2.6　蒸發冷卻電機定子絕緣結構的模擬試驗及結論

通過1200 kV·A蒸發冷卻汽輪發電機的試制和運行，初步證實了汽輪發電機采用蒸發冷卻是可行的，并具有一系列優點。但由于它的額定電壓很低（僅400V），因此必須對高電壓下蒸發冷卻電機的絕緣結構進行探討。北京電力設備總廠和中科院電工研究所共同進行了定子絕緣結構的擊穿和電暈試驗，以求為適合電機蒸發冷卻的絕緣結構提供依據。

2.6.1　本次試驗目的和要求

考慮到對定子絕緣結構的一般要求和電機蒸發冷卻的特點，設計這次試驗時側重于對定子的電氣強度（擊穿）和電暈進行試驗和探討。

（1） 擊穿

本次試驗采用的是20世紀70年代常用的瀝青云母帶連續絕緣，按照老文獻《高電壓工程》第二卷上的介紹，當擊穿概率為50%時旋轉電機的擊穿電壓及擊穿電場強度如表2-6所示。

在20世紀50年代時，某些額定電壓11kV的汽輪發電機定子絕緣擊穿電壓的變化情況是：20℃時在65～76kV擊穿；100℃時在50～60kV擊穿。隨著絕緣的改進，采用膠環氧粉云母時其擊穿電場強度比以上數值更高。在一般電機制造廠內為考慮工藝上的損傷及老化等影響，要求絕緣強度在未放入定子槽內時按一定的高標準來考核，該標準應為額定電壓的7倍，這一數據是按以下原則考慮得到的：

①線圈下線的敲打損失10%，達到熱態又下降損失15%，試驗電壓升高到擊穿是短時的，實際上高于1min 1.2倍，最后考慮20年在電、機械、熱的作用下，絕緣水平降為原來的一半，則擊穿電壓U_np應為

上式中的U_NH為額定相電壓，故而高標準考核應為7倍。

②在制造過程中的檢查性試驗，對于電機容量在10000kV·A以上，額定電壓在6kV以上的考核電壓等級為：a.線圈絕緣好之后，2.75U_NH+6500；b.下好線但未接頭，2.5U_NH+5000；c.接好頭及引出線，2.25U_NH+4000；d.總裝好，出廠試驗后（熱態下），2U_NH+3000。

當時按照實際情況，蒸發冷卻電機定子可以有兩種絕緣結構供選擇：

a.仍利用常規主絕緣，這樣擊穿電壓值應當和一般電機一樣，無需再進行試驗，而主要問題將是：

?帶常規主絕緣能否將熱量散出？如溫升過高，則需將繞組內部加冷卻通道，這需要進行外部傳熱和內部冷卻通道傳熱的試驗。

?在主絕緣層的間隙中，由于F-113的介電系數與固體絕緣不同是否會產生電暈？

b.采用新的絕緣結構：充分利用F-113的高絕緣性能（液體的擊穿場強是37kV/25mm），使它可以承擔一部分電機主絕緣的作用，這樣既可以省下一部分固體絕緣材料，又加強了冷卻。新絕緣結構的設想是：定子槽內上層導體和下層導體分別包耐F-113的絕緣材料聚酰亞胺，其厚度視電壓等級而定，通過固定間隔放置墊板，由槽楔通過墊板壓緊在槽內。

對后一種b結構必須得出其擊穿電壓值，同時考慮其電暈情況。

（2） 電暈

在電機槽內由于絕緣材料不是單一的，其介電系數各異，而使得電場強度相差很大，再加上硅鋼片不可能非常整齊和出槽口毛刺等處的尖端效應，有可能在電機內產生電暈。一般絕緣結構為解決此問題，在繞組外部包有半導體防暈層。如采用架空式絕緣結構則防暈層不可能按常規方式處理，因此必須先找出其起暈電壓數值，達到在工作條件下消除電暈的目的。由于F-113對不均勻電場比較敏感，但隨壓力的升高其起暈電壓和擊穿電壓均有所增加，尤其在氣態時比較明顯。因此必須對上述所列的b方案進行試驗研究。

一般電機工作時，蒸發冷卻介質是在氣、液兩相的混合狀態下，為觀察方便，試驗模型密封裝置被制作成了有機玻璃筒，整個試驗分成氣態、液態、氣液混合態，在這三種狀態下進行，以求出在不同物理狀態下的，以及在不同壓力、不同條件下的擊穿和起暈電壓值。

