（材料物理与化学专业论文）高压电机定子线棒绝缘结构设计及其性能研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 高压电机定子线棒绝缘结构设计及其性能研究 摘要 发电机单机容量越大，经济性能越好，但增大容量对发电机绝缘系统的 运行稳定性增加了诸多不利因素。迄今，国内生产的最大发电机组是三峡发 电机，单机容量7 0 0 m w ，额定电压2 0 k v 。而额定电压为2 4 k v 2 7 k v 的 1 0 0 0 m w 发电机组是目前国内电机制造企业研究的热点。制造1 0 0 0 m w 的 发电机，绝缘系统是阻碍发展的瓶颈，特别是作为电机核心的定子线棒的绝 缘系统，是绝缘技术的关键。 本论文研究的内容主要有两个方面，一方面定子试验线棒绝缘材料的优 选和性能测试研究；另一方面是定子试验线棒的绝缘结构设计。并通过测试 线棒的介质损耗、介电强度、局部放电量、电老化和稳定性等方法系统的研 究了直棒和真机试验线棒的性能，获得了性能良好的真机试验线棒。 本论文的研究表明：( 1 ) 2 4 k v 定子线棒的单面主绝缘厚度由6 2 5 m m 减 薄为5 2 5 m m ，2 7 k v 由6 7 5 m m 减薄为6 2 0 m m ，实现了主绝缘厚度减薄的 设计原则；( 2 ) 通过绝缘材料的选择，使2 4 k v 和2 7k v 的试验线棒绝缘占 有率降低，仅导线部分使槽满率分别提高了1 5 4 和1 4 8 ；( 3 ) 采用等位 层结构设计，当圆角半径r = 2 o m m ，等位层材料为半导体聚酯漆材料时，能 够明显改善电场分布；( 4 ) 利用屏蔽层结构设计有效提高了定子线棒的电老 化性能，当2 4 k v 和2 7 k v 试验线棒在主绝缘厚度方向西= 1 5 l m m 和 西= 1 7 1 r a m 处包扎屏蔽层，包扎的长度位置处于高阻末端和线棒引线的中点 时，线棒的电气性能良好；( 5 ) 真机试验线棒的介电强度、局部放电量、电 老化等电气性能指标均满足额定电压2 4 k v - 2 7 k v 的1 0 0 0 m w 发电机组的设 计要求。 关键词高压发电机；定子线棒；绝缘材料；绝缘结构 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 暑詈皇詈暑詈詈皇詈暑葛毒r m i i 昌葛暑詈昌皇詈詈皇詈穹鼍暑詈皇昌皇= 暑昌罩皇喜皇暑皇詈詈皇詈皇暑詈皇詈= ! = 詈詈皇鲁詈詈篁皇詈詈鼍詈暑詈鲁皇皇皇詈詈皇詈詈= 富= 鲁皇皇昌喜= 詈! 皇詈詈暑 i n s u l a t i o ns t r u c t u r ed e s i g no f h i g h - v o l t a g e g e n e r a t o rs t a t o rb a ra n ds t u d yo ni t sp r o p e r t i e s a b s t r a c t g e n e r a t o rw i t hl a r g e ru n i tc a p a c i t yh a sb e t t e re c o n o m i c a lp e r f o r m a n c e ，b u t i tt a k e sl o t so fu n f a v o r a b l ef a c t o r st ot h es t a b i l i t yo fg e n e r a t o ri n s u l a t i o ns y s t e m t h er a t e dv o l t a g e2 4 k v - 2 7 k vo f10 0 0 m wg e n e r a t o rm a c h i n ei st h es t u d y h o t s p o t so f t h ed o m e s t i cg e n e r a t o rm a n u f a c t u r e r s b yn o w , t h eb i g g e s tg e n e r a t o r m a c h i n ei st h em a c h i n ef o rt h et h r e eg o r g e sp r o je c tw i t ht h eu n i tc a p a c i t yo f 7 0 0 m wa n dr a t e dv o l t a g eo f2 0 k v t h eb o t t l e n e c kt om a n u f a c t u r e10 0 0 m w g e n e r a t o rr e s t sw i t ht h ei n s u l a t i o ns y s t e m ，e s p e c i a l l yt h es t a t o rb a ri n s u l a t i o n s y s t e m t h ed i s s e r t a t i o nc e n t r e do nt w om a i nr e s e a r c ht o p i c s ，t h ei n v e s t i g a t i o no