水轮发电机定子线棒主绝缘厚度减薄研究

刘 莹

(东芝水电设备(杭州)有限公司,杭州 311504)

0 引言

定子绕组是发电机的关键部位,定子绝缘技术水平决定着发电机设计参数、综合性能和运行可靠性[1]。发电机定子绕组绝缘的性能与绝缘厚度往往是相互矛盾的,在确保绝缘性能的前提下,减薄主绝缘厚度是发电机制造厂永恒追求的主题。东芝水电为此进行了定子线棒主绝缘厚度减薄研究,取得了有益的成果,研究成果已应用于产品中,实现了工作场强达到3.0 kV/mm级的设计目标。

1 定子线棒主绝缘厚度的减薄

发电机定子线棒主绝缘厚度的减薄须在确保满足发电机产品技术条件和安全可靠运行要求的基础上,主要考虑如下两个方面来确定主绝缘厚度。

(1) 主绝缘应能承受制造和运行过程中可能出现的电压和过电压,应具有一定的安全裕度,保证发电机绝缘在长期运行后仍具有足够的耐电强度[1]。

(2) 应使主绝缘在工作场强下,绝缘结构内部不产生有害放电或放电量在允许范围内[2]。

企业以往设计制造的定子线棒,在考虑产品性能存在离散性的情况下,线棒绝缘的击穿电压满足国家标准或合同要求,但离散性稍大。线棒击穿场强较低和存在较大离散性是制约定子线棒主绝缘厚度减薄的主要因素,减薄主绝缘厚度需要从多方面进行,包括提高主绝缘的介电强度、改善线棒角部的几何形状和电场强度分布。

1．1 提高主绝缘介电强度

水轮发电机定子线棒的主绝缘由云母带半叠包绕形成,提高云母带中的云母含量,可提高主绝缘击穿强度和耐电晕性能。东芝水电制造的定子线棒主绝缘材料以往为双面补强云母带,其云母含量为90 g/m2。双面补强云母带的组成为以粉云母纸为基材,以环氧云母胶为胶黏剂,双面以电工无碱玻璃布为补强材料。为了提高云母带的云母含量,专门开发了单面补强云母带(以粉云母纸为基材),环氧云母胶为胶黏剂,单面以电工无碱玻璃布为补强材料,其云母含量为115 g/m2。通过采用单面补强云母带作为定子线棒主绝缘材料,可提高定子线棒击穿电压和电老化寿命。双面补强云母带与单面补强云母带性能对比如表1。

表1 双面补强云母带与单面补强云母带性能对比表

1．2 改善局部场强畸变

为了分析定子线棒角部和换位处场强畸变对主绝缘击穿电压的影响,选取某项目(Un=10.5 kV)击穿电压值较低的线棒,对其击穿区域的绝缘进行逐层剥离,查找绝缘击穿路径。图1为定子线棒击穿部位解剖结果,发现被击穿的线棒中绝大部分发生在换位处的角部,且击穿电压较低。线棒的击穿位置角部曲率半径r明显小于设计要求的2.5～3 mm。理论分析线棒角部最大场强随曲率半径的变化规律,如图2所示。定子线棒主绝缘厚度d=1.7～5.3 mm,曲率半径r=0.6 mm时的角部最大场强明显高于曲率半径r=3 mm。所以,保证定子线棒导体截面的曲率半径在2.5～3 mm,可有效改善角部场强畸变,提高定子线棒绝缘介电强度。

图1 定子线棒击穿部位解剖结果

图2 角部最大场强与曲率半径的关系

总结以往项目的定子线棒绝缘结构和性能发现,通过内均压结构处理的定子线棒主绝缘击穿电压明显高于无内均压结构的定子线棒。定子线棒内均压结构采用全屏蔽内均压结构,即采用焊接铜带加包扎半导体带的方式。此内屏蔽结构可均匀电场分布、改善换位处场强畸变,提高绝缘介电强度。

综上,通过以下三个方面可提高定子线棒主绝缘介电强度和电老化特性,减薄主绝缘厚度。

(1) 采用高云母含量的单面补强云母带作为主绝缘;

(2) 线棒导体制作中严格控制导体角部曲率半径满足2.5～3 mm;

(3) 线棒设计制作全屏蔽内均压结构。

1．3 定子线棒主绝缘厚度的减薄

根据设计工作场强E=2.8 kV/mm,分别按发电机电压等级10.5 kV、13.8 kV和15.75 kV设计定子线棒主绝缘厚度,各制作5根真机线棒。其中,线棒截面尺寸宽度/高度(W/H)方向理论值分别21.68 mm/44.08 mm、23.04 mm/45.44 mm、23.84 mm/46.24 mm。定子线棒制作工艺参数如表2所示。

