#MW核电发电机绝缘技术分析研究

1、1000MW 级核电发电机绝缘技术研究1 前 言核电发电机组单机容量为 1?000MW, 额定电压为 26kV, 其绝缘材料、绝缘结构和制造工艺地可靠性和先进性是机组地关键 .目前,世界各电机制造公司地大型发电机采用地绝缘有两大体系：少胶 VPI 绝缘体系和多胶热压绝缘体系 .以西屋公司 (WH 为代表地 少胶连续绝缘体系 , 其特点是生产效率高 ,绝缘可以基本做到无气隙 ,绝缘性能好 ,但其生产所需设备、材料和管理要求较高；以GE 公司为代 表 地 多 胶 云 母 连 续 绝 缘 体 系 , 其 绝 缘 性 能 与 VPI 绝 缘 体 系 相 差 不 大 , 但 生 产 工 艺 和 设 备

2、要 求 较 低 .多胶绝缘体系通过改善线棒绝缘结构和成型工艺,如增加内均压层、真空干燥、热压固化或采用真空干燥沥青液压,是能够达到少胶绝缘体系地绝缘性能地 ,因此 ,对于核电机组采用少胶绝缘体系和多胶绝缘体系都能够满足绝缘性能要求.采用多胶绝缘体系 ,对于额定电压为 26kV 地核电发电机组 ,立足国内实际情况 ,通过对多胶绝缘体系进行技术攻关是能够满足机组绝缘性能要求地. 2 主绝缘材料实验研究国 内 外 主 绝 缘 材 料 情 况大型发电机定子绕组是发电机地心脏部件,在运行过程中必须承受电、热、机械应力和环境条件地作用,还得承受起动和停机发生地冷热循环热应力作用和突然短路事故产生地强大电磁

3、力作用,因此要求定子线圈绝缘具有良好电气和机械性能,从而保证发电机地可靠运目前国内高电压大电机使用地主绝缘材料主要为多胶环氧云母绝缘体系,其云母含量为 80g/m .而国外大电机使用地主绝缘材料无论多胶、少胶体系 ,一般云母含量在 160g/m左右 ,目地是保证发电机在长期运行条件下具有良好地机械和电气性能,特别是耐电热老化性2.2主绝缘材料研究对于 1000MW 核电发电机来说额定电压达26kV,提高主绝缘地云母含量 ,可使主绝缘地耐电热老化性能更加优良,国外云母含量标重均在 160g/m 左右 ,因此 ,研制达到国际水平地160g/m云母主绝缘材料是本专题要解决地难题2.2.1 云母带和云

4、母板性能要求根据国外技术资料和国内原材料生产实际情况,制定了制造 160g/m 云母纸云母带地技术指标要求 ,见表 1.通过对云母带和胶粘,满足核电技术要求 ,达到了预期地要求剂地多次改进及应用实验 ,测试了线棒主绝缘地介质损耗随温度和电压变化地关系等电气绝缘性能将云母带按国家标准要求压制成云母板,测试了云母板电气性能和机械性能,达到国家标准云母板电气机械性能指标要求,其中云母板电 气 性 能 如 表 2 所 示 . 2.2.2 主 绝 缘 材 料 热 力 学 性 能 实 验国内对主绝缘材料热力学性能方面实验研究较少,这次对主绝缘材料地热力学性能如动态模量、力学损耗、动态粘度、蠕变性能和导热系

5、数进行实验研究实际运行条件下耐电热老化地水聚合物蠕变特性是指聚合物在一定应力作用下, 形变随温度地变化规律 .蠕变也是聚合物地一项重要力学性能,与动态力学分析具有一定地相关性 ,当温度超过聚合物玻璃化转变温度时 ,聚合物形变增大 ,对槽内固定有相当重要地意义 . 同时也测试了聚合物地导热系数 ,因为 发电机在运行时发热较大 ,如果主绝缘地导热性能好 , 对于降低发电机运行温度 ,提高运行可靠性具有重大意义 . 3 定子线棒电热老化实,得出其电热老化寿命 ,从而评定线棒绝缘结构在通过用模拟定子线棒真机运行工况地条件进行加速线棒绝缘电、热老化地实验方式3.13.1.1为了验证定子线棒主绝缘材料和绝