n i n s u l a t i o nm a t e r i a l sa n dt h ed e s i g no ft h ei n s u l a t i o ns t r u c t u r eo ft h es t a t o rb a r t h ep r o p e r t i e so ft h es t r a i g h tb a ra n de x p e r i m e n t a ls t a t o rb a ra sd e s i g n e dw e r e e v a l u a t e db yd i e l e c t r i cd i s s i p a t i o nf a c t o r , d i e l e e t r i c a ls t r e n g t h ，p a r t i a ld i a c h a r g e ， e l e c t r i ca g i n gt e s ta n dt h e r m a ls t a b i l i t yt e s t a st h er e s u l t ，e x p e r i m e n t a ls t a t o r b a r sw i t he x c e l l e n tp r o p e r t i e sw e r eo b t a i n e d f o l l o w i n gr e s u l t sc a nb ec o n c l u d e d ( 1 ) t h eg r o u d i n gi n s u l a t i o nt h i c k n e s so f s t a t o rb a r so f2 4 k va n d2 7 k vc a nb er e d u c e dt o5 2 5 m ma n d6 2 0 m m ， r e s p e c t i v e l y s u c hr e s u l t sm e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n s u l a t i o nd e s i g n ( 2 ) t h a n k st ot h ei n v e s t i g a t i o no fi n s u l a t i o nm a t e r i a l s ，t h es l o t - f i l lr a t e so f2 4 k v a n d2 7 k vr o b e lb a rw e r ei n c r e a s e db y15 4 a n d1 4 8 r e s p e c t i v e l y ( 3 ) t h e e l e c t r i c a lf i e l do fs t a t o rb a rd i s t r i b u t e sm o r eu n i f o r m l yw i t ht h es t r u c t u r ed e s i g n o ft h ei n n e ra n t i c o r o n al a y e rw h e nt h er a d i u so ft h eb a rc o r n e ri s2 m ma n dt h e s e m i c o n d u c t i v ep o l y e s t e rr e s i nw a su s e d ( 4 ) i nt h es t r u c t u r ed e s i g no fi n t e r n a l s h i e l d e dl a y e r , t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h es t a t o rb a rc a nb ei m p r o v e dw h e n i i - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h ei n t e r n a ls h i e l dl a y e r so f2 4 k va n d2 7 k vs t a t o rb a rw e r ew r a p p e di nt h e t h i c k n e s sd i r e c t i o no f 西= 1 5l m ma n d 西= 1 7 1 r a m ，r e s p e c t i v e l ya n dt h el e n g t h e n do ft h el a y e ri si nt h em i d d l ep o i n to ft h eh i g h r e s i s t a n c et a p ee n da n dt h e l e a d i n go fs t a t o rb a r ( 5 ) t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f t h ee x p e r i m e n t a ls t a t o rb a r m e e tt h ed e m a n do fi0 