二滩水电站#2机组定子绕组绝缘、防晕和固定系统及端部绑扎工艺对电晕的影响浅析

胡强

摘要：定子绕组绝缘与防晕是整个定子绕组质量的关键性技术指标，是关系到整个定子长期、安全、经济、稳定、可靠运行的基本技术保障，其质量应重点控制。定子绕组绝缘与防晕主要包含厂内设计制造的线棒绝缘、防晕生产工艺以及现场施工期间定子绕组线棒的固定方式与端部绑扎工艺对绝缘、电晕的影响等

关键词：定子绕组绝缘防晕固定及绑扎工艺影响浅析

1.概述

二滩水电站于2016年12月1日~2017年6月15日对2#机组定子及其附属设备进行整体改造。属于目前国内水电站中最大容量机组整体定子改造。电站改造定子及其附属设备由阿尔斯通公司供货。其中定子铁心高度为2883mm，内径为11814mm，槽数为486槽，共972根线棒，定子绕组为条形叠绕组、并联6支路Y形连接。发电机出口电压等级为18.0kV。定子在机坑下线。定子线圈接头采用银铜焊接。

二滩水电站定子绕组工艺技术采用的是ALSTOM定子绕组绝缘及防晕系统。

2.二滩定子绕组绝缘工艺简介

水轮发电机组定子长期、安全、可靠、经济、稳定运行的基本技术保障是定子绕组的绝缘质量。因此衡量一个定子绕组产品质量好坏关键在于定子绕组的绝缘质量技术水平。

ALSTOM自1960年起使用的MICADUR和MICAREX两种绝缘系统在所有机组上都产生了极好的效果，即使在恶劣工况下也不例外。

MICADUR系统可用于线棒和线圈绕组。它由在合成树脂中真空浸渍并接着缠绕起来的连续绝缘带组成。一种玻璃纤维带用作高品质云母片的载体，一种特别开发的免溶剂的环氧树脂作为浸渍介质。因此MICADUR被叫作真空压力浸渍（VPI）绝缘系统。

MICAREX系统可用于线棒和线圈绕组，它由在合成树脂预浸渍并接着缠绕起来的连续绝缘带组成。一种玻璃纤维带用作高品质云母片和环氧树脂的载体。MICAREX因此被称为多树脂绝缘系统。

其中本次二滩水电站#2机组定子改造后定子绕组绝缘系统采用的是：MICADUR系统，即通常所说的：线棒绝缘的少胶VPI工艺。

线棒绝缘的少胶VPI工艺：

VPI即“真空压力浸渍”之意，是针对少胶云母带作主绝缘的一种使线棒绝缘固化成型的工艺，这种绝缘固化工艺从上世纪40年代起即开始使用。

少胶VPI工艺线棒绝缘成型是在线棒上连续包绕少胶云母带完成后，在专用容器内通过抽真空将线棒绝缘层间的空气排除，用高压将无溶剂浸渍树脂注入绝缘层中，再置于模具中经过高温固化是绝缘成为一个整体。

少胶VPI绝缘成型工艺的特点是生产效率高，绝缘整体性能好，绝缘层间可以基本做到无气隙，因而绝缘内部的气体游离放电、电晕和发热较小，绝缘寿命好；但其生产设备价格昂贵、工艺复杂。

3.二滩定子绕组电晕防护工艺简介

槽电晕防护系统（SCP）

按照工艺标准,二滩定子绕组采用VPI工艺生产的定子线棒,在整个直线长度范围内都实施了槽电晕防护.槽电晕防护系统是通过线棒上包裹的半导体布与接地的定子铁心相连接.槽电晕防护是由真空压力浸渍绝缘浸渍前的导电布或者浸渍并固化的导电清漆制成。

端部电晕防护系统（OCP）

根据工艺标准,二滩定子线棒端部电晕保护从槽电晕防护的末端开始,并且有10到20mm的重合.端部电晕保护系统一直延伸到线棒的末端（焊接部分）.端部电晕防护系统是由真空压力浸渍绝缘浸渍前的半导体布或者浸渍并固化的半导体清漆制成。

由于二滩定子绕组应用了完整的端部电晕防护系统,可以确保绕组的整个端部的电场分级功能的特殊性能。

二滩定子绕组电晕保护系统的优点

二滩定子绕组采用ALSTOM为MICADUR(真空压力浸渍（VPI）绝缘系统)自发研制了一套电晕保护系统。材料仅限于ALSTOM使用。系统的功能对于发电机的所有普通电压都能够保证。

这种整个绕组端部的电场分级系统的最大优点：就是对所装配的绕组的端部复杂几何结构有特殊的电场分配.特别是在分相时。使耐压试验中的电晕放电最小化并在机组运行时有效的控制电场.在绕组端部没有留下任何不受控区域,电场可以很好的控制和分布。

整个绕组端部直到焊接部位的端部电晕防护的作用意义：是为线棒绝缘表面到端部铁芯（接地）之间提供了一个半导体路径.当表面电阻足够低.便会允许很大电流通过,降低绕组绝缘表面的电位,使电晕对电机的损害降到最低。

