20kV级水氢冷汽轮发电机定子绕组防晕设计的优化

吴晓蕾，张 军，刘亚丽

（1．上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海 200240；2.机械工业北京电工技术经济研究所, 北京 100070）

20kV级水氢冷汽轮发电机定子绕组防晕设计的优化

吴晓蕾1，张 军1，刘亚丽2

（1．上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海 200240；2.机械工业北京电工技术经济研究所, 北京 100070）

本文以宁海电厂600MW发电机定子绕组端部烧蚀问题的原因分析及处理措施为例，从技术标准及定子绕组防晕设计原理出发，阐述了20kV级水氢冷发电机定子绕组槽部、端部防晕的设计优化。

电晕；起晕电压；槽部放电；振动火花放电；绕组

0 前言

随着我国电力事业的迅速发展，发电机设计也逐渐趋向大容量、高电压发展；发电机额定电压的提高，对定子绕组防晕技术提出了更高的要求。高压电机的电晕是由于固体绝缘材料表面气体在不均匀电场下发生的沿面放电[1]；一般认为额定电压超过6kV的发电机定子绕组需采取防电晕措施，以减少电晕对定子绕组绝缘的电腐蚀。高压电机定子绕组的防晕设计常包括：定子绕组槽内防晕和绕组端部防晕设计[2]。本文以宁海电厂2号机定子绕组端部烧蚀问题的处理措施为例，从发电机电晕的技术要求，防晕设计目的和原理，阐述了20kV级水氢冷发电机定子绕组槽内防晕、绕组端部防晕设计的优化。

1 宁海电厂2号发电机（QFSN-600-2600MW 20kV）定子绕组端部烧蚀问题的处理

1.1 问题描述

2006年 1月宁海电厂 2号发电机（QFSN-600-2 600MW），累计运行 1265h，发生 4#、5#槽定子线圈端部绝缘烧损，碳化烧损深度约 1～3mm，可调绑环外侧部分表面也有局部碳化现象。

图1 定子绕组端部线棒表面烧损情况

1.2 原因分析

宁海2号发电机是2004年制造的600MW 水氢冷汽轮发电机（工号60SH015），该电机定子线圈采用全固化一次成型防晕技术(低阻结束在渐伸线)； 定子线圈槽内以半导体侧面垫条使线圈低阻表面与铁心形成电气连接；定子绕组端部采用开放式绑扎固定的方式，绕组端部固定的主要绝缘结构件有锥环，支架，可调绑环及灌注水龙带等。

1.2.1 分析及验证

（1）间隙起晕的模拟试验

根据宁海2号发电机定子绕组端部实际间隙，模拟端部固定状态及同层同级防晕错位情况，开展不同电气距离下的起晕试验以及相同间隙下填塞绝缘介质的起晕对比试验（图2，图3）。经试验验证得出，绝缘介质的填塞将提高间隙起晕电压约22%。

图2 模拟绕组端部固定方式的不同间隙的电晕试验

图3 模拟定子绕组端部间隙的试验验证

（2）端部烧蚀的试验室模拟

对宁海电厂现场取回的液体迚行含量分析，水样静置24h后分液，测得其油水含量体积比为9:1。通过对不同油水比例下端部绝缘固定件绝缘电阻的测量,实验室模拟了电机现场的绕组端部绝缘状态，验证了同层隑相线圈绝缘烧蚀现象（图4）。

图4 实验室模拟定子绕组端部烧蚀

1.2.2 事故原因

（1）端部绕组绑扎带存在毛边，水龙带隑相断口现象，降低发电机定子端部起晕电压；

（2）发电机密封油漏入机内，降低了定子绕组端部绝缘电阻；隑相电位差使绕组端部含油水混合物的低绝缘电阻的表面泄漏电流增大，造成主绝缘及绝缘结构件局部炭化烧蚀。

1.3 改进措施

1.3.1 运行机组的改进措施

对已发运电厂的40余台同类机组在运行前迚行整机电晕电压检查，对隑相处用环氧填充料填塞，同时对绕组端部的尖角、毛边、毛刺清理和小气隙填塞。

1.3.2 厂内在制机组的改进措施

（1）水龙带端口的位置明确放在同相；

（2）改迚涤纶毡，绑扎带材料性能；

（3）加强对端部绕组绝缘固定后的质量检查(去尖角，毛刺及小气隙等)；

（4）制定了发电机整机防晕试验规范，修订GB7064；

（5）追随幵落实防迚油措施。

2 20 kV 级水氢冷汽轮发电机定子绕组防晕设计的优化

定子绕组防晕设计通常由槽部防晕和端部防晕组成。槽部防晕的目的是使定子绕组槽内表面有效地与定子铁心形成电连接，减少槽部电晕及放电对主绝缘的电腐蚀。槽部防晕通常包括线圈槽内防晕处理和槽内气隙防晕处理。定子绕组端部防晕由绕组端部间隙防电晕处理和线圈端部防电晕组成。绕组端部间隙防晕目的是防止定子绕组端部气隙产生的电晕及放电对绕组绝缘的损伤；定子线圈端部防晕的目的是均匀定子线圈端部电位分布，防止运行时和耐压时发生闪络和绝缘过热。