0 0 m w g e n e r a t o ri n s u l a t i o ns y s t e md e s i g n k e y w o r d sh i g h - v o l t a g eg e n e r a t o r , s t a t o rb a r , i n s u l t i o nm a t e r i a l s ，i n s u l a t i o n s t r u c t u r e i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压电机定子线棒绝缘结构设计 及其性能研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：起巷，各日期卅孑年1 月印e l 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 高压电机定子线棒绝缘结构设计及其性能研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：起慈乔 醐：缉，月堋 导师签名： 弘彩么 日期：矽释月朋 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 最近3 0 年的时间是世界发电设备大型系列化发展的主要阶段，这和经济 的发展是分不开的【1 1 。我国从改革开放以来，经济迅速发展。随着经济发展对 电力需求的不断提高，大容量发电机市场需求很大。单机容量越大，额定电压 等级也越高。从二十世纪九十年代初二滩发电机组的单机容量5 5 0 m w 1 8 k v ， 到二十一世纪初三峡的7 0 0 m w 2 0 k v ，代表着我国电力设备的最高发展水平； 电力工业发展到今天，是依靠大型发电设备不断改进技术、提高容量来给予支 持的1 2 1 。 通过与国际间的合作和技术引进，我国的绝缘技术水平不断提高，与国际 先进水平的差距不断缩小，发电机的技术参数水平不断提高，额定电压从 2 0 k v 一2 2 k v 提高到2 4 k v 2 7 k v ，电负荷由7 0 0 m w 的2 0 0 0 a c m 增加到 10 0 0 m w 级的2 4 0 0 a c m - 2 6 0 0 a e m t 3 1 。目前1o o o m w 2 4 k v 2 7 k v 的发电机组 是国内电机制造企业研究的热点。额定电压达到2 4 k v 2 7 k v 级的大型发电 机，至今国内企业的制造技术还不成熟，主要反映在定子绕组绝缘系统的组 成、槽部电场及防晕等问题没有彻底解决1 4 。 纵观电机发展的历史，发电机单机容量的增大和技术的提高，都是以发电 机绝缘技术水平的提高为前提的。作为电机的一个重要组成部分，定子绕组是 影响加工费用、运行可靠性和电机寿命的一个关键部件。定子绕组是电能的直 接载体，电机的核心部分，定子绕组要放在空间狭小的电机槽中，同时要承受 热和机械力的作用( 包括震动、电动力、冲击负载、拉力、摩擦力等) ，发电 机将机械能转化成电能过程中产生的巨大能量主要是依靠几个毫米厚的定子绕 组主绝缘来承担，而且这种作用比其它电力设备来得更强。因此，定子绕组的 绝缘结构与一般设备的绝缘不同，设计难度很大，其结构设计一直是工程技术 人员首位考虑的重点肛7 1 。 近百年来，电机在其它方面设计改进不大，但新的绝缘材料和绕组结构设 计技术的发展，使得电机的输出功率从早期的几个k v a 发展到现在的 1 0 0 0 m v a 以上【8 i 。伴随着发电机容量的大型化，其额定电压也在不断的提高， 目前国外在3 0 0 m w 以上容量的发电机已经普遍采用2 0 k v 及以上的额定电 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 压，1 0 0 0 m w 级发电机则普遍采用2 4 k v 2 8 k v c g j ；而国内的发展相对要慢一 些，国产大型发电机的额定电压一般为1 0 5 k v 、1 3 8 k v 、1 5 7 5 k v 及1 8 k v ， 最高达到2 0 k v 。然而，定子绝缘的工作条件限制了大幅度的提高电机的额定 电压，为此，从绝缘材料和绝缘结构两大方面入手，解决好定子绝缘系统的设 计问题，是提高额定电压的前提条州1 0 1 。 绝缘结构的设计就是通过结构设计改善由定子线棒导体几何形状造成的电 场分布不均匀，降低电场不均匀系数，提高击穿电压【1 1 1 ；同时通过结构设计改 善工艺制造过程中主绝缘内部存在气隙、尖角和不可避免的杂质等因素造成的 电场集中和局部放电，延长电机使用寿命【1 2 1 。这也是世界先进发电机制造技术 研究的重点问题。本论文对绝缘线棒的电场分布进行了分析，通过选用合理的 主绝缘材料，采用新的绝缘结构，对其绝缘性能进行了研究，为研制超大容量 的发电机定子线棒提供了重要的理论依据和数据支持。 1 2 定子线棒绝缘系统的研究进展 电机的绝缘不是一个纯粹的材料问题，而应作为一个系统来对待【1 3 1 。这个 系统由两个部分支撑，即绝缘材料和绝缘结构，它们是提高绝缘技术水平的两 个重要方面。 