2.6.2　試驗裝置

試驗裝置示意圖見圖2-3、圖2-4，概述如下：

導桿2、3是用環氧酚醛板外裹鋁皮制成用以模擬定子導線，安置于槽模擬裝置1中，導桿2通過彈簧片接到升壓器（即高壓磁瓶）的高壓端，導桿3通過彈簧片接地，同時接于內加熱裝置。槽模擬裝置1是由兩壁、上蓋和底板構成。為了觀察方便，上蓋用有機玻璃制成。兩壁內部壓入銅網以模擬定子槽，銅網和底板連接后再通過螺釘接地，由于開始試驗時銅網使出槽口尖端放電嚴重，后面的試驗在槽口邊緣部分表面貼鋁箔，但是在試驗中又發現鋁箔太薄容易損壞，槽內仍與實際情況相差甚遠，最后將兩壁改為鋁板，每間隔0.6mm創0.3mm寬的槽以模擬實際硅鋼片突出部分。固定導桿上開始纏的是綢布帶，并以環氧板架空，以增加爬電距離，但這樣拆裝很不方便，后就改為有機玻璃架位，按照圖2-4所示結構進行裝配，在架位內包聚酯薄膜以增加爬電距離，架位的間隙即為定子繞組的主絕緣厚度，可以調節。由于聚酯薄膜爬電性能較差后改為聚酰亞胺薄膜，以保證不在架位處擊穿。整個槽模擬裝置安放于有機玻璃筒6中，兩端用酚醛板5壓以橡膠圈密封，通過閥門7、8排出空氣和灌入F-113液體，并以壓力表4測定其內部壓力。

為保持內部壓力恒定，開始采用外加熱，即將整個室內加熱，后為加快速度將導桿3改裝，見圖2-3中的13，在其上邊纏上電阻絲以實現內部加熱。

在進行試驗時先將密封裝置內的壓力調整到760mmHg（1mmHg=133.322Pa，下同），然后將過濾好的F-113灌入密封裝置內，采用內加熱或外加熱以升高筒內的壓力，記下擊穿或起暈電壓的數值。再根據需要改變導桿與槽壁的距離，即架位的間隙，相當于改變主絕緣的厚度，得出不同距離下的擊穿、起暈電壓與距離的關系。

測試設備采用校正過的50kV和65kV升壓器，外加熱用室內不可調的電阻絲通電發熱，內加熱用調壓器和升降壓變壓器來調節圖2-3中13上的電阻絲發熱，壓力表精度為2.5級。

2.6.3　試驗數據整理及曲線

試驗數據的整理按照蒸發冷卻介質的物理狀態，分成氣態、液態、氣液混合態三種情況完成。

（1） 氣態

首先整理出蒸發冷卻介質呈氣態時的起暈電壓與介質壓強之間的關系，見圖2-5。架位的間隙即主絕緣距離為6.85mm，間隙內充滿的是F-113蒸發冷卻介質。分三種試驗條件完成，試驗條件1是用有機玻璃做架位，架位內包聚酯薄膜，槽壁為有機玻璃壓銅網，采取外加熱；試驗條件2是用有機玻璃做架位，架位內包聚酯薄膜，槽壁為有機玻璃壓銅網并在出槽口貼鋁箔，采取內加熱；試驗條件3是用有機玻璃做架位，架位內包聚酰亞胺薄膜，槽壁為鋁板，采取內加熱。

然后整理出蒸發冷卻介質呈氣態時的起暈電壓與主絕緣距離之間的關系，見圖2-6，其中橫坐標為主絕緣距離d，單位為毫米（mm）。該結果的試驗條件是氣態壓強為0.29kgf/cm^2[注]，用有機玻璃做架位，架位內包聚酯薄膜，槽壁為有機玻璃壓銅網，采取外加熱。

根據起暈情況又進一步完成了擊穿電壓與介質壓強、主絕緣距離的關系。如圖2-7所示，為擊穿電壓與介質壓強的關系曲線，架位的間隙即主絕緣距離為6.85mm，同樣分三種試驗條件完成，試驗條件1是用有機玻璃做架位，架位內包聚酯薄膜，槽壁為有機玻璃壓銅網，采取外加熱；試驗條件2是用有機玻璃做架位，架位內包聚酯薄膜，槽壁為有機玻璃壓銅網并在出槽口貼鋁箔，采取內加熱；試驗條件3是用有機玻璃做架位，架位內包聚酰亞胺薄膜，槽壁為鋁板，采取內加熱。

如圖2-8所示，為擊穿電壓與主絕緣距離的關系曲線，試驗分兩種條件完成，試驗條件1是氣態壓強為0.29kgf/cm²，用有機玻璃做架位，架位內包聚酯薄膜，槽壁為有機玻璃壓銅網，采取外加熱；試驗條件2是氣態壓強為0.3kgf/cm²，用有機玻璃做架位，架位內包聚酯薄膜，槽壁為鋁板，采取內加熱。

