大型贯流式水轮发电机定子线圈关键绝缘性能稳定性研究

胡　波，梁智明，何明鹏，谢志辉，刘　雁

(东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳　618000)

大型贯流式水轮发电机定子线圈关键绝缘性能稳定性研究

胡波，梁智明，何明鹏，谢志辉，刘雁

(东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳618000)

摘要：通过随机抽样测试20余台大型贯流式水轮发电机组定子线圈的关键绝缘性能，统计并分析了各项绝缘性能测试结果的分散性。研究结果表明：在整个生产周期中，公司生产的定子线圈的关键绝缘性能及绝缘质量比较稳定，所有定子线圈均能够满足机组的技术要求。

关键词：贯流式；水轮发电机；定子线圈；绝缘性能；稳定性

0引言

随着世界范围内电力市场的迅速发展，大容量发电机、调峰蓄能水轮发电机、贯流式水轮发电机与轴流转桨式水轮发电机等需求量日益增多，并逐步投入商业运行，特别是以各种容量的贯流式水轮发电机为突出代表。灯泡贯流式水轮发电机组是近年来发展迅速的一种优良机型，广泛用于低水头电站，并在一定范围内取代传统轴流式水电机组。与同容量立式轴流转桨式机组相比，灯泡贯流式水电机组具有转轮直径小、重量轻、最大效率高、过流量大、空化性能好、运行稳定性优良、建设周期短、投资省等优势。在中高水头段水力资源得到充分开发后，人们越来越重视低水头水力资源的开发，而灯泡贯流式机组是开发低水头水力资源的一种最经济适宜的机型[1]。

灯泡贯流式发电机额定电压随发电机容量增大而不断提高。目前，国内单机容量最大的灯泡贯流式发电机组是广西桥巩57 MW电站，其额定电压Un为10.5 kV，巴西杰瑞(JIRAU)电站是世界上已经投运的灯泡贯流式水轮发电机组中单机容量最大、额定电压最高的，其单机容量为75 MW、额定电压为13.8 kV。

对于大容量、高额定电压的灯泡贯流式发电机组来说，对发电机的设计、制造、防护、运输等提出了很高的要求。发电机线圈与绕组作为发电机的心脏，其关键绝缘性能及其稳定性更是直接关系着发电机的长期安全运行[2]。

公司生产的大型灯泡贯流式发电机组定子线圈已超过2万只，其线圈绝缘质量的稳定性就显得非常重要，这对线圈绝缘设计、制造、试验、质量监控与改进、质保体系等方面均提出了很高的要求。

1定子线圈随机抽检试验

企业在每台水电机组首批定子线圈生产完成后，定子线圈批量生产前，都按照表1中规定的试验项目进行线圈主要绝缘性能的随机抽检试验(合同或业主有特殊要求的除外)，以验证相关设计和工艺的可靠性[3]。试验顺利通过后，定子线圈才能进行批量生产。

表1　常规水电机组线圈绝缘试验要求

* 表示：有要求时可以进行该项试验。

业主与监理非常关注该机组定子线圈的绝缘性能及其质量稳定性，技术合同对线圈绝缘性能及其稳定性的要求相比我公司常规水电机组定子线圈的首件抽检测试规定，差异很大。

为保证机组定子线圈关键绝缘性能和绝缘质量的稳定性，企业研究建立了定子线圈关键绝缘性能(包括电气性能和物化性能)的监控方法，与常规水电机组相比，新增了很多性能测试与质量检测项目，具体如表2所示。

表2　线圈绝缘试验要求

在表2中，定子线圈绝缘附加试验和绝缘评定试验互不干涉、并行执行。在具体实施细则上，通过随机挑选线圈、不定批次指定、多批次抽试、同批次线圈测试结果对比、跨年度线圈测试结果对比等多种方式，进一步优化了随机抽样检测的有效性，增强了测试结果的代表性。同时，尽可能减少了抽检线圈的数量，降低了机组的生产成本。

2测试结果分散性统计及讨论

2.1低电阻防晕层表面电阻率

对20余台抽检线圈直线部分的低电阻防晕层表面电阻率进行了测试，测试结果统计如图1所示。

图1　低电阻防晕层表面电阻率统计结果

统计结果表明：每台机组抽检线圈的表面电阻率平均值在较小范围内波动，波动幅度在规定范围内。这表明，在相同固化工艺条件下，线圈低电阻防晕漆滚涂工艺的质量稳定可控，包括涂层厚度、漆膜均匀性等。

