劉 瑩

(東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司,杭州 311504)

0 引言

定子繞組是發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部位,定子絕緣技術(shù)水平?jīng)Q定著發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)、綜合性能和運(yùn)行可靠性[1]。發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣的性能與絕緣厚度往往是相互矛盾的,在確保絕緣性能的前提下,減薄主絕緣厚度是發(fā)電機(jī)制造廠永恒追求的主題。東芝水電為此進(jìn)行了定子線棒主絕緣厚度減薄研究,取得了有益的成果,研究成果已應(yīng)用于產(chǎn)品中,實(shí)現(xiàn)了工作場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到3.0 kV/mm級(jí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 定子線棒主絕緣厚度的減薄

發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣厚度的減薄須在確保滿足發(fā)電機(jī)產(chǎn)品技術(shù)條件和安全可靠運(yùn)行要求的基礎(chǔ)上,主要考慮如下兩個(gè)方面來確定主絕緣厚度。

(1) 主絕緣應(yīng)能承受制造和運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的電壓和過電壓,應(yīng)具有一定的安全裕度,保證發(fā)電機(jī)絕緣在長(zhǎng)期運(yùn)行后仍具有足夠的耐電強(qiáng)度[1]。

(2) 應(yīng)使主絕緣在工作場(chǎng)強(qiáng)下,絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部不產(chǎn)生有害放電或放電量在允許范圍內(nèi)[2]。

企業(yè)以往設(shè)計(jì)制造的定子線棒,在考慮產(chǎn)品性能存在離散性的情況下,線棒絕緣的擊穿電壓滿足國家標(biāo)準(zhǔn)或合同要求,但離散性稍大。線棒擊穿場(chǎng)強(qiáng)較低和存在較大離散性是制約定子線棒主絕緣厚度減薄的主要因素,減薄主絕緣厚度需要從多方面進(jìn)行,包括提高主絕緣的介電強(qiáng)度、改善線棒角部的幾何形狀和電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

1．1 提高主絕緣介電強(qiáng)度

水輪發(fā)電機(jī)定子線棒的主絕緣由云母帶半疊包繞形成,提高云母帶中的云母含量,可提高主絕緣擊穿強(qiáng)度和耐電暈性能。東芝水電制造的定子線棒主絕緣材料以往為雙面補(bǔ)強(qiáng)云母帶,其云母含量為90 g/m2。雙面補(bǔ)強(qiáng)云母帶的組成為以粉云母紙為基材,以環(huán)氧云母膠為膠黏劑,雙面以電工無堿玻璃布為補(bǔ)強(qiáng)材料。為了提高云母帶的云母含量,專門開發(fā)了單面補(bǔ)強(qiáng)云母帶(以粉云母紙為基材),環(huán)氧云母膠為膠黏劑,單面以電工無堿玻璃布為補(bǔ)強(qiáng)材料,其云母含量為115 g/m2。通過采用單面補(bǔ)強(qiáng)云母帶作為定子線棒主絕緣材料,可提高定子線棒擊穿電壓和電老化壽命。雙面補(bǔ)強(qiáng)云母帶與單面補(bǔ)強(qiáng)云母帶性能對(duì)比如表1。

