1000MW水轮发电机定子绕组配套材料的研究

张秋寒，徐 冰,2

（1. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040；2. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

前言

大型发电机定子绕组在运行过程中会受到电、热、机械应力和环境因素的影响。电应力会引起绝缘内气隙扩大和局部放电，腐蚀绝缘；热应力会加速绝缘老化裂解；机组运行和频繁起动会引起绕组振动，电磁力会对绝缘产生机械应力；潮气、灰尘、油污等环境因素也会影响绝缘性能。定子绕组配套材料在发电机长期安全可靠运行中起着至关重要的作用。

本文对1000MW水轮发电机组定子绕组配套用高强度波纹板、环氧玻璃布层压板、高强度环氧玻璃毡层压板槽楔、半导体无纺布、半导体硅橡胶、浸胶固定材料、绝缘盒、端箍等进行了研究，保证材料各项技术指标满足1000MW水轮发电机定子绕组安全、稳定地运行。

1 定子绕组配套材料

1.1 定子绕组槽部配套材料

槽内喷环氧聚酯防电晕漆[1]，在绕组层间和槽楔下分别使用半导体层压垫条，同时在槽楔下加入可产生预应力的波纹弹簧板以加强径向固定，在绕组和铁心之间填充室温硫化硅橡胶以改善绕组与铁心的无间隙固定，通过主、副槽楔的配合使用，加强了槽部固定的牢靠性。

1.1.1 层压板

高强度环氧玻璃层压板适用于大型水轮发电机定子绕组槽部固定用绝缘槽楔、层间垫条及端部固定用槽口垫块、间隔垫块和引线支架等。用玻璃丝毡浸渍环氧胶模压而成的HEC3248层压板可用于定子槽楔、引线支架等，用增强型玻璃布浸渍环氧胶模压而成的HEC3240层压板可用于层间垫条、槽口垫块、间隔垫块等。HEC3248和 HEC3240层压板性能指标见表1。

表1 HEC3248和HEC3240层压板性能

HEC3248和 HEC3240层压板已在三峡、龙滩、拉西瓦等水轮发电机上应用。该层压板的各项性能指标可以保证1000MW水轮发电机定子绕组安全、稳定地运行。

1.1.2 环氧酯晾干漆

层压板加工成零部件后，为防止受潮需在加工面上涂刷一层环氧酯晾干漆，环氧酯晾干漆性能见表2。

采用环氧酯晾干清漆涂刷层压板已有很多年的应用经验，运行证明是可靠的。

表2 环氧酯晾干清漆性能

1.1.3 波纹板

波纹板是由特种玻璃布经F级热固性树脂浸渍成半固化玻璃坯布，然后在模具上加热加压固化而成。由于电机运行时电磁力特别是负荷突变时的冲击电磁力对定子线棒作用力很大，所以对定子线棒槽内固定的要求很高。根据定子线棒槽内固定的要求，波纹板要具有永久变形小、抗压变形、回弹力高的性能，这样才能使其在机组长期运行过程中保持弹性。通过与绝缘材料厂合作开发研制大型水轮发电机定子绕组槽部固定用波纹板的性能指标见表3。

表3 波纹板性能

1.1.4 半导体槽衬

半导体槽衬是由无纺布和半导体胶粘剂复合而成。由于无纺布是聚酯体系，所选择的半导体胶粘剂必须与它相容性好，否则将影响电阻值的均匀性以及半导体无纺布的强度。

半导体胶的性能决定半导体槽衬的性能及应用工艺，所以对胶的体系进行了深入细致的研究。通过大量的配方试验，最后确定胶以环氧树脂为主，选择亚胺改性剂和特殊增韧剂提高固化后半导体槽衬的耐热性和柔韧性能，同时选择合适的偶联剂提高胶与无纺布的粘接强度，满足定子绕组下线对半导体槽衬强度的要求。选择胶体石墨做半导体材料，试制的半导体无纺布表面电阻值稳定，机械强度达到预期的结果。半导体无纺布槽衬性能指标见表4。国产半导体无纺布槽衬各项性能指标可以保证1000MW水轮发电机定子绕组安全、稳定地运行。

表4 半导体无纺布槽衬性能

1.1.5 半导体室温硫化硅橡胶

半导体室温硫化硅橡胶采用室温硫化剂，可在室温下完全硫化。半导体室温硫化硅橡胶性能见表5。

1000MW 水轮发电机采用包绕涂有室温硫化半导体硅橡胶的半导体无纺布复合材料，使得线圈与铁心间以“面”的形式接触，有效降低了槽电位，从而防止了槽部电晕的产生。

半导体硅橡胶无纺布“三合一”槽部固定技术已在三峡、龙滩、拉西瓦等水轮发电机机组上应用，效果良好。

1.1.6 环氧聚酯防电晕漆

环氧聚酯防电晕漆喷在铁心槽内，作为防电晕涂层。环氧聚酯防电晕漆性能指标见表6。

表5 半导体室温硫化硅橡胶性能

表6 绝缘盒灌注胶性能

采用环氧聚酯防电晕漆作为防电晕涂层已有很多年的应用经验，运行证明材料安全可靠。

槽部固定结构及配套材料见图1。

1.2 定子绕组端部配套材料

1.2.1 浸胶材料

浸胶材料包括浸胶涤纶毡、浸胶玻璃丝绳和浸胶玻璃丝带。浸胶涤纶毡用于绝缘垫块和绕组绝缘之间，具有固定和适形作用，涤纶毡采用针刺涤纶毡。浸胶玻璃丝带用于间隔垫块的绑扎固定，玻璃丝带采用定向（少纬）玻璃丝带，槽口垫块和槽口处槽楔固定用绑扎绳，铜环引线与绝缘支架、绕组与端箍间的绑扎固定用玻璃丝套管，玻璃丝绳及玻璃丝套管外部是玻璃丝编织的护套，内部由玻璃丝膨纱纺成的多股纤维束组成，浸胶固定材料采用双组份室温固化环氧树脂浸渍胶[1]。

