哈电绝缘核心技术自主发展50年

卢 春 莲

(哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040)

前言

50年来，哈电绝缘技术研究坚持走自主研发之路，经过几代人的不断探索和努力，发电机绝缘耐热等级由A级、B级到F级，各个阶段哈电的绝缘技术都具国内领先水平。特别是改革开放以来，随着发电机国际合作生产项目的增加，绝缘技术面临着技术不转让，要求不断提高，甚至到了难以接受的艰难局面。在这种情况下，哈电绝缘技术的研究紧紧围绕我们的传统多胶模压绝缘体系，创造性地开展工作，并逐步形成了独具特色的哈电F级绝缘体系及防电晕技术。

1 大型发电机主绝缘技术发展

1959年哈电成立了哈尔滨大电机研究所，承担起哈电发电机核心绝缘技术的研究工作。建所初期，我国水轮发电机和汽轮发电机定子绝缘基本都是仿苏联沥青片云母（A级绝缘）。60年代初，哈电从研究绝缘材料入手，立足国内重点解决了线圈浸胶用沥青胶及国产斑点云母和粉云母的绝缘材料，并提出了“片-粉”、“斑点云母-白片云母”等绝缘结构，缓解了当时我国大电机云母绝缘材料的紧缺局面。同时，还对沥青片云母绝缘的结构、工艺进行改进，大大提高了绝缘的性能。利用沥青云母绝缘制造的青铜峡水轮发电机(10.5 kV、36.5MW）至今已运行43年。中朝合建的云峰水电站水轮发电机采用的沥青片云母绝缘以优良的性能获得各方好评。该电机后来被评为国家质量银奖产品。这是国内沥青片云母绝缘电机得到的最高质量奖。

60年代中期，研究所绝缘室与北京电器科学研究院（现桂林电器研究院的母院）和哈尔滨绝缘材料厂等单位一起联合开展了环氧粉云母绝缘的开发和应用工作。研究所绝缘室和桂林所负责绝缘胶的配方研究，哈尔滨绝缘厂负责云母带的制作。1964年，研制成功TOA环氧玻璃粉云母绝缘材料（B级绝缘），并于1965年在盐锅峡电站10.5kV、44MW水轮发电机上应用。环氧粉云母绝缘取代了沥青片云母绝缘，成为我国大电机的主绝缘体系，此绝缘体系的推广和应用是我国大电机绝缘技术的一个里程碑。哈电采用TOA环氧粉云母绝缘制造的葛洲坝电站 13.8kV、125MW 水轮发电机获得了大型发电机设备的唯一质量金奖，标志着哈电TOA环氧粉云母新绝缘体系的成功。

20世纪70年代初期，哈电绝缘室着手进行高压电机F级主绝缘体系的研究，在此期间经历了环烷酸铅绝缘体系、厚粉纸绝缘体系到桐马环氧粉云母绝缘体系。1988年桐马环氧粉云母绝缘终于在 15.75kV、200MW汽轮发电机和18kV、220.5MW的天生桥电站水轮发电机上得到成功的应用。此后，桐马环氧粉云母绝缘成为哈电公司F级电机定子主绝缘，并广泛应用于300MW和600MW汽轮发电机和几乎所有大型水轮发电机上。国内同行企业也相继采用桐马环氧粉云母绝缘。桐马环氧粉云母的应用，不仅使大电机定子线圈主绝缘的耐热等级由B级提高到F级，而且从一定程度上减薄了定子主绝缘厚度，提高了电机的技术经济指标。

90年代起哈电发电机技术进入飞速发展时期，汽轮发电机容量由最初的25MW增加到650MW，水轮发电机容量由最初的0.8MW增长到二滩550MW、三峡700MW。电压等级也提升到20kV及以上。随着装机容量及电压等级的升高，对发电机绝缘技术的要求也越来越高。绝缘作为发电机核心技术，尤其是定子线圈制造技术是国内外同行竞争的焦点。尽管哈电有过先后与多家国外公司合作生产的经历，但在技术转让中外国公司对定子线圈绝缘技术都有所保留，难以取得真经。1996年哈电与加拿大GE公司合作生产了二滩550MW、18kV空冷水轮发电机，GE公司虽然也采用多胶绝缘体系，但在此项目上外方对哈电的多胶绝缘体系并不十分认可。为此，哈电承担起F级环氧粉云母多胶模压主绝缘体系的优化设计、改进工作。研究所绝缘室牵头，联合国内电磁线、绝缘材料、防晕材料厂等多家单位，首次制造成功道格拉斯电磁线、内屏蔽半导体材料、高场强云母带等。与此同时，哈电对模压工艺进行改进，1998年哈电应用先进材料、工艺制作的定子线棒运抵加拿大 GE公司进行综合评定。各项性能指标优于GE标准（见表1），致使加拿大 GE公司真正认可了哈电的绝缘技术。为此哈电利用完全自主的研发绝缘技术制造了国内首台空冷550MW、18kV水轮发电机组。二滩电站自1998年运行以来，绝缘各项性能优良。