对于发电机定子线棒而言，端部电晕的根源在于槽口电场集中。因此只要使电场均匀化，也就能有效地抑制电晕的产生。半导体防晕层其电阻随电场强度的增加而降低，从而达到调节电场强度的目的。

电场最为复杂的端部电晕防护分级处理示意图,图中电荷从集中区域通过分级路径流入导电防晕层,最终通过导电防晕层外包绕的低阻槽衬流入铁芯接地，从而达到均衡电场的目的,最大程度的避免了电晕的产生。

?发电机运行和绝缘耐压测试中线棒端部电场分部情况示意图

当电晕绝对高时，绝缘材料都存在泄漏现象，在发电机定子运动和绝缘耐压试验中，电荷由线棒末端沿绝缘表面流向接地的定子铁芯，在此段距离上绝缘表面电荷不断的叠加，在线棒出铁芯槽口部位汇集的电荷最多，电场最为复杂，场强过强，在此区域极易形成电晕造成电腐蚀，从而加快了此区域的绝缘老化。

4.二滩定子绕组线棒的固定方式

二滩定子线棒在槽中的固定要求：

在发电机运行及启停过程中，线棒因受电磁力、热效应和机械应力的综合作用，还有在严重的短路情况下发生的振动和冲击，可能出现变形和移位。因此要求绕组固定可靠和长期运行中不产生线棒下沉、磨损及电晕、电腐蚀等问题。线棒直线段嵌入槽中，必须使线棒表面与铁芯槽壁之间有良好的机械接触，同时为了防止电晕，又必须使线棒外表面和铁芯槽壁之间有良好的电气接触。

二滩定子线棒固定系统：

二滩定子线棒在铁芯槽部的线棒受到频率为网频一倍的交变力的作用。为避免线棒绝缘的损坏和过度振动，需要良好的槽楔。

槽楔的功能如下：

径向楔紧线棒以承受上述的脉动力。槽楔必须在任何工况下都紧固良好。

在槽部横向固定线棒以将线棒正确固定在槽内并保证线棒与槽壁总处于接触状态来防止槽部电晕。同样这种固定也必须在所有运行工况和所有可能的温度下都有效。

通常采用一种半弹性系统。槽部由双层槽楔键封住，线棒用一种半弹性化合物紧固在槽中。

这种系统能确保在各种工况下的径向和切向紧固良好。由半导体薄带和半弹性化合物构成的这种系统是二滩定子的专利产品，称为“环绕绑扎”。

绕组线棒的安装对绕组的运行和寿命有很大的影响。

在正常运行和非正常运行期间，要使各种力对绕组无损害，绕组必须正确地固定在槽内及伸出部位。

线棒环绕绑扎系统使用半导体硅胶的弹性固定工艺：

发电机在下线前，首先将一定宽度的半导体低阻纸通过专用敷胶工具，均匀敷设一定厚度的半导体硅树脂后对折，以夹胶后的半导体低阻纸（槽衬）做缠绕带，均匀的缠绕在线棒直线段上。在胶未固化的情况下，将线棒用人力下入铁芯槽。硅树脂膨胀固化并有较好的弹性，因此线棒与铁芯的尺寸配合可以稍大，包绕后的线棒可以很容易下入铁芯槽，待硅胶膨胀固化，使线棒与铁芯有很好的机械接触，固化后的弹性硅胶又可以补偿因温度变化引起的热膨胀和运行中可能出现的位移，有利于发电机的安全运行。硅胶被半导体低阻纸包裹，故线棒表面与铁芯槽壁是通过半导体纸连接，较好的保证了线棒与槽壁的电气连接，以有效的防止槽部电晕。线棒在安装时可轻易地在铁芯槽中作少许的垂直移动，以准确对正上下层线棒的电接头，因此线棒的安装也较为简单方便、节省工时，而且线棒可以反复利用，具有良好的经济效益。

二滩定子铁芯槽口槽楔系统：

发电机线棒在运行中承受电磁力和机械振动，槽楔的松紧程度直接关系到线棒的紧固，因此有效的线棒紧固系统是十分必要的。

波纹弹簧垫条的槽楔紧固系统ALSTOM绝缘材料工厂以优良的材质制造的波纹弹簧垫条,在长期受压和热膨胀冷缩的作用下能保持恒久的弹性，波纹弹簧垫条的伸缩(一般波纹板波峰波谷压缩量为0.45±0.15mm)自动补偿了由于槽楔可能出现的松动，保持线棒在槽内时时都处在紧固状态。

波纹弹簧垫条的槽楔紧固系统对加强定子线棒槽内固定、提高电机安全运行具有十分重要的意义。

定子绕组振动：

事实上，由于正常运行时的交变力，绕组端部总是存在振动。

额定工况下的机组各相电流对应的作用在绕组端部的力，是由三个50Hz的电流互相作用所产生，合成力的脉动频率就为此频率的一倍，即100HZ。

在设计绕组的固定和支撑系统时，必须考虑到绕组端部的固有频率，为避免引起共振，这些频率必须大于100Hz或120Hz。绕组端部一个典型共振频率为大于140Hz，为得到更高的共振频率，采用了支撑块来紧固绕组线棒，下图所示为ALSTOM用于二滩电站定子绕组的一个现代化支撑系统的例子。

