27kV定子绕组主绝缘及防晕层设计开发

吴晓蕾 金雯静 陈 梁

（上海电气电站设备有限公司上海发电机厂，上海 200240）

1 引言

随着我国电力事业的迅速发展，发电机也逐渐趋向大容量、高电压。目前我国自己生产的汽轮发电机最大容量为600MW，电压等级为20kV，但是，已经有许多容量超过600MW，电压超过20kV的汽轮发电机在我国的电厂运行，而这些汽轮发电机都是从国外进口的，消耗了国家大量的外汇。27kV电压等级的定子线圈绝缘研制在国内尚属首次。据初步询价，进口一台百万千瓦级的发电机定子线圈价格要2500万左右的人民币。因此，从国家利益和民族产业的利益出发，研制生产超大容量的汽轮发电机定子线圈事在必行。为了适应这一形势的要求我们确定了“27kV级定子线圈绝缘研制”这一课题，从而为我公司自行生产百万千瓦级汽轮发电机定子线圈作以技术储备。

发电机定子线棒主绝缘的制造工艺大体上可以分为多胶模（液）压工艺和少胶真空压力浸渍（VPI）工艺。国外著名大公司如西屋公司，三菱公司，ABB公司，西门子公司等大多采用VPI工艺。

我公司于2001年通过了VPI技术制造空冷定子线圈的西门子西屋公司的考证，在2003年底制造了国内首台 660MW VPI绝缘大型汽轮发电机，从而开创了国内VPI技术制造大型汽轮发电机的历史。

1.1 目的和任务

“27kV级发电机定子线圈绝缘研制”课题的目的是结合上海汽轮发电机有限公司现有的绝缘体系和工装设备的特点确定合的27kV定子线圈胶化线棒的绝缘结构，主绝缘的绝缘结构，以及防晕结构，而达到西门子西屋公司定子线圈绝缘性能的要求。

1.2 百万千瓦级定子线圈主绝缘的制造工艺路线的选取

27k定子线圈绝缘设计是以 VPI线圈制造设计为基础，参考西门子西屋公司的设计并做以改进后采用真空压力浸渍工艺进行绝缘处理的绝缘结构。

真空压力浸渍（VPI）具有以下特性，这些特性是有效地预防导致电动机和发电机故障的根本因素。

（1）通过VPI工艺可以消除绝缘体系内部的气隙，提高主绝的导热性。

（2）通过VPI工艺可以减少主绝缘的早期电老化，提高了绝缘的耐久性。VPI工艺的采用，使绝缘内部的气隙降到了最低限（从理论上而言，可以降低到零气隙）在高压电气绝缘结构中，绝缘结构中的气隙会发生放电，这也就是常见的电晕现象。电晕现象的产生加剧了绝缘材料的电老化过程，缩短绝缘的寿命[1]。

（3）通过VPI工艺可以减少由于震动而导致的机械损伤：电机在运行的过程中，线圈会受到震动，滑动或弯曲等机械应力的作用，VPI工艺的采用，使高黏结强度的浸渍树脂填补了线圈内部的间隙，使线圈成为一个整体，避免线圈由于机械应力的老化过程[1]。

（4）由于VPI工艺的无气隙的优势，使得采用该工艺制造的主绝缘的耐侯性和耐溶剂性有所提高[1]。

（5）胶模压的线圈，因模具设备原因，易产生主绝缘厚度单边的状态，而VPI工艺制造的线圈主绝缘双面均匀，有利于提高线圈的制造水平。

227kV定子线圈的绝缘结构的选定

2.1 胶化线棒绝缘结构的选定

（1）定子线圈所用的绝缘铜扁线

由于百万千瓦27kV级定子线圈的设计时的换位节距较20kV定子线圈小，每根股线的宽边/窄边比较大，因此在考虑绝缘铜扁线的绝缘结构时，既要考虑到材料机械强度，又要考虑到材料的电气强度。为此，我们通过多方比较选用了玻璃丝/涤玻丝包聚酰胺酰亚胺漆包铜扁线。该电磁线的性能见表 1。

表1 绝缘铜扁线性能

（2）换位绝缘的选用

对于 27kV级定子线圈的换位绝缘，由于定子线圈的换位节距较小，为了避免股间短路，在绝缘设计时选用了高剪切强度的NOMEX材料。

图1 股线换位和放入换位绝缘

图2 线圈胶化后的照片

（3）定子线圈内屏蔽结构的确定

西门子西屋公司对少胶主绝缘的常态介损和增量的数值要求远比国内多胶模压主绝缘的要求要低，国内制造的多胶模压线圈普遍达到部颁一等品线圈的介损要求即：tg0.2E＜2%，tg (0.6-0.2)E＜1%；而西门子西屋公司的要求tg0.2E＜1%，tg (0.8-0.2)E＜0.65%；为了使达到这一要求，我们借鉴国外成功的经验，对胶化线棒采取内屏蔽的方式。国际上，定子线圈的内屏蔽方式多种多样，主要有：导电板方式、导电腻子方式、导电带方式以及导电漆等方式。通过在定子线圈上的试验比较得到的结果见表2。

