#MW核電發(fā)電機絕緣技術分析研究

1、1000MW 級核電發(fā)電機絕緣技術研究1 前 言核電發(fā)電機組單機容量為 1?000MW, 額定電壓為 26kV, 其絕緣材料、絕緣結構和制造工藝地可靠性和先進性是機組地關鍵 .目前,世界各電機制造公司地大型發(fā)電機采用地絕緣有兩大體系：少膠 VPI 絕緣體系和多膠熱壓絕緣體系 .以西屋公司 (WH 為代表地 少膠連續(xù)絕緣體系 , 其特點是生產(chǎn)效率高 ,絕緣可以基本做到無氣隙 ,絕緣性能好 ,但其生產(chǎn)所需設備、材料和管理要求較高；以GE 公司為代 表 地 多 膠 云 母 連 續(xù) 絕 緣 體 系 , 其 絕 緣 性 能 與 VPI 絕 緣 體 系 相 差 不 大 , 但 生 產(chǎn) 工 藝 和 設 備

2、要 求 較 低 .多膠絕緣體系通過改善線棒絕緣結構和成型工藝,如增加內(nèi)均壓層、真空干燥、熱壓固化或采用真空干燥瀝青液壓,是能夠達到少膠絕緣體系地絕緣性能地 ,因此 ,對于核電機組采用少膠絕緣體系和多膠絕緣體系都能夠滿足絕緣性能要求.采用多膠絕緣體系 ,對于額定電壓為 26kV 地核電發(fā)電機組 ,立足國內(nèi)實際情況 ,通過對多膠絕緣體系進行技術攻關是能夠滿足機組絕緣性能要求地. 2 主絕緣材料實驗研究國 內(nèi) 外 主 絕 緣 材 料 情 況大型發(fā)電機定子繞組是發(fā)電機地心臟部件,在運行過程中必須承受電、熱、機械應力和環(huán)境條件地作用,還得承受起動和停機發(fā)生地冷熱循環(huán)熱應力作用和突然短路事故產(chǎn)生地強大電磁

3、力作用,因此要求定子線圈絕緣具有良好電氣和機械性能,從而保證發(fā)電機地可靠運目前國內(nèi)高電壓大電機使用地主絕緣材料主要為多膠環(huán)氧云母絕緣體系,其云母含量為 80g/m .而國外大電機使用地主絕緣材料無論多膠、少膠體系 ,一般云母含量在 160g/m左右 ,目地是保證發(fā)電機在長期運行條件下具有良好地機械和電氣性能,特別是耐電熱老化性2.2主絕緣材料研究對于 1000MW 核電發(fā)電機來說額定電壓達26kV,提高主絕緣地云母含量 ,可使主絕緣地耐電熱老化性能更加優(yōu)良,國外云母含量標重均在 160g/m 左右 ,因此 ,研制達到國際水平地160g/m云母主絕緣材料是本專題要解決地難題2.2.1 云母帶和云

4、母板性能要求根據(jù)國外技術資料和國內(nèi)原材料生產(chǎn)實際情況,制定了制造 160g/m 云母紙云母帶地技術指標要求 ,見表 1.通過對云母帶和膠粘,滿足核電技術要求 ,達到了預期地要求劑地多次改進及應用實驗 ,測試了線棒主絕緣地介質(zhì)損耗隨溫度和電壓變化地關系等電氣絕緣性能將云母帶按國家標準要求壓制成云母板,測試了云母板電氣性能和機械性能,達到國家標準云母板電氣機械性能指標要求,其中云母板電 氣 性 能 如 表 2 所 示 . 2.2.2 主 絕 緣 材 料 熱 力 學 性 能 實 驗國內(nèi)對主絕緣材料熱力學性能方面實驗研究較少,這次對主絕緣材料地熱力學性能如動態(tài)模量、力學損耗、動態(tài)粘度、蠕變性能和導熱系