2.2绝缘电阻测试

对线圈施加5 000 V DC电压，1 min绝缘电阻测试结果和吸收比计算值(R1min/R15 s)的统计如图2和图3所示。

图2　1 min绝缘电阻统计结果

图3　吸收比统计结果

统计结果表明：每台机组抽检线圈的绝缘电阻(或吸收比)在100～500 GΩ范围变化，每台机组抽检线圈的吸收比在1.9～5.0范围变化；同时测试结果也远大于国家标准[4]规定的下限值。

这表明：在绝缘电阻很高(或直流电流很微弱)时，外在环境(包括线圈端部表面状态、环境温湿度等)对微弱直流电流(或高绝缘电阻)测试的准确性影响很大，测试结果对绝缘预防性高压试验的意义不大。这与“当线圈或绕组的绝缘电阻高于5 GΩ时，吸收比或极化指数失去考核的意义”的国家标准[5]的要求一致。

2.3室温下介质损耗因数(tanδ)测试

对所有线圈施加0～1.2Un电压并在室温下测试其介质损耗因数及其增量，测试结果如图4～图6所示。

图4　介质损耗因数初始值tanδ0.2U的统计结果

图5　介质损耗因数最大差异max(Δtanδ)的统计结果

图6　介质损耗因数增量Δtanδ的统计结果

统计结果表明：每台机组抽检线圈绝缘在0.2Un电压下的tanδ0.2U均小于1.0%，0.6Un与0.2Un电压下的介质损耗差异的一半Δtanδ均不大于0.2%，每相邻0.2Un电压间的最大介质损耗增量max(Δtanδ)均不大于0.2%。该测试结果远优于国内外标准[6-8]中的技术要求。

该测试主要代表线圈主绝缘内部含有所有可能放电的气隙群在不同电压下的放电活动的整体性域值[9]，能够表征线圈主绝缘内部气隙的大致量级及其对应的放电气隙尺寸。而现代各型电机线圈成型工艺无法完全消除绝缘内部气隙，只能将其控制在某一限值以下[10]。

同时，如何准确测量并明确表征主绝缘内部的气隙数量在业内尚无可靠地方法，而胡波[11]等人的研究表明，气隙群的特征尺寸(主要是气隙沿电力线方向的间距)与线圈介质损耗因数及其增量存在较强的关联。

因此，介质损耗因数测试统计结果在某种程度上可以说明，每台机组抽检线圈主绝缘内部的气隙群大致在某一限值以下，线圈材料和成型工艺的稳定性较好。

2.4局部放电测试

对多只线圈施加相电压(8 kV)与线电压(13.8 kV)，进行了局部放电测试，测试结果如图7所示。

图7　局部放电最大值的统计结果

该测试主要代表了线圈主绝缘内部含有的放电气隙或者绝缘表面在不同电压下的最剧烈放电活动的单一性域值，主要表征线圈绝缘内部与表面放电的最大数值及其对应的放电模式(包括绝缘内部、导体与绝缘之间、绝缘表面等)，还受到表面状态、测试线路、环境、设备等因素的影响。

业内尽管对电机线圈局部放电已经研究了数十年，却仍然存在很大的分歧，至今未能形成统一的考核标准[12]。目前比较通行的方法为：在相同设备、线路、环境、人员等条件下，对各批次线圈进行测量与比较，尽量消除外在影响。

统计结果表明：每台机组抽检线圈在相电压下的局部放电量低于1 500 pC，在线电压下的局部放电量低于2 000 pC。尽管抽检线圈局部放电存在一定的差异，但是考虑到该试验受到众多因素的影响，而其它机组线圈的大量基础数据也存在该分散性。因此，当线圈内部或表面的最剧烈放电活动大致控制在某一限值以下时，可以认为线圈材料和成型工艺处于受控的稳定状态。

2.5对地电容测试

对多只线圈施加1.0Un电压并测试每只线圈的对地电容值，测试结果如图8所示。

图8　对地电容的统计结果

统计结果表明：在一定长度范围的测试电极下，每台机组抽检线圈在线电压下的对地电容基本一致。该检测结果主要用于验证线圈的设计，有利于保证定子三相绕组装配后的电参数平衡，包括定子绕组在运行状态下发送三相电压的幅值、相位、角度等，对保障电网质量和安全具有较大的影响。

