大型磁极线圈匝间绝缘不良的分析及预防措施

苗帅玉

(浙江富春江水电设备股份有限公司，浙江 杭州 311504)

0 引言

电机是水轮发电机组的心脏。磁极线圈作为发电机的重要组成部分，其匝间绝缘不良会造成发电机转子磁通不对称和磁力不平衡，引起机组剧烈振动，直接影响发电机的安全稳定运行[1]。伊朗Siah Bishe水轮发电机属于大容量抽水蓄能机组，单机容量300 MW，转速500 r/min，磁极每台机12只，采用F级绝缘。磁极线圈由铜排焊接而成，铜排厚度7.6 mm，磁极线圈外形尺寸为3300 mm×926 mm×273.8 mm，有效匝数34匝。匝间绝缘由2层0.145 mm NOMEX纸组成。线圈尺寸大，匝数多，转速高，匝间绝缘的可靠性显得尤为关键。磁极线圈热压完成后，利用交流阻抗、冲击电压检测磁极线圈匝间绝缘状况。

1 匝间绝缘检测

磁极线圈利用模芯热压完成后，单独线圈采用交流阻抗测量匝间绝缘状况，测量结果无明显异常，合格。然后采用D12R匝间冲击试验仪做2400V匝间冲击试验。结果有4只线圈(1－S2、1－N3、1－N5、1－N11)波形不良。初步判断为匝间短路。针对这4只线圈，再次用交流阻抗方法逐匝测量，无明显异常。为确保测量结果的正确性，之后再次对这4只磁极线圈做匝间冲击试验，波形明显不良，确认存在匝间短路现象。同时从中也可以看出冲击试验比交流阻抗测量匝间更加有效[2]。

2 原因分析

随后对匝间冲击不良线圈从两侧逐匝解体，并做匝间冲击试验，直到波形正常，结果如下。

1)1－S2、1－N11随着解体匝数的增多，波形逐渐趋于正常。匝间冲击试验波形见图1。

图1 匝间冲击试验波形

分析主要是铜排加工(焊接面除外)后没有倒角及匝间绝缘层在作业过程中存在一定的移位，造成相邻两匝铜排之间部分位置没有绝缘层，在冲击电压作用下相互感应造成波形不良。

2)1－N3、1－N5解体到某一匝时，波形趋于正常，在不良位置发现微小黑色导电异物。不良匝波形见图2。

图2 不良匝波形

分析主要是在层间绝缘保存、粘结或线圈起吊翻身等一系列生产过程中，微小导电异物落入层间绝缘层内，在冲击电压下击穿造成波形不良。

3 预防措施

对于磁极线圈匝间短路的预防，主要是在生产过程中精化作业过程，按照生产流程形成具体的作业规范，严格执行。以下将对生产过程的各个环节进行说明，对过程控制要点进行着重论述。

1)磁极铜排加工

磁极铜排来料后，按照规格进行分类加工。除焊接面除外，其它加工部位必须进行倒角处理，一般倒角R0.5～R1。如有银铜排，必要的时候还应进行超声探伤，以确认银铜排是否存在起皮及分层现象，避免铜排热压过程中有翘起。

2)层间绝缘材料的保管

层间绝缘使用前，应在干燥、温湿度可控的环境中密封保存，避免粉尘落入。

3)层间绝缘剪裁

剪裁设备应放置于防尘的环境内，剪裁前应对刀片等部位擦拭干净，避免刀片上有剪裁其它材料遗留的半导体或导体异物。层间绝缘的剪裁宽度一般要比铜排宽出1～2 mm。剪裁后应对层间绝缘进行防尘防护，以避免空气中的粉尘落入。若有粉尘粘在层间绝缘上，在磁极线圈加压加热后，层间绝缘因流胶变薄，微小粉尘将造成层间绝缘处于似破未破的状态。此时用压降法测量可能未能测出匝间有短路现象。热压完成后，用匝间冲击测量，因冲击电压较高，这个位置极易击穿而造成短路。

