白鹤滩水轮发电机绝缘系统研制

2019-03-08张秋寒潘延明孙永鑫

水电与抽水蓄能 2019年1期

张秋寒，潘延明，孙永鑫

（1.哈尔滨大电机研究所，黑龙江省哈尔滨市 150040；2. 水力发电设备国家重点实验室，黑龙江省哈尔滨市 150040；3.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150040）

1 前言

白鹤滩水电站是全球在建单机容量最大、总装机容量世界第二的水电站，哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称哈电）承制白鹤滩水电站右岸电站全部8台套水轮发电机组。哈电自2008年开始，就已着手开展24kV、26kV电压等级定子线棒绝缘研发工作，并根据中国长江三峡工程开发总公司与哈尔滨电机厂有限责任公司签订的“金沙江水电工程特殊专项科研项目合同”的要求，对24kV、26kV电压等级的仿真模压定子线棒进行全面性能试验研究[1]。

2017年为确保白鹤滩机组绝缘设计制造的安全稳定，哈电在白鹤滩整机绝缘系统进行了深入的研究，实现了重大突破。本文对白鹤滩机组水轮发电机绝缘系统的研发进行了全面的介绍和试验分析。

2 定子绕组绝缘技术研究

白鹤滩发电机额定电压24kV级为目前国际国内水轮发电机定子设计最高电压，绝缘设计难度最高。24kV级定子线棒所采用的绝缘材料、绝缘结构和绝缘工艺在很大程度上反映着电机的设计和制造水平。本文针对这些关键技术问题进行了深入的分析。

2.1 工艺路线选择

哈电拥有多胶模压和少胶VPI两种成熟的绝缘体系。针对白鹤滩定子绕组绝缘，哈电采用了多胶模压主绝缘作为其工艺路线。多胶模压的工艺路线为：多胶云母带包扎→防晕带包扎→上模具加压、大电流加热固化多胶模压的基本原理是：在热压成型过程中从内向外挤出多余的胶，填充挤出空气中的气隙。在工艺性方面，多胶模压工艺简单可靠，具有技术非常成熟、包扎帖服性好和端部几何形状好等诸多优点，白鹤滩线棒通过严格控制工艺过程，保证温度、时间、压力等工艺参数相互配合、恰到好处，有效地保证了产品线棒的优异性能。

绝缘厚度是影响电机设计的极为重要的经济技术指标。少胶VPI绝缘，因设计理念和浸渍工艺性的要求，绝缘厚度较薄，综合技术指标较好。近年来，在基础体系不变的情况下，哈电对多胶环氧粉云母绝缘进行了多项技术创新，品质不断提升，绝缘厚度也不断变薄，厚度选取已游刃有余，绝缘厚度和工作场强可与少胶绝缘相媲美。哈电在白鹤滩绝缘厚度的设计方面根据机组的具体情况因地制宜，既满足绝缘的技术、经济指标的合理性，同时也确保机组运行稳定性及寿命要求。

2.2 主绝缘材料的选择

定子线棒主绝缘用云母带是制造定子线棒的关键材料，性能好坏直接影响定子绕组的性能和电机的使用寿命。哈电大型发电机采用F级桐马环氧粉云母多胶主绝缘的电气、机械性能均达到国外少胶VPI体系同等电压水平。近年来开发的高云母含量的多胶云母带，应用在线棒主绝缘上使线棒电气性能得到了较大提升，其瞬时击穿水平较以往提升10%，白鹤滩线棒的瞬时击穿场强达到了34kV/mm。

2.3 导线绝缘结构的研究

2.3.1 电磁线的选择

白鹤滩线棒采用的是目前国内国外最先进的漆包单涤纶玻璃丝烧结线，该材料目前实现了国产化，并成功应用到三峡左岸、右岸和地下机组上。漆包单涤纶玻璃丝烧结线的电气性能优于双涤纶玻璃丝烧结线，特别是温度指数达到190℃，可大大提高电机绕组运行可靠性[1]。

2.3.2 定子线棒等电位层处理

利用有限元分析软件ANSYS，对白鹤滩发电机定子线棒导体棱角处的电场进行了数值分析，计算出各种等位层曲率半径下的最大电场强度与电场不均匀系数，根据计算结果提出了等位层曲率半径的优化设计方案（见图1），有效提高线棒击穿场强和老化寿命。