浸渍材料应用时需先将浸渍胶混合均匀，再将毡（绳）加入其中浸透浸匀，然后在使用部位上室温下固化24h（或高温固化）。采用浸渍材料进行端部固定也是成熟的结构，运行安全可靠。

1.2.2 绝缘盒及填充材料

绝缘盒分上端绝缘盒和下端绝缘盒两种。上端绝缘盒两面开口，使用时把绝缘盒套入线圈后用封口腻子将盒下端口封住，再注入灌注胶；下端绝缘盒一面开口，使用时把绝缘盒套入线圈后直接注入灌注胶。绝缘盒灌注胶性能指标见表6。

绝缘盒及填充材料的各项性能指标可以保证1000MW水轮发电机定子绕组安全、稳定地运行。

1.2.3 端箍

端箍采用非磁性材料，外包桐马环氧玻璃粉云母带热收缩固化成型。1000MW百万机组端箍采用硬端箍结构的优点是绑扎牢固，运行经验丰富，这种结构更适用于高电压大容量机组。

图1 槽部固定结构及配套材料

1.2.4 非线性半导体高阻防晕漆

定子线棒下线后，对定子绕组端部固定件与绕组接触的所有部位均进行防晕处理，端部固定绝缘件如支架和间隔垫片之间所垫的涤纶毡适形材料均需浸渍含碳化硅的环氧胶，定子绕组端部绑扎固定后需喷半导体高阻防晕漆。

定子线棒下线后，对整个绕组端部上下层间喷涂非线性半导体高阻防晕漆，消除场强分布不均匀的现象。该技术已应用在三峡、龙滩、拉西瓦等水轮发电机机组上，材料性能安全可靠。

1.2.5 环氧酯晾干红瓷漆

定子下线全部结束后，整个铁心内表面和绕组端部喷涂环氧酯晾干红瓷漆。环氧酯晾干红瓷漆性能见表7。

采用环氧酯晾干红瓷漆喷涂铁心内表面和绕组端部已有很多年的应用经验，运行证明是可靠的。

端部固定结构及配套材料见图2。

图2 端部固定结构及配套材料

表7 环氧酯晾干红瓷漆性能

2 1000MW发电机模拟定子绕组试验

在模拟定子铁心槽中嵌入 1000MW 水轮发电机24kV电压等级上、下层定子试验线棒，使用本文中的配套材料模拟真机固定结构将试验线棒的槽部和端部进行可靠地固定，试验线棒端部斜边间隙、上下层线棒端部间隙皆与真机相同（见图3）。模拟真实的发电机组运行环境，最后进行诊断试验。

试验的过程是将试验样品放入试验箱中，模拟运行条件，表面喷涂油污，进行潮湿、热老化、耐电压等试验，试验共进行三个周期，每个试验周期结束后，测量样品的介质损耗和局部放电量。试验过程见图3，性能测试结果见图4。

经过三个周期的耐环境模拟试验后，模拟真机绕组的绝缘电阻、介质损耗、局部放电量均在国标要求的范围内，并且顺利地通过了 24kV级的 1.3Uφ（Uφ为定子绕组额定相电压）、1.05UN、1.5UN和2UN耐压试验；同时也分别通过了26kV级的1.3Uφ、1.05UN、1.5UN和2UN耐压试验。

图3 1000MW模拟定子绕组试验

图4 定子绕组耐环境模拟试验后的介质损耗曲线

试验证明本文所研究的定子绕组的配套绝缘材料性能可靠，完全满足1000MW水轮发电机运行安全的要求，该项试验也顺利地通过了长江三峡工程开发总公司、长江水利委员会长江勘测规划设计研究院、中国水电顾问集团华东勘测设计研究院等单位的验收。

3 结论

（1）本文对1000MW水轮发电机定子绕组配套材料的研究结果表明：材料的各项技术指标可以保证1000MW水轮发电机定子绕组安全、稳定地运行。

（2）定子绕组槽内固定用半导体硅橡胶三合一结构，达到世界先进水平，并已在三峡、龙滩、拉西瓦等水轮发电机上应用。

（3）定子绕组采用硬端箍结构主要是将绕组端部固定为一个更加结实的整体结构，以抵御定子绕组机械振动力，提高了发电机的可靠性延长了运行寿命。

（4）定子线圈引线并头采用绝缘盒和灌注胶结构，定子绕组端部喷涂环氧酯晾干红瓷漆对抵御环境因素影响有着重要的作用。

（5）定子绕组端部上下层间喷涂非线性半导体高阻防晕漆，消除了由于绕组绑扎和支撑等结构件而产生电场分布不均匀的现象，提高了高压电机安全运行可靠性。

（6）本文的研究成果通过了 1000MW 发电机模拟定子绕组试验，效果良好。该成果完全可推广应用到1000MW大型水轮发电机定子绕组槽部、端部固定配套绝缘上，提高国产大电机在国内外市场上的竞争能力。

[1]隋银德. 三峡水轮发电机绕组端部绝缘固定系统的特点[J]. 大电机技术, 2008 (2).

[2]徐冰, 李振海, 张秋寒, 等. 1000MW水轮发电机定子线棒绝缘技术的研究[J]. 绝缘材料, 2012,45(3).