摘 要：本文以杭州汽轮机厂生产的大容量空冷汽轮发电机为例，对其绝缘结构的设计以及绝缘材料的应用进行了深入的探索研究，希望能够为空冷汽轮发电机的安全运行提供一定的帮助。
关键词：大容量空冷汽轮发电机；绝缘结构；设计
前言
空冷汽轮发电机引起良好的性能以及较低的运行成本而广受欢迎，近些年来，随着技术工艺和材料的改革和进步，大容量空冷汽轮发电机的应用越来越广泛。空冷汽轮发电机的绝缘结构的性能直接影响着其整体性能和工作极限。因此绝缘结构的设计至关重要。绝缘结构设计的重点是绝缘材料的应用，而现阶段市场上绝缘材料的种类十分多样，且性能各异，如何做好绝缘材料的选用，以保障绝缘结构设计的科学性就成了一个关键性问题。本文将以此为主题进行研究。
1.定子线棒绝缘结构设计研究
大容量空冷汽轮发电机运行的过程中，绝缘材料会面对高电压、高温、交变电磁力等多种的恶劣环境条件，若是绝缘材料的性能不符合要求，很容易受到损坏，因此在选择绝缘材料时，应该遵循以下几项原则：首先，需选择机械强度高、弹性和韧性良好的材料。其次，选择耐热性和导热性较强的材料。其三，选择耐电强度较高且介质损耗较小的材料。其四，选择耐潮性和耐腐蚀性较强的材料。
1.1绝缘体系的选择
当前阶段，我国规模较大的电机厂都拥有独立的绝缘系统，在材料使用方面也存在一定的差异，以工艺特点为分类依据，可以将绝缘系统分成两种，分别是多胶模压结构和少胶VPI浸渍结构。两种结构在耐热等级上有所区别。这两种绝缘结构都能够满足大容量高压电极定子线棒主绝缘对电气、机械性能等方面的要求。区别在于多胶模压系统定子线棒的烘干固化过程需要在真空状态下才能完成。相较而言，多胶模压系统的工艺更加简单，而少胶VPI浸渍系统对工装设备的要求更高，因此工艺也更加复杂。但是后者的性能也相对要高一些。少胶VPI浸渍工艺可以有效的祛除绝缘中的潮气和空气，在真空环境下将树脂输入其中，切实保障绝缘的密实性，最大程度减少气隙的存在。经过这样一系列处理，绝缘导热性和耐久性都得到了极大的加强，可以有效的减少气隙放电现象的发生，减缓线圈的老化速度。此外，采用VPI浸渍工艺制作的线圈主绝缘性双面均匀，不会出现主绝缘厚度单边的情况。通多上述对比分析可见，采用少胶VPI浸渍绝缘结构的优势更强。
1.2选择导线
大容量空冷汽轮发电机定子线棒的宽高比较大，应该避免电磁导线绝缘的厚度过高，因此通常选用玻璃丝/涤玻丝包聚酰胺酰亚胺漆包铜扁线或是玻璃丝包烧结铜扁线，相较而言，后者的厚度更小，绝缘更坚固，制作出的线棒介损偏低，因此性能更强。因此在绝缘结构设计中常常选用后者进行定子线棒的制作。
1.3主绝缘材料的选择
为了保障绝缘结构能够应对18kV以上的电压，云母带的性能必须得到保障。当前阶段，我国国内广泛应用的是铜马环氧粉云母带，其中云母的含量保持在40%-60%之间。本次设计则采用的是瑞士一家公司生产的少胶云母带，其中云母的含量为180g/m2。
1.4确定绝缘厚度
根据国家对绝缘材料耐电强度的规定，在UN为18kV 的情况下，其瞬时击穿电压要高于110kV，其瞬时工频击穿场强应高于18Mv/m。为了达到这一标准，除了要选用耐电强度较高的云母带之外，还要对绝缘结构和绝缘层的厚度进行合理的设计。目前，国外很多公司的绝缘层厚度都保持在4mm-5.5mm之间。济杭州汽轮机厂生产的大容量空冷汽轮发电机的单边绝缘厚度为4mm。
1.5防晕结构的设计