图1 导体曲率半径变化的影响Figure 1 The influence of conductor curvature radius changing

2.4 定子绕组防晕技术

白鹤滩定子绕组防晕结构的研发和应用主要针对单根线棒防晕水平和整机绕组防晕水平的提高做了一系列研究与试验验证[2]。

2.4.1 2.4.1 单根线棒防晕结构优化

定子线棒采用“端部全防晕结构”[4]，通过计算分析，对定子线棒端部防晕结构进行了优化设计（见图2），优化后线棒间的斜边电场大幅降低，放电区域更为分散，斜边场强下降效果明显，大幅度提高了定子线棒的起晕电压、闪络电压和耐电强度，单根线棒在耐压试验2.75UN+6.5kV（72.5kV）下无电晕及放电现象，远超合同规定的大于1.5UN（36kV）的要求。

图2 绕组斜边电场紫外试验Figure 2 Ultraviolet imaging test of electricfield at end-winding

2.4.2 整机绕组防晕结构验证试验

对于定子绕组在真机中的运行来说，绕组防晕结构和线棒主绝缘结构同样重要，互相依托。随着电压的升高，定子绕组端部放电、电晕现象将直接影响机组运行寿命。

哈电为在白鹤滩线棒正式投产前，特制备试验工装（见图3）用于模拟整机绕组下线状态，在试验工装上进行耐压试验及绕组电晕试验。从而确保整机绕组在机组中安全可靠运行。经试验验证，哈电设计的白鹤滩定子绕组端部防晕结构在各级耐压试验过程中和模拟运行电压下经暗室肉眼观察和紫外UV观察均无明显电晕放电现象。

图3 绕组模拟电晕试验装置Figure 3 Corona test device for simulation winding

2.5 定子线棒主绝缘性能试验

2.5.1 定子线棒介质损耗

影响绝缘介质损耗的因素很多，低电压下主要反映材料本征性能，常态介质损耗增量反映绝缘工艺的稳定性；另外，导体的绝缘结构、主绝缘结构、防晕材料及测试环境等对线棒绝缘介质损耗也有很大的影响。所以，通过介质损耗试验来确定线棒绝缘模压工艺、使用合适的材料、合理的导线处理技术，保证定子线棒产品绝缘性能。白鹤滩定子线棒绝缘介质损耗tanδ0.2UN＜1%，tanδ0.6UN-tanδ0.2UN＜0.5%，满足合同要求，电压特性曲线见图4。

图4 定子线棒介质损耗电压特性曲线Figure 4 Dielectric loss voltage characteristic curve of stator bar

2.5.2 主绝缘热稳定性试验

高压电机主绝缘的热稳定性也是一项关键指标，热稳定性的好坏直接影响电机的安全运行可靠性。哈电对白鹤滩定子线棒主绝缘进行热稳定性试验过程如下：即线棒在180℃温度下，持续热老化48h，待自然冷却后测量绝缘整体性和尺寸变化情况。定子线棒绝缘不发空，尺寸没有明显变化，可以满足电机长期安全稳定运行。

2.5.3 主绝缘介电强度

主绝缘介电强度试验是对定子线棒在油中进行工频瞬时击穿试验（见图5），升压速度为1kV/s，试验结果见表1。由表1试验表明：白鹤滩定子线棒工频瞬时击穿电压达到并远超合同要求。

表1 白鹤滩定子线棒工频瞬时击穿Table 1 Power frequency breakdown test of Baihetan stator bar

2.5.4 电老化试验

图5 线棒击穿试验Figure 5 Breakdown test of stator bar

对白鹤滩定子线棒主绝缘进行电老化寿命试验是考核主绝缘能否满足机组长期耐电性能及安全运行的关键指标。进行定子线棒主绝缘电老化试验时，在高于数倍的额定电压下进行快速老化试验，虽与定子线棒实际运行电老化机理不同，但主绝缘电老化寿命试验结果符合统计学规律，可按照统计学相关理论推算主绝缘实际运行寿命。分别进行了2.0UN和3.0UN电压下，白鹤滩线棒电老化寿命试验结果见表2和表3，试验超过合同目标值即停止试验，线棒未击穿。白鹤滩线棒电老化试验见图6。

表2 白鹤滩定子线棒3.0UN电老化试验结果Table 2 3.0UN electrical aging test result of Baihetan stator bar

表3 白鹤滩定子线棒2.0UN电老化试验结果Table 3 2.0UN electrical aging test result of Baihetan stator bar

图6 电老化试验Figure 6 Electrical aging test of stator bar

在进行2.0UN和3.0UN电老化试验整个过程中，所有线棒主绝缘及防晕结构等均未出现异常现象。

2.5.5 电热老化试验

热态电老化寿命试验，主要考核定子线棒主绝缘耐电和热综合因素的性能，电热老化试验更接近定子线棒运行环境条件，所以电热老化寿命也是定子线棒主绝缘的关键指标。

试验时，将定子线棒固定在模拟铁芯槽内，定子线棒导线施加试验电压外表面覆以电热板对其进行加热和自动调温控制，当试验结果达到并超过合同要求指标后，停止试验。在整个电热老化过程中，受试的白鹤滩定子线棒主绝缘均未击穿，特别是定子线棒防晕结构也未出现放电现象。结果见表4，由此可以看出，电热老化试验（见图7）结果满足合同要求。

