24kV级汽轮发电机绝缘技术研究

作者：东方电机股份有限公司 刘松 薛强

欢迎访问e展厅 展厅 2 中小型发电机展厅 柴油发电机组, 汽油发电机, 燃气发电机组, 移动电站, ... 摘　要：介绍对24kV级汽轮发电机及线圈的绝缘材料和结构的研究，及其研究成果根据实际进行部分应用的情况。 关键词：24kV；汽轮发电机；线圈；绝缘；防晕 1　引言 随着发电机容量的不断提高，其额定电压也在不断提高。目前国内外300MW及以上容量的发电机已普遍采用20kV及以上的额定电压，国外1 000MW级发电机普遍采用24～28kV。由于发电机始终处在旋转之中，无法象其它电气设备那样采用液体绝缘，而必须采用固体绝缘，就带来了发热、放电以及机械性能差、制造工艺复杂等诸多困难。东电公司在成功生产了额定电压为20kV、22kV的大型火电机组后，开始了24kV级汽轮发电机绝缘技术研究。 随着额定电压的提高而产生的防晕、放电、试验、制造质量等许多问题都是在以前的工作中没有遇到的，须从材料和结构上进行全新的设计研究。 2　研究内容 2.1　铁心绝缘 作为铁心的硅钢片，采用涂刷硅钢片漆进行绝缘。硅钢片漆为有机绝缘漆，在漆中加入一定量的无机填料，不仅增加了绝缘性能，也使硅钢片漆的机械性能有所提高。漆膜厚度为0.02～0.025mm。这种类型的硅钢片已广泛应用于东电公司各种类型的水、火电产品上，并已有多年的机组运行业绩。所以24kV级汽轮发电机仍将采用这样的铁心绝缘，为机组安全、高效的运行提供可靠的保证。硅钢片漆主要性能指标如下： 粘度(4＃杯)/s　 18～25 固体含量/％　 ≥31 电气强度/MV·m－1　≥50 体积电阻率/Ω·m　 1×1012 2.2　定子线圈 2.2.1　电磁线 电磁线采用涤纶双玻璃丝包DSBEB－25/155、DSBEBK－25/155，绝缘厚度均为0.25mm。采用这类电磁线既满足绝缘要求又不会增加制造难度，导线成型后股线短路率接近于零，且已经在东电公司22kV、600MW发电机上得到了成功的应用。具体性能指标见表1。 2.2.2　排间绝缘 排间绝缘采用0.6mm厚的多胶板，成型厚度为0.3mm。性能指标如下： 挥发物含量/％　 ≤3 胶粘剂含量/g·m－2　 ≥48 云母含量/g·m－2　 ≥15 常态介电强度/MV·m－1 ≥18 常态剪切性能　 不分层 胶化时间(200℃，小刀法) 3min～6min 这种排间绝缘已成功地应用于东电公司生产的大大小小数百台发电机上。生产实践证明其工艺简便、质量可靠，已投运的发电机无一因此发生故障。 2.2.3　换位绝缘及换位填充 换位绝缘采用410型0.25mmNOMEX纸，这种纸抗压、抗撕裂及电性能均很优异。具体指标如下： 损耗因数　 ≤0.005 介电常数　 1.7 抗张强度/N·(cm)－1　 ≥125 常态介电强度/MV·m－1　 ≥21 初始拉撕力/N　 ≥34 由于空心铜线造成的换位凹坑很大，所以采用传统的换位填充“涤纶毛毡＋粉云母换位填充板”，或多胶板填充换位凹坑。这些材料及方法都仅仅解决了填平换位凹坑的问题，并未解决换位凹坑带来的电场不均以及换位填充材料与导线的粘接，而线圈生产过程中的反复热冲击及成型导线表面的电场不均带来的后果是线圈的整体绝缘性能和长期老化性能不足。通过认真的材料筛选和多次的应用试验，选取了适合生产的新一代换位填充材料，其性能如下： 挥发物含量/％ 　 ≤2 胶粘剂含量/g·m－2　 45～55 表面电电阻率/Ω　 10 3～10 5 粘接力/kg·(cm)－1　 ≥35 该材料完全不同于传统材料，改原绝缘材料为半导体材料，并让导线换位小面与换位填充紧密接触，使得成型后的导线不仅外轮廓呈规则的矩形且该矩形就是完全的内电场形状，它将与作为外电场的定子铁心构成一个标准的稍不均匀电场，这不仅提高了线圈的绝缘强度，而且对消除导线与绝缘层的分界面局部放电有抑制作用，相比传统的换位填充结构，它的绝缘整体性能和长期老化寿命得到了明显的改善。 2.2.4　主绝缘 主绝缘即线圈对地绝缘，是整个线圈绝缘中最重要的部分，其质量的好坏直接影响着电机的安全正常运行。东电公司采用了直线端部均热模压成型，虽提高了造价、增加了制造难度但充分保证了线圈的外部形状和内在质量。在满足发电机总体设计要求的前提下将绝缘厚度确定为5.90mm，既能满足发电机总体设计要求又可保证线圈整体绝缘性能。电机运行时其工作场强为2.35kV/mm。