鄧海剛，梁紹龍，付國宏，王 明

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

由于機(jī)組運(yùn)行年限太久，國內(nèi)某電站大型水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了增容改造。該水電站某機(jī)型機(jī)組增容完成后主要技術(shù)參數(shù)為：額定容量166.67 MVA，額定有功功率150 MW，額定功率因數(shù)為0.9，頻率50 Hz，定子額定電壓：13.8 kV，定子額定電流6 972.8 A，轉(zhuǎn)子額定電壓475 V，轉(zhuǎn)子額定電流1 720 A，絕緣等級(jí)為F級(jí)。

為了使改造后的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路電流密度與絕緣等級(jí)要求都能夠達(dá)到改造增容后設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在該電站機(jī)組改造增容過程中，對(duì)轉(zhuǎn)子磁極進(jìn)行了改造工作。保留了原磁極鐵芯，更換了磁極線圈和極身絕緣[1]。

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣降低會(huì)嚴(yán)重影響水電站的正常運(yùn)行[2]。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝或改造過程中，磁極作為轉(zhuǎn)子的核心部件之一，其絕緣狀態(tài)市場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子整體的絕緣性能起著決定性作用[3]。本文分析了在該水電站某機(jī)型機(jī)組在轉(zhuǎn)子磁極改造過程中，磁極現(xiàn)場(chǎng)裝配完成后絕緣電阻偏低問題，并提出了相關(guān)處理措施和建議。

1 轉(zhuǎn)子磁極繞組及其絕緣結(jié)構(gòu)介紹

改造后磁極線圈繞組由銅排經(jīng)專用繞線機(jī)繞制成形，然后放置于真空罐無氧退火后整形而成。線圈端部四個(gè)角部呈圓弧狀，磁極接頭采用銀銅焊接。磁極線圈匝間墊以F級(jí)絕緣材料，與銅排熱壓成整體結(jié)構(gòu)；繞組匝間絕緣與相鄰匝完全粘合且突出每匝線圈表面。首末匝有防爬電的絕緣托板，線圈與絕緣托板熱壓成一整體，如圖1所示。為了更好地散熱，磁極線圈采用異型銅排，使繞組外表面形成帶散熱翅的冷卻面。

圖1 磁極線圈照片

磁極極身絕緣采用在鐵芯表面繞包兩層0.25 mm厚的NOMEX絕緣紙，層間涂刷室溫固化環(huán)氧膠方式；角部加強(qiáng)絕緣為繞鐵芯一圈、沿極靴的角部處(極身絕緣與極靴接觸處)呈“L”型粘貼的聚酰亞胺薄膜粘帶，為保證極身絕緣的可靠性，在絕緣紙外面還配置一層環(huán)氧板絕緣，環(huán)氧板分三部分：直線段環(huán)氧板及兩端“U”形環(huán)氧板，直線段環(huán)氧板與“U”形環(huán)氧板搭接處內(nèi)外表面布置絕緣紙，并用聚酰胺粘膠粘接牢靠，如圖2所示。

圖2 磁極極身絕緣照片

為了保證磁極線圈良好固定，在運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生串動(dòng)現(xiàn)象，磁極與鐵芯間間隙采用以厚度適宜的F級(jí)高強(qiáng)度層壓玻璃布板分段塞緊。磁極端部處線圈與鐵芯間間隙較大，采用浸漬室溫固化環(huán)氧膠的滌綸毛氈進(jìn)行填塞。為防止異物、粉塵、潮氣進(jìn)入磁極口部間隙影響磁極運(yùn)行壽命及絕緣性能，在磁極線圈與鐵芯間隙塞緊后，磁極口部間隙采用硅酮硅橡膠-羅納星68完全封堵方式。

2 問題描述

某水電站某機(jī)型機(jī)組在改造增容期間，磁極裝配完成后，在掛裝前進(jìn)行電氣試驗(yàn)檢驗(yàn)。根據(jù)國標(biāo)GB/T8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》[4]，其試驗(yàn)要求為：①單個(gè)磁極掛裝前絕緣電阻不小于5 MΩ；②單個(gè)磁極掛裝前耐壓為10Uf+1 500 V，但不得低于3 000 V，耐壓時(shí)間為1 min。

本次試驗(yàn)采用2 500 V兆歐表測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極絕緣電阻，該機(jī)組共96個(gè)磁極，測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)約有1/2的磁極絕緣電阻偏低，阻值小于200 MΩ，但仍滿足國標(biāo)要求，另外還有10個(gè)磁極阻值小于5 MΩ。不滿足國標(biāo)要求。絕緣電阻試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 磁極掛裝前絕緣電阻試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

