大型水轮发电机定子线棒绝缘结构与关键性能分析

冯 超，刘世泽，岳文亭



大型水轮发电机定子线棒绝缘结构与关键性能分析

冯 超1，刘世泽2，岳文亭2

（1. 水力发电设备国家重点实验室(哈尔滨大电机研究所)，哈尔滨 150040；2.国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂，甘肃 永靖 731600）

本文主要分析了大型水轮发电机定子线棒绝缘结构及其对提高线棒性能的作用。首先分析了定子线棒绝缘结构，其中导线角部电场优化提高了线棒击穿性能、降低了线棒介损，防晕结构优化设计提高了线棒及绕组耐电晕性能。其次深入分析了定子导线的内屏蔽技术与介质损耗因数、电容量和局部放电的关系。最后对绝缘结构承受的热机械应力、电机械应力进行了分析并介绍了检测方法。本文为优化大型水轮发电机定子线棒绝缘结构设计和提高其性能提供了重要的参考依据。

水轮发电机；定子线棒；绝缘结构；性能试验

0 前言

以三峡水电站、溪洛渡水电站、向家坝水电站为代表的大型电站机组的单机容量均达到或超过700MW，而发电机容量越大、额定电压越高，对发电机绝缘系统的考验越严峻。定子线棒绝缘是发电机的核心部件，其性能优劣直接影响发电机的散热性能和运行可靠性，因而其设计合理性是至关重要的。

定子线棒绝缘的击穿与放电理论通常基于“最薄弱点”的Weibull极值分布。为有效检验绝缘结构的运行可靠性，及时发现设计与制造过程中的弱点，仍需采用相应的结构试验进行验证[1]。本文将对绝缘结构与结构试验的关系进行讨论，并对绝缘结构耐机械应力试验进行介绍。

1 定子线棒绝缘结构

定子线棒是发电机的重要部件，其绝缘质量是衡量电机制造厂绝缘技术水平的重要指标。哈电机公司绝缘技术经过了半个多世纪的发展，绝缘结构不断优化提高，绝缘技术不断创新改进，所开发的定子线棒F级桐马环氧多胶模压主绝缘可满足大型高电压水轮发电机的定子绝缘技术要求[2]。

1.1 电磁线绝缘

电磁线绝缘要求好的柔韧性和耐热性，其股线绝缘厚度应尽可能地薄，这样既有利于热传导又可以提高电机定子槽满率。要求具有优异的耐电性、附着性和柔韧性。

漆包单涤纶玻璃丝烧结线的电气性能优于双涤纶玻璃丝烧结线的电性能，特别是温度指数能达到190℃，是目前国内外用于高压电机最好的材料，可大大提高电机绕组的运行可靠性[3]。

1.2 导线绝缘

使用环氧玻璃粉云母多胶板材料作为导线排间绝缘，在常态下其为半固化状态，在高温下迅速与导线热压固化成整体，其粘接性能直接影响整个罗贝尔导线热压成型后的刚度。另外排间绝缘的胶渗入线棒电磁线之间的缝隙，填充了内部缝隙，对降低介质损耗因数增量及局部放电量有一定的作用[4]。表1为具有良好导线绝缘的单支线棒的介质损耗因数和局部放电量测试值。

表1 具有良好导线绝缘的单支线棒的介质损耗因数和局部放电量测试值

1.3 主绝缘结构

（1）主绝缘材料选择

定子线棒主绝缘用的云母带是制造定子线棒的关键材料，其性能好坏直接影响定子绕组的性能和电机的使用寿命。为有效提升大型水轮发电机定子线棒绝缘制造质量和可靠性，与有关单位合作开发高电压环氧玻璃粉云母带，其电气强度≥33MV/m，F级高电压桐马环氧粉云母带板材固化后的性能见表2。