1 2 1 绝缘材料的发展 多年来，国内外的研究人员把改进定子绝缘技术的重点放在主绝缘材料的 开发上。发电机的主绝缘材料主要是采用无机绝缘材料云母，但要包缠到 铜线上还必须用粘合剂和补强材料等【1 4 1 。 在主绝缘材料的成分中，云母和玻璃丝带补强材料都是无机材料，而粘合 剂是有机材料，它也是主绝缘材料的弱点所在，因此主绝缘材料的性能很大程 度上是由胶粘剂的耐热水平决定的【1 5 1 。胶粘剂是高分子材料按耐热等级可分为 a 级、e 级、b 级、f 级和h 级，所对应的耐热极限温度为1 0 5 ，1 2 0 ， 1 3 0 ，1 5 5 ，1 8 0 【1 6 1 。 最早曾采用虫胶作为粘合剂，即将云母片用虫胶漆粘贴在整张纸上而制成 云母箔，然后将云母箔在热态下卷烘到绕组的直线部分，可云母箔不能卷烘到 线棒的端部，所以直线和端部采用不同的绝缘材料和工艺过程。虫胶云母箔绝 缘局部放电电压低，介质损耗蟾6 高，耐热等级是a 级。接着开发的胶粘剂材 料是耐热等级为e 级的沥青，二十世纪六十年代末环氧树脂类型的胶粘剂开创 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 了绝缘胶粘剂的新纪元，继耐热等级为b 级的由桐油酸酐双酚a 型环氧树脂 胶粘剂( t o a ) 之后，在二十世纪七十年代末开发了f 级的环氧胶粘剂，即桐 马绝缘一直沿用至今。随着胶粘剂材料的开发使主绝缘的电气性能和机械性能 有了显著的提高，主绝缘的设计厚度不断减薄。从表1 1 可以看出，绝缘材料 和绝缘厚度设计的关系，随着绝缘材料的开发，从沥青绝缘到b 级t o a 绝缘 到f 级桐马绝缘，绝缘材料性能的提升使发电机的主绝缘厚度不断的减薄，同 时也推动着发电机容量随着绝缘水平的提高不断增大 1 7 - 1 9 1 。 表1 1 主绝缘材料及发电机绝缘设计厚度 t a b l el - 1i n s u l a t i o nm a t e r i a l sa n dg e n e r a t o ri n s u l a t i o nt h i c k n e s s f 级主绝缘材料也在不断的改进和完善，经过电机的长期运行考验证明， 现在已经非常可靠【2 0 】。此后的主绝缘材料在提高云母含量上开发了高电压云 母带，使主绝缘材料中的云母含量从8 0 咖2 提高到1 6 0 9 m 21 2 1 。与此同时，人 们感到主绝缘在材料上的开发越来越有限【2 2 1 。 1 2 2 绝缘结构设计的研究进展 近十年来，随着电机额定电压的提高，主绝缘设计工作场强也相应的提 高。国内发电机制造厂通过与国外先进公司的合作，技术引进和观念更新。使 人们对绝缘结构的设计有了新的认识和提高。 在绝缘结构设计中，应用和研究较为广泛的是导体线棒的等位层结构，该 结构是在罗贝尔导体线棒窄面通过采用导电材料使得导体线棒换位处复杂的电 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 场分布变得相对简单和均匀【2 3 1 。 国外发达电机制造商对发电机定子导线的等位层结构进行了大量的研究工 作，各公司采用的方法不刚2 蚴l ，现分别介绍几种典型的改善角部场强分布处 理技术：奥地利e l i n 公司采用如图1 1 ( a ) 结构技术，定子导体线棒成型后， 将两片约0 0 5 m m 厚的铜片分两点焊在导体线棒窄面上，然后半叠绕一层半导 体带，再包云母带固化成型。 德国s i m e n s 公司采用图1 1 ( b ) 的技术，用半导体腻子填充换位处增大圆 角半径的方法，然后包云母带主绝缘。加拿大g e 公司，在导线成型后将直线 部分的四个角部磨成圆角半径约为2 m m 后，再刷一层厚度均为o 1 m m - - 0 2 m m 的半导体层，电阻值控制在1 0 3 f 2 - 1 0 5 q ，然后包云母带主绝缘，如图1 1 ( c ) 所 示。瑞士a b b 公司如图1 1 ( d ) 所示在导线固化成型时，上下窄面分别垫一层 0 5 m m 厚的半导体玻璃布层压板，成型后将层压板间隔约8 0 0 r a m 钻5 蚴的 孔，用半导体腻子将半导体层压板与导体线棒连接形成等位体。该技术将在三 峡7 0 0 m w 机组上应用。 璃丝带 ( c ) ( d ) ( a ) 奥地利e l i n 公司结构( b ) 德国s i m e n s 公司结构 ( c ) 加拿大g e 公司结构( d ) 瑞士a b b 公司结构 图1 1 国外线棒的等位层结构 f i g 1 1i n n e ra n t i c o r o n al a y e rs t r u c t u r eo f a b r o a ds t a t o rb a r 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 e l i n 公司的结构为全屏蔽结构，即在整个导体线棒窄面建立一层导电层 后，再在整个导体线棒表面包扎一层导电带，把整个导体线棒槽部长度上进行 全面的屏蔽；其他公司采用了半屏蔽结构，即只在导体线棒窄面建立一层导电 层： 目前有报道的绝缘结构设计只限于在导体线棒表面进行等位层结构，在主 绝缘层内实施屏蔽层结构还没有数据成果方面的报道。