多胶模压线棒与少胶VPI线棒的冷热循环对比试验

付新星，饶保林，韦衍乐，曾栢顺

（桂林理工大学 有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室，广西 桂林 541004）

多胶模压线棒与少胶VPI线棒的冷热循环对比试验

付新星，饶保林，韦衍乐，曾栢顺

（桂林理工大学 有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室，广西 桂林 541004）

本文对多胶模压和少胶VPI两种线棒进行了冷热循环处理，在相同试验条件下对比了这两种线棒的耐热性和耐冷热循环能力。

高压电机；线棒；主绝缘；冷热循环；导热系数

前言

定子线圈是大型高压发电机的心脏部件，定子线圈主绝缘在发电机运行过程中须承受高电场、热和机械应力等环境条件的作用，还要经受发电机在启动和停机时产生的冷热循环热应力作用和突发短路时产生的强大电磁力的作用，因此定子线圈主绝缘必须具有良好的电气性能、机械性能和耐冷热冲击的能力，从而保证发电机可靠运行。

目前大型高压发电机定子线圈主绝缘按云母带的胶含量划分，有少胶VPI和多胶热压两种绝缘体系。多胶热压又有模压和液压两种成型工艺，我国目前多胶体系主要采用模压工艺，国外多胶体系则采用真空液压工艺（VPR工艺）。这些绝缘体系各有优缺点，如果工艺处理得当，理论上都可以制造出性能优良的主绝缘[1-2]。

我国从上世纪60年代开始制造大型高压发电机以来，线圈主绝缘一直采用多胶热压绝缘体系。七八十年代曾经采用过多胶液压工艺，液压加热介质为沥青，后因VPR线圈尺寸偏差大、绝缘性能不理想，80年代逐渐被模压工艺取代。

改革开放后，少胶VPI技术渐渐从国外传入我国，经过多年的努力，我国少胶云母带和VPI浸渍树脂的质量水平，以及云母带分切机、绕包机、VPI浸渍罐等相关设备的制造水平都得到了很大的提高，VPI技术在我国得到了很大的发展，以致近几年不少电机厂纷纷投入资金进行技术改造，放弃传统的多胶模压工艺转而采用VPI工艺。

未来大型高压发电机主绝缘会不会全部被少胶VPI工艺取代？这是大电机行业、绝缘材料行业都在关注的一个问题。本文对多胶模压和少胶VPI两种真机线棒进行了冷热循环对比试验，从热应力的角度，探讨了这两种绝缘体系的优缺点。

1 试验

1.1 试验样品

选择发电机额定电压UN为20kV的多胶模压和少胶VPI两种真机线棒进行对比试验，线棒外形尺寸相同，单边绝缘厚度均为4.6mm(不含防晕层)。

1.2 冷热循环试验

试验程序：室温→180℃保持21h→25℃保持3h，每24h一个试验周期。每种线棒试验2个试样。

1.3 性能测试

线棒主绝缘工频介电损耗：采用三电极系统，电极长度 250mm，保护电极间隙 2mm，其余按 JB/T 7608-1994。以下其余性能则先用机加工方法从线棒上剥下主绝缘，然后按标准要求加工成试样。其中，主绝缘的弯曲性能：试验方向沿线棒纵向，试样跨距64mm，试验速度2mm/min，其余按GB/T 9341-2000；主绝缘的冲击强度：简支梁法无缺口试样，支点跨距70mm ，其余按 GB/T 1043.1-2008；主绝缘的导热系数：试样尺寸 25.4mm×25.4mm×4.0mm，热流方向垂直于云母层，取2个试样的平均值作为试验结果，其余按ASTM E 1530-2006；主绝缘的密度：试样尺寸与导热系数试样相同，其余按GB/T 1033.1-2008 中5.1条规定的方法A（浸渍法）；主绝缘的热失重：用机械方法从线棒上取下主绝缘，称量冷热循环前后试样质量的变化，精确至0.001g，试样原始质量150～200g；主绝缘粘接剂的酸值：用细锉刀从主绝缘上锉取试样1～2g，加入中性丙酮30ml，不时摇动浸泡1h后，加入1%酚酞指示剂2、3滴，用0.1N氢氧化钾-甲醇标准溶液缓缓滴至中性，测得实测酸值后按下式计算主绝缘中粘接剂的酸值：粘接剂酸值=实测酸值/实测主绝缘胶含量。

