大型发电机多胶模压定子线棒绝缘材料与结构机械性能试验方法分析

机械性能试验方法分析

青晔1，陈阳1，刘洋2

（1.水力发电设备国家重点实验室(哈尔滨大电机研究所)，哈尔滨150040；2.哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨150060）[摘要]本文主要分析了大型发电机定子线棒多胶模压绝缘材料和绝缘结构的机械性能评定标准和方法。对多胶云母带和云母板材的机械性能指标进行简要分析，总结国内外定子线棒绝缘结构机械性能的评定方法。重点论述多胶模压绝缘结构热机械应力和电机械应力试验方法，介绍了多胶模压绝缘结构冷热循环试验、三点弯曲试验、冲击试验、疲劳试验、四点弯曲动态疲劳试验的方法和结果。本文为定子线棒及绝缘材料机械性能评定与优化、机械性能试验标准编制提供了重要的参考依据。[关键词]大型发电机；定子线棒；绝缘材料；多胶模压主绝缘；热机械应力；电机械应力[中图分类号]TM21[文献标志码]A[文章编号]1000-3983(2020)04-0034-05AnalysisofTestingMethodforInsulationMaterialandStructureMechanicalPerformanceofResin-RichMoldingStatorBarofLargeGeneratorQINGYe1,CHENYang1,LIUYang2

(1.StateKeyLaboratoryofHydro-powerEquipment(HILEM),Harbin150040,China;2.HarbinElectricPowerEquipmentCompanyLimited,Harbin150060,China)Abstract:Insulationmaterialandstructuremechanicalperformancestandardandmethodfor.com.cn. All Rights Reserved.resin-richmoldingstatorbaroflargegeneratorwerediscussedinthispaper.Mechanicalperformanceindexwasanalyzedbrieflyforresin-richmicatapeandmicaplate.Basedonthedomesticandinternationalstandards,mechanicalperformanceevaluationmethodforinsulationsystemofstatorbarwassummarized.Itwasmainlydiscussedthermal-mechanicalstressandelectrical-mechanicalstressmethod.Testingmethodsandresultswerepresentedforthermalcycletesting,three-pointbendingtesting,impacttesting,fatiguetestingandfour-pointdynamicbendingtesting.Thispaperprovidedimportantreferenceformechanicalperformanceevaluationandoptimizationaswellasmechanicalstandarddocumentationofstatorbarsandmaterial.Keywords:largegenerator;statorbar;insulationmaterial;resin-richmoldingmaininsulation;thermal-mechanicalstress;electrical-mechanicalstress0前言

多胶模压（RR）技术和少胶真空压力浸渍（VPI）技术是国内外应用最广泛的大型发电机定子线棒主绝缘制造（成型）技术体系。实践证明，这两项技术都可满足大型发电机定子绕组及线棒主绝缘的技术要求，并且可以保证定子线棒的长期稳定运行[1]。多年来，哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称哈电机）针对多胶模压主绝缘技术，开展研发工作，逐渐形成了独具特色的高电压主绝缘技术体系[2]。在主绝缘制造与评定领域，国内外已经制定了多项试验标准和评定方法[3-5]，其中绝大多数都涉及电应力和热应力，而关于机械应力影响的研究较少，特别是在电机械应力领域，尚无统一的绝缘结构试验方法。哈电机在定子线棒多胶模压技术的研制过程中，适时开展了定子线棒绝缘结构的机械性能试验，本文将针对试验方法、试验规程和典型数据进行讨论，为国内大型发电机领域绝缘材料与绝缘结构机械性能考核标准的制定提供参考。1

基金项目：国家重点研发计划（2018YFF0214301）多胶模压主绝缘技术发展历程及工艺

从1959年起，哈电开展全国电机核心技术——定2020.№4大电机技术35子线棒（圈）主绝缘的研发工作。采用TOA（桐油酸酐）环氧粉云母绝缘制造的定子线棒在葛洲坝电站13.8kV、125MW水轮发电机组中得到成功应用。上世纪70年代起哈电机着手进行高电压F级主绝缘体系的研究，于1988年成功应用F级桐马环氧粉云母绝缘体系。针对百万千瓦级火电机组、百万千瓦级核电机组、重型燃气轮发电机组、百万千瓦级常规水电机组和大型抽水蓄能机组的运行特征和电压要求，成功开发出可靠的高电压多胶模压主绝缘体系，保证了大型发电机组的安全运行[6]。典型的多胶模压主绝缘的制造工艺包括多胶云母带包扎，槽部低阻防晕带和端部高阻防晕带包扎，上模具加压，大电流加热固化等工序。为有效检验定子线棒绝缘制造质量，保证运行安全，除常规的绝缘材料、绝缘结构电气性能检测之外，针对多胶模压主绝缘，还适时开展了绝缘结构的机械性能评定。2试验标准及方法简述

