大型电机绝缘工艺两条路线的对比分析

陈笑竹

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150040)

0 引言

在电机工业发展的百年历程中，制约其迅速前进的瓶颈，常常是通风冷却和绝缘系统这两个专业方面的核心技术。近年来的国际会议上公认的电机专业领域的4大进步，就是:采用空气冷却、蒸发冷却、高温超导和超高压技术的新型电机。由于采用超高压圆形截面的电缆取代了矩形截面的“线棒”，从而成为电机结构设计史上的一场革命。由于它的电压很高，电流很小，发热很少，通风冷却不是问题;由于高压电缆可在市场上买到，材料来源及其成本，不是问题。前面提到的2个瓶颈(通风和绝缘)问题 ，便迎刃而解。采用这种新技术的水轮发电机、汽轮发电机、风力发电机、电动机等大型电机产品已经成功运行多年。作为研制企业的瑞典和瑞士公司的相关业务已被法国阿尔斯通收购、垄断。日本等国已购买昂贵的样机进行研究。包括我国在内的其它国家也都在争先恐后地进行开发。但它至今尚未形成规模、全面占领市场。当今世界，大型电机绕组绝缘系统的制造工艺主要依靠两条路线:即加热模压和真空浸渍。它们都能满足各项性能和质量要求，然而却各有其特点。

1 绝缘系统

1.1 主要材料

大型电机定子绕组绝缘系统本体，主要由以下3种材料构成:(1)粉云母——通过特殊工艺将它制成“纸”状 ，以便于包绕，主要承担耐电作用;(2)胶黏剂——一般为环氧树脂 ，加热、固化后使绝缘体致密，以便保证机械强度 ;(3)补强材料——一般为玻璃丝布，用来保证未成型前云母“纸”的强度，避免在包绕等操作中受到损伤。

1.2 基本要求

对于绝缘系统的基本要求如下:(1)成分的最佳配比，要确保包括电气、机械、热学、化学等方面性能要求在内的综合指标;(2)本体的最高密度，要保证最高的致密性，没有气孔、气隙、疏松等缺陷;(3)整体的“鲁棒”(robust的音译 ，寓意为“山东大汉”，转译为“强悍、健壮”)性能，保证没有分层、发空现象。

为了达到绝缘性能指标要求，绝缘成分的筛选、配比、优化、组合，非常重要。不同的含胶量和粉云母“纸”密度时，绝缘的击穿电场强度对比见表1。

表1 不同的含胶量和粉云母纸密度时绝缘的击穿电场强度 (kV/mm)

2 制造工艺

自从采用热固性环氧树脂粉云母绝缘，取代热塑性的沥青片云母绝缘以来的半个多世纪过程中，世界上大型电机定子绕组线棒绝缘系统的制造工艺，主要存在两条路线:即加热模压(美国GE公司最先采用，国内普遍应用)和真空浸渍(美国西屋、德国西门子等公司采用)。但是不管采用哪种制造工艺，都必须满足上面提到的绝缘特性基本要求。

2.1 加热模压

它采用含胶量(37%～40%)较多的粉云母带(即多胶云母带)，所以也称为多胶加热模压工艺。其工艺流程如下:将定子“线棒”放进成型模具中，在自然环境中进行加热、加压，将绝缘带中多余的环氧树脂胶(由内向外)挤出来，并将低分子物和潮气等带出来，最后加热、固化成型。这种工艺(属于加热加压挤出方法)要求定子线棒绝缘的截面尺寸，要在模压以前大于模压以后的，即留有一定的“压缩量”。这个“压缩量”是关键参数，全凭经验优化选择，它属于公司保密的核心技术中的重要因素。现在，国内采用的这种工艺路线已经成熟，完全可以与真空浸渍比美，并已成功的用于世界上各种类型的产品上。

2.2 真空浸渍

采用胶的含量(8% ～10%)较少的粉云母带(即少胶云母带)，是从定子线棒绝缘的外面注进环氧树脂胶黏剂的方法。它将“线棒”放进真空罐中并抽真空，随着真空度的增加，绝缘层间及股线间的绝对压力便降低。当它降到与环境温度相对应的饱和水蒸气压力时，便将内部的水分子等汽化，并被连续抽出，从而有效地减少气泡数目和针孔。在将包扎的多层粉云母带层间等所有的气孔、气隙中的空气抽净以后，再利用真空负压的原理，将环氧树脂抽入罐中，并在压力下将胶(由外向内)浸渍到绝缘体中(属于真空负压浸入方法)，然后，从罐中取出定子绕组线棒(此时要注意防止已经注入的胶流失)，放在自然环境下的模具中，进行加压、加热、烘焙、固化。它要求定子线棒绝缘的截面尺寸，要在浸渍以前大于浸渍以后的，即留有一定的“膨胀量”。这个“膨胀量”是关键参数，全凭经验优选，也是属于公司保密的核心技术中的重要因素。

采用这种工艺，必须配备专用的大尺寸高压力真空浸渍罐等工艺装备，及其配套的附属设备，从而额外增加了投资成本。以前，国内还不能生产用于高压发电机的少胶粉云母带和浸渍胶。采用真空高压浸渍工艺进行单个“线棒”的生产时，其全部材料，都必须依赖于国外进口。而且其价格是国内的2倍左右。然而，它有市场需求。因此，哈电公司于2008年启动“真空压力浸渍”工程，真正实现“国外有的，我们也要有”。现在，国产大型(用于制造单个“线棒”的)真空压力浸渍工艺装备，在通过验收以后，首台200 MW空冷燃气轮发电机已经投产，以便满足各方面的用户需要，从而进一步强化了我国在国内外市场上的综合竞争实力。