表2 F级高电压桐马环氧粉云母带板材固化后的性能

（2）改善定子导线角部电场分布

使用Ansys有限元分析软件对发电机定子线棒导体棱角处的电场进行数值分析（如图1），并计算出各种等位层曲率半径下的最大电场强度与电场不均匀系数。

图1 线棒角部网格划分

（3）等电位层曲率半径优化设计

通过对导线棱角处的电场数值分析、根据不同等位层曲率半径下的最大电场强度与电场不均匀系数的计算结果得出不均匀系数，确定合理的曲率半径优化方案[5, 6]。

1.4 防晕结构

（1）防晕设计基本理念

碳化硅防晕带具有和碳化硅粉料相似的电性能，对于额定电压不小于18kV的高电压定子线棒，通常采用多级防晕处理技术，满足大型水轮发电机长期运行安全的要求[7, 8]。

（2）防晕质量检测试验

一直以来，科研人员们希望通过直接检测电场的方法来判定定子线棒的防晕质量[9]，由此发展起来的方法包括表面电位法、电致发光法、紫外成像法等。但这些测量方法均存在着一定的局限性，如表面电位法和电致发光法测量误差较大，紫外成像法仅能观测到起晕电压等。

红外热像仪可以观测和记录温度云图，具有不可比拟的优点，其检测温度的方法日趋成熟，检测操作越来越简单，准确度也越来越高，作为一种新型试验，是非常值得推荐和深入开展的重要防晕检测项目。

2 绝缘结构与结构试验关系分析

绝缘介质损耗因数和介质损耗因数增量试验都是检验绝缘结构质量优劣的重要手段，在检测绝缘介质损耗因数及增量的同时还可测量被试品的电容量。国内外的众多标准和文献对介质损耗因数和电容量测试进行了大量的论述。本文将重点关注两个问题，一个是绝缘内屏蔽技术与介质损耗因数的关系，另一个是内屏蔽技术与电容量试验的关系，以下将分别进行分析。

2.1 内屏蔽技术与介质损耗因数的关系分析

为改善导线角部电场分布，降低罗贝尔换位处导线窄面垫条局部放电的影响，可对大型高压电机定子线棒导线进行内屏蔽处理。大量研究表明，在众多绝缘结构质量诊断试验中，介质损耗因数与内屏蔽技术的应用具有密切的关系[10]。图2所示为包含/不包含内屏蔽层的大型水轮发电机定子线棒介质损耗因数随外施电压变化的关系曲线。由图2可知，当内屏蔽技术应用合理时，介质损耗因数增量是很小的[11]。

图2 包含/不包含内屏蔽层定子线棒介质损耗因数随外施电压变化的关系曲线

2.2 内屏蔽技术与电容量的关系分析

大型水轮发电机定子线棒电容量变化是一个不容忽视的评估绝缘性能的有用参数。此参数可以在西林电桥测量介质损耗因数时同时测量，较为方便。过去的研究将更多的焦点聚焦于介质损耗因数及其增量，而电容量测试也是表征绝缘质量的重要手段。研究表明[12]，当使用合理的导线内屏蔽技术时，试品的起始电容量将大幅增加，电容增量减小（如图3所示）。

图3 内屏蔽技术应用合理的大型水轮发电机定子线棒电容量随试验电压的变化规律

2.3 绝缘结构与局部放电的关键问题分析

局部放电试验是检验绝缘结构质量优劣的重要手段，由于局部放电试验可以在一定程度上识别故障源，因而得到了国内外业主的广泛重视[13]。

局部放电试验是从多种技术发展而来，即使是电测法也根据测量硬件和参数的不同而存在差异；发电机绕组的维护策略正由定期维护向基于状态维护的方向转变，而局部放电试验是基于状态维护的重要参考依据，这项试验得到了前所未有的重视并逐渐写入验收条款和质量检验程序中。目前国内外主要使用基于脉冲电流法和无线电干扰电压法进行局部放电试验，国内外也制定了大量针对大型发电机绝缘结构的局部放电试验标准[14]。

如前所述，当对大型水轮发电机定子线棒绝缘结构进行合理的内屏蔽处理后，将消除罗贝尔换位处的局部放电，介质损耗因数增量减小，局部放电水平降低。

大型水轮发电机在负荷循环运行时容易出现对地绝缘分层，绝缘与铜导体分离的现象。而对这些老化线棒进行局部放电试验时，通常在较低的电压下局部放电量值较大。当试验电压继续升高时，局部放电有变小的趋势。不同的绝缘缺陷对应着不同的放电模式，因此，可通过试验得到局部放电相应模式识别图来判断绝缘缺陷。如图4所示，根据生产及科研的实际测试经验，总结3种常见的局部放电缺陷识别模式。

