大型发电机定子线棒VPI用绝缘材料的国产化应用研究(Ⅲ)

付 强，满宇光，卢春莲，黄程伟，郑 伟，冯 超，张秋寒，潘延明，隋银德（水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

大型发电机定子线棒VPI用绝缘材料的国产化应用研究(Ⅲ)

付 强，满宇光，卢春莲，黄程伟，郑 伟，冯 超，张秋寒，潘延明，隋银德
（水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

为保证国产VPI（Vacuum Pressure Impregnating，真空压力浸渍）绝缘材料的性能稳定，对VPI绝缘材料进行了性能检测，并采用优选出的材料制造真机试验线棒。首先从两方面检测国产VPI绝缘材料性能，一方面对新批次少胶带的关键项目及以前没有检测的项目进行检测，国内外的浸渍漆新增加检测项目（机械性能、玻璃化转变温度、吸水率、电气性能）进行检测；另一方面利用ALSTOM试验方法检测VPI材料的耐热稳定性。然后选用各项性能均合格的国产VPI绝缘材料制作真机线棒，并对线棒的电性能进行检测。试验结果表明A厂和B厂自制的真机试验线棒具有优良的电气性能，除个别值外性能指标都达到了CEEIA/154-2003大型水轮发电机产品质量分等标准的优等品水平。

真机定子线棒；真空压力浸渍；少胶云母带；浸渍漆

0 引言

VPI（Vacuum Pressure Impregnating，真空压力浸渍）绝缘体系与多胶模压绝缘体系是国际上制作大型电机定子线棒的两种通用绝缘体系，哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称哈电机）成功应用VPI绝缘体系[1]，并且为国外多家水电站的发电机制作了VPI定子线棒[2]，但是使用的均是进口VPI绝缘材料。目前国产VPI绝缘材料研究进展较快，为适应大型电机VPI绝缘国产化的需求，哈电机完成了与材料制造厂家合作前两个阶段工作[3,4]。在第一阶段工作中，三家国产少胶云母带的基本性能满足丰罗（Von Roll）公司的性能指标要求[3]，两家浸渍漆的性能满足Hexion漆的性能指标要求。在第二阶段工作中，用三家国产云母带和Hexion浸渍漆制作的铝排试验线棒，电性能基本能达到国外试验线棒的水平[4]，但是没有进行真机试验线棒试验工作，因此在第三阶段工作中，将利用水轮发电机的定子线棒进行真机试验线棒制造及性能研究工作。在第三阶段工作中，首先对国产少胶云母带和浸渍漆进行性能复检，并介绍了在前两个阶段工作中没有检测的部分性能；然后利用真机定子线棒的导线制造真机试验线棒，按照标准CEEIA154-2003大型水轮发电机产品质量分等的性能指标[5]进行电性能检测，并对结果进行分析，为下一步整机应用奠定基础。

1 试验说明

云母带挺度委托苏州巨峰电气绝缘系统股份有限公司用其自制的挺度仪器检测。国产浸渍漆按照哈电机线圈分厂生产用浸渍漆配方（双酚A环氧树脂：甲基六氢苯酐=1:1.2）进行配比混合，加入0.2%（重量比）固化促进剂（二甲基苄胺），在160℃固化5h（本课题浸渍漆试样固化方法均一致）。按照GB/T 15022.2-2007[6]制作试样，检测机械性能，利用电子万能试验机（型号WDW-100）检测拉伸强度、抗压强度，Instron万能试验机（型号3367，美国）检测抗弯强度，Zwick冲击试验机（HIT-25P，德国）检测抗冲强度。取10～20mg固化好的浸渍漆试样，利用热分析仪（thermo plus TG-DTA瑞士）检测玻璃化转变温度[7]，升温速度10℃/min，最高温度200℃。按照GBT 1410-2006[8]制造试样，检测浸渍漆的体积电阻率和表面电阻率。

浸渍漆吸水率试验：试样规格为长、宽60mm±2mm，厚1mm±0.1mm，试样数量3个；酒精擦拭干净试样表面后，50℃烘24h，称量重量；然后在纯净水中室温下放置96h，再称量重量，按照GB/T 1034-2008[9]计算吸水率。

线棒高压检测设备（介质损耗自动测试仪，瑞士Tettex公司，型号2809a，介损相对误差0.5%；60kV无局放试验变压器：营口精诚电器有限公司，型号YDW-10/60；300kV试验变压器：型号YDW-300/300，营口精诚电器有限公司）、局部放电测试仪LDS-6（德国，测试范围1pC～1×105pC，频率范围100kHz～1000kHz）、无局放试验变压器（营口精诚电器有限公司）等。