电晕现象是因局部场强超出的临界场强导致的局部放电现象，这种放电现象会生成臭氧和氮氧化合物，对绝缘结构的性能造成严重的破坏。因此，对于额定电压高于18kV的发电机，要在其主绝缘内加装内部防晕结构，对导线换位处的空气隙进行屏蔽，改善角部电场分布，提高电场分布的均匀性。而对于主绝缘外部防晕结构，通常采用涂抹多级防晕漆或是在主绝缘外包多级防晕带的方法，相较而言，后者的应用效果更加显著，因為防晕漆在涂完之后很容易因外力受到损伤。在本次设计中，杭州汽轮机厂采用的是看两段防晕带一次加压成型的结构。
2.转子槽绝缘设计研究
空冷汽轮发电机转子的直径和其容量之间存在着十分紧密的联系，容量越大，直径也越大。同时，由于转子高速旋转会产生庞大的离心力，这就对转子部件的机械性能提出了较高的要求。在发电机中，转子处于定子中心部位，由于散热困难，因此在发电机运行的过程中，转子部件常常处于高温条件下。转子绕组励磁电压最高可达到几百伏，电流最大可达到一两千安。因此在选择转子绝缘材料的过程中，不需要过多的考虑耐电强度，要将重点放在机械性能、耐热性能以及耐腐蚀性能等方面。
杭州汽轮机厂生产的大容量空冷汽轮发电机的转子槽绝缘采用的是聚芳酰胺纸，该材料具备良好的耐高温性能、机械强度以及电气性能，可以在高温条件下长期运行。下表为该材料的各项性能。
通过表1的内容可知，聚芳酰胺纸完全可以用作大容量空冷汽轮发电机转子槽的绝缘材料，需要注意的是，聚芳酰胺纸的横向和纵向参数存在一定的差异，因此在实际应用的过程中应该予以注意，避免其性能的发挥受到影响。此外，这种纸的吸潮性较强，为了避免其潮湿度过高出现皱褶或是凹凸不平的情况，应该在实际应用之前对其进行烘干处理。同时，转子槽剧绝缘使用之前，要在其内外表面喷涂聚四氟乙烯润滑剂，最大程度的降低绕组和绝缘之间的摩擦，这样既能够为绕组的自由伸缩创造有利条件，同时也能够提高转子槽绝缘的使用寿命。
3.转子匝间绝缘的选用
转子材料虽然可以承受上万次的冷热循环，但是转子绕组和匝间绝缘的热膨胀系数存在差异，因此必须对匝间绝缘的热应力问题给予充分的重视。当前阶段，为了解决这一问题，最常用的工艺方法分为两种。其一，将匝间绝缘涂胶后热压到转子绕组上，匝间绝缘通常使用厚度为0.22mm的聚恶二脞纤维纸，该材料的耐热性能较强。但由于其机械性能偏差，在使用时需将其固定在绕组上。这种工艺的优点在于操作简单，不必对绝缘和转子绕组进行定位，但是由于铜导体和绝缘材料的膨胀系数存在一定的差别，会产生剪切应力和拉伸应力作用在匝间绝缘上。其二，将绝缘材料直铺在转子绕组上，不粘也不压，转子绕组和匝间绝缘可以的自由伸缩，不会因膨胀系数的差别形成应力。其优势在于在建绝缘的使用寿命较高，但是需要加设轴向定位。杭州汽轮机厂生产的大容量空冷汽发电机转子匝间绝缘采用的是第二种工艺方法，选用的匝间绝缘材料是厚度为0.2mm的应玻璃纤维层压板，其优点在于耐热等级高、抗蠕变性能强且机械性能良好，不需要将其固定在转子绕组上即可使用。
结语：综上所述，大容量空冷汽轮发电机绝缘结构设计的关键点在于定子和转子绝缘结构设计两个部分，在选用绝缘材料时，必须从电气性能、机械性能、热性能以及耐腐蚀性能等几个方面入手，结合国家相关规范，选择性能和质量过关的材料，如此才能保障大容量空冷汽轮发电机的稳定运行。
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作者简介
于超（出生年份1989年），性别：男，籍贯：吉林 长春 ， 职称：助理工程师，研究方向：热能与动力 身份证号：220122198908108152
（作者身份证号码：220122198908108152）