发电机定子线圈低温绝缘性能研究

胡 波，周 进，谢志辉，杨 帅，左 瑞，程 圣

(东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000)

0 引言

随着我国水火电资源的逐渐开发利用，业内对我国青海、西藏、四川等高原地区发电机组的开发提出了要求，特别是高原地区气候特点(空气压力和空气密度低、户外温度低、昼夜温差大等)对发电机组定子绕组绝缘性能具有较大的影响。近年来随着国家“一带一路”政策逐渐深入亚欧洲地区，国内发电设备制造企业也随之开展中亚、北欧等高寒地区发电机装机、维修、改造等项目，长期低温贮存和安装对发电机组定子绕组绝缘性能也提出了新要求[1-2]。

数十年来业内对大中型高压电机绝缘系统(包括绝缘结构、绝缘材料、防晕材料等)的热寿命、热-机械寿命、电-热寿命等方面关注较多，而用于特殊场合的中小电机则对包括低温性能等方面更为关注。

针对高原地区和高寒地区的气候特点，公司对高压电机定子线圈主绝缘低温绝缘性能进行了对比试验，比较了定子线圈绝缘分别在低温-室温循环试验和低温老化试验中的实测结果差异，验证了高压电机定子线圈绝缘耐低温性能。

1 高原和高寒地区气候特点

1.1 高原地区气候特点及影响

高原地区具有以下一系列气候特点，其中对发电机定子绕组在安装、贮存和运输时可能产生影响的主要因素是空气温度低和户外昼夜温差变化大。

(1)空气压力或空气密度低

实验室研究和电力设备实际运行经验均表明：海拔升高，空气压力下降、密度降低，带电粒子无碰撞通过的自由平均路程越大，在电场方向移动时得到加速而获得的动能越大，带电粒子在两次碰撞间所积累的动能也就越大，更易产生撞击游离使空气击穿而形成电晕。因此，海拔升高，空气的击穿场强下降。

(2)空气温度低

高海拔地区的空气温度低将导致发电机定子绕组绝缘承受低温，可能影响定子绕组的绝缘和防晕性能。

(3)户外昼夜温差变化大

发电机在该地区安装、贮存和运输时，可能承受昼夜温差冲击，进而影响定子绕组的绝缘和防晕性能。

(4)空气湿度小

一般认为，空气湿度小保证了发电机定转子绕组绝缘表面的干燥、减少了绝缘表面的受潮程度，有利于高电压绝缘试验的顺利进行。

(5)太阳辐照强

一般认为，发电机在该地区安装、贮存和运输时，有专用安装间或库房等。因此，发电机将不会直接受到太阳辐照。

1.2 高寒地区气候特点及影响

高寒地区主要气候特点为寒冷且冻期长，可能对发电机定子绕组在安装、贮存和运输过程中产生影响。

2 试验方案

对于发电设备制造商来说，耐环境应力因素技术方案中最经济、高效、快速的方案为成熟绝缘系统的耐环境性能的实际验证。因此，针对空气温度低、户外昼夜温差变化大且冻期长等气候特点，本文结合国家标准提出了低温老化试验和低温循环试验两种试验方案。

2.1 试验方案

2.1.1 低温老化试验

综合分析，目前与未来发电设备制造企业面向中亚、北欧、东北亚等高纬度地区面临着老旧机组改造的市场需求，需开展机组低温(约-40 ℃)绝缘试验研究。

低温老化试验主要是模拟发电机定子绕组在运输和存贮过程中由于外界极端环境(如持续低温冷冻环境下)对定子绕组主绝缘造成的低温老化影响。实施方案为对比低温长期老化处理后的定子线圈绝缘性能与处理前的定子线圈绝缘性能，从而判断低温长期老化对绝缘性能的影响。

2.1.2 低温循环试验

低温循环试验主要是模拟发电机定子绕组在运输和存贮过程中由于外界极端环境变化(如户外昼夜温度变化或局部区域温度变化)对主绝缘造成的高低温冲击的影响。实施方案为对比低温循环前后的定子线圈绝缘性能，从而判断低温循环对绝缘性能的影响程度。

根据发电设备绝缘结构自身在高低温冲击下的内应力释放，绝缘材料和金属材料在高低温作用下因线膨胀系数有差异而产生内应力等因素，结合T/CEEIA 252-2016《大型旋转电机定子线棒冷热循环试验方法》的40～155 ℃中温度变化范围，补充开展机组低温循环(-40～40 ℃)绝缘试验研究。

2.2 试验程序

(1)低温老化试验

根据GB/T 2423.1—2008《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A：低温》，本试验将试验样品放置在高低温循环试验箱中进行低温处理试验，低温长期老化处理温度选取-40 ℃(目前为止大型发电机所需承受的最低环境温度)，低温每个低温老化周期为14 d、间隔为1 d，共持续4个周期，具体温度-时间曲线如图1所示。

图1 低温老化试验程序示意图

(2)低温循环试验

根据GB/T 2423.22—2012《环境试验 第2部分：试验方法 试验N：温度变化》，本试验将试验样品放置在高低温循环试验箱中进行低温循环试验，循环温度为-40～40 ℃，升降温速度约为1.6 ℃/min，保温时间为10 min。具体温度-时间曲线如图2所示，共计500次循环。

