吴国建
(哈尔滨电机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150040)
摘要：大型空冷汽轮发电机定子线棒主绝缘性能与多种因素有关，包括绝缘体系、绝缘材料、绝缘结构、制造工艺、角部电场处理等，本文从线棒的主绝缘体系、线棒角部电场强度分布改善、绝缘材料选择、线棒端部防晕处理、绝缘制造工艺改进等多方面阐述了大型空冷汽轮发电机定子线棒绝缘结构研究。
关键词：定子线棒；绝缘结构；角部场强；防晕
前言
空冷汽轮发电机紧跟国内、外发电设备市场的需求，在吸收引进和掌握日本东芝和美国GE等公司先进设计理念、工艺方法的基础上，以系列化、通用化和低成本为原则进行自主研发设计的新产品。本文在定子线棒的导线绝缘结构、主绝缘结构、防电晕结构、定子线棒制造工艺上进行了大量深入的科学研究工作。研究工作将填补国内多胶模压空冷汽轮发电机绝缘体系的空白。通过对空冷汽轮发电机定子线棒绝缘结构的研究，进一步提升定子线棒绝缘技术水平，为其他机组的绝缘设计和研究奠定坚实的基础，带动了其他产品的绝缘结构优化工作，将产生巨大的经济效益和社会效益。针对定子线棒绝缘结构主要包括导线绝缘结构、主绝缘结构及性能评定等进行研究。
1 主绝缘体系的确定
多胶环氧粉云母带连续式绝缘模压型或液压型绝缘体系和少胶环氧粉云母带线圈VPI型绝缘体系，都能获得高质量的电机绕组绝缘，所以两种绝缘体系在世界上都在广泛使用。
某大型发电机定子绕组为F级桐马环氧粉云母多胶模压型绝缘体系。通过与国外公司的合作项目，将国内交直流电机定子线圈、二滩18kV/550MW水轮发电机定子线棒及三峡20kV/700MW水轮发电机定子线棒分别发往日本三菱公司、加拿大GE公司、瑞士ALSTOM公司(原ABB)，这几家公司采用国际标准及相应国家标准，对其提供的线棒进行了外观质量和几何尺寸检查；对表面电阻、介质损耗、冷热循环、电热老化及电老化试验等进行了严格的考核评定。试验结果表明：多胶模压体系制造的线棒的电气、机械性能达到国外少胶VPI体系同等。同时，由于用于制造高电压等级少胶VPI线棒用的主绝缘材料(特别是云母带、浸渍树脂)及部分配套材料需完全依赖进口。从材料供货周期、质量保证、经济性、生产安全性等长远发展考虑，仍采用国内传统的多胶模压绝缘体系。
2 角部电场分布的改善
电机运行时，线棒导体的角部电场较为集中，即线棒导体角部的电场强度要比导体其它部位高得多。
针对线棒导体角部电场集中问题，国内外大电机制造商在这方面都进行了大量的研究工作。每个公司都有不同的处理方法，对改善角部电场分布都有一定的效果。通过角部场强的良好均化，使绝缘厚度减薄成为了可能，同时对云母带材料进行了研究和改进，使云母带的电气性能得到提高，同时线棒的击穿性能也相应提高。
综合分析国外技术，结合独有的经验以及考虑产品性能、制造工艺、可靠性等诸多因素，最终确定了改善定子线棒角部电场分布的方案。即，将导线的角部修成R2～R3，按试验确定的长度找出等电位点，并控制等电位层阻值在一定的范围内，达到均压的目的。
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3 线棒端部防电晕问题
为使起晕电压提高，采用多级防晕处理法，起晕电压明显提高，同时采用新型防晕材料，减薄了线圈端部防晕层厚度，较少的占用了主绝缘尺寸。这种措施给模具加工、特别是线棒制造带来很大难度，导致定子绕组的斜边间隙变小，试验及运行过程中易产生放电。
使用传统的开槽结构，防晕层将占掉绝缘尺寸，这样绝缘就会变薄，各项绝缘性能随之下降，该处就会成为绝缘薄弱点。因此现有的防晕结构难于达到电晕的标准。所以需要选用新型的防晕材料，减薄了线圈端部防晕层厚度，较少的占用了主绝缘尺寸。新型防晕材料，阻值特性较好，袋子尺寸薄，使整体防晕层厚度变薄，有效的提高了线棒起晕电压水平，新结构防晕层厚度较传统结构防晕层厚度减薄了40.8%，有效的降低了对主绝缘的占用率。