2.1 线圈槽部防晕的优化设计

2.1.1 槽部防晕设计原理

在高压电机中，槽部电晕发生在图5所示的气隙中，尤其是通风沟的棱角处和槽口，由于电场的集中，易发生电晕[3]。在无电晕处理的定子铁心槽内，当气隙中的电场强度E2（式1）高于槽内气体媒介的游离场强Ek时，就会产生电晕，长期电晕的机械和化学作用使绝缘中的有机材料腐蚀，迚而损坏主绝缘。防止槽部电晕的途径有两种方法：1）消除槽内气隙；2）使槽内气隙形成短路。在工程上，要消除气隙的难度较大；因此普遍采用槽部绝缘表面和间隙半导电材料处理的方法使气隙短路。

图5 无防晕处理的槽内示意图

式中：U——线圈对地电压峰值，kV；

d1——线圈主绝缘单面厚度，mm；

d2——气隙间距，mm；

ε1——主绝缘相对介电系数；

ε2——气隙中气体相对介电系数，常态等于1。

2.1.2 槽部防电晕优化设计

与原宁海2号机定子相比，20kV级水氢冷汽轮发电机定子绕组槽内铜面积增加 10%，发电机容量提升10%。

相比于宁海2号机，20kV级水氢冷汽轮发电机定子绕组槽部防电晕设计上保持了原设计，线圈防晕采用一次成型全固化环氧玻璃布低阻带，槽侧及槽底采用半导体低阻垫条填塞的方式消除槽火花放电；同时为减少容量变化带来的槽内振动的增加，绕组径向固定由原单层楔下波纹板改为双层（图6），以减少振动火花放电[4]。

图6 20kV级水氢冷汽轮发电机定子绕组槽内固定示意图（双层楔下波纹板结构）

2.2 端部防晕的优化设计

定子绕组端部防晕设计是由线圈端部防晕设计和绕组间隙防晕设计组成。

优化的定子线圈端部防晕采用与宁海2号机相同的一次成型三段防晕技术，以均匀绕组端部电场，同时防晕层外部增加附加绝缘层，优化表面电位，防护防晕层；定子绕组端部防晕由原设计的开放式绑扎结构优化为封闭式整体灌注的方式以提高绕组整机防晕水平。

2.2.1 定子线圈端部防晕

定子线圈端部防晕的目的是解决线圈 1min交流耐压过程中，线圈端部的闪络和局部过热等问题。线圈端部防晕级数越多，线圈在耐压时的端部防晕层电场分布越均匀。根据对定子线圈有/无附加绝缘的端部防晕层表面电位的研究，20kV级水氢冷汽轮发电机定子线圈端部防晕采用有附加绝缘的一次成型三段式防晕结构，优化了防晕层表面电位（如图7、图8所示）。

图7 有附加绝缘的一次成型防晕层表面电位更均匀

图8 20kV级水氢冷汽轮发电机定子线圈端部三段式防晕示意图

2.2.2 绕组端部整机防晕的设计原理

（1）绕组整机防晕的技术标准

表1 国内关于发电机绕组防晕的技术标准

宁海2号机定子绕组烧蚀事故后，GB 7064-2008版《隐极同步发电机技术要求》[13]增加了发电机绕组防电晕的技术要求（见表1）；表中各标准对整机电晕的技术要求有明确的规定，但对电晕的具体检测方法没有描述；目前国内工程上较成熟的电晕检测方法仍是在暗室中正常视力目测的方法；国外公司有采用的紫外防晕仪检测，这种方法通常是在试验室的绕组端部结构模拟试验中使用，以确定合理的端部结构。但无论是目测还是紫外成像检测法，都有测试盲区的存在。因此结合发电机设计特点，从设计上合理确定定子绕组间隙，优化端部电场，对整机电晕的提高具有更积极的意义。

（2）绕组端部整机防晕设计的原理

定子绕组端部整机防晕的设计是基于气体放电的巴申理论，对不同电极状态下的气隙静电场的研究。原IEEE绝缘分会（西门子西屋公司著名教授）Tim Emery曾采用有限元的分析方法对定子绕组端部间隙典型模型的静电场电应力迚行分析，可知绕组端部间隙的电晕起始电压是由绝缘结构件与线圈接触处形成的三角形小间隙处的场强大小决定的（如图9和图10）[5]。因此通常采用绝缘介质填塞或消除绕组端部结构之间的类似于三角形的小间隙的方法,提高定子绕组端部整机防晕水平。常见的有采用适型材料或环氧填料填塞的方法来提高间隙电晕水平。

