水輪發電機定子線棒主絕緣厚度減薄研究

劉 瑩

(東芝水電設備(杭州)有限公司,杭州 311504)

0 引言

定子繞組是發電機的關鍵部位,定子絕緣技術水平決定著發電機設計參數、綜合性能和運行可靠性[1]。發電機定子繞組絕緣的性能與絕緣厚度往往是相互矛盾的,在確保絕緣性能的前提下,減薄主絕緣厚度是發電機制造廠永恒追求的主題。東芝水電為此進行了定子線棒主絕緣厚度減薄研究,取得了有益的成果,研究成果已應用于產品中,實現了工作場強達到3.0 kV/mm級的設計目標。

1 定子線棒主絕緣厚度的減薄

發電機定子線棒主絕緣厚度的減薄須在確保滿足發電機產品技術條件和安全可靠運行要求的基礎上,主要考慮如下兩個方面來確定主絕緣厚度。

(1) 主絕緣應能承受制造和運行過程中可能出現的電壓和過電壓,應具有一定的安全裕度,保證發電機絕緣在長期運行后仍具有足夠的耐電強度[1]。

(2) 應使主絕緣在工作場強下,絕緣結構內部不產生有害放電或放電量在允許范圍內[2]。

企業以往設計制造的定子線棒,在考慮產品性能存在離散性的情況下,線棒絕緣的擊穿電壓滿足國家標準或合同要求,但離散性稍大。線棒擊穿場強較低和存在較大離散性是制約定子線棒主絕緣厚度減薄的主要因素,減薄主絕緣厚度需要從多方面進行,包括提高主絕緣的介電強度、改善線棒角部的幾何形狀和電場強度分布。

1．1 提高主絕緣介電強度

水輪發電機定子線棒的主絕緣由云母帶半疊包繞形成,提高云母帶中的云母含量,可提高主絕緣擊穿強度和耐電暈性能。東芝水電制造的定子線棒主絕緣材料以往為雙面補強云母帶,其云母含量為90 g/m2。雙面補強云母帶的組成為以粉云母紙為基材,以環氧云母膠為膠黏劑,雙面以電工無堿玻璃布為補強材料。為了提高云母帶的云母含量,專門開發了單面補強云母帶(以粉云母紙為基材),環氧云母膠為膠黏劑,單面以電工無堿玻璃布為補強材料,其云母含量為115 g/m2。通過采用單面補強云母帶作為定子線棒主絕緣材料,可提高定子線棒擊穿電壓和電老化壽命。雙面補強云母帶與單面補強云母帶性能對比如表1。

表1 雙面補強云母帶與單面補強云母帶性能對比表

1．2 改善局部場強畸變

為了分析定子線棒角部和換位處場強畸變對主絕緣擊穿電壓的影響,選取某項目(Un=10.5 kV)擊穿電壓值較低的線棒,對其擊穿區域的絕緣進行逐層剝離,查找絕緣擊穿路徑。圖1為定子線棒擊穿部位解剖結果,發現被擊穿的線棒中絕大部分發生在換位處的角部,且擊穿電壓較低。線棒的擊穿位置角部曲率半徑r明顯小于設計要求的2.5～3 mm。理論分析線棒角部最大場強隨曲率半徑的變化規律,如圖2所示。定子線棒主絕緣厚度d=1.7～5.3 mm,曲率半徑r=0.6 mm時的角部最大場強明顯高于曲率半徑r=3 mm。所以,保證定子線棒導體截面的曲率半徑在2.5～3 mm,可有效改善角部場強畸變,提高定子線棒絕緣介電強度。

圖1 定子線棒擊穿部位解剖結果

圖2 角部最大場強與曲率半徑的關系

總結以往項目的定子線棒絕緣結構和性能發現,通過內均壓結構處理的定子線棒主絕緣擊穿電壓明顯高于無內均壓結構的定子線棒。定子線棒內均壓結構采用全屏蔽內均壓結構,即采用焊接銅帶加包扎半導體帶的方式。此內屏蔽結構可均勻電場分布、改善換位處場強畸變,提高絕緣介電強度。

綜上,通過以下三個方面可提高定子線棒主絕緣介電強度和電老化特性,減薄主絕緣厚度。

(1) 采用高云母含量的單面補強云母帶作為主絕緣;

(2) 線棒導體制作中嚴格控制導體角部曲率半徑滿足2.5～3 mm;

(3) 線棒設計制作全屏蔽內均壓結構。

1．3 定子線棒主絕緣厚度的減薄

根據設計工作場強E=2.8 kV/mm,分別按發電機電壓等級10.5 kV、13.8 kV和15.75 kV設計定子線棒主絕緣厚度,各制作5根真機線棒。其中,線棒截面尺寸寬度/高度(W/H)方向理論值分別21.68 mm/44.08 mm、23.04 mm/45.44 mm、23.84 mm/46.24 mm。定子線棒制作工藝參數如表2所示。