4 绝缘材料开发
定子线棒的主绝缘材料是云母带，其性能好坏直接影响定子线棒的绝缘水平。因此，对云母带的电、热和力学性能要求较苛刻。云母带是由胶和粉云母纸以及补强材料组成。粉云母纸的厚度、孔隙率和云母鳞片尺寸直接影响定子线棒电性能、老化寿命。因此，在云母矿的选择、粉云母纸的操制时间及工艺上进行了严格的规定，对操制好的粉云母纸性能提出更高的标准。
针对空冷机组，若斜边间隙过小，易产生放电，所以不能采用开槽结构。传统的防晕材料特点是：带子偏厚、阻值特性不满足要求，因此采用新型防晕材料，新型反运材料具有阻值特型好，尺寸薄的优点。很好的提高了线棒的防晕水平，同时减薄了线棒的绝缘尺寸。另，就目前状况而言，我国发电机所使用的主要材料为以下几种：B级环氧玻璃粉云母带、F级环氧玻璃粉云母带、F级高云母含量环氧玻璃粉云母带、F级高电压环氧玻璃粉云母带等。根据多年来科学家对于这些材料特性的研究，这些材料在某些方面上有着很明显优良的特性，对于做主绝缘材料方面是十分适合的。就像F级高电压环氧玻璃粉云母带本身所具有的适合做主绝缘材料的特性，一方面它具有十分优良的机械性，另外，对于主绝缘材料所必须的热和电气性能，它的也是十分优秀的。
5 工艺改进
空冷汽轮发电机定子线棒第一大特点是绝缘厚度薄，工作场强高。国内外电机制造厂家对此种特点的线棒都是采用线棒VPI(真空压力浸渍)工艺进行生产，如此制造的线棒既能保证绝缘厚度薄又使绝缘层均匀，多年来一直坚持传统的多胶模压体系，最大的弊端是绝缘厚度不均匀，最薄面绝缘厚度小于设计值。要制造性能要求如此之高的空冷汽轮发电机定子线棒，对传统模压工艺方法将是一个严峻的考验。
使用柔软的云母板材料，将松散的电磁线粘接在一起，既要保证使导线粘接好，又要防止压制后导线侧面有缝隙。缝隙过大将造成模压后绝缘内部气体在高电压下游离放电，因此必须保证导线之间云母材料填充饱满，使导线有足够的强度。针对垫条使用数量和导线成型情况进行了试验，既达到了流动性好保证填充，又满足了粘接和强度要求，解决了导线压制和填充的技术问题。
为保证云母带包扎紧度、层数，提高绝缘包扎质量，从以下几方面进行了研究：(1)采用数控包带机，通过反复进行工艺试验，确定了最佳包扎张力。(2)对线棒的不同部位，采用不同的包扎工艺，如直线转角部位由于存在增厚、减薄问题；引线转角去丝位置由于尺寸变小，采取特殊的包扎工艺，保证绝缘厚度均匀性和外观质量。(3)通过包扎层数、尺寸、成品表面状况及线棒性能测试，确定了合理的绝缘包扎层数。
6 结语
通过对绝缘材料选择以及相关性能的研究，选用不同的主绝缘材料以及对不同的结构的选用对于发电机的绝缘性能是有着很大的影响的。经过对于相关材料的研究，我们不难发现：如果采用多胶环氧云母板在降低绝缘层厚度的同时，还会很大程度的提高发电机本身的性能，是个对于整个发电机都非常有意义的选择。同时解决了传统工艺下的绝缘层所存在的很多问题。合理选择圆角半径和等位层材料的电阻是等位层结构设计技术的关键，在选用相对合适的绝缘材料的前提下，注意相关结构的变化，是对整个发电机的性能极大的提升。
参考文献
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作者简介
吴国建,黑龙江哈尔滨,单位：哈尔滨电机厂有限责任公司。
论文作者:吴国建
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/18
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