线圈主绝缘采用环氧粉云母带5440－1，性能指标如下： 挥发物含量/％　 ≤2 胶粘剂含量/g·m－2　 65～83 玻璃布含量/g·m－2　 34～42 云母含量/g·m－2 ≥76 常态介电强度/MV·m－1 ≥35 抗张力/N·(10mm)－1 100 胶化时间(200℃，小刀法)　2min30s～4min30s 2.3　端部防晕优化 电晕防止是关系到电机寿命的重要措施，特别是24 kV这样一个国内前所未有的高电压，它所造成的直接和最大影响就是防晕困难。防晕效果不好，不仅使发电机试验难于进行，严重的将危害电机安全正常的运行，因此本次改造及研制的重点和难点就是防晕。 2.3.1　两级防晕 经过大量的试验和研究工作，设计并研制出了24kV级的电机防晕。新设计的线圈防晕采用全新的防晕结构和材料，槽内防晕采用0.08mm的防晕带随主绝缘一次热压成型加二次涂刷防晕处理。这种结构彻底消除了原设计槽内防晕不可靠的弊病，且使制造工艺大为简化，降低了制造难度。由于额定电压高达24kV，故端部采用了两级防晕，这样能更有效地抑制电晕的产生。通过计算机辅助计算，验证了整个防晕结构是完全可靠的，能够满足24kV级电机的防晕要求。 2.3.2　两级防晕的优化设计 通过对24kV定子线棒端部电场的数值计算，得到了各级防晕层的优化特性参数，完成了两级防晕结构的优化设计，并研制出适用于此两级防晕结构的低、中、高阻值的防晕材料。实际应用结果表明这种结构的线棒不仅通过了常规的起晕、耐压等试验，且其闪络电压均大于100kV。 2.4　槽内固定 采用了东电公司600MW汽轮发电机的成熟技术，即高强度成型槽楔和楔下波纹板加侧面扩大槽等方式进行槽内固定。高强度成型槽楔采用F级玻璃坯布卷包，然后在专用模具中高温高压成型，其机械强度较普通槽楔大幅提高。槽内固定见图1，槽底、层间、楔下垫条均采用层压玻璃布垫条9332和3240固定，槽楔技术指标见表2。 2.5　端部固定 在电机端部采用了东电公司传统、可靠的全绑扎结构。端部绑扎采用NAZ中温固化胶浸渍涤玻绳。由于NAZ中温固化胶的采用，使定子烘焙温度降低，烘焙时间缩短，故提高了质量和工效，减少了高温对铁心和端部结构件的危害，其综合性能好于原采用的594环氧胶。两种环氧胶性能对比见表3。 可以看出，NAZ环氧胶的性能完全达到甚至超过原594环氧胶的性能。 2.6　鼻部绝缘 鼻部用环氧粉云母带5440－1包扎进行绝缘。由于5440－1的性能远好于4330－2，因此鼻部采用手包绝缘后，大大地提高该部位的绝缘质量，为彻底消除该部位引起的故障起到了关键的作用。通过局部电位外移试验结果，也充分地说明了这一点，其最大局部泄漏电流值仅为4μA，平均值不大于2μA，并通过了比标准要求更为严格的25kV工频局部耐压试验，结果表明这种结构的绝缘性能普遍好于采用4330绝缘盒进行鼻部绝缘。 3　线圈试验数据及分析 线圈制造完成后抽样进行了常规电性能试验。常、热态介质损耗，击穿电压试验数据见表4；局部放电试验数据见表5；介质损耗与电压的关系曲线见图2。 介质损耗的大小是表征线圈综合性能的重要指标，其温度、电压曲线均是判断电机线圈质量好坏的重要依据。从这次试验线圈的常、热态介质损耗试验数据中可以发现，该批线圈材料性能和制造质量优良，完全满足JB/T 56082汽轮发电机质量分等标准的要求。 全部线圈制造完成后，均通过了起晕电压试验，在1.5Un下无可见电晕，实际起晕电压均超过45kV，且在63.8kV下无任何滑闪现象发生。这充分说明了这类线圈的防晕结构及材料都是成功和可靠的，这一点从局部放电试验中得到了再一次的印证，其性能已远远超过了国外公司的要求。试验表明新结构、新材料完全满足24kV电机的防晕要求，并可用于26kV甚至更高电压等级的电机防晕。 4　结论 由于发电机绝缘受诸多因素影响，提高额定电压非常困难，因此目前国内300MW级汽轮发电机额定电压通常不超过20 kV。大量的科研和试验工作，发现并解决了几个影响发电机电压提高的关键问题，使东电公司发电机绝缘的额定电压提高到了24kV，填补了国内空白。该项技术目前在国内仅东电公司一家掌握，其较高的技术含量和科技附加值是显而易见的。 24kV级汽轮发电机线圈的制造不仅在东电公司，在国内也是首次，它的制造成功使该公司线圈制造能力跃上了新的台阶，线圈制造水平居国内领先，且填补了国内空白。东电公司所设计和制造的汽轮发电机线圈已完全具备了替代国外产品并进军国际市场的能力，这对公司今后的发展，其意义和影响是深远的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/14/2005)