4)磁极线圈垫绝缘前的清理

磁极线圈焊接完成后，应对焊缝及热影响区进行打磨、清理，消除焊缝高于铜排部分及表面氧化层。注意焊缝打磨不得低于铜排表面。对于铜排直角交汇处的焊瘤，应进行修挫，一般要求≤R1，并对于此处进行倒角R0.5～R1。根据工艺成熟程度，必要时还要对焊缝进行超声检查，以确认焊接质量。而后应对铜排表面用干布擦拭干净，清除表面的铜粉及其它异物，完成后将线圈倒运到防尘室进行层间绝缘的铺设。

5)磁极线圈铺设绝缘层

线圈放置在支撑架上，支撑架上应铺设环氧板进行保护，避免铜排直接与支架进行摩损而产生微小导电颗粒。用干净的布沾水拧干后，将铜排周向表面擦拭干净。然后逐匝用手触摸进行检查确认，特别是棱边，若有毛刺及时清除。将匝间绝缘用环氧原胶粘结到铜排上，以铜排内侧边线为基准，层间绝缘宽度方向余量向外侧，注意对接要准确，避免层与层之间有搭接或空隙。一层粘结完成后应及时用下一层铜排压紧固定，以避免层间绝缘褶皱或下滑。层间绝缘粘结一般L状。先粘结一侧后，进行可靠固定。进行固定时，夹具上应该清理干净。固定完毕后表面应塑料布覆盖，避免行车上的灰尘、油污落在匝间绝缘上。行车吊起线圈翻转180°后挂在支撑架上，松开固定夹具，然后翻身粘结另一侧。

6)磁极线圈的套装

磁极线圈绝缘层垫好后，上下两侧均应进行可靠固定。表面用塑料布覆盖防尘，用行车吊出防尘室。翻转90°，中心体侧朝上，平放在支撑架上。注意支撑距离，保证线圈不下挂。检查层间绝缘层是否有移位，保证线圈从内测看绝缘层与铜排平齐，外侧宽出1～2 mm。然后利用平吊工装吊起线圈，确认周边间隙均匀，垂直套入铁心/模芯内。

7)磁极线圈热压

对称打入楔形板，保证线圈内腔尺寸。楔形板与线圈之间应增加环氧垫板，不得与磁极铜排直接接触。楔形板打入完毕后再次确认匝间绝缘是否有移位情况。如从外侧发现匝间绝缘偏出太多或看不见，应及时进行调整。热压过程注意控制温度，保证整体线圈温度在135～185℃。线圈热压一般是底部温度最低，中间温度最高。必要的时候应考虑底部增加温度补偿装置。在热压过程中，当匝间绝缘刚开始流胶时，压力增加到最大状态(5 MPa)，用压降法测量匝间绝缘状况。保温结束后，应按照自然冷却、强制冷却逐步冷却，避免一开始降温就强制冷却。

8)清理、匝间冲击试验

磁极线圈降温到80℃以下时，开始出模。对于大容量高转速磁极，一般是利用模型铁心进行热压。热压完成后要将线圈退出铁心，清除内侧及上、下表面残胶后再套入磁极铁心。清除残胶时，要注意力度及方法、清理工具，避免磁极铜排表面损伤后的毛刺粘附在线圈上。清理完毕，应逐匝进行检查确认。然后将线圈放置在环氧支架上，避免与导电物体直接接触。按照规定的电压等级进行磁极线圈匝间冲击试验，观察波形以确认匝间是否存在短路。

4 结语

匝间冲击试验可以更加有效地检测出磁极线圈匝间不良状况，及时发现和消除匝间短路，保证机组长期稳定运行。同时通过生产过程一系列有效措施的实施，可以保证匝间冲击短路现象得到明显的改善，后续磁极线圈的匝间冲击一次性通过率达到99%以上，很大程度上稳定了生产质量，提高效率。

[1]朱洪雷.水轮发电机磁极线圈匝间短路检查及处理[J].防爆电机.2012(3).

[2]马蓓蓓，徐正蓉，三峡电厂700 MW水轮发电机磁极线圈匝间绝缘试验[J].东方电机.2010(3).