3 绝缘结构耐机械应力试验方法

大型水轮发电机定子线棒绝缘在全寿命周期内始终承受电应力的作用，针对绝缘结构电应力和热应力的影响已形成多种成熟的试验方法。在稳态和暂态运行过程中，绝缘还将受机械应力的影响。已发生的许多绝缘失效问题都与机械应力有关。针对大型水轮发电机定子线棒绝缘开发了相应热机械应力和电机械应力试验方法。

3.1 热机械应力

开展了大型水轮发电机定子线棒绝缘热机械应力试验。试验主要特征包括：选取1支线棒作为控温线棒，实时监测铜导线温度，控制冷热循环试验；在保证许用电流的基础上，设计软连接结构，方便连接并消除附加应力；精准的温度控制程序保证升降温速率要求。哈电机生产的大型水轮发电机定子线棒多胶模压主绝缘具有优异的耐热机械应力劣化性能。

3.2 电机械应力

大型水轮发电机定子线棒绝缘在制造和运行过程中所承受的机械应力主要包括搬运和下线时的局部弯曲应力和稳态运行过程中的双倍工频振动力。各种机械应力将引起线棒绝缘层磨损甚至出现裂纹及疲劳直至失效引发电厂事故。在大型水轮发电机绝缘结构设计中要考虑绝缘的刚柔兼顾；对弯曲刚度、疲劳特性等绝缘的机械性能进行检验是十分必要的。对大型水轮发电机定子试验钢棒绝缘结构进行机械性能检验是十分必要的[15]。

由于在制造和运行过程中机械应力的影响不容忽视，国内外的许多公司都进行了研究，并形成了不同的机械应力评定方法，哈尔滨电机厂采用四点弯曲静态断裂试验和四点弯曲动态疲劳试验检验绝缘结构的机械性能。

所开展的四点弯曲疲劳与断裂试验在有效测试范围内，线棒绝缘结构仅受到弯矩的作用，线棒绝缘层间仅有正应力的作用，而没有剪应力的作用，有效考核距离更大，并可检验绝缘的分层状态。Ansys模拟的四点弯曲弯矩与剪力如图5所示。

大型水轮发电机定子试验钢棒试品失效后进行诊断试验，即使在疲劳试验失效（应变比变化20%）后，其击穿电压仍不小于95kV，表明本文所研究的水轮发电机定子线棒绝缘结构具有优异的机械性能。

4 结论

（1）本文从电磁线绝缘、导线绝缘、主绝缘结构、防晕结构4个方面论述大型水轮发电机定子线棒绝缘，合理的绝缘结构是绕组可靠运行的保证；

（2）使用合理的内屏蔽技术，介质损耗因数增量显著减少，起始电容量增大，电容增量减小；

（3）总结3种典型的局部放电识别模式，定位大型水轮发电机定子线棒绝缘故障类型；

（4）机械性能试验证明哈电机大型水轮发电机定子线棒多胶模压主绝缘具有优异的耐机械劣化性能。

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Insulation System and Key Performance Analysis for Stator Bar of Large Hydro-generator

FENG Chao1, LIU Shize2, YUE Wenting2

(1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China; 2. Liujiaxia Hydro Power Station, Yongjing 731600, China)

Insulation system and its effect on increasing performance for large hydro-generator stator bar are discussed in this paper. Insulation system for stator bar is analyzing first. The corner electric field optimization increases the breakdown level and decreases the dissipation factor. Anti-corona structure optimization design increases the anti-corona performance. Secondly, conductor inner-shield technology dependent of dissipation factor, capacitance and partial discharge is analyzed deeply. At last, insulation system endurance with thermal-mechanical stress and electric-mechanical stress is discussed and testing method is introduced. This paper can provide important reference for insulation system design optimization and increasing its performance.

hydro-generator; stator bar; insulation system; performance testing

TM303.4

A

1000-3983(2018)01-0015-04

2017-05-16

冯超（1985-），2008年7月毕业于哈尔滨理工大学高压绝缘专业，现从事大型高压发电机绝缘技术研究工作，工程师。