表1 雙面補(bǔ)強(qiáng)云母帶與單面補(bǔ)強(qiáng)云母帶性能對(duì)比表

1．2 改善局部場(chǎng)強(qiáng)畸變

為了分析定子線棒角部和換位處場(chǎng)強(qiáng)畸變對(duì)主絕緣擊穿電壓的影響,選取某項(xiàng)目(Un=10.5 kV)擊穿電壓值較低的線棒,對(duì)其擊穿區(qū)域的絕緣進(jìn)行逐層剝離,查找絕緣擊穿路徑。圖1為定子線棒擊穿部位解剖結(jié)果,發(fā)現(xiàn)被擊穿的線棒中絕大部分發(fā)生在換位處的角部,且擊穿電壓較低。線棒的擊穿位置角部曲率半徑r明顯小于設(shè)計(jì)要求的2.5～3 mm。理論分析線棒角部最大場(chǎng)強(qiáng)隨曲率半徑的變化規(guī)律,如圖2所示。定子線棒主絕緣厚度d=1.7～5.3 mm,曲率半徑r=0.6 mm時(shí)的角部最大場(chǎng)強(qiáng)明顯高于曲率半徑r=3 mm。所以,保證定子線棒導(dǎo)體截面的曲率半徑在2.5～3 mm,可有效改善角部場(chǎng)強(qiáng)畸變,提高定子線棒絕緣介電強(qiáng)度。

圖1 定子線棒擊穿部位解剖結(jié)果

圖2 角部最大場(chǎng)強(qiáng)與曲率半徑的關(guān)系

總結(jié)以往項(xiàng)目的定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)和性能發(fā)現(xiàn),通過內(nèi)均壓結(jié)構(gòu)處理的定子線棒主絕緣擊穿電壓明顯高于無內(nèi)均壓結(jié)構(gòu)的定子線棒。定子線棒內(nèi)均壓結(jié)構(gòu)采用全屏蔽內(nèi)均壓結(jié)構(gòu),即采用焊接銅帶加包扎半導(dǎo)體帶的方式。此內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)可均勻電場(chǎng)分布、改善換位處場(chǎng)強(qiáng)畸變,提高絕緣介電強(qiáng)度。

綜上,通過以下三個(gè)方面可提高定子線棒主絕緣介電強(qiáng)度和電老化特性,減薄主絕緣厚度。

(1) 采用高云母含量的單面補(bǔ)強(qiáng)云母帶作為主絕緣;

(2) 線棒導(dǎo)體制作中嚴(yán)格控制導(dǎo)體角部曲率半徑滿足2.5～3 mm;

(3) 線棒設(shè)計(jì)制作全屏蔽內(nèi)均壓結(jié)構(gòu)。

1．3 定子線棒主絕緣厚度的減薄

根據(jù)設(shè)計(jì)工作場(chǎng)強(qiáng)E=2.8 kV/mm,分別按發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)10.5 kV、13.8 kV和15.75 kV設(shè)計(jì)定子線棒主絕緣厚度,各制作5根真機(jī)線棒。其中,線棒截面尺寸寬度/高度(W/H)方向理論值分別21.68 mm/44.08 mm、23.04 mm/45.44 mm、23.84 mm/46.24 mm。定子線棒制作工藝參數(shù)如表2所示。

表2 定子線棒制作工藝參數(shù)

(1) 定子線棒各項(xiàng)性能指標(biāo)

定子線棒截面尺寸:定子線棒槽部W和H方向各均勻測(cè)量5點(diǎn),結(jié)果如表3～表5所示。

表3 定子線棒截面尺寸測(cè)量值(額定電壓10．5 kV)

表4 定子線棒截面尺寸測(cè)量值(額定電壓13．8 kV)

表5 定子線棒截面尺寸測(cè)量值(額定電壓15．75 kV)

定子線棒W/H方向截面尺寸滿足定子線棒尺寸控制公差范圍,且線棒間尺寸梯度在0～0.5 mm之間。

定子線棒介質(zhì)損耗:按標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7608—2006利用西林電橋進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 介質(zhì)損耗與試驗(yàn)電壓的關(guān)系(額定電壓10．5 kV)

圖4 介質(zhì)損耗與試驗(yàn)電壓的關(guān)系(額定電壓13．8 kV)

圖5 介質(zhì)損耗與試驗(yàn)電壓的關(guān)系(額定電壓15．75 kV)

定子線棒的介質(zhì)損耗初始值及增量滿足JB/T 7608—2006和GB/T 7894—2009控制要求。

定子線棒局部放電量:按標(biāo)準(zhǔn)T/CSEE0042-2017規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如表6所示。

表6 定子線棒局部放電量(額定電壓10．5 kV)

