)于定子繞組在真機(jī)中的運(yùn)行來(lái)說(shuō)，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(jī)組運(yùn)行壽命。

哈電為在白鶴灘線棒正式投產(chǎn)前，特制備試驗(yàn)工裝（見(jiàn)圖3）用于模擬整機(jī)繞組下線狀態(tài)，在試驗(yàn)工裝上進(jìn)行耐壓試驗(yàn)及繞組電暈試驗(yàn)。從而確保整機(jī)繞組在機(jī)組中安全可靠運(yùn)行。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，哈電設(shè)計(jì)的白鶴灘定子繞組端部防暈結(jié)構(gòu)在各級(jí)耐壓試驗(yàn)過(guò)程中和模擬運(yùn)行電壓下經(jīng)暗室肉眼觀察和紫外UV觀察均無(wú)明顯電暈放電現(xiàn)象。

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

2.5 定子線棒主絕緣性能試驗(yàn)

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(dǎo)體的絕緣結(jié)構(gòu)、主絕緣結(jié)構(gòu)、防暈材料及測(cè)試環(huán)境等對(duì)線棒絕緣介質(zhì)損耗也有很大的影響。所以，通過(guò)介質(zhì)損耗試驗(yàn)來(lái)確定線棒絕緣模壓工藝、使用合適的材料、合理的導(dǎo)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(jiàn)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(yàn)

高壓電機(jī)主絕緣的熱穩(wěn)定性也是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，熱穩(wěn)定性的好壞直接影響電機(jī)的安全運(yùn)行可靠性。哈電對(duì)白鶴灘定子線棒主絕緣進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗(yàn)過(guò)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(cè)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(méi)有明顯變化，可以滿足電機(jī)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5.3 主絕緣介電強(qiáng)度

主絕緣介電強(qiáng)度試驗(yàn)是對(duì)定子線 棒在油中進(jìn)行工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)（見(jiàn)圖5），升壓速度為1kV/s，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1試驗(yàn)表明：白鶴灘定子線棒工頻瞬時(shí)擊穿電壓達(dá)到并遠(yuǎn)超合同要求。

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

2.5.4 電老化試驗(yàn)

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

對(duì)白鶴灘定子線棒主絕緣進(jìn)行電老化壽命試驗(yàn)是考核主絕緣能否滿足機(jī)組長(zhǎng)期耐電性能及安全運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)。進(jìn)行定子線棒主絕緣電老化試驗(yàn)時(shí)，在高于數(shù)倍的額定電壓下進(jìn)行快速老化試驗(yàn)，雖與定子線棒實(shí)際運(yùn)行電老化機(jī)理不同，但主絕緣電老化壽命試驗(yàn)結(jié)果符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，可按照統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)理論推算主絕緣實(shí)際運(yùn)行壽命。分別進(jìn)行了2.0UN和3.0UN電壓下，白鶴灘線棒電老化壽命試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3，試驗(yàn)超過(guò)合同目標(biāo)值即停止試驗(yàn)，線棒未擊穿。白鶴灘線棒電老化試驗(yàn)見(jiàn)圖6。

表2 白鶴灘定子線棒3.0UN電老化試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果Table 3 2.0UN electrical aging test result of Baihetan stator bar

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

在進(jìn)行2.0UN和3.0UN電老化試驗(yàn)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?，F(xiàn)象。

2.5.5 電熱老化試驗(yàn)

熱態(tài)電老化壽命試驗(yàn)，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(yàn)更接近定子線棒運(yùn)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(biāo)。

試驗(yàn)時(shí)，將定子線棒固定在模擬鐵芯槽內(nèi)，定子線棒導(dǎo)線施加試驗(yàn)電壓外表面覆以電熱板對(duì)其進(jìn)行加熱和自動(dòng)調(diào)溫控制，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到并超過(guò)合同要求指標(biāo)后，停止試驗(yàn)。在整個(gè)電熱老化過(guò)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(jiàn)表4，由此可以看出，電熱老化試驗(yàn)（見(jiàn)圖7）結(jié)果滿足合同要求。