本论文中采用的新结构 包括屏蔽层结构。 1 3 定子线棒主绝缘工艺体系 1 3 1 主绝缘工艺体系 电机定子的常规结构一般选用耐电性能和厚度均匀的粉云母为本体，机械 性能、电性能和耐热性能较好的环氧树脂做胶粘剂，薄形无碱玻璃布作为补强 材料，成为了云母体系绝缘【2 引。从工艺方法上可归纳为：少胶浸渍型和多胶模 压型两大类。 1 3 1 1 少胶浸渍工艺少胶浸渍工艺以环氧玻璃粉云母少胶带包扎，整个定子 线棒真空压力浸渍无溶剂环氧漆。该工艺绝缘整体性好、机械强度高、传热性 也较好，是当今大型电机中各项指标最优的绝缘处理工艺方法。由于国内现阶 段的设备和材料质量均满足不了这一技术要求，整套工艺及所用设备、材料均 需要进口。所以我国大电机采用这种技术要投入大量资金，而且很难超过拥有 几十年生产运行经验的国外技术。国外发达电机制造公司如：加拿大g e 、m l 公司、美国w h 公司、日本h i t a c h i 公司、德国s i e m e n s 公司、法国a a 、a l s t h o n 公司、瑞士a b b 公司、奥地利e l i n 公司等均采用少胶体系做 为各电压等级发电机定子绕组主绝缘【2 9 1 。众所周知，少胶体系云母含量高，耐 电性能优越，经真空压力浸渍固化成型后绝缘整体性好，无气隙，所以在高电 场长期运行安全可靠、寿命长，其少胶带云母含量大于7 0 ，胶含量般在 3 1 0 ；我国少胶体系正处于研究阶段，虽然在6 3 k v 级及以下交直流电机 上应用少胶体系，但与国外少胶体系相比差距还很大，如国产少胶带胶含量在 2 0 - , 3 0 之间，云母含量不到5 0 ，另外所用的浸渍无溶剂漆在热态( 1 5 5 c ) 及 高电压下介质损耗大，还不能应用到大型高压机组上，国内少胶体系必须从两 方面入手研究，一是少胶云母带，二是浸渍无溶剂漆 m l 。 1 3 1 2 多胶模压工艺以环氧玻璃粉云母多胶带包扎，模( 液) 压固化，这种 哈尔滨理丁大学下学硕上学位论文 工艺容易实现，已经被国内电机制造企业成熟掌握，目前我国大型水轮和汽轮 发电机上主要采用f 级桐马环氧玻璃粉云母多胶带，用感应大电流加热固化模 压成型工艺，从理论上讲多胶体系电气性能及长期老化寿命不及少胶体系，但 实际上从云母带及定子线棒常规性能和老化实验性能看出二者差距不大，水平 相当。 国内电机制造企业与国外几家发达电机制造公司合作项目，如二滩 5 5 0 m w 、三峡7 0 0 m w 及宝钢1 7 8 0 等机组，分别向加拿大g e 、瑞士a b b 、 日本三菱公司、东芝公司提供国产多胶模压试验线棒，供其评定认证【3 1 1 ，从试 验结果来看各项性能及长期电老化寿命结果均达到国外公司对主绝缘的要求， 试验结果得到外方的高度好评，外方允许用多胶体系代替少胶体系生产二滩、 三峡及宝钢电机定子绕组主绝缘，特别是a b b 公司对哈尔滨电机厂提供的6 根三峡样棒在4 0 k v 老化寿命达1 6 0 0 h 以上，3 2 k v 电老化寿命大于4 0 0 0 h ，作 出高度评价，认为其结果达到世界水平，如今a b b 公司已同意采用多胶体系 生产三峡定子线棒。国外公司如美国g e 、瑞士a b b 、b b c 等也采用多胶体 系，但云母带云母含量均大于5 0 t 3 2 1 ，我国虽然在提高云母含量方面作了许多 工作，但仍达不到5 0 ，今后应在提高国产多胶体系云母含量上进行攻关。 1 3 2 多胶定子线棒的生产工艺 中型和大型电机的定子绕组是由罗贝尔换位条形线棒组成。定子线棒的生 产工艺大体流程是：股线的编织( 罗贝尔换位) 导体线棒的成型( 直线和 端部分别成型) 主绝缘的包扎( 包括防晕带包扎) 主绝缘的模压工 艺。 大型发电机的定子绕组线棒通常由多根股线组成，在股线间中存在环流， 环流流动于每根股线导体之中，产生集肤效应，使导体内各点电流密度分布不 均匀，增加附加铜耗。通常通过3 6 0 0 或5 4 0 0 不等的罗贝尔编织换位解决股线 间环流问题【3 3 l 。线棒中每根股线都带有绝缘。股线绝缘具有较高的耐热性能和 良好的机械性能。股线经换位编织组成条式线棒，分别对线棒槽部和端部进行 胶化，使导线达到规定的尺寸和形状。在导线成型的过程中，导线窄面要加换 位绝缘，把罗贝尔换位处的凹形部位通过胶加热流动再固化使其填平；保证导 线形状是规则的矩形，为主绝缘的包扎提供良好的前提条件。 条式线棒包扎主绝缘工艺即在线棒的整个长度上连续包绕多层多胶环氧玻 璃粉云母带。包扎层数决定于不同额定电压下的主绝缘设计厚度。包扎主绝缘 哈尔滨理t 大学t 学硕：l 学位论文 在包带机上进行，保证线棒直线部位1 4 包扎，均匀准确。对线棒的不规则部 位，如直线转角r 、端部、引线转角r 都采取不同的包扎方法，使各部位绝缘 厚度包扎均匀，绝缘压缩量一致。同时，在主绝缘的外层包扎一层防晕材料， 在槽部为低阻层它的表面电阻率为1 0 0 0 9 ) 1 5 0 0 0 f l ，采用的是线性半导体低阻 带子，低阻带子采用全固化型的，具有合适稳定的电阻率。端部防晕采用非线 性的半导体高阻带子，外面再包附加绝缘保护带。整个防晕结构为半叠绕方式 并与主绝缘一起固化成型( 一次成型) 0 4 1 。 线棒包扎多胶环氧玻璃粉云母带后，要在专用模压设备上进行加热模压成 型。