?图.为避免共振而采用的绕组端部支撑系统

定子绕组的端部固定：

端部固定用无纬玻璃丝带将槽口部垫块、斜边垫块、端箍（支撑环）牢牢的与线棒绑扎在一起，然后浸胶处理，绑扎、固化后成为一个整体。同时端箍通过线棒、线棒支撑楔与定子机座固定在一起。

线棒出槽口部位也是受电磁振动较大的部位，固定不当容易因绝缘磨损而损坏线棒。槽口垫块采用双斜边或单斜边结构，一般采用适形毡工艺将其固定在两线棒间。斜边间垫块主要加强绕组端部斜边的机械强度。口部垫块和斜边间垫块均采用绝缘垫块，使用前表面要防晕漆处理。

ALSTOM用于二滩定子的端箍环，采用软端箍易于安装布施与定子绕组端部无间隙绑扎。彻底的取消了因端箍绝缘的损坏可能导致发电机定子绝缘事故的可能性，改善了端部电场的不均匀性，降低了端部漏磁损耗。

6.发电机定子绕组端部电晕分析

发电机的电晕、电晕的产生及其对机组的危害：

高压电机定子绕组在通风槽口及直线出槽口处、绕组端部电场集中，其绝缘表面的电场分布是极不均匀的。当局部位置场强达到一定数值时，气体发生局部游离，在电离处出现蓝色荧光，形成电晕现象。电晕产生热效应和臭氧、氦的氧化物，使线圈内局部温度升高，导致胶粘剂变质、碳化，股线绝缘和云母变白，进而使股线松散、短路，绝缘老化。

另外由于绝缘表面与槽壁接触不良或不稳定时，在电磁振动的作用下，将引起槽内间隙火花放电。这种火花放电造成的局部温升将使绝缘表面受到严重侵蚀。这一切都将对电机绝缘造成极大的损害。

为了有效的消除这种电晕现象，正确地确定防晕结构参数和选用良好的防晕材料是十分重要的。

发电机内易产生电晕的部位：

①线棒出槽口处.绕组出槽口电场非常集中,是最易产生电晕的地方。

②铁芯段通风沟处.通风槽钢处属尖锐边缘,易造成电场局部不均匀。

③线棒表面与铁芯槽内接触不良处或有气隙处。

④端箍包扎处。

⑤端部异相线棒间.绕组端部电场分布复杂,特别是线圈与端箍,绑绳,垫块的接触部位和边缘,由于工艺的原因往往很难完全消除气隙,在这些气隙中也容易产生电晕。

产生发电机电晕的因素：

①与海拔高度有关.海拔越高,空气越稀薄,则起晕放电电压越低.

②与湿度有关.湿度增加,表面电阻率降低,起晕电压下降.

③端部高阻防晕层与温度有关.如常温下高阻防晕层阻值高,则温度升高其起晕电压也提高.常温下如高阻防晕层阻值偏低,起晕电压随温度升高而下降.

④槽部电晕与槽壁间隙有关.线棒与铁芯线槽壁间的间隙会使槽部防晕层和铁芯间产生电火花放电.环氧粉云母绝缘最易产生局部放电的危险间隙在是0.2～0.3mm左右.

⑤与线棒所处部位的电位和电场分布有关.越高越易起晕,电场分布越不均匀越易起晕.

图中：端箍包扎处易产生电晕；

线圈与端箍,绑绳的接触部位和边缘,由于工艺的原因往往很难完全消除气隙,在这些气隙中容易产生电晕。

图中：端部异相线棒间易产生电晕

在机组运行中，绕组端部同相线棒间电位相同，不存在电位差，因此同相线棒间不易产生电晕。

而同相线棒多，在其端部更容易积累电荷，电场变强，所以对相邻区域的异相线棒间电位差异大，更容易产生电晕。

因此：电晕与线棒所处部位的电位和电场分布有关.越高越易起晕,电场分布越不均匀越易起晕。有效的消除电晕现象，正确地确定防晕结构参数和选用良好的防晕材料是十分重要的。施工现场应重视绕组端部绑扎的工艺和防晕材料的正确使用。

7.结束语

通过对二滩水电站#2机组定子绕组的绝缘、防晕技术工艺系统介绍以及定子绕组槽内固定方式、端部绑扎工艺的介绍和发电机定子绕组端部电晕分析，使我们对现代发电机定子绕组工艺技术有了更深层次的了解、认识；进一步从作用、意义、功能、影响上更加深刻记忆，以便今后加强对定子绕组施工工艺管控，从而提高产品施工质量。为机组定子长期、安全运行，延长机组使用寿命和检修周期打下了坚实的基础。通过对二滩定子绕组施工工总结与分析，为同类型水轮发电机组的设计选型、制造、安装和运行管理积累了宝贵经验。

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