多胶云母带基本性能确认和云母板材试样的性能试验是确定原材料质量和多胶模压压制工艺好坏的关键。拉伸强度是表征多胶云母带基本性能的参数之一，多胶云母带的拉伸强度试验标准和方法描述见表1。表1多胶云母带的拉伸强度试验标准和方法试验项目试验标准方法取至少5个试样，长200mm、宽25mm，拉伸强度GB/T以50mm/min恒速拉伸，记录拉伸强度和5019.2-2009[7]

伸长率，断裂负荷中值应不小于100N/10mm。多胶云母板材性能试验是初步筛选合理绝缘结构的重要方法。试验过程是将多胶云母带放置于自制的板材压制工具上，按照模压定子线棒制造工艺和相同的压缩量在压机上加热、加压制备板材，按照相关标准规定加工出试样。弯曲强度和冲击强度是考核云母板材试样性能的关键指标，检验多胶云母板材弯曲强度和冲击强度的方法见表2，通常采用性能比较法来确定待评多胶云母板材的机械强度。表2多胶云母板材的弯曲强度和冲击强度试验方法试验项目方法描述取样长度不小于被测试样厚度的20倍，宽度为10～弯曲强度25mm、厚度为4±0.2mm的5个试样，放在固定的夹具内，在室温或材料耐温等级下进行测定。从4～10mm的板材上取5个试样；若板材厚度大于10mm，冲击强度从板材的两面等量加工至10mm，放在固定的夹具内，对试样进行冲击试验。3试验标准分析

在发电机的设计运行寿命周期内，定子线棒绝缘将始终承受机械应力的作用，为确保发电机组的可靠运行，在制造厂内需要对定子线棒绝缘结构进行机械性能试验，后文总结了国内外标准中对于定子线棒绝缘结构机械性能试验的相关规定。3.1绝缘结构多因子老化试验电应力、热应力、机械应力和环境因素是影响定子线棒绝缘的主要因子，针对电应力和热应力已开展了较多的研究，GB/T17948.5-2016[8]标准规定了绝缘结构在热、电综合应力下耐久性的评定程序。振动台机械试验为多因子老化试验的诊断分周期，其试验频率为50Hz或者60Hz，最佳振幅为0.2mm或者0.3mm，与振幅相对应的加速度约为1.5g（约为15m/s2）。对于大型同步发电机定子线棒通常使用电热老化试验进行绝缘结构的性能评定[9,10]，常用的试验装置如图1所示，以老化时间限值评判试品的合格情况，试验程序中并不包含机械试验诊断分周期。端部防晕层测温元件金属加热板端部防晕层图1定子线棒电热老化试验示意图3.2绝缘结构热机械老化试验在IEEE434-2006[11]标准中将绝缘结构在机械应力作用下的老化机理区分为热机械老化和电机械老化，其中运行中的热机械老化是由发电机定子线棒铜导体、对地绝缘以及铁心部件的热膨胀系数不同所导致。IEEE1310-2012[12]标准规定的冷热循环试验是检验具有调峰运行工况和频繁启停工况的定子线棒绝缘结构抵抗热机械老化能力的试验，该标准于1996年首次出版，为试行标准，根据多年的实践经验，于2012年升级为推荐规程；国内技术专家在总结大型抽水蓄能机组和其他调峰表冷机组运行经验和线棒绝缘受力与劣化状态关系的基础上编制了T/CEEIA252-2016《大型旋转电机定子线棒冷热循环试验方法》[13]，标准中针对冷热循环的试验原理图如图2所示。.com.cn. All Rights Reserved.36大型发电机多胶模压定子线棒绝缘材料与结构机械性能试验方法分析2020.№4空气流动线棒试品大电流冷却风扇变压器图2冷热循环试验原理示意图3.3绝缘结构电机械老化试验运行经验表明，高压电机定子线棒绝缘的破坏在许多情况下是由于机械作用引起的，电机绝缘在制造和运行中会不可避免地遇到多种机械应力的作用。电机定子线棒绝缘所受到的机械应力主要包括：定子线棒在搬运和下线时受到的弯曲和扭力，绕组运行时热、电机械应力等。由于定子线棒在实际运行中将可能承受弯曲应力、疲劳应力和冲击应力的作用，而各种机械应力作用较为复杂，很难用统一模型来鉴定。不过考虑到机械应力对定子线棒安全运行的重要影响，为保证定子线棒绝缘的机械强度和运行可靠性，国内外各大公司都开展了关于绝缘机械性能的研究[14]。4多胶模压绝缘热机械性能评定