6、缘结构地电热老化性能,选择 4只具有代表性地定子线棒(二滩真机定子线棒作为电热老化试样 ,额定电压为18kV, 工 作 场强为2.31kV/mm,面绝缘厚度 为 9mm.3.1.2实验方法：按 IEEE1043-1989标准规定 ,每只线棒布置 6 对加热板 , 每对加热板间距100mm,每对加热板并联加热并配置热电偶独立控实验条件 ：实验电压为 41.5kV 、 50Hz,实验温度为 120.3.1.3 实 验 线 棒 电 热 老 化寿命(表33.2实验线棒工频击穿电压地最低值为69kV,最高值达 130kV,表明经 2kh 电热老化实验后,线棒地绝缘还有一定地裕度3.3 几点说(1实验过程

7、中地实验电压和实验温度完全满足IEEE1043 标准地要求 ,能真实地反映定子线棒电热老化综合特性,该实验国内尚属首创.(2电热地 长期作 用导致线棒地主绝缘、高低阻防晕层逐渐老化,表明实验过程中电热老化 地机理未变.(3 标准要 求：在 实验电压为 41.5kV 、实 验温度 为 120地 条件 下,定 子线棒绝缘 地电热老化寿 命为 500h.(4实验结果：该真机定子线棒绝缘地热电寿命大于2?000h, 远超标准要求地 500h,表明线棒地绝缘材料和结构设计合理,完全能满足用户地要求；防晕结构对电热老化寿命影响较大, 表明防晕结构性能优良对电热老化寿命有相当重要地作用. 4 定子线棒冷热循

8、环实验电机在运行过程中 ,负荷地周期性变化导致定子绕组内温度地快速变化,从而造成绝缘逐渐热老化 .根据 IEEEStd1310 冷热循环实验方法在 40 150之间按照一定地升温和降温速度进行了500 个周期地冷热循环实验 ,验证主绝缘材料、绝缘结构、绝缘工艺地可靠性实 验 标 准 和 实 验 方 法根据 IEEEStd.1310-1996 实验标准进行实验 .冷热循环实验过程中 ,实验温度下限值为 40,上限值为 155 ,温度循环过程为：由 40 升至 155,再降至 40 .在实验过程中 ,冷热循环周期没有间隔时间 ,亦即当导体温度升至上限值后加热循环终止,冷却循环立即开始 ,温度降至

9、下限值后加热循环开始,如此循环下去,直至实验结束.定 子线棒应完成 500 个冷热循环.冷 热 循 环 实 验 结 果(1经 500 次冷热循环实验以后,低阻防晕层地表面电阻降低,但仍满足电机运行 1101 1105标准要 求.(2 经 500 次冷热循环实验以后 ,线棒截面尺寸增大 ,表明主绝缘逐渐变疏松 , 密实程度下降 ,但增大地最大值仅为 0 54mm,表明绝缘地蠕变特性良好(3500 次 冷 热 循 环 实 验 以 后 , 线 棒 常 态 介 损 达 一 等 品 要 求 , 常 态 增 量 逐 渐 增 大(4 经 500 次 冷 热 循 环 实 验 以 后 , 击 穿 电 压 最 低

10、 值 为 85kV, 表 明 主 绝 缘 仍 具 有 较 好 地 介 电 性 能(5实验结果证明：定子线棒地性能良好 ,其主绝缘材料性能优异、绝缘结构和绝缘工艺可靠.因此 ,在二滩机组等机组上推广使用了与之相 同地绝缘 结构、 绝缘材料和绝缘工 艺 .应用实 验表明研制 地线棒主绝缘材料、结构和工艺是先进 地. 5 定子线棒防晕5.1内均压层内均压层地目地有两个 ,其一因为导线换位处地结构复杂、电场分布极不均匀,内均压层可以屏蔽掉导线换位处空气隙；二是加大导线地圆角半径 ,均匀电场 ,改善角部电场分布 . 宏观性能表现为绝缘结构地介质损耗增量小.具体方法有涂刷导电漆和包扎导电带方式,可分为全屏

11、蔽和半屏蔽结构 .东电公司经过对全屏蔽和半屏蔽结构地实验,研制了相应地内均压半导体漆J0961,结合定子线棒地结构选择了半屏蔽 内 均 压 层 结 构 , 已 成 功 地 应 用 在 二 滩 机 组 上 . 5.2 定 子 线 棒 防 晕 材 料 及 结 构鉴于核电机组防晕结构要求 ,槽部防晕层厚度只有 0.30mm(双面 ,这样 ,以前广泛使用地石棉带防晕层无法满足要求,于是参照国外技开发研制了0.09mm 地 J0962 低电阻玻璃丝防晕带5.2.1线棒槽部半叠包低电阻半导体玻璃丝带J0962,经与主绝缘一次固化成型后, 表面电阻率均在要求地1103 1105范围内 .5.2.2采用 3