表2 定子线棒制作工艺参数

(1) 定子线棒各项性能指标

定子线棒截面尺寸:定子线棒槽部W和H方向各均匀测量5点,结果如表3～表5所示。

表3 定子线棒截面尺寸测量值(额定电压10．5 kV)

表4 定子线棒截面尺寸测量值(额定电压13．8 kV)

表5 定子线棒截面尺寸测量值(额定电压15．75 kV)

定子线棒W/H方向截面尺寸满足定子线棒尺寸控制公差范围,且线棒间尺寸梯度在0～0.5 mm之间。

定子线棒介质损耗:按标准JB/T 7608—2006利用西林电桥进行测量,结果如图3～图5所示。

图3 介质损耗与试验电压的关系(额定电压10．5 kV)

图4 介质损耗与试验电压的关系(额定电压13．8 kV)

图5 介质损耗与试验电压的关系(额定电压15．75 kV)

定子线棒的介质损耗初始值及增量满足JB/T 7608—2006和GB/T 7894—2009控制要求。

定子线棒局部放电量:按标准T/CSEE0042-2017规定的方法进行测量,结果如表6所示。

表6 定子线棒局部放电量(额定电压10．5 kV)

定子线棒的局部放电量满足T/CSEE0042-2017控制要求。

定子线棒起晕耐压结果:按标准JB/T 6204—2002规定的方法试验,结果如表7所示。

表7 定子线棒起晕耐压结果

定子线棒的起晕耐压结果满足JB/T 6204—2002和JB/T 8439—2008控制要求。

(2) 定子线棒瞬时击穿试验

定子线棒瞬时击穿电压:按标准GB/T 7894—2009规定的方法试验,结果如表8所示。

表8 定子线棒瞬时击穿电压值

减薄主绝缘厚度的定子线棒瞬时击穿场强大于40 kV/mm,明显高于以往制造的定子线棒绝缘击穿场强,且击穿电压满足GB/T 7894—2009规定的不小于5.5～6倍额定电压的要求。

(3) 定子线棒高温电老化试验

与上述15根线棒采用相同的主绝缘材料和工艺参数,按工作场强E=3.3 kV/mm设计主绝缘厚度,制作额定电压为10.5 kV的线棒4根,进行高温电老化试验。线棒各项性能指标满足相关标准及设计规范要求,高温电老化试验施加电压为22.8 kV,施加场强为12.5 kV/mm,施加温度为100 ℃,试验结果显示,4根线棒的老化时间均超过500小时。

根据绝缘理论结合绝缘体系及研究成果,主绝缘的电老化寿命L与施加场强E存在如下关系:

L=A×E-n

(1)

式中:L为施加电场E时的绝缘电寿命;A、n为材料本身的特性;E为绝缘施加的电场强度。

主绝缘体系的绝缘材料的n值为9,L与E的关系如下:

L=A×E-9

(2)

根据公式(2),结合上述4根试验线棒的电老化时间,可推算相似绝缘结构,不同电压等级和绝缘厚度的理论高温电老化寿命,结果如表9所示。

表9 定子线棒高温电老化试验结果

通过电老化寿命换算,按工作场强E=2.8 kV/mm设计主绝缘厚度,定子线棒主绝缘电老化寿命远远高于IEEE 1553-2002规定的400 h。

2 应用

定子线棒主绝缘减薄技术已经在10.5～13.8 kV等发电机组的定子线棒上设计应用。其中,应用主绝缘减薄技术设计制造的额定电压13.8 kV发电机定子线棒,主绝缘击穿电压超过110 kV,远远高于合同要求的5.5倍额定电压值;同时,击穿场强高达40 kV/mm以上,可达到世界先进水平。

3 结论

东芝水电通过采用具有高介电强度和耐电老化特性的单面补强云母带作为主绝缘,设计制作内均压结构并控制角部曲率半径,成功实现了定子线棒主绝缘厚度减薄。应用该技术设计制造大型水轮发电机组,同时采用东芝水电先进的真空液压多胶绝缘工艺(Vacuum Pressure Resin Rich System,VPR)制造定子线棒,线棒绝缘的击穿电压和电老化寿命远远高于相关标准规定的限值,可保障发电机运行的安全可靠性。