常态介质损耗测试电压范围为0.2UN～1.0UN，间隔0.2UN，共测试5点；局部放电（局放）测试电压为1.0UN；环境温度为室温。电老化试验的电压分别为2UN、3UN（UN是线棒的额定电压值），环境温度为室温。击穿试验时，线棒放置在9m长的纯净变压器油槽中，升压速度1kV/S，试验按照标准GB/T 1408. 1-2006[10]进行。

2 VPI绝缘材料性能

哈电检测了国产与进口少胶带的挺度值。对国产浸渍漆进行了进一步的性能检测，如浸渍漆的机械性能、玻璃化转变温度、吸水率、电气性能，并与进口材料的性能进行了对比分析。

2.1 云母带挺度值

云母带挺度值太大会影响其柔软度，不利于云母带包扎，国产及进口少胶云母带的挺度值如表1所示。三家国产云母带具有良好的挺度值，都符合丰罗公司标准要求（≤60N/m）。可保证在包扎线棒时云母带柔软服贴，提高包扎质量。

表1 不同厂家的少胶云母带性能

2.2 浸渍漆机械性能、Tg、吸水率及电气性能

为了检测国产浸渍漆固化后的机械性能，哈电机分别利用A厂、Hexion公司浸渍漆制造检测试样，试样规格及数量按照标准GB/T 15022.2-2007[6]制作。性能检测结果见表2，A厂国产浸渍漆机械性能满足Hexion公司漆的技术指标要求，国产浸渍漆的机械性能在抗弯强度和拉伸强度方面稍弱于Hexion公司浸渍漆，抗冲强度和抗压强度与Hexion公司浸渍漆相当。

表2 国产浸渍漆与Heixon公司浸渍漆固化后的各项性能

浸渍漆的玻璃化转变温度（Tg）过高，会降低常温下线棒绝缘的柔性使绝缘硬而脆，影响线棒使用性，而Hexion公司浸渍漆有多年的应用业绩，它的Tg值应该能满足使用要求，因此将国产浸渍漆的Tg值与Hexion公司浸渍漆的进行对比试验。Hexion浸渍漆和国产A厂浸渍漆按照Hexion浸渍漆固化工艺进行固化，检测玻璃化转变温度。DSC检测结果见表2，Hexion公司与国产浸渍漆的Tg值分别为127.40℃和124.59℃。可见国产浸渍漆的Tg值与国外材料几乎一致。

环氧酸酐类浸渍漆较易吸潮，为保证国产浸渍漆的吸潮性能与Hexion漆一致，需要比较二者的吸潮性。国产浸渍漆与Hexion公司浸渍漆固化工艺一致，固化好后测定吸水率见表2，国产浸渍漆的吸水率略低于Hexion的值，由此可知国产浸渍漆吸潮与进口材料无差别。

VPI定子线棒主绝缘由云母、玻璃丝布、胶黏剂三种材料组成，其中胶黏剂主要是浸渍漆。其中云母和玻璃丝布是无机材料，具有很好的耐热性和电气性能，因此浸渍漆性能对主绝缘性能起着举足轻重的作用[11]。浸渍漆固化后的电气性能见表2，国产浸渍漆的体积电阻率及表面电阻率与Hexion公司浸渍漆的在一个数量级上，介电强度与Hexion公司浸渍漆无区别。

3 绝缘热稳定性-ALSTOM公司测试方法

为了考察国产VPI绝缘热稳定性能否达到ALSTOM公司的要求，哈电按照ALSTOM公司HTAE660505试验规程进行了线棒绝缘热稳定性试验检测。A厂、B厂少胶带和浸渍漆均达到国外同类产品的性能指标要求[3]，因此A厂和B厂的铝排试验线棒分别使用各自的少胶带和浸渍漆制造，C厂的铝排线棒使用C厂少胶带和Hexion公司浸渍漆制造。

每个厂家线棒截取5个试样（200mm长），每个试样标注5个检测点，每个周期检测宽度尺寸。在温度可控的烘箱内，3个试样在160℃下进行热应力老化试验，另外2个试样在180℃进行热应力老化试验，每两天为一个周期，检测结果绘制为厚度的变化量VS老化时间曲线。HTAE660505试验规程要求试验时间大于200h时，线棒尺寸变化量小于绝缘厚度的2%。图1是160℃与180℃下不同周期检测的试样尺寸变化量，从图中可以看出，对于每个厂家的线棒，尽管180℃的线棒尺寸变化量均比160℃的大，但是均没有超过2%（0.14mm）的要求。由此可知，国产VPI绝缘材料耐热稳定性能达到ALSTOM公司的要求。