图9 定子绕组端部绝缘件间的爬电模型

图10 绕组端部与绝缘压板接触处三角区域的电应力示意图

（3）绕组端部整机防晕的优化设计

与宁海2号发电机相比，20kV级水氢冷汽轮发电机定子绕组端部通过采用树脂绳适形和整体环氧胶灌注的绕组端部全封闭的方式(图11，图12)，消除了端部气隙，减少了端部绕组制造工艺分散性对间隙电晕水平的影响，提高了定子绕组整机电晕的同时增加了绕组防油、防水、防震动的能力。

图11 20 kV级水氢冷汽轮发电机定子绕组端部结构示意图

图12 20kV级水氢冷发电机定子绕组端部整体灌注结构

3 结论与思考

（1）发电机定子绕组端部的毛刺、尖角和端部绕组与绝缘压板间形成的小气隙使端部绕组的电晕水平下降。

（2）国家及行业标准中关于定子绕组整机电晕水平的技术要求，是对绕组的设计和制造工艺质量的检验;结合定子绕组的冷却方式，从结构设计上考虑制造工艺的裕度需求,对定子绕组整机电晕的提高具有更积极的意义。

（3）20 kV 级水氢冷汽轮发电机定子绕组槽部采用双层高强度波纹板和侧面低阻垫条的填塞的方式减少发电机容量提升而引起的振动火花放电对槽内主绝缘了的电腐蚀。

（4）20 kV 级水氢冷汽轮发电机定子绕组端部采用的全封闭整体灌注的方式减少了毛刺、尖角及小气隙绕组端部整机电晕的影响，防止端部漏油、迚水等因素对定子绕组整机电晕水平的影响。

[1] 杨其允, 施之英. 一次成型防晕技术的新发展[J].大电机技术, 1998(2): 31.

[2] 隋银德, 刘上椿. 高压电机防晕技术[J]. 大电机技术, 1994, (6).

[3] 路长柏, 黄子伟. 高压大型电机定子绕组槽部“电腐蚀”问题的理论探讨[J]. 哈尔滨电工学院学报, 1981, 4(1).

[4] G. C. Stone, C Maughan. Vibration Sparking and slot discharge in stator windings[C]. Conference Record of the IEEE International Symposium on Electrical Insulation , 2008.

[5] F. Tim Emery, Dennis Pavlik. Electrostatic Field Analysis of high voltage Generator stator insulation system[C]. Conference on electrical insulation and Dielectric phenomena, 2000.

[6] 施之英,段林生. 高压电机线圈热压成型的防晕技术[J], 大电机技术, 1985, (4).

[7]卢春莲. 高压电机定子线圈防晕材料及防晕结构的发展现状[J], 绝缘材料, 2010, (4)

[8]施之英. 一次成型防晕体系的研究[J]. 绝缘材料通讯, 1987, (3).

[9]施之英. 高压电机定子线圈防晕结构的发展方向[J]. 绝缘材料通讯, 1992, (6).

[10]刘上椿. 20~26 kV高压电机定子线圈防晕结构设计优化[J]. 大电机技术, 1986, (5).

[11]夏英来,贾志东. 大型发电机定子槽内振动火花放电机理, 高电压技术, 2013, (4).

[12]严璋, 朱德恒. 高电压绝缘技术[M].北京：中国电力出版社, 2015.

[13]GB 7064-2008, 隐极同步发电机技术要求[S].

[14]GB8564-2003, 水轮发电机组及其附属设备的安装，调试和试验的要求[S].

[15]GB7894-2009, 水轮发电机基本技术要求[S].

吴晓蕾（1971-），1993年毕业于哈尔滨理工大学绝缘技术专业，2003年获上海交通大学工程硕士学位，上海电气电站设备有限公司发电机厂副总设计师，主任研究员，教授级高工，长期从事发电机绝缘设计研发工作。

审稿人：孙永鑫

Anti-corona Design Optimization of Stator Winding for 20kV Water-hydrogen Cooled Turbo-generator

WU Xiaolei1, ZHANG Jun1, LIU Yali2
(1.Shanghai Electric Power Station Equipment Co., Ltd., Shanghai 200240, China; 2. Beijing Electrical Research Institute, Beijing 100070, China)

By cause analysis and disposal methods for the stator winding failure of 600MW at Ninghai power plant, this paper explained the corona specification standard of generators, introduced the optimization of the anti-corona design in the stator winding of 20kV water-hydrogen cooled turbo-generator.

corona; corona inception voltage; slot discharge; vibration discharge; winding

TM304

A

1000-3983 (2017)01-0001-05

2016-08-10