5、數(shù)進行實驗研究實際運行條件下耐電熱老化地水聚合物蠕變特性是指聚合物在一定應力作用下, 形變隨溫度地變化規(guī)律 .蠕變也是聚合物地一項重要力學性能,與動態(tài)力學分析具有一定地相關性 ,當溫度超過聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時 ,聚合物形變增大 ,對槽內(nèi)固定有相當重要地意義 . 同時也測試了聚合物地導熱系數(shù) ,因為 發(fā)電機在運行時發(fā)熱較大 ,如果主絕緣地導熱性能好 , 對于降低發(fā)電機運行溫度 ,提高運行可靠性具有重大意義 . 3 定子線棒電熱老化實,得出其電熱老化壽命 ,從而評定線棒絕緣結構在通過用模擬定子線棒真機運行工況地條件進行加速線棒絕緣電、熱老化地實驗方式3.13.1.1為了驗證定子線棒主絕緣材料和絕

6、緣結構地電熱老化性能,選擇 4只具有代表性地定子線棒(二灘真機定子線棒作為電熱老化試樣 ,額定電壓為18kV, 工 作 場強為2.31kV/mm,面絕緣厚度 為 9mm.3.1.2實驗方法：按 IEEE1043-1989標準規(guī)定 ,每只線棒布置 6 對加熱板 , 每對加熱板間距100mm,每對加熱板并聯(lián)加熱并配置熱電偶獨立控實驗條件 ：實驗電壓為 41.5kV 、 50Hz,實驗溫度為 120.3.1.3 實 驗 線 棒 電 熱 老 化壽命(表33.2實驗線棒工頻擊穿電壓地最低值為69kV,最高值達 130kV,表明經(jīng) 2kh 電熱老化實驗后,線棒地絕緣還有一定地裕度3.3 幾點說(1實驗過程

7、中地實驗電壓和實驗溫度完全滿足IEEE1043 標準地要求 ,能真實地反映定子線棒電熱老化綜合特性,該實驗國內(nèi)尚屬首創(chuàng).(2電熱地 長期作 用導致線棒地主絕緣、高低阻防暈層逐漸老化,表明實驗過程中電熱老化 地機理未變.(3 標準要 求：在 實驗電壓為 41.5kV 、實 驗溫度 為 120地 條件 下,定 子線棒絕緣 地電熱老化壽 命為 500h.(4實驗結果：該真機定子線棒絕緣地熱電壽命大于2?000h, 遠超標準要求地 500h,表明線棒地絕緣材料和結構設計合理,完全能滿足用戶地要求；防暈結構對電熱老化壽命影響較大, 表明防暈結構性能優(yōu)良對電熱老化壽命有相當重要地作用. 4 定子線棒冷熱循

8、環(huán)實驗電機在運行過程中 ,負荷地周期性變化導致定子繞組內(nèi)溫度地快速變化,從而造成絕緣逐漸熱老化 .根據(jù) IEEEStd1310 冷熱循環(huán)實驗方法在 40 150之間按照一定地升溫和降溫速度進行了500 個周期地冷熱循環(huán)實驗 ,驗證主絕緣材料、絕緣結構、絕緣工藝地可靠性實 驗 標 準 和 實 驗 方 法根據(jù) IEEEStd.1310-1996 實驗標準進行實驗 .冷熱循環(huán)實驗過程中 ,實驗溫度下限值為 40,上限值為 155 ,溫度循環(huán)過程為：由 40 升至 155,再降至 40 .在實驗過程中 ,冷熱循環(huán)周期沒有間隔時間 ,亦即當導體溫度升至上限值后加熱循環(huán)終止,冷卻循環(huán)立即開始 ,溫度降至

9、下限值后加熱循環(huán)開始,如此循環(huán)下去,直至實驗結束.定 子線棒應完成 500 個冷熱循環(huán).冷 熱 循 環(huán) 實 驗 結 果(1經(jīng) 500 次冷熱循環(huán)實驗以后,低阻防暈層地表面電阻降低,但仍滿足電機運行 1101 1105標準要 求.(2 經(jīng) 500 次冷熱循環(huán)實驗以后 ,線棒截面尺寸增大 ,表明主絕緣逐漸變疏松 , 密實程度下降 ,但增大地最大值僅為 0 54mm,表明絕緣地蠕變特性良好(3500 次 冷 熱 循 環(huán) 實 驗 以 后 , 線 棒 常 態(tài) 介 損 達 一 等 品 要 求 , 常 態(tài) 增 量 逐 漸 增 大(4 經(jīng) 500 次 冷 熱 循 環(huán) 實 驗 以 后 , 擊 穿 電 壓 最 低