A厂、B厂和C厂线棒在进行热稳定性试验前，从主绝缘层取试样，进行红外光谱（如图2 所示）检测可知，三家线棒的胶黏剂红外光谱谱图一致，一些活性基团峰值均消失，表明胶黏剂反应完全即线棒绝缘固化良好。

4 真机试验线棒

A厂、B厂少胶带和浸渍漆制作的铝排试验线棒，性能达到哈电的要求[4]，为了能应用到真机产品上，必须制造真机试验线棒，只有真机试验线棒的性能达到产品要求[3]，才能进行产品应用。因此本文检测国产及进口VPI绝缘材料制造的真机试验线棒的性能，并进行对比分析。利用A厂和B厂的少胶带和浸渍漆制造的真机试验线棒，分别简称A厂线棒和B厂线棒，利用丰罗公司少胶带浸渍Hexion公司浸渍漆制造的真机试验线棒简称丰罗线棒。

图1 在160℃与180℃下不同周期检测的试样尺寸变化量

图2 A厂、B厂和C厂线棒固化后的绝缘红外光谱图

4.1 制备工艺

利用国产VPI绝缘材料制造真机试验线棒的制备工艺，与凯恩吉12号机组的产品（利用丰罗少胶带浸渍Hexion漆制造）一致，试验线棒的导线由两排电磁线构成，直线部分进行罗贝尔换位编织，放入直线胶化模进行热压固化，使直线的两排电磁线粘接成一体。然后利用数控成型设备（HBFM-6000，法国VINCENT公司）进行端部弯型，再进行端部胶化、线棒引线头钎焊，制作成导线。导线的直线部位进行内屏蔽处理，以降低线棒的局部放电量，然后进行绝缘包扎，分别包扎A、B厂的少胶带，包扎层数与产品一致。分别使用A、B厂的浸渍漆进行浸渍，浸渍工作分别由A、B厂进行，两家浸渍工艺都满足哈电的要求。浸漆完成后，采用哈电成熟的“一次成型防晕处理工艺”进行防晕处理，防晕材料及结构与产品一致，以保证试验线棒的防晕性能满足电性能试验要求。试验线棒的单面绝缘厚度为4.0mm，额定电压UN=16kV。

4.2 线棒常规性能

A厂与B厂的线棒绝缘整体性良好，无发空分层现象，表明浸渍、压制工艺都能满足线棒质量要求。耐压试验（2.75UN+6.5kV保持1min[12]）顺利通过，没有出现放电、电晕现象，说明国产VPI绝缘材料与哈电机使用的防晕材料相容性好。

A厂、B厂和丰罗线棒的常态介损值、介损增量、局放值、击穿电压和击穿场强如表3所示。A厂、B厂及丰罗线棒的常态介损起始值（0.2UN）都小于1%，达到标准[5]优等品要求。A厂（Y8003、Y8010）与B厂（Y0003）个别线棒的介损增量大于0.5%，仅达到标准一等品要求[5]；而丰罗线棒的介损增量均小于0.5%，达到优等品要求，可见A厂和B厂线棒的介损增量不如丰罗线棒的好。A厂和B厂线棒介损及介损增量略逊于丰罗线棒，这与线棒制造工艺有关，丰罗线棒是哈电机制造，A厂和B厂线棒是其自行制造。

B厂线棒的局放值达到GB/T 20833-2007 旋转电机定子线棒及绕组局部放电的测量方法及评定导则[13]要求（＜500pC），A厂的线棒除了Y8003外都满足标准要求。丰罗线棒是哈电机真机产品，因为合同没有要求局放检测，因此没有测试局放值，但是哈电机使用丰罗云母带制造的定子线棒，以前检测的局放值介于80pC～300pC，都满足标准要求[13]。A厂、B厂及丰罗线棒的击穿电压值和场强都达到标准[5]优等品要求。

表3 A厂、B厂与丰罗线棒的常态介损、介损增量、局放值、击穿电压和击穿场强

表4 A厂与B厂线棒电老化试验结果

4.3 电老化性能

对A厂和B厂线棒进行了电老化试验，电老化时间如表4所示。A厂和B厂线棒3UN电老化时间均满足西门子公司＞10h的要求，两厂线棒平均电老化时间无差别；A厂和B厂线棒2UN电老化时间均满足西门子公司＞1000h的要求，B厂线棒的电老化时间明显比A厂的长。可见国产VPI绝缘材料制造的真机试验线棒，耐电老化能力满足要求。

5 结论

（1）国产少胶云母带的挺度值与进口少胶带一致，能满足包扎工艺要求。

（2）A厂浸渍漆的机械性能达到Hexion公司浸渍漆的指标要求；玻璃化转变温度为124.59℃，与Hexion漆的127.40℃几乎一致；吸水率为0.5921%，略低于Hexion漆的吸水率0.6451%；浸渍漆的电气性能与Hexion漆无区别。