图2 低温循环试验程序示意图

2.3 试验设备

使用ATEC程控式湿热交变循环试验箱，如图3所示。

2.4 试验样品

发电机真机定子VPI线圈，额定电压Un为13.8 kV。

3 结果与讨论

针对空气温度低、户外昼夜温差变化大且冻期长等气候特点，开展了低温老化试验和低温循环试验两种试验。

3.1 低温老化试验结果

3.1.1 线圈截面尺寸检测

线圈低温老化前后尺寸实测结果表明，线圈高度方向尺寸最大变化量为0.06 mm，最大变化率为0.12%，宽度方向尺寸最大变化量为0.08 mm，最大变化率为0.47%。因此，线圈尺寸未出现明显变化。

3.1.2 线圈主绝缘整体性试验

使用小铜锤均匀的敲击线圈直线部位绝缘，试验结果如表1所示。

试验结果表明，定子线圈低温老化前后，线圈主绝缘整体性良好，未出现发空现象。

3.1.3 线圈绝缘介质损耗因数试验

使用三电极法测试线圈绝缘介质损耗因数，试验结果如表2所示。

试验结果表明，定子线圈低温老化前后，线圈绝缘介质损耗因数及增量差异很小。

3.1.4 线圈工频交流耐电压试验

对线圈施加(2.75Un+6.5)kV工频交流电压并保持1 min，试验结果如表3所示。

试验结果表明，定子线圈低温老化前后，线圈均通过工频交流耐电压试验。

3.1.5 线圈耐电晕试验

在黑暗环境中对线圈施加1.5Un工频交流电压，试验结果如表4所示。

注：tanδ1为0.6Un与0.2Un电压下介损之差，tanδ2为每0.2Un电压间隔下介损之差的最大值。

表3 线圈绝缘工频交流耐电压试验结果

表4 线圈耐电晕试验结果

试验结果表明，定子线圈低温老化前后，线圈均通过耐电晕试验。

3.1.6 线圈绝缘工频瞬时击穿试验

在绝缘油中对线圈连续施加工频交流电压直至线圈绝缘击穿，试验结果如表5所示。

表5 线圈绝缘工频瞬时击穿试验结果

试验结果表明，定子线圈低温老化前后，线圈绝缘工频瞬时击穿电压差异较小。

3.1.7 线圈绝缘差示扫描量热试验(DSC)

试验结果如图4所示。

图4 线圈主绝缘试样DSC试验曲线

试验结果表明，在相同测试条件下，定子线圈低温老化前后主绝缘玻璃化转变温度(Tg)分别为125.71 ℃和130.76 ℃。

3.1.8 小结

定子线圈低温老化前后，其截面尺寸、整体性、电气性能、物化性能等方面均变化很小。

3.2 低温循环试验结果

3.2.1 线圈截面尺寸检测

线圈低温循环前后尺寸实测结果表明，线圈高度方向尺寸最大变化量为0.09 mm，最大变化率为0.17%，宽度方向尺寸最大变化量为0.10 mm，最大变化率为0.58%。因此，线圈尺寸未出现明显变化。

3.2.2 线圈主绝缘整体性试验

使用小铜锤均匀的敲击线圈直线部位绝缘，试验结果如表6所示。

表6 试验线圈发空检查结果

试验结果表明，定子线圈低温循环前后，线圈主绝缘整体性良好，未出现发空现象。

3.2.3 线圈绝缘介质损耗因数试验

使用三电极法测试线圈绝缘介质损耗因数，试验结果如表7所示。

表7 线圈绝缘介质损耗因数试验结果

注：tanδ1为0.6Un与0.2Un电压下介损之差，tanδ2为每0.2Un电压间隔下介损之差的最大值。

试验结果表明，定子线圈低温循环前后，线圈绝缘介质损耗因数及增量差异很小。

3.2.4 线圈工频交流耐电压试验

对线圈施加(2.75Un+6.5)kV工频交流电压并保持1 min，试验结果如表8所示。

表8 线圈绝缘工频交流耐电压试验结果

试验结果表明，定子线圈低温循环前后，线圈均通过工频交流耐电压试验。

3.2.5 线圈耐电晕试验

在黑暗环境中对线圈施加1.5Un工频交流电压，试验结果如表9所示。

表9 线圈耐电晕试验结果

试验结果表明，定子线圈低温循环前后，线圈均通过耐电晕试验。

3.2.6 线圈绝缘工频瞬时击穿试验

在绝缘油中对线圈连续施加工频交流电压直至线圈绝缘击穿，试验结果如表10所示。

表10 线圈绝缘工频瞬时击穿试验结果

试验结果表明，定子线圈低温循环前后，线圈绝缘工频瞬时击穿电压差异较小。

3.2.7 线圈绝缘差示扫描量热试验(DSC)

试验结果如图5所示。

试验结果表明，在相同测试条件下，定子线圈低温老化前后主绝缘玻璃化转变温度(Tg)分别为125.71 ℃和121.09 ℃。

3.2.8 小结

定子线圈低温循环前后，其截面尺寸、整体性、电气性能、物化性能等方面均变化很小。

3.3 结果分析

试验线圈在-40 ℃低温下老化2个月后或在-40～40 ℃低温循环21 d后，截面尺寸、整体性、电气性能、物化性能等方面均变化很小，从外观上也未发现任何劣化现象。同时老化后线圈绝缘性能处在正常的考核指标范围内，没有达到绝缘破坏或丧失功能的程度，表现出良好的耐低温老化与耐低温循环性能。

图5 线圈主绝缘试样DSC试验曲线

4 结论

(1)参照电工电子产品国家标准制订了高压电机定子线棒低温绝缘性能试验方案。

(2)定子线圈在-40 ℃低温下老化2个月后，其截面尺寸、整体性、电气性能、物化性能等方面均变化很小。

(3)定子线圈-40～40 ℃低温循环21天后，其截面尺寸、整体性、电气性能、物化性能等方面均变化很小。