图7 电热老化试验Figure 7 Electrothermal aging test of Baihetan stator bar

表4 白鹤滩定子线棒电热老化试验结果Table 4 Electrothermal aging test result of Baihetan stator bar

电老化试验和电热老化试验是定子线棒在规定的试验电压和温度下的绝缘寿命评估试验，是对定子线棒绝缘材料和绝缘结构进行综合分析的诊断方法。本次试验结果表明：白鹤滩定子线棒的主绝缘结构和防晕结构具有可靠的耐高电压和电热老化性能，体现了优良的绝缘整体性能和电气稳定性能。同时，试验过程中定子线棒没有发生闪络和爬电现象，也说明了防晕结构合理可靠。

2.5.6 冷热循环试验

按照合同中规定，需对线棒进行室温-150±5℃～室温，往复500周期的冷热循环试验（见图8），并在第0、50、100、250和500个周期结束后，分别进行介质损耗（tanδ）测试、尺寸测量、发空测试和局部放电测量，并于500周期后对线棒再进行电老化和电热老化试验。

图8 冷热循环试验Figure 8 Thermal cycle testing of stator bars

在整个试验过程中，线棒截面尺寸无明显变化，绝缘整体性能良好；在整个试验周期内，常态介质损耗（tanδ）及在额定线电压下的局部放电量（Qmax）也无明显变化。见图9～图11。

图9 冷热循环过程介损增量变化Figure 9 Thermal cycle test of stator Bars

图10 冷热循环前后局放变化Figure 10 Thermal cycle test of stator Bars

图11 冷热循环前后局放变化（线电压）Figure 11 Thermal cycle test of stator bars

白鹤滩定子线棒冷热循环后电老化试验结果（见表5）和电热老化试验结果满足合同的要求。

表5 白鹤滩定子线棒冷热循环后老化试验结果Table 5 Thermal cycle test result of stator bars

3 定子绕组固定用配套绝缘材料

针对白鹤滩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、硅橡胶、浸胶固定材料、绝缘盒、绝缘端箍等进行了开发和研究，保证了材料各项技术指标可以满足白鹤滩水轮发电机定子绕组安全、稳定的运行。定子绕组端部固定结构见图12。

图12 端部固定结构Figure 12 Fixing structure of stator bar ending

研发的定子绕组槽部、端部固定配套绝缘上通过白鹤滩模拟定子绕组试验，效果良好。全部绝缘材料实现了国产化，提高国产大电机在国内外市场上的竞争能力[3]。

4 定子铁芯绝缘研制

由于白鹤滩机组合同要求采用定子冲片绝缘漆采用水溶性漆，水溶性漆以往多用于火电机组，在水电产品上的应用业绩较少。对于水溶性漆在白鹤滩机组上的应用，哈电前期进行了大量的试验研究[5]。冲片绝缘漆及端片黏接材料均采用进口，研发过程从水溶性冲片漆涂覆工艺、包装运输、叠片安装进行了试验和改进，并在万家寨改造机组上进行了试用，效果良好。定子冲片绝缘领域除主冲片绝缘外，端片黏接胶的性能也会对发电机定子运行安全有重大的影响，哈电对端片黏接材料及黏接工艺进行了大量的尝试，确保端片黏接质量，此项研究成果也将应用在白鹤滩定子冲片的制造和安装中（见图13～图15）。

图13 水溶性漆涂漆工艺试验Figure 13 Painting test of water soluble paint

图14 端片黏接试验Figure 14 Adhesive test of stator punched plate

图15 水溶性漆真机扩试Figure 15 Application test of water soluble paint

5 转子绝缘结构研制

白鹤滩转子磁极绕组与三峡发电机采用的绝缘结构相同，即转子绕组匝间绝缘用上胶Nomex纸与磁极绕组热压成整体。磁极铁芯长，线圈压制难度高，哈电对磁极线圈压力分布、温度分布及黏接强度等问题进行试验研究，并对相应的磁极压制工艺参数进行优化，防止磁极线圈匝间开裂问题的发生，目前哈电制造的磁极线圈完全满足300r/min及以上转速水轮发电机要求，确保运行过程中铜排匝间黏接强度，并保证匝间绝缘不开裂。磁极匝间绝缘压制工艺试验见图16。