（3）利用ALSTOM公司的测试方法检测A厂、B厂和C厂的绝缘耐热稳定性，160℃与180℃下分别加热200h后的线棒绝缘层尺寸变化量均小于2%（0.14mm），三家绝缘耐热稳定性都达到ALSTOM公司HTAE660505试验规程的要求。

（4）电老化前性能检测，A厂与B厂线棒的绝缘整体性良好；A厂和B厂线棒介损及介损增量略逊于丰罗线棒；A厂线棒局放值不如B厂稳定；A厂、B厂线棒的击穿电压值和场强都达到CEEIA154-2003优等品要求。

（5）电老化后性能检测，A厂和B厂3UN电老化时间均满足西门子公司＞10h的要求；A厂和B厂2UN电老化时间均满足西门子公司＞1000h的要求，B厂的电老化时间明显比A厂的长。

下一步研究工作中，哈电机将利用国产少胶带浸渍Hexion漆，进行整机线棒制造应用工作。

[1] 胡春秀, 卢春莲. 发电机单只定子线棒VPI绝缘系统研究[J]. 大电机技术, 2013, (1): 1-3,21.

[2] 郑伟, 卢春莲. 秘鲁马丘比丘水轮发电机VPI定子线棒研制[J]. 大电机技术, 2012, (4): 6-8, 12.

[3] 付强, 满宇光, 卢春莲, 黄程伟, 冯超, 郑伟, 等.大型发电机定子线棒VPI用绝缘材料的国产化应用研究（Ⅰ）[J]. 绝缘材料, 2015, 48(2): 24-33.

[4] 付强, 满宇光, 卢春莲, 黄程伟, 冯超, 郑伟, 等.大型发电机定子线棒VPI用绝缘材料的国产化应用研究（Ⅱ）[J]. 绝缘材料, 2015, 48(4): 1-7.

[5] CEEIA/154-2003, 大型水轮发电机产品质量分等[S].

[6] GB/T 15022.2-2007, 电气绝缘用树脂基活性复合物 第2部分 试验方法[S].

[7] GB/T 22567-2008, 电气绝缘材料 测定玻璃化转变温度的试验方法[S].

[8] GB/T 1410-2006, 固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法[S].

[9] GB/T 1034-2008, 塑料 吸水性的测定[S].

[10] GB/T 1408.1-2006, 绝缘材料电气强度试验方法第1部分：工频下试验[S].

[11] 陈宗旻,田建辉. 环氧树脂在电机绝缘中应用[J].上海大中型电机, 2010(3): 44-47.

[12] JB/T 6204-2002, 高压交流电机定子线圈及绕组绝缘耐电压试验规范[S].

[13] GB/T 20833-2007, 旋转电机定子线棒及绕组局部放电的测量方法及评定导则[S].

Domestic Applications of High Voltage Generate Stator Coil VPI Insulating Materials (Ⅲ)

FU Qiang, MAN Yuguang, LU Chunlian, HUANG Chengwei, ZHENG Wei, FENG Chao, ZHANG Qiuhan, PAN Yanming, SUI Yinde
（State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin 150040, China）

The properties of national VPI (Vacuum Pressure Impregnating) insulation material were measured to be sure its steady properties. The real stator bars were fabricated by selected VPI material. Firstly, the properties of VPI insulation material were measured by HEC (Harbin Electric Machinery Company Limited) in two aspects. On the one hand, the main properties, and the items no measured before, of new producing less-resin mica tape (LMT) were measured, and the new increasing items of impregnating varnish were measured, such as mechanical property, glass transition temperature, water absorption, electrical property. On the other hand, thermal stability of VPI material was measured by ALSTOM test method. And then the national VPI insulation material with eligible properties was selected to fabricate real stator bars, the electrical properties of the bars were measured. The test results showed that the stator bars fabricated by A and B factory had perfect electrical properties, which almost arrives at first-class level of standard CEEIA/154-2003.

real stator coil; VPI (Vacuum Pressure Impregnating); less-resin mica tape (LMT); impregnating varnish

TM215.4；TM215.5；TM215.6

A

1000-3983(2016)02-0018-05

2015-03-13

付强(1968－)，2008年6月毕业于哈尔滨工业大学化学工程与技术专业，博士，研究方向为复合材料、高电压技术、新型绝缘材料及绝缘技术、新型防电晕材料及技术、新型能源材料，高级工程师。

审稿人：赫 兟

水力发电设备国家重点实验室基金资助项目(820-GC-011)