这是获得高质量绝缘的关键工序。经模压成型后的线棒不仅具有符合要求 的外形尺寸和形状，而且具有良好的机电性能。 1 3 3 减薄主绝缘厚度的意义 减薄主绝缘厚度代表着发电机绝缘系统的技术水平。电机的重要技术经济 指标之一是重量功率比，即k g k w ，就是发电机的重量随容量变化的系数。在 增大电机容量时，减薄主绝缘，就能减小重量功率比，达到减小电机体积，提 高槽满率( 电机容量) 的作用。据报导【3 5 1 ，从1 9 0 0 年到1 9 6 7 年，l h p ( o 7 5 k w ) 的电机重量由4 0 k g 减少到l o k g ，相当于平均每1 0 年降低1 5 2 0 ，产生这 种变化的重要原因是采用了耐热性能高的绝缘材料，从而减薄了主绝缘厚度。 一台电动机绝缘厚度降低4 个等级( 约2 r a m ) ，可缩小体积3 0 0 o - - , 5 0 ，节约 铜2 0 ，硅钢片3 0 4 0 、铸铁2 5 。维持有效尺寸不变时，若主绝缘厚度 减薄一级，槽满率可提高5 1 0 ，即电机容量可增大5 - , 1 0 t 3 6 1 。可见，减 薄主绝缘厚度能够大大降低电机制造成本，减小电机体积，解决运输、安装等 一系列的问题，所以，从经济角度讲，绝缘厚度是决定电机的重要技术经济指 标的关键因素之一。 电机设计的基本规律说明，单机容量越大，电机的经济性能越好。但增大 单机容量，意味着电压等级的提高与热负荷成立方指数的加大，将给发电机绝 缘系统的运行稳定性带来诸多不利因素。为此，既要保持一定的线棒主绝缘厚 度，以确保绝缘的电气、机械强度；又要想方设法减薄这一主绝缘厚度，以利 于铜耗热量的散发，二者之间在设计时出现了矛盾。在定子线棒运行过程中， 铜导体损耗产生的热流密度最高可达0 0 3 w r n n , 1 2 , , o 0 5 w r a m 2 ，而云母材料的 散热系数仅为0 2 5 w ( m k ) ，这样造成绝缘与铜导体表面的温差在5 0 8 0 之间，减薄主绝缘厚度可以提高主绝缘散热能力，降低定子线棒的温差【3 7 1 。同 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 时，热老化是电机长期运行过程中绝缘性能下降的关键因素之一，目前大电机 主绝缘材料的耐热等级为f 级，极限温度为1 5 5 ，定子线棒运行的正常温度 为7 0 9 0 ，这样主绝缘内外温差过大会使得导线附近的绝缘温度接近或超 过绝缘材料的耐受温度，使绝缘材料中的高分子材料如云母带中的胶粘剂等发 生分解，所以减薄主绝缘厚度可以减少铜导线附近绝缘的因温升造成的热损 伤。综上所述，减薄绝缘厚度是可以解决绝缘系统的散热，降低过热对绝缘材 料的老化损坏。 1 4 定子线棒绝缘结构评定方法 确定定子绕组的绝缘状态有很多评定方法【3 8 】，本文采用的评定测试方法 有：绝缘介电强度试验( 高压绝缘试验) 、绝缘介质损耗因数和损耗增量试 验、局部放电量测量、电老化试验和热稳定性试验。 1 4 1 介质损耗因数和损耗增量试验 损耗因数是电绝缘的一种性能。它是绝缘内电损耗的一种量度。一般期望 有低的损耗因数，但高的介质损耗并不一定意味绝缘低劣。损耗因数一般用电 容电桥测量并表示成百分数。如固化完好的环氧树脂云母绝缘的损耗因数 一般在0 5 左右，而好的沥青绝缘其损耗因数则为3 左右。在完好绝缘中， 损耗因数并不随施加的电压增高而增大。然而，在高压定子绕组的主绝缘中， 充气空隙可能出现在绝缘中或绝缘与定子铁芯之间。当足够高的电压施加给绕 组时，这些空隙会产生局部放电现象。由于放电会发出热量和光，它们消耗能 量，而这就增加了绕组中的电损耗。这反过来又因增高了电压而导致较大的损 耗因数。增量越大，局部放电活动越厉害，绕组状态越差。因此，损耗因数增 量试验是局部放电活动的非直接量度【3 9 1 。 绕组中的绝缘象电容器中的介质一样进行处理，就可估计其状态。绕组的 所有或部分电容和介质损耗因数可以在合适的停机期间使用足够的电流电源来 测量。另外，测量可以在一个电压范围内进行。在电压增高时，损耗因数上的 变化是绕组中额外内部损耗开始的标志，这是因为主绝缘中增多的空隙中引起 了局部放电。损耗因数增量试验被电机制造商广泛用做新定子线棒和线圈的质 量控制试验。异常高的损耗因数表明整体绝缘具有一般性弱点，诸如不正确合 成或者没有充分固化。从低压到高压的损耗因数上的异常增高表明在绝缘中有 过量的空隙出现高压放电现象。 哈尔滨理工大学工学硕：卜学位论文 f 级定子线棒的介质损耗指标为：常态介质损耗角正切t g s 0 2 u n 1 0 ； 常态介质损耗角正切增量at 9 6 = t g s 0 6 u n - t g s 0 2 u n 2 5 m m 厚度方向的弹性角 0 5 6 0 0 8 0 0m m 5 0 8 0 0 - - - 0 1 5 0 r a m 1 5 0 3 0 0 m m 3 0 0 m m 6 拉伸附着性 3 1 5 0 0 3 m m銎1 5 - - 6 3 + 0 0 5 一 i e c 8 5 1 2 6 3 1 2 5 0 0 7 一 。 