2 结果与讨论

2.1 冷热循环对线棒主绝缘介电损耗、损耗增量的影响

冷热循环试验前，多胶模压线棒和少胶VPI线棒主绝缘的室温介电损耗、155℃介电损耗和损耗增量都处在较好的水平，如表1、表2。前4个试验周期，少胶VPI线棒主绝缘的损耗增量上升较快，之后渐渐趋于平缓，最后稳定在 1.1%附近。多胶模压线棒的损耗增量比VPI线棒要小一些，经历8个周期后稳定在0.6%～0.7%附近，如图1所示。

多胶模压线棒经 180℃冷热循环 14个周期后（180℃下历时共 21×14=294h），主绝缘的高温介电损耗有上升的趋势：冷热循环前为1.3%，冷热循环14个周期后增大至5.3%；同等条件下VPI线棒主绝缘的高温介损基本保持不变。

2.2 冷热循环后主绝缘导热系数、密度和胶含量的变化

按试验程序冷热循环14个周期后，多胶模压线棒和少胶VPI线棒主绝缘的导热系数、密度、胶含量都明显下降，如表3所示，线棒敲击声也不再清脆，损耗增量都有所增大，表明主绝缘已经开始发空。对于内冷式机组，发电机线圈的运行温度除个别点外，一般都不超过80～90℃[3]，本文采用180℃的试验温度似有点偏高。但对于空冷机组，发电机线圈的设计最高允许运行温度一般为120℃。实际运行时，在气温较高且满负荷的情况下，线圈的最高温度已接近120℃[4]，故对主绝缘的耐热性应予以足够的重视，进一步提高空冷机组定子线棒绝缘结构的耐热性是有必要的。

表1 冷热循环过程中线棒主绝缘室温介电损耗 %

2.3 主绝缘的热失重和热降解机理

注意到在冷热循环过程中，多胶模压线棒和少胶VPI线棒主绝缘的热失重曲线虽然很接近，如图 2所示，但粘接剂酸值的变化、线棒尺寸的变化却有很大的差别。

表2 冷热循环前后线棒主绝缘的155℃介电损耗（试验电压0.2UN） %

图1 冷热循环过程中线棒主绝缘损耗增量的变化

表3 冷热循环前后线棒主绝缘导热系数、胶含量和整体性的变化

多胶模压线棒主绝缘粘接剂的酸值，在老化前几乎为零，经180℃老化300h（14个循环周期累计）后呈缓慢上升趋势；少胶VPI线棒主绝缘粘接剂的酸值，起始值就比较大（达36 mgKOH/g），随热老化过程呈下降趋势，180℃老化300h后降至20 mgKOH/g，如表4所示。

在热老化过程中，多胶模压线棒的尺寸是变大的，发生轻微的膨胀；少胶VPI线棒的尺寸则是变小的，发生一定程度的收缩，如表5所示。

图2 冷热循环过程中线棒主绝缘的热失重

表4 冷热循环前后线棒主绝缘粘接剂酸值的变化

这些试验现象表明：在热老化过程中，多胶模压线棒主绝缘粘接剂主要发生的是热分解反应；少胶 VPI线棒则主要是未反应彻底的液体酸酐受热后进一步渐渐挥发。

对于 VPI引进技术和国内目前主要使用的环氧酸酐浸渍树脂体系，线棒中存在未反应的液体酸酐是有可能的。在这种树脂体系中，使用的环氧树脂是高纯结晶环氧，基本上没有羟基，为了获得较好的贮存稳定性，浸渍树脂还必须严格防潮。故在通常情况下，这种树脂体系中既没有羟基也没有水分存在。

