朱涛 覃诚群

摘 要：介绍了高原用高压发电机定子绕组匝间绝缘、对地绝缘结构设计以及防晕措施，并成功应用于海拔4300m、电压10500V、容量为2875kVA的JFG高压三相同步发电机上。为高原用高压发电机定子绕组绝缘结构设计提供了借鉴和思路。

关键词：高原用高压发电机 定子绕组 绝缘结构 设计应用

中图分类号：TM307 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（b）-00-03

随着工业和科学技术的发展，高压设备的广泛使用，对高压电力的需求日益增加，以前高压电力主要通过电网系统获得，对于水力、火电、燃汽等自然资源丰富的地方，可以不依赖电网，通过高压发电机直接获得高压电力，从而降低电力成本。同时，随着国民经济的迅猛发展，能源和环境问题已逐渐成为世界性问题，近年来我国经济面临的资源、环境压力日益突出，加快发展构建绿色能源体系将成为国家产业发展方，从而改善电网供电结构。以风能、太阳能、地热能、生物质能、各种燃气发电等清洁、低碳和可再生能源将快速发展，可以满足局域网供电或并网供电。因此，对高压发电机的需求将越来越多，同时对高压发电机的技术要求也越来越高，使用环境地点条件也将越来越复杂，有高海拔、高寒、高温、高潮濕、高腐蚀和盐碱等。

在高压发电成套设备中高压发电机的绝缘结构系统非常关键，它不但体现了高压发电机的技术水准，还决定了高压发电机的运行可靠性和使用寿命。而高压发电机的定子绕组绝缘结构是高压发电机的核心，其技术水平在很大程度上由所选用的绝缘材料、绝缘结构和绝缘处理工艺决定的，对于高压发电机来说，其绝缘结构系统的水平就代表了发电机的整体水平。

1 高原用高压发电机定子绕组绝缘结构

高压发电机定子绕组绝缘结构主要包括匝间绝缘和对地绝缘厚度的选定、绝缘材料的确定和防晕措施。

1.1 匝间绝缘选取

发电机定子绕组运行过程中，其瞬态过电压远远高于匝间工作电压，而且多次过电压有一定的累积破坏效应 ，有可能使匝间绝缘击穿。而且现场使用经验表明，定子绕组大多数故障都是由匝间绝缘损坏开始，而最终导致绝缘对地击穿。所以，匝间绝缘研究是高压发电机绝缘中重要组成部分。

在过电压徒波的作用下，绕组相端首匝将出现最大的过电压Us（幅值），所以设计时匝间绝缘的耐冲击击穿电压应高于Us。

Us=Uc·△t/Tf （1）

式（1）中：Uc为冲击过电压，一般取3.5Un（kV）；

△t为徒波冲击经过线圈一匝所需时间，△t=2L/V（μs），其中V为绕组槽部波速m/μs，L为铁心长度（m），V=0.25×1000××，δi指定子绕组对地绝缘单边厚度（mm），hs指定子槽深（mm），bs指定子槽宽（mm）；Tf为冲击过电压波前时间，一般取1.5μs。

在我司产品JFG 6303-4/10500V-2300kW（2875kVA）高原4300m用高压发电机设计应用中，预选定子绕组对地绝缘单边厚δi=4.2，定子槽深hs=70㎜，定子槽宽bs=16，定子铁心长L=0.7m。

则：

V=0.25×1000××=0.25×1000×× =29.3m/μs

△t=2L/V=2×0.7/29.3=0.0478μs

Us=Uc·△t/Tf=3.5×10500×0.0478/1.5=1171V

而Usmax=0.35，Un=0.35×10500=3675V

所以，1171V<匝间冲击击穿电压<3675V。

定子绕组若采用自粘性玻璃丝包云母带绕包铜扁线SBEFB，其弯曲后击穿电压为4kV，完全满足上述要求。考虑到该产品应用于高原海拔4300m特殊环境下，要求可靠性更强，决定采用自粘性玻璃丝包亚胺薄膜绕包加双层云母带绕包铜扁线SBMXB-60/180-2N，其击穿电压可达5.5kV，提升近40%左右，确保产品的可靠性。

1.2 对地绝缘厚度的选取

高压发电机定子绕组对地绝缘是绝缘结构的主要部分，其厚度的选取需综合考虑产品制造过程中多次耐压破坏的积累效应、绝缘层的紧密性、绝缘材料本身的耐老化能力以及机器运行的机械振动变形等因素。