根据表2，我们在线圈内屏蔽结构的选用上采取了介损增量较低的优化的导电带结构。

2.227kV级定子线圈主绝缘结构的选定

27kV级定子线圈主绝缘单边绝缘厚度的设计是和西门子西屋公司绝缘厚度同步的，都是LEVEL602的水平，单边绝缘厚度在7mm左右。线圈主绝缘的云母带采用进口的不含促进剂的少胶带；VPI浸渍树脂采用西门子西屋公司牌号为PDS 53841PU树脂。该绝缘体系是西门子西屋公司的Thermalastic绝缘系统，西门子西屋公司采用该系统作为大型高压电机的绝缘体系已经有几十年的历史。在我公司 VPI线圈的试制历史上，试制绝缘厚度在7mm左右的VPI定子线圈尚属首次， 因此在绝缘结构确定后需选取合理的VPI参数，使主绝缘在VPI树脂中浸透，从而最终保证主绝缘的电气性能。

表2 内屏蔽方式的不同对定子线圈常态介损的影响

表3 VPI线圈常态介损与增量值

3 线圈主绝缘的性能研究

3.127kV级VPI定子线圈胶化线棒的制造

按照 27kV级定子线圈胶化线棒的绝缘结构要求， 选用玻璃丝/涤玻丝包聚酰胺酰亚胺漆包铜扁线数十根进行编织换位后，放入排间绝缘， 换位绝缘及换位面凹坑绝缘后进行定子线圈的成型胶化并对胶化线圈进行内屏蔽处理。

3.227kV级VPI定子线圈的介质损耗

（1）常态介损和增量（见图3）

西门子西屋公司的常态介损要求是tg0.2UN≤1%，介损增量 tg(0.8-0.2)UN≤0.65%；我们制造的 27kV级定子线圈的介损平均值均达到西门子西屋公司的技术指标，可以初步确定我们设计的 27kV级定子线圈的绝缘结构基本是合理的。

图3 27kV级定子线圈的常态介损及增量与多胶部颁标准比较

27kV级 VPI定子线圈的常态介损和介损增量均比多胶模压部颁标准优等品线圈主绝缘要低，这主要是由于VPI工艺的特点，使定子线圈内部的气隙减少，从而在线圈的常态介损尤其在常态介损增量上比多胶模压线圈具有更突出的优势。

（2）27kV级定子线圈的热态介损

西门子西屋公司对于 27kV定子线圈主绝缘的热态介损无明确规定。但 27kV级定子线圈的热态介损要比多胶模压 JB/T56082（优等品）的要求低近50%（见表4，图4）， 这主要是由27kV级定子线圈主绝缘体系的树脂和VPI工艺无气隙的特点所决定的。

表4 27kV级定子线圈热态介损与多胶线圈部颁标准比较

图4 27kV级定子线圈介损与多胶线圈部颁标准的比较

3.327kV级定子线圈的主绝缘击穿强度

表527kV级考核线圈的主绝缘击穿强度

西门子西屋公司定子线圈的击穿强度的要求是大于25kV/mm，我们试制的定子线圈在进行击穿试验时，均是主绝缘未击穿就发生了防晕层击穿的现象，因此定子线圈的击穿场强是满足西门子西屋公司的要求的。

图5 27kV级定子线圈的击穿强度与多胶线圈部颁标准比较

3.427kV级定子线圈主绝缘的弯曲强度

表627kV级VPI线圈的弯曲强度和多胶模压主绝缘的对比

图6 27kV定子线圈的弯曲强度与多胶模压线圈的比较

通过VPI线圈的弯曲强度与多胶主绝缘相比，VPI线圈的热态和常态的机械强度要高于多胶主绝缘，这主要和VPI体系的树脂以及VPI工艺制造的主绝缘的致密性有关。VPI工艺使得线圈绝缘的致密度提高，存在于线圈内部的内应力减少，因此在常温及中温下的强度要远高于多胶桐马体系，但在130℃时的抗弯强度下降较快且接近于多胶体系，这主要是由于该温度附近正好是VPI（Thermalastic）主绝缘的玻璃化转变温度，因此导致了绝缘机械性能的迅速下跌。

3.527kV定子线圈主绝缘玻璃化温度和多胶主绝缘的对比

线圈主绝缘的玻璃化温度是体现绝缘机械强度的热态耐久性的指标，从表7的对比中可以看出

从上图5可以看出，27kV级VPI定子线圈的主绝缘的电气强度高于部颁标准要求的优等品 20kV级多胶模压主绝缘的电气强度。这主要是由于采用VPI工艺处理的主绝缘的内部是致密的整体，减少了气隙缺陷，从而提高了主绝缘的电气强度。