表1 加拿大GE公司对哈电公司主绝缘的老化评定

尽管哈电F级桐马环氧粉云母多胶模压主绝缘体系的电气、机械性能达到国外少胶VPI体系同等电压水平，但在三峡左岸发电机上想应用我们自己的绝缘体系制造发电机定子线棒，并非易事。三峡左岸发电机是哈电与瑞士ABB公司合作生产的项目，哈电必须按ABB的图纸生产出符合ABB标准的定子线棒。由于ABB公司定子绝缘采用的是少胶VPI体系，绝缘厚度仅为4.6mm，定子线棒耐压标准是承受4倍额定电压80kV 1min，其他电性能标准也是世界最高水平。我们的多胶模压主绝缘体系能否满足要求，无疑又是一次严峻的挑战。1996年哈电就开始了三峡定子线棒绝缘结构的研究工作，对云母带的原材料粉纸、云母胶等都做了大量的研究，经哈电、哈绝、杭云的共同努力，成功开发出新型高场强云母带。导体的内屏蔽结构在二滩的基础上也做了相应的改进。在此期间哈电投入大量的技术改造资金，使线圈制造工艺装备水平大有提高。1998年哈电用多胶模压主绝缘体系制造的三峡左岸定子线棒，在瑞士ABB公司实验室进行了电老化等各项性能的综合评定（见表 2），得到 ABB公司的高度评价和肯定。2002年我们也终于取得了用自己绝缘体系生产三峡左岸定子线圈的资格，得到了三峡左岸3台定子线棒的生产份额。哈电生产的3台份定子线棒在同台对比中绝缘水平处于国内外领先地位。

表2 ABB公司对哈电三峡20kV等级定子线棒电老化寿命评定结果

图1 哈电制造的三峡发电机定子绕组

图2 三峡发电机定子线棒截面试样

2006年哈电开始了700 MW全空冷水轮发电机技术的研究，三峡右岸定子线棒由水冷变成了空冷，线棒导线的高宽比大大增加，线棒主绝缘模压制造过程的控制更加困难。为此，哈电对导线、绝缘结构、模压装置的加压方式等都进行了改进，经过反复的试验，最终成功制造了世界上最大的空冷发电机定子线棒，且各项性能优异。实测右岸国产26号机在600MW负荷运行时的线棒温度在70℃以下。

随着发电机市场竞争加剧，哈电寻求世界上电机技术制造力量雄厚的公司进行合作，虽然 390H（470MW/19kV）燃汽轮发电机、百万等级（1000MW/27kV）超超临界汽轮发电机先后引进国外的技术，但国外公司丝毫不转让定子线圈制造技术，哈电暂时只有购买他们的定子线棒。在这种情况下，哈电对更高电压等级的火电定子线棒绝缘体系开展研究工作，用模压工艺成功制造了390H燃汽轮发电机、1000MW/27kV超超临界汽轮发电机国产定子线棒，各项性能指标均达到国外同类水平（见表3和表4），可以完全取代国外进口线棒。

表3 哈电公司制造的390H燃机主绝缘主要性能

表4 哈电公司制造的火电百万等级发电机定子线棒绝缘主要性能

2009年，长江三峡工程开发总公司要求国内主要发电机制造厂家（主要是哈电和东电）开发24kV和26kV 等级1000 MW空冷水轮发电机。当时，在世界水电生产史上还没有制造如此高额定电压和容量的水轮发电机的经历。这是具有划时代意义的重大事件，意义非凡，同时难度巨大。其定子、转子绕组所采用的绝缘材料、绝缘结构及绝缘工艺，必须经过严格的验证和考核，以保证电机运行的可靠性和稳定性。哈电继续采用传统的优势模压工艺，自主研发、成功制造了24kV、26kV电压等级1000MW水轮发电机定子线棒，并且经过了电热老化、冷热循环、环境模拟因素等一系列试验的考评，定子线棒的各项性能指标优良（见表5）。

