1000MW级核电发电机绝缘技术研究

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的可靠性和先进性是机组复合式制砂机的关键。
目前，世界各电机制造公司的大大倾角波纹挡边输送机型发电机采用的绝缘有两大体系：少胶VPI绝缘体系和多胶热压绝缘体系。以西屋公司(WH)为代表的少胶连续绝缘体系，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公司为代表的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，但生产工艺和设备要求较低。
多胶热矿振动筛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的绝缘性能的，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的核电发电机组，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的。
2主绝缘材料试验不锈钢振动筛研究
21国内外主绝缘槽式给料机材料情况
大型发电机定子绕组是发电机的心脏部件，在运行过程中必须承受电、热、机械应力和环境条件的作用，还得承受起动和停机发生的冷热循环直线筛热应力作用和突然短路事故产生的强大电磁力作用，因此要求定子线圈绝缘具有良好电气和机械性能，从而保证发电机的可靠运行。
目前国内高电压大电机使用的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/m２。而国外大电FQ系列不锈钢输送机机使用的主绝缘材料无论多胶、少胶体系，一般云母含量在160g/m２左右，目的是保证发电机在长期运行条件下具有良好的机械和电气性能，特别是耐电热老化性能。
2.2主绝缘材料下料机研究
对于1000MW核电发电机来说额定电压达26kV，提高主绝缘的云母含量，可使主绝缘的耐电热老化性能更加优良，国外云母含量标重均在160g/m２左右，因此，研制达到国际水平的160g/m２云母主绝缘材料是本专题要解弧形振动筛决的难题。
2.2.1云母带和云母板性能粉料螺旋输送机要求
根据国外技术资料和国内原材料生产实际鹅卵石破碎机情况，制定了制造160g/m２云母纸云母带的技术指标要求，见表1。

通过对振动给煤机云母带和胶粘剂的多次改进及应用试验，测试了线棒主绝缘的介质损耗随温度和电压变化的关系等电气绝缘性能，满足核电技术要求，达到了预期的要求。
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提升加料机表2所示。

2.2.2主绝缘材料热力学性能微型电磁振动给料机试验
国内对主绝缘材料热力学性能方面试验研究较少，这次对主绝缘材振筛料的热力学性能如动态模量、力学损耗、动态粘度、蠕变性能和导热系数进行试验研究。
聚合物蠕变特性是指聚合物在一定应力作用下，形变随温度的变化规律。蠕变也是聚合物的一项重要力学性能，与动态力学分析具有一定的相关性，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的意义。
同时也测试了聚合物的导热系数，由于发电机在运行时发热较大，如果主绝缘的导热性能好，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定子线棒电热老化试验
通过用模拟定子线棒真机运行工况的条件进行加速线棒绝缘电、热老化的试验方式，得出其电热老化寿命，从而评定线棒绝缘结构在实际运行条件下耐电热老化的水平。
3.1电热老化试验
3.1.1试样
为了验证定子线棒主绝缘材料和绝缘结构的电热老化性能，选择4只具有代表性的定子线棒(二滩真机定子线棒)作为电热老化试样，其额定电压为18kV，工作场强为2.31kV/mm，双面绝缘厚度为9mm。
3.1.2电热老化试验方法和试验条件
试验方法：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制和测量温度。
试验条件：试验电压为41.5kV、50Hz，试验温度为120℃。
3.1.3试验线棒电热老化寿命(表3)