2.6工频瞬时击穿试验

将多只线圈置于绝缘油中，按照匀速连续升压方式进行工频瞬时击穿试验，试验结果如图9所示。

图9　工频瞬时击穿电压的统计结果

统计结果表明：每台机组抽检线圈的工频瞬时击穿电压在95～130 kV范围内，击穿电压与额定线电压的比值在(6.9～9.4)倍范围内。前者高于企业标准不低于90 kV的要求，后者远高于国家标准不低于(5.5～6.0)倍的要求[8]。

根据Weibull理论关于线圈绝缘失效的研究[13～15]，每台机组抽检线圈的瞬时击穿电压两参数Weibull分布统计结果为：击穿电压的特征值α为117.3 kV，形状参数β为12.7且远大于1。因此，两参数Weibull分布统计结果表明：每台机组抽检线圈的瞬时击穿电压的分散性较小。

2.7主绝缘内树脂含量测试

对多只线圈主绝缘击穿后进行绝缘解剖与取样，检测主绝缘内部树脂含量，检测结果如图10所示。

图10　主绝缘内部树脂含量的统计结果

统计结果表明：每台机组抽检线圈的主绝缘树脂含量在24%～31%范围内。考虑到长时期多批次浸渍烘焙，树脂含量波动属于正常现象，基本在业内熟知的单只线圈真空压力浸渍工艺体系(SVPI)的主绝缘树脂含量推荐范围内。这既保证了主绝缘内部各组分(云母纸、玻璃布、树脂等)足够的粘接性，也保证了各组分之间的含量基本稳定(直接影响电气性能和机械性能)，对线圈绝缘系统的长期使用提供了基本保障。

2.8热态(在50℃，70℃和90℃阶梯温度下)介质损耗因数测试

对多只线圈施加0.6Un电压并在50℃，70℃和90℃下测试其介质损耗因数，测试结果如图11所示。

图11　介质损耗因数在0.6 Un电压下的统计结果

统计结果表明：每台机组抽检线圈绝缘在3个温度下的介质损耗因数略有不同，随着温度的升高，介质损耗因数有所增加。除首台机组抽检线圈略高之外，其余机组抽检线圈绝缘的介质损耗因数变化不大。这说明，在相同主绝缘材料(主要是云母带和VPI树脂)和成型工艺下，线圈绝缘介质损耗因数的温度敏感度(在机组运行时定子绕组最高温度限值以下)波动不大。

2.9热态后介质损耗因数复测

对多只线圈热态(50℃，70℃和90℃)前后的介质损耗因数进行测试与统计，统计结果如图12～图14所示。

图12　介质损耗因数初始值tanδ0.2U的统计结果

图13　介质损耗因数最大差异max(Δtanδ)的统计结果

图14　介质损耗因数增量Δtanδ的统计结果

统计结果表明：多台机组抽检线圈绝缘受热前后的介质损耗因数初始值tanδ0.2U基本无变化；受热前后的介质损耗因数最大差异max(Δtanδ)有一定变化但均满足受热前的新产品技术要求；受热前后的介质损耗因数增量Δtanδ变化较小且满足受热前的新产品技术要求。

这说明：线圈绝缘内部气隙群的整体性阈值在较高电压下的放电活动经过阶梯热冲击的作用[9]并未发生剧烈增长，即线圈主绝缘内部存在的小缺陷并未进一步劣化或发展。线圈绝缘层间、绝缘与防晕层之间或绝缘与铜导体之间的粘接性良好，能够抵御外部热冲击而不发生绝缘分层、导线脱壳等现象。

2.10电热老化前后介质损耗因数测试

对多只线圈施加老化因子为32 kV，100℃的电热老化试验，主绝缘承受电热应力不少于400 h后，对比测试线圈电热老化前后的介质损耗因数。试验场地与线圈布置如图15所示。

图15　4只线圈电热老化试验布置

测试结果如图16～图17所示。

图16　介质损耗因数初始值tanδ0.2U的统计结果

图17　介质损耗因数增量Δtanδ的统计结果

统计结果表明：多台机组抽检线圈绝缘电热老化前后的介质损耗因数初始值tanδ0.2U及其介质损耗因数增量Δtanδ基本无变化，甚至略有减小；完全满足新线圈绝缘技术要求。