3 对比分析

3.1 工艺对比

加热模压和真空浸渍两条工艺路线的区别，是“流胶”方向不同，即由绝缘体内向外，和由绝缘体外向内，但是都达到了绝缘标准要求。

采用加热模压和真空浸渍这两条工艺路线时，生产出来的定子绕组线棒绝缘的各项性能的综合对比结果见表2。

表2 大型电机绝缘工艺两条路线的对比

续表2 大型电机绝缘工艺两条路线的对比

3.2 绝缘厚度

采用真空浸渍这种工艺的最大特点，是绝缘厚度较薄。因为它的粉云母带中粉云母的含量较高，而含胶量较少。但是它要求保证浸透性、均匀性。由于粉云母“纸”的渗透性很差，很难保证各个方向全部浸透，特别是厚度方向的均匀性。因此，它要求尽可能的减薄绝缘厚度。由于片云母的浸透性大大高于粉云母，有的公司采用了粉、片混合结构的云母带，然而却增加了原材料的成本。

从理论上看，电机的额定相电压(kV)应等于工作电场强度(kV/mm)与绝缘厚度(mm)的乘积。如何合理地选择绝缘工作电场强度，是一个专业性很强、而且相当复杂的问题，必须通过分析、计算，并结合丰富的经验予以综合考虑来确定

国际上公认的工作电场强度在2.5 kV/mm左右时的技术经济指标是合理的。然而用于核电站的电机时，由于安全可靠性的要求排在第一位，绝缘工作电场强度就取得“低”一点(2.1 kV/mm)左右;用于全空冷汽轮发电机时，绝缘的热传导性能要求是主要矛盾，希望尽可能减薄绝缘厚度。所以选用的绝缘工作电场强度就取高一些(3 kV/mm)左右。工作电场强度确定以后，绝缘厚度也就确定了。在电机结构设计中，绝缘厚度的选择也是一项相当复杂的课题。减薄绝缘厚度，有很多好处，可以提高铁心槽的利用率，减小电机的体积、重量，提高电机效率等。但是，绝缘厚度的减薄必须要由它具有的优良绝缘性能作为保证。我国采用加热模压的绝缘系统电场强度与绝缘厚度的进步见表3。

3.3 综合性能

改革开放以来，通过技术引进、消化、吸收和再创新，我国大型电机的绝缘技术取得了重大发展。实践证明，先进技术是不可能引进的，只能依靠自己创新发明。我国具有完全知识产权的加热模压工艺技术，由于实现了下述典型产品的国产化而达到了高度升华:(1)为了取得三峡机组投标资质，20世纪90年代初期，哈电公司曾经与加拿大合作，生产二滩水电站机组(18 kV，550 MW)。

表3 我国加热模压绝缘系统电场强度与绝缘厚度的进步

但是定子线圈制造技术国外绝不转让，甚至连线圈生产车间都不能看，必须购买它们的线圈。后来哈电公司通过创新发明、不断改进材料和模压工艺，于1998年将研制的产品空运到加拿大GE公司，进行绝缘各项性能的综合性能评定，结果证明:优于GE标准。(2)哈电公司首次采用道格拉斯电磁线、内屏蔽半导体材料、高电场强度云母带等，继续采用又有重大改进的模压工艺，于2002年又将研制的线棒(三峡水电站 -左岸机组，20 kV，700 MW)空运到瑞士ABB公司实验室，进行绝缘各项性能的综合性能评定，结果证明:优于国外标准。实践证明:哈电公司的绝缘水平已经达到国内外领先水平。(3)“哈电”公司研制的百万水电机组(24 kV，26 kV，1 000 MW)2009年已经通过了电热老化、冷热循环、承受环境因素、常态、热态介质损耗、局部放电量、“起晕”电压、击穿电压等一系列考评试验。结果证明:其各项性能指标均为优良。(4)哈电公司终于实现了470 MW燃气轮发电机绝缘的国产化，采用加热模压工艺优势，取代了国外的真空浸渍，达到了标准要求。这种空冷发电机的绝缘厚度要求很薄，国外通常采用真空浸渍工艺。

表4 我国采用加热模压工艺生产的世界最大级发电机的绝缘性能

4 结语

(1)加热模压这两条绝缘制造工艺路线的主要区别就是“流胶”方向不同，即:由绝缘“内部向外”和由绝缘“外部向内"。然而生产的线棒绝缘质量都能达到标准要求

(2)我国创新开发的模压工艺，已经成为自己的核心技术，并已经成功地用于百万火电、百万水电和470 MW“燃电”(燃气轮发电机)等世界最大级的尖端产品上。其中“百万水电”是世界上至今还处于空白状态的最大产品。

(3)为了满足市场需求，国产大型发电机(用于“单个”线棒)的真空压力浸渍工艺装备，在通过验收以后，已经用于生产首台200 MW空冷燃气轮发电机。从而达到了两条工艺路线都能掌握的全能状态。