VPI线圈主绝缘的玻璃化温度要比多胶模压线圈主绝缘的玻璃化温度高，这说明 VPI线圈的Thermalastic主绝缘的热态耐久性要比桐马体系的主绝缘好。从VPI（Thermalastic）主绝缘的玻璃化温度来看，VPI（Thermalastic）主绝缘更适合用于应用到空冷汽轮发电机主绝缘和温升高的大容量发电机。

表7 660MW主绝缘玻璃化温度与多胶主绝缘的对比

3.6 快速电老化试验

27kV级定子线圈的主绝缘按照西门子西屋公司的要求需进行电老化试验，电老化试验分为两种：①两倍的额定电压下的定子线圈的电老化；②三倍额定电压下的定子线圈的电老化。 根据西门子西屋公司提供的经验， 一般快速电老化的试验条件更加苛刻。 因此我们选择了快速电老化试验对线圈进行老化试验。

表8 27kV级VPI线圈主绝缘的快速电老化试验

图7 百万千瓦级定子线圈的快速电老化

427kV级定子线圈的防晕

27kV级定子线圈的研制中另一较大的难点是定子线圈的防晕结构的确定，由于电压等级的提高，对定子线圈的起晕电压提出了更高的要求，西门子西屋公司对于 27kV级定子线圈的起晕电压要大于63kV； 而定子线圈完成后需对定子线圈进行83kV1分钟的耐压试验，西门子公司的线圈防晕无法承受如此高的电压，因此进行该试验时是采用外接电容分流法进行的。

我公司一次成型防晕在首台VPI 660MW 20kV级定子线圈上已经得到了成功应用， 为此我们的设计思路是在 20kV级线圈防晕的基础上进行改进，通过数百根模拟线棒的反复试验，最终确定了四级防晕的一次成型防晕结构。

4.1 低阻带随主绝缘固化后的阻值

表9 低阻带在VPI线圈表面的阻值

该系列的低阻带在经过 VPI处理， 主绝缘固化后的阻值范围在1.2～10kΩ范围之内，这符合线圈槽内部分阻值要求大于1kΩ小于50kΩ的要求。

4.2 一次成型的防晕线棒的防晕性能

经过反复防晕结构的试验， 最终线圈防晕长度得以确定，其防晕水平见表10。

表10 线圈分步耐压试验

西门子西屋公司的刷漆型防晕的要求是，定子线圈的起晕电压大于63kV；而我们设计的防晕结构达到并高于西门子西屋的要求。同时该防晕结构也顺利通过线圈83kV 1min的耐压试验，而西门子西屋公司在进行该试验时是采用电容分流的方法。

4.327kV级定子线圈防晕结构的电老化

通过反复试验确定的定子线圈的防晕结构， 应用到定子线圈上，在线圈主绝缘电老化试验中，防晕结构也经历了81kV 70h的老化。国外的同行业竞争对手，将高电压电老化的防晕结构作为 27kV级技术壁垒来限制我们的发展；百万千瓦级防晕结构在这次的快速电老化试验的一举成功，是我公司防晕技术的又一突破。

5 结论

（1）27kV级VPI定子线圈主绝缘的击穿电压和场强均比多胶模压主绝缘有优势，27kV级 VPI定子线圈主绝缘的击穿场强达到了西门子西屋公司的设计要求。

（2）27kV级VPI定子线圈主绝缘的玻璃化温度要高于多胶模压桐马体系线圈的玻璃化温度， 这使得线圈的刚性好。通过对 VPI线圈主绝缘玻璃化温度的研究发现，使我们认识到VPI绝缘更适合于冷却效果相对欠佳，温升较高的电机，如空冷发电机的线圈绝缘。

（3）27kV级 VPI定子线圈主绝缘的常态介损，介损增量以及热态介损均达到西门子西屋公司的绝缘设计要求，这说明27kV级VPI定子线圈内部的内屏蔽结构是合理的，主绝缘制造工艺参数的选择是恰当的。

（4）27kV级VPI定子线圈主绝缘的抗弯强度高于多胶桐马体系，VPI线圈的刚性好，这主要是由Thermalastic 绝缘的玻璃化温度和VPI工艺主绝缘的无气隙性决定的。

（5）通过27kV级VPI定子线圈的防晕，采用了一次成型的防晕结构，该结构较西门子西屋公司的刷漆结构简单，易操作。在防晕性能上超越了西门子西屋公司的防晕水平。

[1]Thomas Weege. Basic Impregnation Techniques[C]//Electrical Electronics Insulation Conference, 1997, and Electrical Manufacturing & Conference Procedings,September 22-25, 1997:709-715.

[2]G.deutschmann, K.kraβnitzer. Influence of mica paper type and construction on the dielectric properties of VPI and resin rich high voltage insulation[M]//Electrical Electronics Insulation Conference, 1991,Boston’91 EEIC/CWA Exposition Proceedings of the 20th, October 7-10, 1991:60-64.