按照相关标准和用户合同规定，对具有频繁启停和调峰运行工况的水轮发电机、抽水蓄能发电电动机定子线棒进行冷热循环试验，要求所设计的绝缘结构的诊断试验指标在试验前后无明显变化，相应的试验程序见表3。表3通用的冷热循环试验程序序号关键程序程序说明1试品摆放试品（试验线棒）引线（铜导线/股线）串联/并联连接2试品加热通以直流或者交流大电流3试品冷却对线棒进行强制通风冷却4温度限值最高温度为绝缘热分级或者绕组运行的最高温度，最低温度为40℃5升降温速率2.5±1℃/min工频耐电压试验、绝缘整体性检查、槽部截面6常规性能试验尺寸测量、槽部低阻防晕层表面电阻（率）测试、介质损耗因数及增量试验和局部放电试验7击穿和短时击穿试验、逐级击穿试验、电老化试验、耐久性试验电热老化试验不同于电热烘箱加热方式，冷热循环试验通常采用内加热、外冷却的方式，其目的是使试验过程中主绝缘层间、主绝缘与铜导体间产生足够的温度梯度，如图3所示，有限元计算的结果表明冷热循环试验过程中设定的最高温度越高，试验过程中的最大温差越大，所产生的内剪切应力也就越大；为保证试验的准确性，本文针对多胶模压主绝缘结构所进行的冷热循环试验具有如下特征：（1）从测温线棒钻孔直径大小、热电偶传感器选择、热电偶传感器引出线的直径、孔内绝缘填充方式等方面进行比较分析，确定最佳测温方式；（2）在满足相关标准的加热、冷却原理的基础上，在冷却阶段使用可调式制冷压缩机调节箱内温度，在不同的箱外温度条件下，确保匀速降温；（3）冷热循环试验全周期内定子线棒的布置采用随机而不重复的方式进行排列，使被测定子线棒在有效循环周期内在试验箱中处于不同的位置。温度/℃温度/℃155130152128148125145123142121138118135116131114128128Min111111Min155Max

130Max

图3不同温升条件下绝缘层温度分布的比较图4~6所示分别为使用相同制造工艺设计制造的、代表大型高压发电机的4支额定电压为24kV的多胶模压定子线棒冷热循环试验过程中介质损耗因数增量（0.6倍额定线电压与0.2倍额定线电压下的差值）和局部放电量（相电压和线电压条件下）随循环次数的变化曲线。在整个试验过程中，介质损耗因数增量、相电压下的局部放电量和线电压下的局部放电量无明显变化；此外，定子线棒截面尺寸无明显变化，绝缘整体性能良好[15]。0.81号2号3号%4号/量0.6增数因耗0.4损质介0.20.0050100250500循环次数图4介质损耗因数增量随周期的变化.com.cn. All Rights Reserved.2020.№4大电机技术378001号2号3号4号600Cp/量电放400部局2000050100250500循环次数图5相电压下局部放电量随周期的变化1号8002号3号4号C600p/量电放400部局2000050循环次数100250500图6线电压下局部放电量随周期的变化5多胶模压绝缘电机械性能评定