該機(jī)組額定勵(lì)磁電壓為475 V，因此耐壓10Uf+1 500 V(即6 250 V)。對(duì)阻值大于5 MΩ的磁極進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其中編號(hào)為31、37、56、59、72的5個(gè)磁極在首次耐壓試驗(yàn)過程中發(fā)生了擊穿現(xiàn)象，該5個(gè)磁極耐壓前絕緣電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 發(fā)生擊穿的磁極掛裝前絕緣電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 原因分析

磁極極身絕緣采用了NOMEX紙和環(huán)氧板雙重絕緣，且在極身絕緣加熱固化后施工人員進(jìn)行過仔細(xì)檢查，固化效果良好，因此判斷磁極極身出現(xiàn)故障的概率較小。實(shí)際上，在線圈套裝后，磁極線圈端部未填塞滌綸氈前，施工人員測(cè)量了磁極絕緣電阻，阻值均達(dá)到了500 MΩ以上。磁極口部間隙封堵采用的硅酮硅橡膠也進(jìn)行過檢查，其絕緣性能也是良好的，故初步分析故障原因在磁極端部的間隙填塞上。

為分析磁極絕緣電阻偏低原因，現(xiàn)場(chǎng)施工人員將耐壓試驗(yàn)擊穿的5個(gè)磁極進(jìn)行了解體，從解體后的情況可以看出，擊穿點(diǎn)均發(fā)生在磁極線圈上下端部，且在鐵芯靴部端部有環(huán)氧膠堆積，如圖3所示，檢查發(fā)現(xiàn)此處環(huán)氧膠并未完全固化。

圖3 磁極擊穿點(diǎn)情況照片

因此，分析認(rèn)為填充的室溫固化環(huán)氧膠并未完全固化，是造成磁極耐壓試驗(yàn)擊穿及磁極絕緣電阻不合格的主要原因。按照工藝要求，磁極線圈端部與極身絕緣之間的間隙用浸漬室溫固化環(huán)氧膠的滌綸氈填充，填充后在60～80℃的溫度下干燥8 h?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，浸漬室溫固化環(huán)氧膠的滌綸氈在填塞過程中，環(huán)氧膠被擠出滌綸毛氈并順著線圈及環(huán)氧板表面往下流，并向磁極靴部擴(kuò)散，由于磁極角部絕緣未全部覆蓋磁極靴部(如圖4所示)，環(huán)氧膠可能與磁極鐵芯相接觸，若環(huán)氧膠未完全固化，則在耐壓試驗(yàn)時(shí)很容易擊穿。

圖4 磁極角部絕緣圖

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，每個(gè)磁極裝配完成后均按照要求在加熱棚內(nèi)干燥了8 h以上，但仍然存在室溫固化環(huán)氧膠并未完全固化，造成絕緣電阻不合格和交流耐壓試驗(yàn)擊穿的情況。根據(jù)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝情況進(jìn)行了分析，認(rèn)為環(huán)氧膠未完全固化主要有以下幾個(gè)原因：

1)施工所使用的室溫固化浸漬環(huán)氧膠在常溫下固化很慢?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員曾做過試驗(yàn)，當(dāng)配置的環(huán)氧膠放在紙杯里堆積較多時(shí)，在室溫環(huán)境下完全固化需達(dá)到1個(gè)月以上。

2)磁極端部處間隙較大(見圖5)，需填塞較大體積的滌綸氈，且此處使用的環(huán)氧膠流動(dòng)性較大，浸漬室溫固化環(huán)氧膠的滌綸氈在填塞前已擰干，但由于受到擠壓和重力作用，留在滌綸氈中的部分環(huán)氧膠仍然往下流至磁極靴部，造成在磁極兩端鐵芯靴部的環(huán)氧膠堆積，由于是在磁極內(nèi)部，空氣流動(dòng)性差，潮氣不易消散，使得環(huán)氧膠不易固化。

圖5 磁極端部處的間隙照片

3)現(xiàn)場(chǎng)施工搭設(shè)的加熱棚較為簡(jiǎn)陋，保溫效果較差?，F(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)的加熱棚由于無法完全密封，加上熱風(fēng)機(jī)有限，無法使被加熱的磁極均勻達(dá)到60～80℃的溫度要求，因此磁極干燥時(shí)間雖然達(dá)到了工藝要求，但是加熱溫度可能偏低。