根据在催化剂作用下环氧与酸酐的反应机理，如果环氧酸酐固化体系中没有羟基也没有水分存在，环氧基与酐基按等当量进行反应[5]。如果反应体系中有环氧过量，反应结束后则有剩余环氧基存在；如有酸酐过量则有酸酐存在。在实际操作过程中，由于酸酐除了需要固化VPI树脂中的环氧树脂外，还要固化少胶云母带中的环氧，而少胶带中的树脂含量总有一个正常的偏差范围，因此固化体系要一直保持环氧基与酐基正好等当量是不容易的。

此外，VPI树脂在长期使用和贮存过程中，难免会或多或少吸收一些潮气，吸潮后的VPI树脂达到完全固化所需酸酐的当量就会比理论值小，这样一来造成酸酐过量的可能性就比较大了。在用锉刀从VPI线棒上锉取粉末试样时，可以闻到轻微的液体酸酐气味，也证实了VPI线棒主绝缘中有少量酸酐存在。

表5 冷热循环前后线棒尺寸的变化

2.4 冷热循环对主绝缘力学性能的影响

冷热循环结束后，用机加工的方法从线棒上剥下主绝缘，测定了冷热循环前后主绝缘的力学性能，试验结果如表6所示。可以看出，经冷热循环后，少胶VPI线棒主绝缘的力学性能下降的幅度比多胶模压线棒大。用机加工方法从线棒上剥离主绝缘时还发现，VPI主绝缘与线棒导体的粘接性较差，轻易就可以从线棒导体上剥离下来，表明VPI主绝缘的层间粘接力和对导体的粘接力不如多胶模压线棒好。

3 结语

通过对相同尺寸的多胶模压线棒和少胶 VPI线棒在相同条件下的冷热循环对比试验，得到以下结论：

（1）多胶模压和少胶VPI两种绝缘结构都具有优良的介电性能和机械性能，但经过 180℃冷热循环14个周期后，两种绝缘结构的性能都有所下降，其中多胶模压绝缘的机械性能的保持率要比少胶VPI绝缘好些；少胶VPI绝缘的介电性能的保持率要比多胶模压绝缘好些。用于空冷机组的主绝缘还需要进一步提高耐热性。

（2）这两种绝缘结构各有优缺点，且遵循不同的热老化机理。

表6 冷热循环前后线棒主绝缘力学性能的变化

[1] 袁晓红, 王玉田. VPI 与模压的发电机定子线棒之性价比[J]. 大电机技术, 2011 (1): 37-38, 64.

[2] 何智江. 三峡左岸电站发电机定子线棒主绝缘技术特点[J]. 大电机技术, 2003 (6): 1-4.

[3] 韩毅, 栾庆伟. 700MW水轮发电机定子线棒及汇流铜环温升分布测量试验新方法[J]. 防爆电机,2009, 44(4): 29-32.

[4] 张新闻. 150MW空冷发电机运行温度高原因分析及对策[J]. 发电设备, 2009 (5): 370-373.

[5] 孙曼灵主编. 环氧树脂应用原理与技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2002: 142-143.

审稿人：满宇光

Psychro-Thermal Cycle Contrast Tests between Resin-Rich Molded and VPI Stator Bar

FU Xinxing, RAO Baolin, WEI Yanle, ZENG Baishun
(Key Laboratory of New Processing Technology for Nonferrous Metals and Materials,Ministry of Education, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

The stator bars made by resin-rich molding and VPI technique have been exposed at the same psychro-thermal cycle conditions, and the heat resistance and the resistance of psychro-thermal cycling of this two kinds of stater bars has also been compared in this paper.

high-voltage generator; stator bar; ground insulation; psychro-thermal cycle; thermal conductivity

TM303

A

1000-3983(2012)06-0017-04

国家自然科学基金项目(51067003)；广西科学基金应用基础研究专项(桂科基0832015)；科技部科技人员服务企业项目(2009GJE10024)

2011-10-06

付新星(1988-)，2011年6月毕业于桂林理工大学材料学专业，研究方向为电气绝缘材料，硕士研究生。