3.2电热老化后工频击穿电压试验
试验线棒工频击穿电压的最低值为69kV,最高值达130kV，表明经2kh电热老化试验后，线棒的绝缘还有一定的裕度。
3.3几点说明
(1)试验过程中的试验电压和试验温度完全满足IEEE1043标准的要求，能真实地反映定子线棒电热老化综合特性，该试验国内尚属首创。
(2)电热的长期作用导致线棒的主绝缘、高低阻防晕层逐渐老化，表明试验过程中电热老化的机理未变。
(3)标准要求：在试验电压为41.5kV、试验温度为120℃的条件下，定子线棒绝缘的电热老化寿命为500h。
(4)试验结果：该真机定子线棒绝缘的热电寿命大于2?000h，远超标准要求的500h，表明线棒的绝缘材料和结构设计合理，完全能满足用户的要求；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的作用。
4定子线棒冷热循环试验
电机在运行过程中，负荷的周期性变化导致定子绕组内温度的快速变化，从而造成绝缘逐渐热老化。根据IEEE Std1310冷热循环试验方法在40～１５０℃之间按照一定的升温和降温速度进行了500个周期的冷热循环试验，验证主绝缘材料、绝缘结构、绝缘工艺的可靠性。
4.1试验标准和试验方法
根据IEEE Std.1310—１９９６试验标准进行试验。冷热循环试验过程中，试验温度下限值为40℃，上限值为155℃，温度循环过程为：由40℃升至155℃，再降至40℃。在试验过程中，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，温度降至下限值后加热循环开始，如此循环下去，直至试验结束。定子线棒应完成500个冷热循环。
4.2冷热循环试验结果
(1)经500次冷热循环试验以后，低阻防晕层的表面电阻降低，但仍满足电机运行１×10３～１×１０５Ω标准要求。
(2)经500次冷热循环试验以后，线棒截面尺寸增大，表明主绝缘逐渐变疏松，密实程度下降，但增大的最大值仅为054mm，表明绝缘的蠕变特性良好。
(3)500次冷热循环试验以后，线棒常态介损达一等品要求，常态增量逐渐增大。
(4)经500次冷热循环试验以后，击穿电压最低值为85kV,表明主绝缘仍具有较好的介电性能。
(5)试验结果证明：定子线棒的性能良好，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的绝缘结构、绝缘材料和绝缘工艺。应用试验表明研制的线棒主绝缘材料、结构和工艺是先进的。
5定子线棒防晕
5.1内均压层
内均压层的目的有两个，其一由于导线换位处的结构复杂、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；二是加大导线的圆角半径，均匀电场，改善角部电场分布。宏观性能表现为绝缘结构的介质损耗增量小。具体方法有涂刷导电漆和包扎导电带方式，可分为全屏蔽和半屏蔽结构。东电公司经过对全屏蔽和半屏蔽结构的试验，研制了相应的内均压半导体漆J0961，结合定子线棒的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，以前广泛使用的石棉带防晕层无法满足要求，于是参照国外技术，开发研制了0.09mm的J0962低电阻玻璃丝防晕带。
5.2.1直线防晕
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的1×10３～１×10５Ω范围内。
5.2.2端部防晕电压试验
采用3种防晕结构的起始电晕电压(表4)。按照1.5Un电压下单只定子线棒不起晕标准要求，由于额定电压为26kV，那么起始电晕电压应不小于39kV。

通过理论计算与实际情况相结合的方式，对3种端部防晕结构和防晕材料进行了比较试验，它们均能满足26kV防晕结构的要求。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4４～60kV，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的无机微粉填料搅拌均匀后，在定子铁心冲片涂刷两遍，使用富兰克林试验测量仪测量电气绝缘性能。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，说明试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的增大，额定电压的提高，定子槽线棒内固定也就成为一个相当重要的问题。国外额定容量600MW及以上的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的固定结构。
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℃、24h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的意义。

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的机械性能和电气性能的技术要求，对半导体树脂、玻璃布和波纹板都做了详细的试验研究，研制出满足大型发电机技术要求的半导体波纹板。东电公司实现了国内首次使用这种波纹板固定结构的先进技术，并将这种技术成功地运用于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的、科学的，为生产更大容量的汽轮发电机及核电站用发电机打下了良好的基础。
7.3半导体波纹板性能
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的原材料性能、半导体波纹板、半导体平板机械性能、电气性能的研究试验结果说明：
(1)通过对半导体树脂配方的筛选和确定，最后的半导体树脂性能完全能满足半导体波纹板制造的要求；
(2)半导体波纹板的机械性能、电气性能满足大型发电机技术要求；
(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0.890±0.075mm技术要求；波纹板波峰高度实测值分别为5.59mm和5.33mm，均达到5.4±0.4mm技术要求；
(4)负荷－挠度曲线位于标准曲线之上，符合技术要求；
(5)半导体波纹板在130℃下弯曲强度分别为249MPa和289MPa，达到≥180MPa技术要求；
(6)半导体波纹板在130℃下应力缓和特性值均大于75%，且无皱折等缺陷；
(7)半导体波纹板表面电阻率是衡量其电气性能的重要指标，两批测试数据均达到１～４００kΩ要求，其值分别为183kΩ和43kΩ。
8中温固化绑扎绳及胶研究
国外额定容量大于600MW的汽轮发电机定子线棒端部的固定主要是采用压板和绑扎相结合的方式，要求压板具有高的机械性能和耐热性能，绑扎绳具有较高的机械强度，从而使整个发电机定子端部成为一个整体，并能承受强大的电磁力和热应力的作用。
绕组是发电机的心脏，运行中将受到强大的电磁力的作用。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的巨大交变电磁力的作用，这种冲击电磁力可达正常运行工况时电磁力的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的研究有丰富的经验和强大的技术力量，将这次浸渍胶的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的胶，由东电公司进行应用试验和性能试验。晨光化工研究院根据东电公司所提出的技术要求研制出了多种能在９０～１００℃下固化的环氧胶，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。
(1)NAZ胶在100℃下的抗弯强度较高，提高了发电机定子绕组的热态机械性能，更好地保证电机正常运行。
(2)NAZ胶可在９５～１００℃下固化，使发电机定子绕组下线过程中的烘焙温度大为降低，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的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，绝缘材料的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，必须对转子所用的主要与绕组导线直接有关的绝缘材料和结构进行研究，如须对匝间垫条要求使用通长的耐热性能好的F级匝间垫条，槽衬和护环要求与铜线接触表面应有较小摩擦系数的滑移材料两种关键技术进行研究。
9.1匝间垫条
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的综合作用，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。由于铜导体和绝缘的膨胀系数不同，匝间绝缘还将受到剪切应力和拉伸应力的作用。
研制直线部分通长的F级匝间垫条，减少了垫条之间的搭接，提高了匝间垫条的整体性能(表7)。