4 處理措施

4.1 絕緣電阻偏低的磁極加熱烘干

按照國標(biāo)GB/T8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》要求，單個(gè)磁極絕緣電阻小于5 MΩ為不合格，需進(jìn)行處理?？紤]到磁極環(huán)氧膠未固化容易導(dǎo)致其耐壓時(shí)擊穿，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際上對(duì)絕緣電阻小于200 MΩ的所有磁極都進(jìn)行了處理。處理方法為：鏟掉磁極口部間隙封堵的硅酮硅橡膠，重新在加熱棚進(jìn)行加熱，直至絕緣電阻滿足要求為止(此處要求大于200 MΩ)；對(duì)于在加熱棚加熱后絕緣電阻仍不滿足要求的磁極，拖運(yùn)至烘房?jī)?nèi)加熱直至絕緣滿足要求，烘房溫度設(shè)置為80℃。絕緣電阻偏低的所有磁極線圈經(jīng)重新加熱烘干，絕緣電阻合格后，再次進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，全部通過。

在處理過程中，有十幾個(gè)磁極經(jīng)烘房加熱2～3 d烘干處理后，其磁極磁極絕緣電阻才滿足要求，可見按照目前的工藝要求施工，即磁極絕緣裝配完成后，在60～80℃的溫度下干燥8 h，很多磁極的絕緣電阻仍很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 對(duì)交流耐壓試驗(yàn)中擊穿的磁極重新裝配

對(duì)交流耐壓試驗(yàn)中擊穿的5個(gè)磁極進(jìn)行了解體，重新按照廠家工藝裝配后，在烘房?jī)?nèi)加熱，烘房溫度設(shè)置為80℃，加熱至絕緣電阻滿足要求。重新測(cè)量磁極絕緣電阻，均合格，耐壓通過。處理后絕緣電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 發(fā)生擊穿的磁極處理后絕緣電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5 改進(jìn)建議

按照目前的磁極結(jié)構(gòu)及裝配工藝，要保證磁極絕緣電阻全部滿足要求，需將所有磁極放置在烘房?jī)?nèi)持續(xù)加熱，工藝復(fù)雜，所需工期長。改進(jìn)建議如下。

5.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)

磁極端部處線圈與鐵芯間隙大，需填塞較多浸膠滌綸氈，不可避免會(huì)造成在極靴位置環(huán)氧膠流膠堆積，不易固化。建議采用特定形狀的環(huán)氧塊代替滌綸氈填充磁極線圈與主絕緣間的間隙，采用滌綸毛氈包裹環(huán)氧塊的方式填塞間隙，僅需要用到少量的環(huán)氧膠，避免了環(huán)氧膠的堆積，從根本上解決了環(huán)氧膠堆積不固化的現(xiàn)象。

5.2 工藝改進(jìn)

1)目前使用的室溫固化浸漬環(huán)氧膠流動(dòng)性大、滲透性強(qiáng)，固化時(shí)間長?？煽紤]采用滲透性強(qiáng)、流動(dòng)性差、固化時(shí)間短的環(huán)氧膠[5]，避免因?yàn)榄h(huán)氧膠不易固化造成絕緣電阻不合格的問題。

2)裝配磁極角部絕緣時(shí)，將“L”型粘貼的聚酰亞胺薄膜粘帶加寬，使其全部覆蓋磁極靴部，這樣即使環(huán)氧膠擴(kuò)散到磁極靴部也不會(huì)與磁極鐵芯接觸。采取此方案，即使環(huán)氧膠未完全固化，由于聚酰亞胺薄膜粘帶絕緣性能良好，其絕緣電阻仍會(huì)滿足要求，待掛裝后隨著時(shí)間推移環(huán)氧膠會(huì)自然晾干，對(duì)施工工期緊張時(shí)的項(xiàng)目是個(gè)好的應(yīng)急辦法。缺點(diǎn)是此時(shí)磁極絕緣依賴于聚酰亞胺薄膜粘帶的絕緣性能，對(duì)聚酰亞胺薄膜粘帶的粘接工藝要求較高。

3)現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)搭設(shè)密封好、空間大的加熱棚，配備足夠的熱風(fēng)機(jī)，從而保證加熱棚的溫度，保障加熱效果。

4)室溫固化浸漬環(huán)氧膠嚴(yán)格按照使用規(guī)范配制，浸膠滌綸氈在填塞間隙時(shí)應(yīng)晾至半干，避免留存的環(huán)氧膠流動(dòng)堆積。

6 結(jié) 語

文中所述水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子磁極裝配時(shí)絕緣電阻偏低或磁極擊穿問題，檢查分析與磁極設(shè)計(jì)缺陷及施工工藝有關(guān)，主要原因?yàn)榇艠O裝配完成后室溫固化環(huán)氧膠并未完全固化。對(duì)絕緣電阻偏低及耐壓時(shí)擊穿的磁極進(jìn)行了處理，并提出改進(jìn)建議，確保了機(jī)組安裝質(zhì)量，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其他電站具有較好的借鑒意義，為今后大型水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子磁極在設(shè)計(jì)、制造、安裝工藝方面提供了一些經(jīng)驗(yàn)。