单边绝缘厚度可按下式估算：

δi≥K·Un/Eb（mm） （2）

式中：Un为额定电压，kV；

K为储备系数，一般取7～9；

Eb为绝缘结构的原始击穿场强，kV/mm，一般取23～30 kV/mm；

δi≥K·Un/Eb=8×10.5/23～30=3.65～2.8（mm）

在JFG 6303-4/10500V-2300kW（2875kVA）高原用高压发电机设计中考虑到高原特殊环境，选取δi=4.2，比最大值高出15%左右。

1.3 对地绝缘材料的选取

高压电机运行的可靠性和使用寿命，很大程度上取决于主绝缘材料的性能，要求主绝缘材料具有良好的电气性能、具有良好的耐热稳定性能和良好的机械性能。确定绝缘材料关键要考虑材料的介电强度，要求材料介电强度最小应大于绝缘耐压试验电压。当前高压电机常用的绝缘材料为环氧玻璃粉云母带，有多胶带、中胶带、少胶带。多胶带已很少使用，中胶带主要用于模压成型线圈，少胶带主要用于VPI真空处理工艺。随着材料技术的不断进步，VPI真空处理工艺在当前电机制造中已被普遍采用，使电机具有更良好的电气性能、机械性能、耐腐蚀性和耐环境性。在JFG 6303-4/10500V-2300kW高原用高压发电机设计中，选用J5444-1环氧玻璃粉云母带，其固化前、固化后的介电强度均不小于35MV/m，去对地绝缘δi=4.2mm，固化后δi1=4.2×0.8=3.36mm。由于线圈绝缘固化后绝缘耐压试验电压UT=2.75Un+4.5kV=2.75×10.5+4.5=33.375kV，3.36mm的绝缘厚度介电强度最小为3.36×35=117.6kV，考虑线圈不均匀度50%，3.36mm的绝缘厚度介电强度最小为117.6kV×50%=58.8kV>UT=33.375kV。

1.4 防晕措施

高压电机定子绕组在端部槽口及径向通风道槽口处，由于线圈绝缘表面的电场分布不均匀，当局部电场强度达到一定数值后，在空气中产生电离发生局部放电，出现蓝色的荧光，并伴有呲呲的声音，这种现象即为电晕。电晕会产生臭氧及氮的氧化物，它们与潮气结合成有害的酸性物质会腐蚀绕组的绝缘；电晕还会使绝缘局部发热，加速绝缘老化，严重时将迅速破坏绝缘。因此，高压电机的绝缘防晕处理是非常重要的，特别是在高原环境下，空气稀薄，一旦发生电晕后果非常严重。绕组容易产生电晕的部位有槽部、端部、端部相间。

1.4.1 槽部防电晕处理

由于绕组绝缘表面与铁心槽部之间存在间隙、通风道槽口电场分布不均匀，都会使绕组与槽部结合处发生电晕。为了有效防止电晕的产生发生有害影响，采用在绝缘层表面加上低电阻的防晕层，可以涂刷半导体低阻漆或包扎低阻带方法，同时铁心槽内要喷涂半导体低阻漆，这样使通风槽口电场分布趋于均匀，降低轴向电场；同时低阻漆与槽壁接触，可将该处间隙有效短路，使产生电晕的可能性尽量减少。涂刷半导体低阻漆时需要搅拌均匀，否则漆的不均匀会造成电位分布不均匀从而再次发生电晕。

1.4.2 端部防电晕处理

端部电晕防止主要是解决绕组端部出槽口处的电晕，其产生的原因是由于绕组端部绝缘表面的泄漏电流向铁心方向递增，因此出槽口处绝缘表面的压降最大，也是最容易产生电晕的部位。所以通过调整端部表面防晕层的电阻率使端部电位分布均匀化来避免电晕的产生。即采用防晕层电阻率向铁心方向递减的方法，而且低阻防晕层与高阻防晕层搭接20～30mm，高阻防晕层一直延伸至线圈端部的引线部位，可以获得较高的防晕效果。

1.4.3 端部相间防晕处理

端部斜边间隙大小与端部起晕电压成反比关系。因此，防止端部电晕产生就是用适形材料加绝缘件将端部线圈间进行间隔，用涤玻绳绑扎固定，经浸渍处理固化后，将涤玻绳涂刷上高阻漆，使其与端部绝缘粘结良好以消除涤玻绳处起晕。

2 试验测试及结果

（1）根据相关要求，高原高压电机线圈的起晕起始电压应不低于：

Ubs=1.5Un（1-KHs）/（1-KHa） （3）

式（3）中，Ubs为线圈的电晕起始电压，单位kV；

Un为电机的额定电压，单位kV；

K为电晕起始电压随海拔升高的递减率，取K=0.1， 单位km-1；

Hs为电机试验地点的海拔，單位km；

Ha为电机安装地点的海拔，单位km；

在海拔4300m电机线圈的起始电压最低值为：

Ubs=1.5×10.5×（1-0.1×1）/（1-0.1×4.3）=24.87kV

（2）电机绕组的起晕起始电压值应不低于：

Uis=1.3UΦ（1-KHs）/（1-KHa） （4）

式（4）中，Uis为电机绕组的电晕起始电压，单位kV；

UΦ为电机的额定相电压，单位kV。

在海拔4300m电机线圈的起始电压最低值为：

Uis=1.3×6.062×（1- 0.1×1）/（1-0.1×4.3）=12.44kV

（3）试验结果：按上述方案设计的JFG 6303-4/10500V- 2300kW，线圈匝间绝缘顺利通过工频39kV耐压、5个脉冲，绕组嵌入铁心并连接通过后工频22.5kV耐压、5个脉冲的试验；线圈对地绝缘顺利通过工频43.39kV耐压、1min的试验，绕组嵌入铁心并连接通过后工频，33.41kV耐压、1min的试验；线圈起晕电压约30kV>24.87kV；绕组起晕起始电压约15kV>12.44kV。

3 结语

本文对高原用高压电机定子绕组绝缘结构进行了分析，给出了设计依据和方法，并应用在JFG6303-4/10500V-2300kW高压发电机中，产品自2014年至今均正常运行，状况良好，受到用户的高度认可。为开发高原用高压发电机确定绕组绝缘结构体系提供了借鉴和思路。

参考文献

[1] 上海电器科学研究所编.中小型电机[M].北京：机械工业出版社，1986.

[2] 上海电器科学研究所编.国外变频调速电机研究综述[Z].1998.

[3] 徐君贤.电机与电器制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2000.