表2 定子線棒制作工藝參數

(1) 定子線棒各項性能指標

定子線棒截面尺寸:定子線棒槽部W和H方向各均勻測量5點,結果如表3～表5所示。

表3 定子線棒截面尺寸測量值(額定電壓10．5 kV)

表4 定子線棒截面尺寸測量值(額定電壓13．8 kV)

表5 定子線棒截面尺寸測量值(額定電壓15．75 kV)

定子線棒W/H方向截面尺寸滿足定子線棒尺寸控制公差范圍,且線棒間尺寸梯度在0～0.5 mm之間。

定子線棒介質損耗:按標準JB/T 7608—2006利用西林電橋進行測量,結果如圖3～圖5所示。

圖3 介質損耗與試驗電壓的關系(額定電壓10．5 kV)

圖4 介質損耗與試驗電壓的關系(額定電壓13．8 kV)

圖5 介質損耗與試驗電壓的關系(額定電壓15．75 kV)

定子線棒的介質損耗初始值及增量滿足JB/T 7608—2006和GB/T 7894—2009控制要求。

定子線棒局部放電量:按標準T/CSEE0042-2017規定的方法進行測量,結果如表6所示。

表6 定子線棒局部放電量(額定電壓10．5 kV)

定子線棒的局部放電量滿足T/CSEE0042-2017控制要求。

定子線棒起暈耐壓結果:按標準JB/T 6204—2002規定的方法試驗,結果如表7所示。

表7 定子線棒起暈耐壓結果

定子線棒的起暈耐壓結果滿足JB/T 6204—2002和JB/T 8439—2008控制要求。

(2) 定子線棒瞬時擊穿試驗

定子線棒瞬時擊穿電壓:按標準GB/T 7894—2009規定的方法試驗,結果如表8所示。

表8 定子線棒瞬時擊穿電壓值

減薄主絕緣厚度的定子線棒瞬時擊穿場強大于40 kV/mm,明顯高于以往制造的定子線棒絕緣擊穿場強,且擊穿電壓滿足GB/T 7894—2009規定的不小于5.5～6倍額定電壓的要求。

(3) 定子線棒高溫電老化試驗

與上述15根線棒采用相同的主絕緣材料和工藝參數,按工作場強E=3.3 kV/mm設計主絕緣厚度,制作額定電壓為10.5 kV的線棒4根,進行高溫電老化試驗。線棒各項性能指標滿足相關標準及設計規范要求,高溫電老化試驗施加電壓為22.8 kV,施加場強為12.5 kV/mm,施加溫度為100 ℃,試驗結果顯示,4根線棒的老化時間均超過500小時。

根據絕緣理論結合絕緣體系及研究成果,主絕緣的電老化壽命L與施加場強E存在如下關系:

L=A×E-n

(1)

式中:L為施加電場E時的絕緣電壽命;A、n為材料本身的特性;E為絕緣施加的電場強度。

主絕緣體系的絕緣材料的n值為9,L與E的關系如下:

L=A×E-9

(2)

根據公式(2),結合上述4根試驗線棒的電老化時間,可推算相似絕緣結構,不同電壓等級和絕緣厚度的理論高溫電老化壽命,結果如表9所示。

表9 定子線棒高溫電老化試驗結果

通過電老化壽命換算,按工作場強E=2.8 kV/mm設計主絕緣厚度,定子線棒主絕緣電老化壽命遠遠高于IEEE 1553-2002規定的400 h。

2 應用

定子線棒主絕緣減薄技術已經在10.5～13.8 kV等發電機組的定子線棒上設計應用。其中,應用主絕緣減薄技術設計制造的額定電壓13.8 kV發電機定子線棒,主絕緣擊穿電壓超過110 kV,遠遠高于合同要求的5.5倍額定電壓值;同時,擊穿場強高達40 kV/mm以上,可達到世界先進水平。

3 結論

東芝水電通過采用具有高介電強度和耐電老化特性的單面補強云母帶作為主絕緣,設計制作內均壓結構并控制角部曲率半徑,成功實現了定子線棒主絕緣厚度減薄。應用該技術設計制造大型水輪發電機組,同時采用東芝水電先進的真空液壓多膠絕緣工藝(Vacuum Pressure Resin Rich System,VPR)制造定子線棒,線棒絕緣的擊穿電壓和電老化壽命遠遠高于相關標準規定的限值,可保障發電機運行的安全可靠性。