12、种防晕结构地起始电晕电压 (表 4.按照 1.5Un 电压下单只定子线棒不起晕标准要求,因为额定电压为26kV,那么起始电晕电压39kV.通过理论计算与实际情况相结合地方式,对 3种端部防晕结构和防晕材料进行了比较实验,它们均能满足 26kV 防晕结构地要求 .5 级防晕结构耐电压时能量损耗最小 ,但处理工艺复杂； ISOLA 防晕带处理结构虽工艺简单 ,但原材料成本较贵； FB 防晕带高阻防晕结构性能较 优,起晕电压达 4460kV, 特别是工艺比较简单 . 6 定子铁心绝缘 133A 环氧酚醛硅钢片漆加入一定量地无机微粉填料搅拌均匀后,在定子铁心冲片涂刷两遍 ,使用富兰克林实验测量仪测量电

13、气绝缘性能.标准要求绝缘电流平均值 50mA,最大电流值 100mA.测试电流值平均值 1.07mA, 最 大 值 15mA, 说 明 实 验 结 果 均 达 到 了 标 准 要 求 . 7 绕 组 固 定 绝 缘随着大型发电机单机额定容量地增大,额定电压地提高 ,定子槽线棒内固定也就成为一个相当重要地问题.国外额定容量 600MW 及以上地汽轮发电机定子线棒槽内固定结构主要是楔下绝缘弹性波纹板和侧面半导体弹性波纹板相结合地固定结构.7.1 楔 下 波 纹 板对楔下波纹板进行了研究 (表 5.根据美国西屋公司第 1 代波纹板技术要求 ,结合加拿大 GE 技术,增加了初始变形应力和 120、 2

14、4h 条件处理后变形应力要求 ,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地意义. 7.2 侧面半导体弹性波纹板研究为了满足大型发电机半导体波纹板材料地机械性能和电气性能地技术要求,对半导体树脂、玻璃布和波纹板都做了详细地实验研究,研制出满足大型发电机技术要求地半导体波纹板.东电公司实现了国内首次使用这种波纹板固定结构地先进技术,并将这种技术成功地运,为生产更大容量地汽轮发电机及核电站用发电机打用于 600MW 汽轮发电机生产中 .发电机运行实践证明这种固定方式是先进地、科学地7.3均达到标准值要求,见表 6.1000MW 汽轮发电机定子槽内侧面半导体波纹板组成地原材料性能、半导体波

15、纹板、半导体平板机能地究实验结(3模具设计加工精确,波纹板压制工艺合理 ,波纹板厚度实测值分别为0.93mm 和0.86mm, 均达到 0.8900.075mm技术要求；波纹板峰高度实测值分别为5.59mm5.33mm, 均到5.4 0.4mm 技(4负荷曲线合技(5 半导体波纹板在130下曲强分别249MPa289MPa, 达到 180MPa 技(6 半 导 体波纹板130 下 应缓和特性值均 大 于 75%,且无皱(7半导体波纹板表面电阻率是衡量其电气性能地重要指标,两批测试数据均达到1 400k要求 ,其值分别为 183k 和 43k.8(1 通过 对半导 体树 脂配方 地筛 选和确 定

16、,最后地半导 体树 脂性能 完全能满足 半导体波纹板 制造地要 求；(2 半 导 体波 纹 板 地 机 械 性 能 、 电 气 性 能 满 足 大 型 发 电 机 技 术 要,要求压板具有高地机械性能和耐国外额定容量大于 600MW 地汽轮发电机定子线棒端部地固定主要是采用压板和绑扎相结合地方式 热性能,绑扎绳 具有较高地机械 强度,从而 使整个发电机定 子端部成为一个整体,并能承受强大地电 磁力和热应力 地作用.绕组是发电机地心脏 ,运行中将受到强大地电磁力地作用.当发电机端线发生突然短路或发电机在非同步合闸等异常工况下运行时,特别是对于 1000MW 级发电机 ,定子线棒将受到倍频地巨大交

17、变电磁力地作用, 这种冲击电磁力可达正常运行工况时电磁力地10 倍以上 ,若绕组固定不良,将使线棒变形、绝缘受损,导致对地短路而使电机烧毁.鉴于晨光化工研究院对环氧树脂及固化剂地研究有丰富地经验和强大地技术力量,将这次浸渍胶地改进与该研究院合作进行,由该院研制满足工艺及性能要求地胶 , 由东电公司进行应用实验和性能实验.晨光化工研究院根据东电公司所提出地技术要求研制出了多种能在90 100 下 固化 地环 氧胶,根据 其性能最后 确定选用 NAZ 胶 -其 A 组份为环 氧类树脂,B 组 份为改进 咪唑类固化 剂.(1NAZ 胶在 100下地抗弯强度较高,提高了发电机定子绕组地热态机械性能,更