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

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

電老化試驗(yàn)和電熱老化試驗(yàn)是定子線棒在規(guī)定的試驗(yàn)電壓和溫度下的絕緣壽命評(píng)估試驗(yàn)，是對(duì)定子線棒絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析的診斷方法。本次試驗(yàn)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(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中定子線棒沒(méi)有發(fā)生閃絡(luò)和爬電現(xiàn)象，也說(shuō)明了防暈結(jié)構(gòu)合理可靠。

2.5.6 冷熱循環(huán)試驗(yàn)

按照合同中規(guī)定，需對(duì)線棒進(jìn)行室溫-150±5℃～室溫，往復(fù)500周期的冷熱循環(huán)試驗(yàn)（見(jiàn)圖8），并在第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，并于500周期后對(duì)線棒再進(jìn)行電老化和電熱老化試驗(yàn)。

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

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，線棒截面尺寸無(wú)明顯變化，絕緣整體性能良好；在整個(gè)試驗(yàn)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(wú)明顯變化。見(jiàn)圖9～圖11。

圖9 冷熱循環(huán)過(guò)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(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表5）和電熱老化試驗(yàn)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(yàn)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(duì)白鶴灘水輪發(fā)電機(jī)組定子繞組配套用高強(qiáng)度波紋板、環(huán)氧玻璃布層壓板、高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃氈層壓板槽楔、半導(dǎo)體無(wú)紡布、硅橡膠、浸膠固定材料、絕緣盒、絕緣端箍等進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和研究，保證了材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可以滿足白鶴灘水輪發(fā)電機(jī)定子繞組安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。定子繞組端部固定結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(guò)白鶴灘模擬定子繞組試驗(yàn)，效果良好。全部絕緣材料實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，提高國(guó)產(chǎn)大電機(jī)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力[3]。

4 定子鐵芯絕緣研制

由于白鶴灘機(jī)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(jī)組，在水電產(chǎn)品上的應(yīng)用業(yè)績(jī)較少。對(duì)于水溶性漆在白鶴灘機(jī)組上的應(yīng)用，哈電前期進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[5]。沖片絕緣漆及端片黏接材料均采用進(jìn)口，研發(fā)過(guò)程從水溶性沖片漆涂覆工藝、包裝運(yùn)輸、疊片安裝進(jìn)行了試驗(yàn)和改進(jìn)，并在萬(wàn)家寨改造機(jī)組上進(jìn)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(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)定子運(yùn)行安全有重大的影響，哈電對(duì)端片黏接材料及黏接工藝進(jìn)行了大量的嘗試，確保端片黏接質(zhì)量，此項(xiàng)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(jiàn)圖13～圖15）。

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

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

圖15 水溶性漆真機(jī)擴(kuò)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(jī)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(zhǎng)，線圈壓制難度高，哈電對(duì)磁極線圈壓力分布、溫度分布及黏接強(qiáng)度等問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)相應(yīng)的磁極壓制工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，防止磁極線圈匝間開(kāi)裂問(wèn)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(jī)要求，確保運(yùn)行過(guò)程中銅排匝間黏接強(qiáng)度，并保證匝間絕緣不開(kāi)裂。磁極匝間絕緣壓制工藝試驗(yàn)見(jiàn)圖16。

圖16 磁極匝間絕緣壓制工藝試驗(yàn)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(qiáng)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(duì)位移對(duì)絕緣的損傷（托板性能見(jiàn)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(yǔ)

（1）本文研制的定子導(dǎo)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(jī)組合同的對(duì)定子絕緣的要求。

（2）通過(guò)性能試驗(yàn)評(píng)定，哈電制造的白鶴灘24kV定子線棒的各項(xiàng)電氣性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)外先進(jìn)水平，且絕緣能夠反復(fù)承受電、熱、機(jī)械應(yīng)力沖擊的，有效提高機(jī)組使用壽命。

（3）開(kāi)發(fā)的主絕緣材料、防暈材料及配套絕緣新材料，并全部實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

（4）對(duì)水溶性沖片漆在水電機(jī)組上的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究成果可應(yīng)用在白鶴灘機(jī)組上。

（5）該成果為24kV、26kV及以上巨型空冷水輪發(fā)電機(jī)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(jī)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，有利地帶動(dòng)了我國(guó)水電重大裝備國(guó)產(chǎn)化水平、技術(shù)水平穩(wěn)步提升。