10、 值 為 85kV, 表 明 主 絕 緣 仍 具 有 較 好 地 介 電 性 能(5實驗結果證明：定子線棒地性能良好 ,其主絕緣材料性能優(yōu)異、絕緣結構和絕緣工藝可靠.因此 ,在二灘機組等機組上推廣使用了與之相 同地絕緣 結構、 絕緣材料和絕緣工 藝 .應用實 驗表明研制 地線棒主絕緣材料、結構和工藝是先進 地. 5 定子線棒防暈5.1內(nèi)均壓層內(nèi)均壓層地目地有兩個 ,其一因為導線換位處地結構復雜、電場分布極不均勻,內(nèi)均壓層可以屏蔽掉導線換位處空氣隙；二是加大導線地圓角半徑 ,均勻電場 ,改善角部電場分布 . 宏觀性能表現(xiàn)為絕緣結構地介質(zhì)損耗增量小.具體方法有涂刷導電漆和包扎導電帶方式,可分為全屏

11、蔽和半屏蔽結構 .東電公司經(jīng)過對全屏蔽和半屏蔽結構地實驗,研制了相應地內(nèi)均壓半導體漆J0961,結合定子線棒地結構選擇了半屏蔽 內(nèi) 均 壓 層 結 構 , 已 成 功 地 應 用 在 二 灘 機 組 上 . 5.2 定 子 線 棒 防 暈 材 料 及 結 構鑒于核電機組防暈結構要求 ,槽部防暈層厚度只有 0.30mm(雙面 ,這樣 ,以前廣泛使用地石棉帶防暈層無法滿足要求,于是參照國外技開發(fā)研制了0.09mm 地 J0962 低電阻玻璃絲防暈帶5.2.1線棒槽部半疊包低電阻半導體玻璃絲帶J0962,經(jīng)與主絕緣一次固化成型后, 表面電阻率均在要求地1103 1105范圍內(nèi) .5.2.2采用 3

12、種防暈結構地起始電暈電壓 (表 4.按照 1.5Un 電壓下單只定子線棒不起暈標準要求,因為額定電壓為26kV,那么起始電暈電壓39kV.通過理論計算與實際情況相結合地方式,對 3種端部防暈結構和防暈材料進行了比較實驗,它們均能滿足 26kV 防暈結構地要求 .5 級防暈結構耐電壓時能量損耗最小 ,但處理工藝復雜； ISOLA 防暈帶處理結構雖工藝簡單 ,但原材料成本較貴； FB 防暈帶高阻防暈結構性能較 優(yōu),起暈電壓達 4460kV, 特別是工藝比較簡單 . 6 定子鐵心絕緣 133A 環(huán)氧酚醛硅鋼片漆加入一定量地無機微粉填料攪拌均勻后,在定子鐵心沖片涂刷兩遍 ,使用富蘭克林實驗測量儀測量電

13、氣絕緣性能.標準要求絕緣電流平均值 50mA,最大電流值 100mA.測試電流值平均值 1.07mA, 最 大 值 15mA, 說 明 實 驗 結 果 均 達 到 了 標 準 要 求 . 7 繞 組 固 定 絕 緣隨著大型發(fā)電機單機額定容量地增大,額定電壓地提高 ,定子槽線棒內(nèi)固定也就成為一個相當重要地問題.國外額定容量 600MW 及以上地汽輪發(fā)電機定子線棒槽內(nèi)固定結構主要是楔下絕緣彈性波紋板和側面半導體彈性波紋板相結合地固定結構.7.1 楔 下 波 紋 板對楔下波紋板進行了研究 (表 5.根據(jù)美國西屋公司第 1 代波紋板技術要求 ,結合加拿大 GE 技術,增加了初始變形應力和 120、 2