5.1电机械性能评定简易方法概述在上个世纪80～90年代进行的F级桐马环氧粉云母绝缘体系开发的过程中，除进行常规的电老化、电热老化试验外，为比较和筛选出机械性能优异的F级桐马环氧粉云母绝缘体系，根据定子线棒绝缘实际运行中的受力特征，开展了简易的绝缘电机械性能评定试验。（1）试品要求以标准铝排线棒为试品，实心铝排作导线，横截面尺寸为51×13mm，五种桐马环氧粉云母绝缘采用多胶模压压制工艺，主绝缘厚度为3.5mm，采用表面涂刷防晕漆的方式进行防晕处理。（2）三点弯曲试验试验装置如图7所示。采用三点弯曲试验法，利用万能试验机在试品的中点施加压力，上压头和两下支点均为直径为30mm的圆柱体。压头运动速度为10mm/min，在施加压力的过程中，试品同时承受22.5kV的高电压作用。试品失效的判定终点为电气破坏，记录破坏时的压力值和位移。施加载荷施加高电压支撑点表面接地支撑点夹具图7标准试验线棒三点弯曲示意图（3）冲击试验试验装置如图8所示。使用悬臂梁、限幅、重物突然冲击的方式进行试验。其中重物质量为5kg，冲击高度为1500mm，限幅15mm。试品导体端头装一钢制夹具，重物直接冲击在夹头上。每冲击一次后将试品翻转180°。重复再冲击一次，之后进行30kV/min的耐压试验。重复上述循环，直至试品击穿，记录冲击循环次数。重物限幅支撑与固定装置图8标准试验线棒冲击试验示意图（4）疲劳试验疲劳试验装置如图9所示。试品以行程δ为±10mm、频率为10Hz，在夹紧状态下做往复振动，每间隔1～2h进行一次30kV/min耐电压试验，直至试品击穿，记录击穿时的往复振动次数。施加高电压行程施加与频率表面接地支撑与固定装置图9标准试验线棒疲劳试验示意图（5）试验结果与分析试品分为两组，每组3支试品，其中一组为未经过老化的原始状态，另一组为经180℃、3840h热暴露后再进行试验。根据国际标准中绝缘耐久性评定的基本原则，可通过参考绝缘结构和待评绝缘结构试验参数的比较确定待评绝缘结构的性能。结构Ⅳ为已具有20余年运行经验的B级TOA环氧粉云母绝缘结构，.com.cn. All Rights Reserved.3型发电机多胶模压定子线棒绝缘材料与结构机械性能试验方法分析2020.№4作为参考绝缘结构，其他4种作为待评绝缘结构，所表4弯曲试验结构名称结构Ⅰ结构Ⅱ结构Ⅲ结构Ⅳ结构Ⅴ原始状态压强/MPa53.953.255.555.955.2位移/mm8.410.18.310.810.7热老化后压强/MPa52.243.959.548.748.1位移/mm8.08.710.29.29.1得到的试验结果见表4。电机械性能试验数据冲击试验原始状态次数34.614.34热老化后次数5414.32疲劳试验原始状态次数6.2×1062.7×1058.9×1049.0×1065.0×105

热老化后次数3.3×1059.2×1059.2×1042.0×1053.7×105

通过比较可发现结构Ⅲ的冲击试验结果和疲劳试验结果偏低，在电性能和耐热性能相差不大的前提下，应谨慎选择结构Ⅲ。5.2四点弯曲动态疲劳试验简述如文献[16]所述，相比于前文所述的三点弯曲试验方法、冲击试验方法和疲劳试验方法，图10所示的定子线棒四点弯曲疲劳试验在两个加载点之间的剪力为零，弯矩相同，在有效考核部位构成纯弯曲的受力状态，加载点之间绝缘的横截面受到相同分布的正应力作用，失效点能够充分代表主绝缘的薄弱点。.com.cn. All Rights Reserved.图10定子线棒四点弯曲动态疲劳试验受力图为保证24kV级大型同步电机定子线棒多胶模压主绝缘结构的安全可靠运行，对标准试验线棒进行四点弯曲动态疲劳试验，试验的关键项分析如下：（1）选用性能优良的35CrMo合金结构钢作为基材，使绝缘先于钢材失效；（2）试验过程中定子线棒的中点变形最大，在中点表面粘贴应变片并外接挠度计，有效监测最大变形处的应变变化和最大挠度；（3）纯弯曲受力状态，有效考核绝缘薄弱点的层间绝缘机械强度；（4）与初始载荷应变进行比较，以应变比变化20%以上作为绝缘疲劳失效的判据。在标准试验线棒疲劳失效，即应变比变化20%以上的条件下，进行工频击穿试验，试品的击穿电压水平未发生明显下降[16]，证明了主绝缘结构的耐电机械劣化的可靠性。6结论

