大型發(fā)電機F級定子線棒主絕緣性能分析

邵永斌

(1.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2.水力發(fā)電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；3.國家水力發(fā)電設備工程技術研究中心，哈爾濱 150040；4.哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040)

0 引 言

1964年,哈電在鹽鍋峽機組開始應用B級主絕緣，提高了主絕緣材料的電氣強度和耐溫指數(shù)，滿足了電機容量和電壓等級逐漸提高的需求。1988年,在天生橋機組開始應用F級主絕緣材料，進一步滿足了大容量和電壓等級更高的電機的性能要求。F級主絕緣應用至今，已經(jīng)制作上千臺機組，沒有出現(xiàn)單純由主絕緣引起的擊穿事故，表明F級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)構優(yōu)化對電老化性能的影響，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)模擬試驗等方面檢驗定子線棒絕緣性能，最后分析定子線棒F級主絕緣使用壽命。

1 定子線棒絕緣結(jié)構優(yōu)化

1.1 角部場強優(yōu)化

高壓定子線棒角部存在著電場集中的現(xiàn)象，采取措施改善角部電場分布，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，最大場強可降至原來的80%，理論上擊穿場強可提高25%，而電老化壽命可提高至原來的3.8倍[1]。

制作試驗線棒進行試驗角部場強優(yōu)化試驗，從表 1可知，優(yōu)化結(jié)構的線棒擊穿電壓均值為137.75 kV，比普通結(jié)構的擊穿電壓均值112 kV提高了23%，即擊穿場強提高了23%，與理論計算的25%相當。從表 2可知，優(yōu)化結(jié)構的電老化中值壽命1 555 h是普通結(jié)構的中值壽命743 h的2.1倍。

表1 定子線棒角部優(yōu)化前后的擊穿電壓

表2 快速電老化試驗結(jié)果(場強10 kV/mm)

制作真機線棒(單面絕緣厚度為4.4 mm)進行角部場強優(yōu)化，然后進行擊穿試驗和電老化試驗(場強44 kV/4.4 mm)，線棒擊穿電壓平均值為151 kV，擊穿場強為34.3 kV/mm，均達到令人滿意的結(jié)果；電老化壽命中值為1 620 h，遠遠超過600 h的規(guī)定值。可見定子線棒角部場強優(yōu)化后，有效提高了線棒擊穿場強，延長了電老化壽命。

1.2 電暈結(jié)構優(yōu)化

哈電定子線棒一次成型防暈結(jié)構從1970年代開始應用后，已經(jīng)有40多年的應用經(jīng)驗和業(yè)績。防暈材料采用薄型全固化聚酯半導體玻璃絲帶，防暈帶的特點是：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)，同時本身阻值不受主絕緣膠的影響，且阻值對溫度相對穩(wěn)定；與主絕緣粘接良好。

哈電的線棒防暈技術是具有自主知識產(chǎn)權的成熟技術，線棒端部防暈結(jié)構優(yōu)化必須達到以下要求[1]：1)各段防暈層的始端電位梯度在耐壓試驗時不超過8.1 kV/cm；2)各段防暈層的始端單位表面損耗在同一數(shù)量級內(nèi)，且不超過0.6 W/cm2，考慮到材料的分散性和工藝的波動性，設計防暈結(jié)構時應留有余地，即單位表面損耗不超過0.8 W/cm2；3)最后一段防暈層的末端對導體的電壓在規(guī)定的指標內(nèi)；4)在1.5倍電機額定電壓下最高電位梯度不超過2.1 kV/cm，以免產(chǎn)生電暈。

單根線棒起暈電壓遠遠大于1.5倍額定電壓水平，在單根線棒交流耐壓試驗時沒有出現(xiàn)放電、冒煙現(xiàn)象，空氣中的交流耐壓試驗都能順利通過。哈電的線棒防暈技術能滿足從6 kV到30 kV電壓等級的機組防暈要求，保證了定子繞組長期運行時不出現(xiàn)起暈，為延長機組使用壽命奠定了良好的基礎。

1970年代出現(xiàn)槽內(nèi)電腐蝕問題后，定子繞組槽內(nèi)采取包繞半導體槽襯結(jié)構，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)電腐蝕問題。目前大型機組采用引進的技術(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)電腐蝕問題。這項技術也為延長機組使用壽命奠定了良好的基礎。

2 電老化試驗

哈電制作的700 MW/20 kV三峽定子線棒在瑞士ABB公司進行了電老化試驗，試驗結(jié)果(見表 3)遠遠超過ABB公司的指標，獲得ABB公司的高度評價。

表3 ABB公司對哈電三峽20kV水冷定子線棒電老化性能評定

哈電制造的24 kV/1 000 MW與26 kV/1 000 MW定子線棒，在進行2.0Un和1.6Un電老化試驗的整個過程中，所有線棒主絕緣及防暈結(jié)構等均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。試驗表明，哈電公司設計制造的24 kV、26 kV兩種電壓等級的仿真線棒主絕緣體系的電老化結(jié)果完全滿足指標要求(見表 4—表 7)。