定子線棒的局部放電量滿足T/CSEE0042-2017控制要求。

定子線棒起暈?zāi)蛪航Y(jié)果:按標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6204—2002規(guī)定的方法試驗(yàn),結(jié)果如表7所示。

表7 定子線棒起暈?zāi)蛪航Y(jié)果

定子線棒的起暈?zāi)蛪航Y(jié)果滿足JB/T 6204—2002和JB/T 8439—2008控制要求。

(2) 定子線棒瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)

定子線棒瞬時(shí)擊穿電壓:按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7894—2009規(guī)定的方法試驗(yàn),結(jié)果如表8所示。

表8 定子線棒瞬時(shí)擊穿電壓值

減薄主絕緣厚度的定子線棒瞬時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)大于40 kV/mm,明顯高于以往制造的定子線棒絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng),且擊穿電壓滿足GB/T 7894—2009規(guī)定的不小于5.5～6倍額定電壓的要求。

(3) 定子線棒高溫電老化試驗(yàn)

與上述15根線棒采用相同的主絕緣材料和工藝參數(shù),按工作場(chǎng)強(qiáng)E=3.3 kV/mm設(shè)計(jì)主絕緣厚度,制作額定電壓為10.5 kV的線棒4根,進(jìn)行高溫電老化試驗(yàn)。線棒各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范要求,高溫電老化試驗(yàn)施加電壓為22.8 kV,施加場(chǎng)強(qiáng)為12.5 kV/mm,施加溫度為100 ℃,試驗(yàn)結(jié)果顯示,4根線棒的老化時(shí)間均超過500小時(shí)。

根據(jù)絕緣理論結(jié)合絕緣體系及研究成果,主絕緣的電老化壽命L與施加場(chǎng)強(qiáng)E存在如下關(guān)系:

L=A×E-n

(1)

式中:L為施加電場(chǎng)E時(shí)的絕緣電壽命;A、n為材料本身的特性;E為絕緣施加的電場(chǎng)強(qiáng)度。

主絕緣體系的絕緣材料的n值為9,L與E的關(guān)系如下:

L=A×E-9

(2)

根據(jù)公式(2),結(jié)合上述4根試驗(yàn)線棒的電老化時(shí)間,可推算相似絕緣結(jié)構(gòu),不同電壓等級(jí)和絕緣厚度的理論高溫電老化壽命,結(jié)果如表9所示。

表9 定子線棒高溫電老化試驗(yàn)結(jié)果

通過電老化壽命換算,按工作場(chǎng)強(qiáng)E=2.8 kV/mm設(shè)計(jì)主絕緣厚度,定子線棒主絕緣電老化壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于IEEE 1553-2002規(guī)定的400 h。

2 應(yīng)用

定子線棒主絕緣減薄技術(shù)已經(jīng)在10.5～13.8 kV等發(fā)電機(jī)組的定子線棒上設(shè)計(jì)應(yīng)用。其中,應(yīng)用主絕緣減薄技術(shù)設(shè)計(jì)制造的額定電壓13.8 kV發(fā)電機(jī)定子線棒,主絕緣擊穿電壓超過110 kV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于合同要求的5.5倍額定電壓值;同時(shí),擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)40 kV/mm以上,可達(dá)到世界先進(jìn)水平。

3 結(jié)論

東芝水電通過采用具有高介電強(qiáng)度和耐電老化特性的單面補(bǔ)強(qiáng)云母帶作為主絕緣,設(shè)計(jì)制作內(nèi)均壓結(jié)構(gòu)并控制角部曲率半徑,成功實(shí)現(xiàn)了定子線棒主絕緣厚度減薄。應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計(jì)制造大型水輪發(fā)電機(jī)組,同時(shí)采用東芝水電先進(jìn)的真空液壓多膠絕緣工藝(Vacuum Pressure Resin Rich System,VPR)制造定子線棒,線棒絕緣的擊穿電壓和電老化壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值,可保障發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。