图3 哈电制造的390H燃机线棒

图4 哈电制造的1000MW汽轮发电机线棒

表5 哈电公司制造的水电百万等级发电机定子线棒绝缘主要性能

2008年开始，哈电启动了SVPI（单根线棒真空压力浸渍）少胶整浸绝缘系统的研究工作。虽然国外有成熟的技术和先进的设备，但哈电立足国内，自主研发，克服了种种困难，创造性地开展工作。目前，哈电的国产大型单根线棒VPI设备已通过验收。

图5 百万水电试验线棒耐环境因素试验（哈电，多胶膜压技术）

图6 百万水电试验线棒耐环境因素试验（东电，VPI技术）

2 防电晕技术的发展

高压定子绕组防电晕技术是发电机的又一核心技术，是伴随着定子绕组主绝缘材料的发展和电压等级的升高而不断完善的。在二十世纪50年代到60年代初，发电机定子线棒为沥青片云母时，防晕材料为半导体填料复合含铁石棉带或玻璃丝带。1965年，随着TOA环氧粉云母绝缘的应用，开始研制成功醇酸半导体漆。1966年，又对15.75kV级定子线棒防晕结构进行研究，研究成功含碳化硅的醇酸高电阻半导体漆防晕结构。含碳化硅的半导体漆是一种非线性高电阻半导体漆，它的电阻值会随电压的升高而降低，防电晕效果好，当时处于国内领先地位。这种材料在1968年用于刘家峡电站15.75kV/225MW水轮发电机，收到了良好的效果。

为了降低半导体漆涂刷时有机溶剂对人体的伤害和对环境的污染，研究所绝缘室于1971年成功开发“一次成型”防电晕结构，这种防晕结构是在定子线棒主绝缘包扎后，直接包扎防晕带，一次与主绝缘固化成型，无需二次处理，既减少污染又极大地提高了生产效率。此技术首先在黄龙滩电站13.8kV水轮发电机上得到应用，至今已运行30余年。“一次成型”防电晕结构的研究是国内防晕技术的一次革命，为国内首创，很快在全国各大电机厂得到推广，成为我国普遍采用的一种防电晕结构。

80年代以后，绝缘室开始研制新型的防电晕材料，防晕带底材由玻璃丝带代替了石棉带，防晕结构向更高电压等级发展，《18kV～26kV防晕结构设计》课题项目于1987年获机械部科技进步二等奖。

进入90年代，随着大型高压发电机快速发展，对防电晕技术提出更高的要求，特别是三峡左岸定子线棒必须全部通过80kV·1min耐电压试验，这对主绝缘和防晕体系都是十分苛刻的考验。当时哈电还很难达到这个要求，为了攻克这一难关，绝缘室与防晕材料厂联合，不断摸索，反反复复，经过成千上万次试验，终于研制出性能可靠的防晕材料，掌握了世界领先水平的定子线圈防晕技术。《三峡发电机定子线棒防晕结构的研究和防晕材料的筛选》于2002年获黑龙江省科技进步二等奖，这一技术广泛用于三峡右岸、三峡地下、龙滩和小湾等机组。国内同行企业也十分青睐我们的防晕技术，借助我们的研究成果解决了他们发电机中存在的一些关键技术问题。

近年来，绝缘室继续开展防电晕技术研究，研制的新型防电晕材料电阻值稳定性，结构搭配合理，总体防电晕效果优良，其成果已经成功应用在百万水电（1000MW/26kV）试验线棒，百万超超临界（1000MW/27kV）真机线棒上,也为百万核电防晕技术的研究奠定了基础。

3 结束语

多胶膜压工艺是哈电多年来一直传承的绝缘技术，具有独到特点。哈电人坚持走自主研发之路，将多胶模压技术与世界先进的VPI技术之间的竞技推上了又一个高潮，相信无论是模压技术还是少胶VPI技术，只要坚持不懈的创新与发展，技术的优势定能突显出来。