这说明：线圈绝缘内部气隙群的整体性阈值在较高电压下的放电活动经过电应力和热应力的联合作用而并未发生剧烈增长，即，线圈主绝缘内部存在的小缺陷并未进一步劣化或发展。

同时，线圈绝缘内部胶粘剂(或环氧树脂)还在电应力和热应力的联合作用(主要是热作用)下进行了少量的高分子交联反应，俗称后固化效应[16]。该进程更进一步增加了绝缘内部树脂的聚合度和交联度，略微降低了树脂以及主绝缘的介质损耗因数。

2.11其它

其它无法量化的验收性试验包括：外观检查、股间短路试验、工频交流耐压试验、电晕试验、电热老化寿命等，均100%通过验收，这些关键绝缘性能的验收试验也是一次性通过，获得了各方的认可。

3监测通过率

在机组定子线圈关键绝缘性能稳定性监测过程中，很多检测项目为破坏性或不可重复性试验，这些试验不能在外方监理正式见证前进行摸底试验，这就给见证试验带来了较大的不确定性。

试验结果表明：22台机组定子抽检线圈进行表2中试验项目时，全部一次性通过试验考核，未出现任何需要质量反馈和处理的问题。这也说明定子线圈关键绝缘性能比较稳定，能够完全满足合同和业主关注的质量稳定性要求。

4结语

通过随机抽样测试22台大型灯泡贯流式发电机定子线圈的关键绝缘性能，统计并分析了各项绝缘性能测试结果的分散性。研究结果表明：

1) 我公司大型灯泡贯流式水电机组定子线圈关键绝缘性能技术要求比国家标准更加全面。

2) 我公司大型灯泡贯流式水电机组定子线圈关键绝缘性能统计结果比较稳定，数据波动比较小，能够完全满足合同和业主关注的质量稳定性要求。

参考文献

[1] 戴庆忠，姜茜.灯泡贯流式水轮发电机组的发展及近况[J]东方电机, 2010, 1～33.

[2] 戴庆忠，张光蓉.灯泡贯流式水电机组运行故障综述[J].东方电机, 2010, 51～69.

[3] 全国文献工作标准化技术委员会.JB DQ 3233—1987 中国标准书号[S].北京：中国标准出版社，1986.

[4] 全国文献工作标准化技术委员会. GB/T 8564—2003 中国标准书号[S].北京：中国标准出版社，2003.

[5] 全国文献工作标准化技术委员会.GB/T 20160—2006 中国标准书号[S].北京：中国标准出版社，2006.

[6] 英国标准化技术委员会.BS 50209—1999[S].伦敦：英国标准出版社，1999.

[7] 国际电工标准化技术委员会.IEC 60894—1987[S].日内瓦：IEC标准出版社，1987.

[8] 全国文献工作标准化技术委员会.GB/T 7894—2009中国标准书号[S].北京：中国标准出版社，2009.

[9] 胡波，梁智明, 皮如贵, 等.大型水轮发电机定子线圈的气隙群放电的特性研究[J].绝缘材料,2009,42(1):39～41.

[10] 曾谦,漆临生.东方绝缘技术的发展[J].绝缘材料通讯,1999,(2):32～37.

[11] 胡波，梁智明, 漆临生，等.旋转电机定子线圈绝缘气隙放电的限值研究.防爆电机, 2011,46(2):11～13.

[12] 全国文献工作标准化技术委员会.GB/T 7354—2003 中国标准书号[S].北京：中国标准出版社，2003.

[13] 蒋仁言.威布尔模型族特性[M].北京：科学出版社,1998：162～185.

[14] 王秉钧，谈克雄.数理统计在高电压技术中的应用[M].北京：水利电力出版社,1990：56～89.

[15] 杨丽君,廖瑞金,李剑，等.用逐步升压法和Weibull参数估计油纸绝缘寿命[J].高电压技术,2004,30(6):4～8.

[16] 胡波，梁智明, 漆临生，等. 后处理工艺对定子线棒绝缘内异相介质的界面影响[J].上海：上海大中型电机, 2012,(1):48～51.

胡波，男，1981年生，硕士研究生，工程师，毕业于西安交通大学电气绝缘专业，现从事高压电机绝缘技术研究。

作者简介：