14、4h 條件處理后變形應力要求 ,對加強定子線棒槽內(nèi)固定、提高電機安全運行具有十分重要地意義. 7.2 側面半導體彈性波紋板研究為了滿足大型發(fā)電機半導體波紋板材料地機械性能和電氣性能地技術要求,對半導體樹脂、玻璃布和波紋板都做了詳細地實驗研究,研制出滿足大型發(fā)電機技術要求地半導體波紋板.東電公司實現(xiàn)了國內(nèi)首次使用這種波紋板固定結構地先進技術,并將這種技術成功地運,為生產(chǎn)更大容量地汽輪發(fā)電機及核電站用發(fā)電機打用于 600MW 汽輪發(fā)電機生產(chǎn)中 .發(fā)電機運行實踐證明這種固定方式是先進地、科學地7.3均達到標準值要求,見表 6.1000MW 汽輪發(fā)電機定子槽內(nèi)側面半導體波紋板組成地原材料性能、半導體波

15、紋板、半導體平板機能地究實驗結(3模具設計加工精確,波紋板壓制工藝合理 ,波紋板厚度實測值分別為0.93mm 和0.86mm, 均達到 0.8900.075mm技術要求；波紋板峰高度實測值分別為5.59mm5.33mm, 均到5.4 0.4mm 技(4負荷曲線合技(5 半導體波紋板在130下曲強分別249MPa289MPa, 達到 180MPa 技(6 半 導 體波紋板130 下 應緩和特性值均 大 于 75%,且無皺(7半導體波紋板表面電阻率是衡量其電氣性能地重要指標,兩批測試數(shù)據(jù)均達到1 400k要求 ,其值分別為 183k 和 43k.8(1 通過 對半導 體樹 脂配方 地篩 選和確 定

16、,最后地半導 體樹 脂性能 完全能滿足 半導體波紋板 制造地要 求；(2 半 導 體波 紋 板 地 機 械 性 能 、 電 氣 性 能 滿 足 大 型 發(fā) 電 機 技 術 要,要求壓板具有高地機械性能和耐國外額定容量大于 600MW 地汽輪發(fā)電機定子線棒端部地固定主要是采用壓板和綁扎相結合地方式 熱性能,綁扎繩 具有較高地機械 強度,從而 使整個發(fā)電機定 子端部成為一個整體,并能承受強大地電 磁力和熱應力 地作用.繞組是發(fā)電機地心臟 ,運行中將受到強大地電磁力地作用.當發(fā)電機端線發(fā)生突然短路或發(fā)電機在非同步合閘等異常工況下運行時,特別是對于 1000MW 級發(fā)電機 ,定子線棒將受到倍頻地巨大交

17、變電磁力地作用, 這種沖擊電磁力可達正常運行工況時電磁力地10 倍以上 ,若繞組固定不良,將使線棒變形、絕緣受損,導致對地短路而使電機燒毀.鑒于晨光化工研究院對環(huán)氧樹脂及固化劑地研究有豐富地經(jīng)驗和強大地技術力量,將這次浸漬膠地改進與該研究院合作進行,由該院研制滿足工藝及性能要求地膠 , 由東電公司進行應用實驗和性能實驗.晨光化工研究院根據(jù)東電公司所提出地技術要求研制出了多種能在90 100 下 固化 地環(huán) 氧膠,根據(jù) 其性能最后 確定選用 NAZ 膠 -其 A 組份為環(huán) 氧類樹脂,B 組 份為改進 咪唑類固化 劑.(1NAZ 膠在 100下地抗彎強度較高,提高了發(fā)電機定子繞組地熱態(tài)機械性能,更

18、好地保證電機正常運 行.(2NAZ 膠可在 95 100下固化 ,使發(fā)電機定子繞組下線過程中地烘焙溫度大為降低,解決了高溫烘焙引起各部位松動問題. 9 轉(zhuǎn)子主要絕緣材料及結構研究因為轉(zhuǎn)子勵磁電壓為 500V 左右 ,絕緣結構和絕緣材料同一般地600MW 汽輪發(fā)電機相當接近 ,且直徑增大后 ,運行時離心力增加 ,長度加長后銅線熱脹冷縮產(chǎn)生熱應力加劇,絕緣材料地電氣性能并不是主要問題,關鍵是直徑增大、長度增長后 ,機械力和熱應力增加較多 ,所以 ,必須對轉(zhuǎn)子所用地主要與繞組導線直接有關地絕緣材料和結構進行研究,如須對匝間墊條要求使用通長地耐熱性能好地F 級匝間墊條 ,槽襯和護環(huán)要求與銅線接觸表面應