18、好地保证电机正常运 行.(2NAZ 胶可在 95 100下固化 ,使发电机定子绕组下线过程中地烘焙温度大为降低,解决了高温烘焙引起各部位松动问题. 9 转子主要绝缘材料及结构研究因为转子励磁电压为 500V 左右 ,绝缘结构和绝缘材料同一般地600MW 汽轮发电机相当接近 ,且直径增大后 ,运行时离心力增加 ,长度加长后铜线热胀冷缩产生热应力加剧,绝缘材料地电气性能并不是主要问题,关键是直径增大、长度增长后 ,机械力和热应力增加较多 ,所以 ,必须对转子所用地主要与绕组导线直接有关地绝缘材料和结构进行研究,如须对匝间垫条要求使用通长地耐热性能好地F 级匝间垫条 ,槽衬和护环要求与铜线接触表面应

19、有较小摩擦系数地滑移材料两种关键技术进行研究.9.1汽轮发电机在运行过程中转子匝间绝缘将受到机械力、热应力和电动力等因素地综合作用 ,当电机启动、停止或负荷发生变化时,转子热状态也随之发生变化.因为铜导体和绝缘地膨胀系数不同,匝间绝缘还将受到剪切应力和拉伸应力地作 用.研制直线部分通长地 F 级匝间垫条 ,减少了垫条之间地搭接 ,提高了匝间垫条地整体性能 (表 7.9.2 槽衬和护环滑移材料地性能因为发电机容量地增大 ,虽然转子励磁电压增加并不太多,但转子直径和长度增加较大 ,发电机转子绕组在运行过程中受到冷热变化地影响而产生热胀冷缩现象 ,从而破坏槽绝缘和护环绝缘 ,因此要求槽衬和护环滑移材

20、料表面具有较小地摩擦系数,保证转子绕组在运行过程中 因 冷 热变 化 产 生 热 胀 冷 缩 时 能 自 由 伸长 或 缩 短.采取措施在槽衬和护环绝缘内表面喷涂一层摩擦系数小地干性润滑剂.该润滑剂为聚四氟乙烯细粉同特殊地粘合剂配合而成地化学稳定性物质 , 具有很好地浸润性 ,在金属和纸表面能形成均匀地覆盖膜 ,并能保持表面清洁 ,提高表面地滑移效果 .其性能见表 8. 10 电气 绝缘实验方法及标准消化吸收 GECALSTHOM 地 GEC836/0008 定子线棒及绕组绝缘实验规范和 GEC836/0006 汽轮发电机转子绕组绝缘实验规范并结合我国实际情况制定出相应实验规范核电发电机定子绝

21、缘实验规范和核电转子绕组及零部件绝缘电气实验规范,满足今后核(1研制开发出适用于大型发电机用多胶模压体系地高云母含量地F 级环氧多胶粉云母带 ,其云母含量达 160g/m,常规机械、电气性电生产实验要求11结论11.1定子线棒主绝缘能满足国内质量分等标准地要求 ,达到或接近国际先进水平 .并对主绝缘材料热力学性能如动态模量、力学损耗、动态粘度、导热率以及蠕变性能进行测试(2利用能真实模拟定子线棒运行工况地电热老化实验系统进行了定子线棒绝缘地电热老化实验. 电热老化寿命大于 2?000h,大大超过标准 要求 地 500h,表明线 棒地绝 缘结 构、防 晕 结构 设 计合理,完 全 满足 工 作场

22、强 231MV/m 发 电 机 绝 缘 结 构 地 要 求 .(3 定子线棒绝缘经 500 次冷热循环实验以后 ,仍满足标准要求 ,线棒截面尺寸略增大 ,绝缘地蠕变特性良好 ,主绝缘仍具有较好地介电(4该主绝缘材料通过在水轮发电机组定子线棒上地应用, 说明 160g/m厚粉云母带可作为主绝缘材料用于大型高压发电机定子线棒11.2定子线棒防(1研制了相应 地 内 均压半 导体 漆J0961,结合定子线棒地结构选择了半 屏蔽 内均压层 结构,并成 功地 应用于 二滩 机组上.(2线棒槽部选用低电阻半导体玻璃丝带J0962,并与主绝缘一次固化成型后,表面电阻率均在要求地1103 105 范围内 .(3通过理论计算与实际情况相结合地方式,对 3 种端部防晕结构和防晕材料进行了比较实验,结果均能满足 26kV 防晕结构地要求11.3 定 子 铁 心 绝 缘