（1）本文从绝缘材料机械强度判定标准与方法、绝缘结构机械性能试验标准、热机械性能、电机械性能评定4个方面论述了大型发电机定子线棒绝缘的机械性能，优异的机械性能是发电机定子绕组可靠运行的保证；（2）温度梯度是决定热机械性能（冷热循环）试验的关键因素，应合理确定钻孔直径大小、温度测量系统及保温方法，保证试验准确度；（3）在多胶模压主绝缘研制过程中，适时开展三点弯曲试验、冲击试验、疲劳试验、四点弯曲动态疲劳试验，以作为绝缘结构筛选的依据，并为国内外制定统一的定子线棒绝缘机械性能评定方法提供参考和依据；（4）热机械性能试验和电机械性能试验证明了本文所述的大型发电机定子线棒多胶模压绝缘结构具有优异的耐机械劣化性能。（下转第57页）2020.№4大电机技术57[M].北京：中国水得水电出版社,2009.[7]李浩良,冉旺.水内冷发电机定子线棒整体更换及其试验探讨[J].广东电力,2016,29(5):20-25.[8]吴宣东.大型同步机直流泄漏异常原因探讨及预防措施[J].大电机技术,2014(7):243-245.[9]蒋大伟,于龙滨,牛李,等.发电机直流耐压试验泄漏电流不平衡原因分析[J].东北电力技术,2018,39(1):30-34.[10]斯通.旋转电机的绝缘:设计、评估、老化、试验、修理[M].中国电力出版社,2011.[11]杨贵恒,贺明智,金钊.发电机组维修技术[M].北京:化学工业出版社,2007.[12]GB50150-2016,电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].[13]JB/T6204-2002,高压交流电机定子线圈及绕组绝缘耐压试验规范[S].北京：全国旋转电机标委会发电机分会,2002.[14]冉旺,张征平,林德泉,等.发电机直流耐压试验泄漏电流过分的分析处理[J].广东电力,2016,29(5):92-96.[15]毛雷平,吕嘉琛,金泱,等.1000MW级发电机直流耐压及泄漏电流异常分析及处理[J].内蒙古电力技术,2017,35(4):53-56.[16]郭伟.发电机定子绕组现场干燥处理方法探讨[J].广东电力,1997(5):70-71．[17]DL/T1524-2016,发电机红外检测方法及评定导则[S].[收稿日期]2019-06-29[作者简介]李浩良（1990-），2013年7月毕业于华南理工大学广州学院电气工程及其自动化专业，工学学士，从事大型发电机绝缘试验及故障分析工作，工程师。*********************************************************************************************（上接第38页）[10]NB/T42005-2013,高压交流电机定子线圈对地[参考文献]绝缘电热老化试验方法[S]..com.cn. All Rights Reserved.[1]潘延明，陈阳.环氧粉云母多胶模压绝缘技术的开发和优化[J].绝缘材料,2016,49(2):38-43.[2]卢春莲.哈电绝缘核心技术自主发展50年[J].大电机技术,2010(4):1-4.[3]DanZLATANOVICI:Criteriaforassessingtheelectricgeneratorstatorinsulationcondition[C].CIGRE2013.F.T.Emery.Partialdischarge,dissipationfactor,andcoronaaspectsforhighvoltageelectricgeneratorstatorbarsandwindings[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation2005Volume:12,Issue:2.347-361.斯通.旋转电机的绝缘:设计、评估、老化、试验、修理[M].中国电力出版社,2011.徐冰,李振海,等.1000MW水轮发电机定子线棒绝缘技术的研究[J].绝缘材料,2012,45(3):16-21.GB/T5019.2-2009,以云母为基的绝缘材料第2部分：试验方法[S].GB/T17948.5-2016,旋转电机绝缘结构功能性评定成型绕组试验规程热、电综合应力耐久性多因子评定[S].NB/T42004-2013,高压交流电机定子线圈对地绝缘电老化试验方法[S].[11]IEEE434-2006,IEEEGuideforFunctionalEvaluationofInsulationSystemsforACElectricMachinesRated2300VandAbove[S].[12]IEEE1310-2012,IEEERecommendedPracticeforThermalCycleTestingofForm-WoundStatorBarsandCoilsforLargeRotatingMachines[S].[13]T/CEEIA252-2016,大型旋转电机定子线棒冷热循环试验方法[S].[14]袁晓红,孙永鑫,张洋.百万等级核电定子模压线棒的特性研究[J].大电机技术,2013(6):37-40.[15]张秋寒,潘延明,孙永鑫.白鹤滩水轮发电机绝缘系统研制[J].水电与抽水蓄能,2019,5(1):20-25.[16]冯超,等.大型水轮发电机定子线棒绝缘结构与关键性能分析[J].大电机技术,2018(1):15-18.[收稿日期]2019-08-16[4][5][6][7][8][作者简介]青晔（1986-），2012年4月毕业于哈尔滨理工大学高电压与绝缘技术专业，硕士研究生，现从事绝缘技术方向研究，工程师。[9]