19、有較小摩擦系數(shù)地滑移材料兩種關鍵技術進行研究.9.1汽輪發(fā)電機在運行過程中轉(zhuǎn)子匝間絕緣將受到機械力、熱應力和電動力等因素地綜合作用 ,當電機啟動、停止或負荷發(fā)生變化時,轉(zhuǎn)子熱狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.因為銅導體和絕緣地膨脹系數(shù)不同,匝間絕緣還將受到剪切應力和拉伸應力地作 用.研制直線部分通長地 F 級匝間墊條 ,減少了墊條之間地搭接 ,提高了匝間墊條地整體性能 (表 7.9.2 槽襯和護環(huán)滑移材料地性能因為發(fā)電機容量地增大 ,雖然轉(zhuǎn)子勵磁電壓增加并不太多,但轉(zhuǎn)子直徑和長度增加較大 ,發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組在運行過程中受到冷熱變化地影響而產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象 ,從而破壞槽絕緣和護環(huán)絕緣 ,因此要求槽襯和護環(huán)滑移材

20、料表面具有較小地摩擦系數(shù),保證轉(zhuǎn)子繞組在運行過程中 因 冷 熱變 化 產(chǎn) 生 熱 脹 冷 縮 時 能 自 由 伸長 或 縮 短.采取措施在槽襯和護環(huán)絕緣內(nèi)表面噴涂一層摩擦系數(shù)小地干性潤滑劑.該潤滑劑為聚四氟乙烯細粉同特殊地粘合劑配合而成地化學穩(wěn)定性物質(zhì) , 具有很好地浸潤性 ,在金屬和紙表面能形成均勻地覆蓋膜 ,并能保持表面清潔 ,提高表面地滑移效果 .其性能見表 8. 10 電氣 絕緣實驗方法及標準消化吸收 GECALSTHOM 地 GEC836/0008 定子線棒及繞組絕緣實驗規(guī)范和 GEC836/0006 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組絕緣實驗規(guī)范并結合我國實際情況制定出相應實驗規(guī)范核電發(fā)電機定子絕

21、緣實驗規(guī)范和核電轉(zhuǎn)子繞組及零部件絕緣電氣實驗規(guī)范,滿足今后核(1研制開發(fā)出適用于大型發(fā)電機用多膠模壓體系地高云母含量地F 級環(huán)氧多膠粉云母帶 ,其云母含量達 160g/m,常規(guī)機械、電氣性電生產(chǎn)實驗要求11結論11.1定子線棒主絕緣能滿足國內(nèi)質(zhì)量分等標準地要求 ,達到或接近國際先進水平 .并對主絕緣材料熱力學性能如動態(tài)模量、力學損耗、動態(tài)粘度、導熱率以及蠕變性能進行測試(2利用能真實模擬定子線棒運行工況地電熱老化實驗系統(tǒng)進行了定子線棒絕緣地電熱老化實驗. 電熱老化壽命大于 2?000h,大大超過標準 要求 地 500h,表明線 棒地絕 緣結 構、防 暈 結構 設 計合理,完 全 滿足 工 作場

22、強 231MV/m 發(fā) 電 機 絕 緣 結 構 地 要 求 .(3 定子線棒絕緣經(jīng) 500 次冷熱循環(huán)實驗以后 ,仍滿足標準要求 ,線棒截面尺寸略增大 ,絕緣地蠕變特性良好 ,主絕緣仍具有較好地介電(4該主絕緣材料通過在水輪發(fā)電機組定子線棒上地應用, 說明 160g/m厚粉云母帶可作為主絕緣材料用于大型高壓發(fā)電機定子線棒11.2定子線棒防(1研制了相應 地 內(nèi) 均壓半 導體 漆J0961,結合定子線棒地結構選擇了半 屏蔽 內(nèi)均壓層 結構,并成 功地 應用于 二灘 機組上.(2線棒槽部選用低電阻半導體玻璃絲帶J0962,并與主絕緣一次固化成型后,表面電阻率均在要求地1103 105 范圍內(nèi) .(3通過理論計算與實際情況相結合地方式,對 3 種端部防暈結構和防暈材料進行了比較實驗,結果均能滿足 26kV 防暈結構地要求11.3 定 子 鐵 心 絕 緣