1 2 5 - 1 6 0 0 1 0 m m0 2 0 _ 卜0 0 3 - 0 0 2 0 2 0 - - 0 2 3i e c 8 51 - s e c t 3 2 2 3 22 3 2 6 度 弯曲试验时式样 的柔韧性 。 窄边q ，= - 4 b 宽边州s 弯曲试样在1 8 0 。 时的抗热冲击性能 。 窄边伞= 6 b 宽边q s 绝缘击穿电压 9 喜蔷鬟验后 k v 4 b 4 s 弯曲试验后 热冲击试验后6 b 6 s 3 03 5i e c 8 51 - s e c t 3 3 2 5 5 5 0 4 5 4 0 1 5 不允许破损和裂缝 不允许破损和裂缝 不允许破损和裂缝 不允许破损和裂缝 2 5 1 3 1 3 4 i e c 8 51 - s e c t 4 1 5i e c 8 5 1 - s e c t 5 不破不裂 不破不裂 不破不裂 不破不裂 i e c 8 51 s e c t 5 l e c 8 51 s e c t 3 翌8 - - 7 l i e c 8 5 i - 5 1 5 7 9 1 5 5 7 从表2 1 可以看出，其绝缘厚度为0 2 r a m ，击穿电压为5 8 0 0 v 7 1 0 0 v 。 这样既降低了绝缘厚度，又提高了电气性能，同时这种线还具有优良的柔韧性 1 5 - 哈尔滨理_ 丁大学工学硕上学位论文 和耐热性。 2 1 1 2 排间绝缘国内采用的排间绝缘( 图2 1 中的2 ) 一般为f 级多胶玻璃粉云 母板材料，它是一种由环氧树脂胶粘剂、粉云母纸、无碱玻璃布按要求复合 后，经烘焙而成的板状材料。在常态下为半固化状态，在高温下快固化，压制 后占有的厚度为0 5 0 m m 。但存在的问题是浸渍玻璃布胶含量不足，不能完全 填充铜股线束圆角半径较大的缝隙；同时浸渍玻璃布硬度受温度影响较大，使 用时不便塞垫【4 5 1 。 本课题采用的排间材料为双面用浸渍涤纶毡中间夹硬度较好的 0 1 5 r o m e o 2 0 m m 的层压板或n o m e x 纸的三明治结构。测得的排间绝缘性能指 标如表2 2 。 表2 - 2 两种排间绝缘性能 t a b l e2 - 2p r o p e r t i e so ft w oi n n e r - l a y e ri n s u l a t i o n s 由于涤纶毡对浸渍环氧胶具有滞留性，即树脂只有在受到挤压时才发生流 动并能填充铜股线间隙，而且导线表面光滑干净没有多余的树脂流出，在结构 上消除了由于树脂溢出带来的气隙对绝缘介质损耗和局部放电量的增大。填充 和粘接效果要比玻璃布浸渍材料好。 2 1 1 3 换位绝缘换位绝缘( 图2 1 中的3 ) 的作用是防止换位后的铜股线绝 缘在导线压制成型过程中破损造成铜股线间短路。国内传统结构是采用厚度 0 5 m m 的柔软云母板，它由片云母和胶组成。每个线棒上下两窄面垫放在换位 电磁线下面，总厚度1 0 m m 。线棒对换位绝缘的电气性能要求不高，只要承受 电磁线绝缘所能承受的几百伏电压即可，使电磁线局部破损时达到隔离作用。 本课题采用的换位绝缘性能见表2 3 ，材料能够满足工艺和电气的各项要求， 而且厚度从0 5 m m 降至0 3 m m ，两面厚度减小了0 4i t i i i i ，是原来换位绝缘厚 度的6 0 。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 表2 3f 级柔软云母板性能 t a b l e2 - 3p r o p e r t i e so ffc l a s ss o f tm i c as h e e t 2 1 1 4 换位填充绝缘换位绝缘位于罗贝尔线棒窄面股线换位编织表面，用于 填充凹陷不平的导线窄面。传统的换位填充绝缘( 图2 1 中的4 ) 采用多胶环 氧玻璃云母板。这种材料由于以玻璃布作为底材，阻碍胶粘剂在热态下的流动 性，填充效果不够理想，使得导线成型后绝缘内部留有空隙而且导线表面不够 平整，这在一定程度上影响线棒的整体电气性能【4 6 l 。为此本课题采用了多胶环 氧云母板。这种云母板由于不含玻璃布使得胶粘剂在固化过程中具有良好的流 动性，改善了导线窄面的填充效果，有效地解决了电气性能下降的问题。两种 板的性能及比较如表2 - 4 。 表2 - 4 环氧玻璃云母板和环氧云母板性能 t a b l e2 - 4p r o p e r t i e so fe p o x ym i c ag l a s sf a b r i cs h e e ta n de p o x ym i c as h e e t 从表2 - 4 中可以看出，的云母含量提高，热态下的弯曲强度比常温下变化 不大，因此环氧云母板具有更高电气性能和机械强度。 2 1 1 5 导线绝缘减薄比率采用优选的导线绝缘材料后，导线成型后的各部分 绝缘占有的槽部尺寸见表2 5 。 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 表2 - 5 优选材料的导线尺寸 t a b l e2 - 5r o b e lb a rs i z ew i t ho p t i m a lm a t e r i a l s 从表2 5 中可以看到，通过绝缘材料的选择，使得2 4 k v 和2 7k v 的试验 线棒仅导线部分槽满率分别提高了1 5 4 和1 4 8 。