9.2槽衬和护环滑移材料的性能
由于发电机容量的增大，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的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料表面具有较小的摩擦系数，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的干性润滑剂。该润滑剂为聚四氟乙烯细粉同特殊的粘合剂配合而成的化学稳定性物质，具有很好的浸润性，在金属和纸表面能形成均匀的覆盖膜，并能保持表面清洁，提高表面的滑移效果。其性能见表8。

１０电气绝缘试验方法及标准
消化吸收GEC ALSTHOM的《GEC836/0008定子线棒及绕组绝缘试验规范》和《GEC836/0006汽轮发电机转子绕组绝缘试验规范》，并结合我国实际情况制定出相应试验规范《核电发电机定子绝缘试验规范》和《核电转子绕组及零部件绝缘电气试验规范》，满足今后核电生产试验要求。
11结论
11.1定子线棒主绝缘
(1)研制开发出适用于大型发电机用多胶模压体系的高云母含量的F级环氧多胶粉云母带，其云母含量达160g/m２，常规机械、电气性能满足国内质量分等标准的要求，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了测试。
(2)利用能真实模拟定子线棒运行工况的电热老化试验系统进行了定子线棒绝缘的电热老化试验。电热老化寿命大于2?000h，大大超过标准要求的500h，表明线棒的绝缘结构、防晕结构设计合理，完全满足工作场强231MV/m发电机绝缘结构的要求。
(3)定子线棒绝缘经500次冷热循环试验以后，仍满足标准要求，线棒截面尺寸略增大，绝缘的蠕变特性良好，主绝缘仍具有较好的介电性能。
(4)该主绝缘材料通过在水轮发电机组定子线棒上的应用，说明160g/m２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绝缘。
11.2定子线棒防晕
(1)研制了相应的内均压半导体漆J0961，结合定子线棒的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的1×103～１×105Ω范围内。
(3)通过理论计算与实际情况相结合的方式，对3种端部防晕结构和防晕材料进行了比较试验，结果均能满足26kV防晕结构的要求。
11.3定子铁心绝缘
进行几种硅钢片漆的比较试验，证明133A环氧酚醛硅钢片漆中加入一定量的无机微粉填料涂漆后能够满足标准要求。
11.4定子线棒固定结构
研制了楔下波纹板和侧面半导体波纹板相结合的固定方式，有效地保证了大型发电机定子线棒的槽内固定，既可以防止线棒松动又能防止线棒槽内电腐蚀现象发生。
(1)楔下波纹板根据美国西屋公司和加拿大GE技术，增加了初始变形应力和120℃、24h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的意义。
(2)侧面半导体波纹板的机械性能、电气性能完全满足大型发电机技术要求。为核电发电机定子槽内固定提供了可靠保证。
(3)通过对NAZ环氧胶及绑扎绳的研究得到NAZ胶的100℃下的抗弯强度较高，故能大大提高发电机定子绕组端部固定的整体热态机械性能，满足大型发电机绑扎固定要求。
11.5转子绝缘技术
(1)研制了转子直线部分通长的F级匝间垫条，减少了垫条之间的搭接，提高了匝间垫条的整体电气机械性能。
(2)采取措施在槽衬和护环绝缘内表面喷涂一层摩擦系数小的干性润滑剂。该润滑剂由聚四氟乙烯细粉同特殊的粘合剂配合而成的化学稳定性物质，具有很好的浸润性，在金属和纸表面能形成均匀的覆盖膜，可以减少摩擦系数，提高表面的滑移效果。
11.6绝缘试验
消化吸收GECALSTHOM的绝缘试验规范，并结合我国实际情况制定了试验规范以满足东电公司今后生产核电发电机的试验要求。
对1000MW级核电发电机绝缘技术的研究为东电公司今后生产1?000MW级核电发电机组提供了可靠的绝缘技术保证。