表7 26 kV線棒1.6Un電老化試驗結(jié)果

表4 24 kV線棒2.0Un電老化試驗結(jié)果

哈電制造的F級主絕緣定子線棒耐電老化性能，達到并超過了國外同類型機組的指標，表明哈電定子線棒具有良好的耐電老化性能，能保證機組長期穩(wěn)定運行。

表5 24 kV線棒1.6Un電老化試驗結(jié)果

表6 26 kV線棒2.0Un電老化試驗結(jié)果

3 線棒耐冷熱循環(huán)性能

主絕緣冷熱循環(huán)試驗按加拿大GE 公司(IEEE3010)要求，哈電公司制造4只二灘真機線棒送至加拿大GE 公司進行冷熱循環(huán)試驗：試驗在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個周期,試驗周期500個。在第0、50、100、250和500個周期結(jié)束后分別進行介損測量、尺寸測量、發(fā)空測量、局放測量，以比較各參數(shù)的變化情況來判斷線棒絕緣耐受冷熱循環(huán)的能力。試驗結(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，同時加拿大GE公司將4只冷熱循環(huán)試驗后的線棒進行額外的電老化(39 kV/4.6 mm)試驗,試驗結(jié)果遠遠高于拿大GE公司250 h目標值，見表 3。

采用F級主絕緣材料制造的24 kV、26 kV定子線棒進行了冷熱循環(huán)試驗，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個周期，一共進行500個周期的試驗。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。在整個試驗過程中，試品的尺寸無明顯變化，絕緣整體性能良好，未出現(xiàn)發(fā)空現(xiàn)象；在整個試驗周期內(nèi)，常態(tài)tanδ及在額定線電壓下的局部放電量(Qmax)也無明顯變化。

冷熱循環(huán)試驗全部結(jié)束后，對定子線棒進行了電老化試驗和電熱老化試驗。對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26 kV線棒，其試驗電壓按照與24 kV線棒相同的試驗場強確定，試驗溫度也為120 ℃。試驗結(jié)果見表 8—表 11，均達到指標要求，并無線棒擊穿，說明線棒主絕緣耐冷熱循環(huán)試驗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)試驗后2.0Un電老化試驗結(jié)果

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

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

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

4 耐環(huán)境因素模擬試驗

將1 000 MW/24 kV定子線棒放入環(huán)境試驗箱中的模擬鐵心內(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、層間間距及端部對地距離、端部對結(jié)構部件距離完全與真機相同。這樣，模擬運行環(huán)境(潮濕、粉塵和油霧)試驗結(jié)果可真實反映線棒主絕緣及繞組耐環(huán)境因素的性能。模擬運行條件，進行潮濕、熱老化、耐電壓等試驗。試驗共進行3個周期(如圖 1所示)，每個試驗周期結(jié)束后，測量樣品的tanδ和Qmax。

圖1 模擬環(huán)境因素試驗流程

試驗結(jié)果如下：

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

2)經(jīng)過3個周期的耐環(huán)境模擬試驗后，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。試驗后模擬真機繞組在5 000 V電壓下1 min的100 ℃等效絕緣電阻值為0.264 GΩ，比試驗前下降73.9%，而試驗繞組的吸收比和極化指數(shù)分別為3.27和7.09，比試驗前分別增加13.9%和115.5%，符合國家標準《GB/T 8564—2003 水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》規(guī)定的吸收比應大于1.6和極化指數(shù)應大于2.0的要求。

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

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

5)經(jīng)過3個周期的耐環(huán)境模擬試驗后，對哈電模擬真機繞組和東電試驗繞組進行了24 kV、26 kV級的系列1 min交流耐壓試驗。試驗繞組分別通過了24 kV級的1.3Uφ(Uφ為定子繞組額定相電壓)、1.05Un、1.5Un和2Un耐壓試驗。

由此可見，哈電利用F級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)應用擊穿電壓法[2]分析了運行25年的B級絕緣定子線棒使用壽命，當時保守的計算結(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只進行了解剖。其中，上層線棒上286號擊穿點位于電極部分棱角處，下層線棒下4號擊穿點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，絕緣與導線粘接的也很好。擊穿通道很細，基本上呈S型。絕緣不起層，沒有大面燒焦的痕跡。

哈電對核電定子線棒F級主絕緣的耐電老化壽命進行了分析。根據(jù)《IEC/TR 60727-2—1993 電氣絕緣系統(tǒng)耐電壽命評定第二部分：在極值分布基礎上的評定程序》，分別在1.6Un、2.0Un、3.0Un下對定子線棒進行電老化試驗，直至線棒擊穿，由此數(shù)據(jù)繪出線棒的壽命曲線。根據(jù)電老化壽命終止時間進行線性擬合，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。以上計算僅考慮高電壓下的電老化壽命，實際上電機在運行中往往還受到其它各種因素的影響，如倍頻振動、電磁應力、電暈、磨損、運行工況、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，奧地利格拉茨技術大學的Sumereder C博士[3]在2004年，統(tǒng)計了不同絕緣材料和不同生產(chǎn)工藝制作的400臺機組的定子繞組使用壽命，其中37%是多膠模壓絕緣制備技術[4-6]。從出現(xiàn)擊穿和繞組替換的統(tǒng)計數(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的博士文獻中，他沒有區(qū)分B級和F級主絕緣材料。

6 結(jié) 語

哈電從1980年代在國內(nèi)率先開發(fā)應用F級桐馬環(huán)氧玻璃粉云母帶以來，已經(jīng)具有40多年的發(fā)電機主絕緣應用和運行經(jīng)驗，制造了近千臺大型水輪發(fā)電機、汽輪發(fā)電機及核電發(fā)電機，至目前為止這些發(fā)電機的絕緣性能表現(xiàn)優(yōu)良。國外學者根據(jù)機組實際應用情況，統(tǒng)計的多膠模壓定子線棒應用年限約41年。國內(nèi)F級主絕緣應用至今已經(jīng)有40多年的歷史，沒有出現(xiàn)因為主絕緣的問題而導致事故停機的問題，從理論上計算理想狀態(tài)下F級主絕緣應用年限在60年以上;但是實際應用中有各種影響因素，因此線棒使用壽命應該在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行評估。