导线中绝缘占有率下降， 相对提高了线棒切割磁力线的有效截面，增大了电机的输出功率。 2 1 2 主绝缘材料 目前使用的主绝缘材料有：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【4 7 】。 其中，f 级高电压环氧玻璃粉云母带具有优良的机械、热和电气性能。因此， 本课题采用f 级高电压环氧玻璃粉云母带( 简称高电压云母带) 作为主绝缘材 料。高电压云母带的性能见表2 6 。 从表2 6 可以看出云母带的介电强度高达4 0 ，云母含量大于4 0 ， 胶化时间满足模压线棒的工艺要求。同时云母带具有一定的拉伸强度和柔软 度，使其在机械包扎时具有良好的工艺操作性。 用高电压云母带作为主绝缘材料包扎的标准线棒的各项性能见表2 7 。标 准线棒的包扎长度为1 2 0 0 m m ，压制后的单面主绝缘厚度为3 5 m m ，电气测试 时的电极长度为4 0 0 m m 。 表2 - 6 高电压云母带性能 t a b l e2 - 6p r o p e r t i e so fh i g h - v o l t a g em i c at a p e 表2 7 标准线棒结构性能 t a b l e2 - 7p r o p e r t i e so fs t a n d a r ds t a t o rb a r 由表2 7 可见，高电压云母带作为主绝缘材料压制的标准线棒各项性能指 标满足并超过国家标准，可见高电压云母带在各种f 级云母带主绝缘材料中， 在综合性能指标如介质损耗因数、电老化等测试上有优势。 目前国外2 4 k v 、2 7 k v 高压电机主绝缘设计厚度都比国内的常规主绝缘厚 度低，我国常规设计的2 4 k v 、2 7 k v 高压电机主绝缘厚度分别为6 2 5 m m 和 6 7 5 r a m ，我们课题的目标是要达到法国a l s t o m 公司的水平，即2 4 k v 试验 线棒的单面主绝缘厚度为5 2 5 m m ，2 7 k v 级为6 2 0 m m 。主绝缘厚度的设计是 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 以优选主绝缘材料和研究应用等位层结构和屏蔽层结构为依据的。 2 2 等位层结构设计 2 2 1 电场分布分析 高压电机定子线圈角部存在着电场集中的现象。所谓大型电机定子线棒角 部电场集中效应( 简称角部效应) ，是指导线圆角位置的场强比平均场强高若 干倍的现象。这种现象的存在，使得线棒角部绝缘承受的场强比宽面上绝缘承 受的场强大若干倍。简单的理解造成角部电场集中的现象，其原因是由于导体 几何形状的突变所造成的( 见图2 2 ) 。 线棒 电缆 匀电场 2 l 一电场强度( k v m m ) 2 一线棒周边长度( m m ) 图2 - 2 矩形线棒与圆形电缆的电场比较 f i g 2 - 2e l e c t r i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o no fs t a t o rb a ra n dc a b l e 据统计1 4 s l ，实际击穿的线圈有9 5 以上发生在圆角处。可以肯定地说，角 部电场集中效应是导致绝缘击穿的主要原因。如果能够采取措施改善定子线棒 角部电场的分布，那么定子线棒的电气性能将有相应的提高【4 9 l 。如果线棒是象 电缆一样圆形截面而不是矩形截面，在介质材料均匀的情况下就不存在线棒角 部电场集中的问题1 5 0 1 。矩形线棒不可能成为圆形，但可以向圆形结构靠拢，既 把矩形的直角打磨成有一定半径尺寸的圆角，适当加大导体的圆角半径，有助 于提高绝缘的利用率，延长线棒的使用寿命。增大圆角半径，改善角部电场分 2 0 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 布，这就是导体线棒结构的改善。 对于槽部绝缘承受的是平均电场强度( 见公式2 1 ) ，而角部由于电场 的不均匀性承受的是最大电场强度易煅( 见公式2 2 ) ，角部电场不均匀系数厶 是角部最大场强与平均电场强度的比值( 见公式2 3 ) 。 k = ，觑仍r , ) = r , t n d + d r , )( 2 1 ) 点0 = ( r 2 - r j ) = u d( 2 - 2 ) 厶= 易蛾点0( 2 - 3 ) 角部电场的不均匀性与绝缘外圆半径，2 与导体的圆角半径，之比有关，这 里n = ，- ，+ 办所以，从理论上推导可知，表示最大场强的不均匀系数最终与导 体的圆角半径n 和绝缘的厚度d 有关，但没有确切的关系式。 从电机定子线棒槽部的电场理论讲【5 l l ，根据导体的形状可将线棒截面的电 场分为平面部分和圆角部分。对于平面部分，可以近似的以简单的平板电容器 电场来表示，电场强度e = u d ；在线棒的宽面和窄面的电场为平板电容器电 场，平板电容器电场分布均匀，电场的强度是线棒的平均工作场强。对于圆角 部分，可以近似的看成同心圆柱电容器的一部分( 见图2 3 ) 。在线棒的四个转 角处电场为圆柱电容器电场，圆柱电容器电场分布不均匀，根据公式2 1 可以 看出电场的强度随圆角的半径增大而减小，线棒圆角处的电