（2） 液態

整理出的是擊穿電壓與介質壓強、主絕緣距離的關系。在圖2-9所示的擊穿電壓與介質壓強的關系曲線圖中，列出了兩個試驗條件，它們相同的試驗情況是架位的間隙即主絕緣距離為6.85mm，試驗條件1是用環氧板做架位，槽壁為有機玻璃壓銅網，采取外加熱；試驗條件2是用有機玻璃做架位，架位內包聚酰亞胺薄膜，槽壁為鋁板，采取外加熱。

在圖2-10所示的擊穿電壓與主絕緣距離的關系曲線圖中，試驗條件是液體壓強為0.6kgf/cm²，用有機玻璃做架位，架位內包聚酯薄膜，槽壁為鋁板。

（3） 氣液混合態

整理出的仍是擊穿電壓與介質壓強、主絕緣距離的關系。在圖2-11所示的擊穿電壓與介質壓強的關系曲線圖中，試驗條件1是架位的間隙即主絕緣距離為7mm，用環氧板做架位，槽壁為鋁板，采取內加熱；試驗條件2是架位的間隙即主絕緣距離為5.25mm，用有機玻璃做架位，架位內包聚酰亞胺薄膜，槽壁為鋁板，采取內加熱。

在圖2-12所示的擊穿電壓與主絕緣距離的關系曲線圖中，試驗條件是氣液混合態的壓強為0.55 kgf/cm²，用有機玻璃做架位，架位內包聚酰亞胺薄膜，槽壁為鋁板。

2.6.4　試驗結果分析

對于上述所列的圖2-5～圖2-12試驗結果，試驗研究人員的分析是：

①根據實際試驗情況，多在出槽口處發現電暈，這是由于出槽口處的銅網相當于針尖電極，其起暈電壓很低，貼鋁箔后改善了電場條件，使之接近線狀電極，在同一情況下氣態起暈電壓大為提高，約提高8～10kV。改用鋁板后，完全為一線狀電極，其起暈電壓又大為增加，以致只有在零壓或壓力很低時才能看到電暈。

②由于上述試驗是在20世紀70年代中期完成的，當時的觀察測量手段比較落后，大部分是用眼睛觀察，故所得到的測量數據比較分散，但分散度不大，基本落在曲線的±2kV以內。

③氣態起暈電壓隨壓力加大而升高，這是由于氣體密度增加使電介質極化困難，壓力每升高0.1 kgf/cm²，起暈電壓約增加1～1.5kV。

④起暈電壓隨距離增加而升高，這是由于隨距離增加，主絕緣內電場強度E下降，距離每增加1mm，起暈電壓約升高2～3kV。

⑤液態介質在有機玻璃壓銅網時，只有在負壓下才出現電暈，在負壓180mmHg時起暈電壓為27.2kV，負壓300mmHg時為24kV。改用鋁板做槽內壁后，負壓300mmHg加到35kV擊穿，負壓130mmHg加到40kV仍未見電暈。這可能因為電暈的產生要具備一定的溫度條件，而液態和氣液混合狀態下的F-113只要不是針尖電極產生電暈就比較難。

⑥氣態擊穿電壓隨距離增加幾乎成直線關系增加。

⑦液態擊穿電壓隨壓力升高成直線關系增加，壓力每增加0.1 kgf/cm²擊穿電壓升高15kV左右。

⑧槽壁為鋁板比槽壁為有機玻璃壓銅網的擊穿電壓在同一介質壓力下高約8～12kV，這是因為鋁板比銅網的電場分布均勻。

⑨液態擊穿電壓隨距離增加而增加。

⑩氣液混合狀態的擊穿電壓隨壓力升高而升高。

氣液混合狀態的擊穿電壓隨距離增加而增加。

液態和氣液混合狀態的擊穿電壓在相同外部條件下相差不大，約 1～2kV。

為了模擬冷卻介質含有雜質后的電氣絕緣情況，將模型加浮灰后抽真空，再加足量的水使之與介質充分混合，然后進行擊穿試驗，此時在架位處28kV時發生爬電現象。

2.6.5　結論

①氣液混合狀態和液態的擊穿電壓相差不大，約1～2kV。而全包聚酰亞胺薄膜（規格0.05mm厚），半疊包4層、厚度為0.4～0.45mm，總絕緣厚（包括F-113在內）為5.25mm時，其擊穿電壓為50～57kV，平均擊穿電場強度為10kV/mm。這和液態時，全部為F-113作為絕緣，距離為7mm時的擊穿電壓很接近。

②由于擊穿電壓隨溫度上升而增加，因此對運行是有利的。

③用F-113作主絕緣，在擊穿后一般自恢復能力較好，只在連續擊穿 2～3次后，方才有所降低。

④因為電機實際工作時，蒸發冷卻介質是處于氣液混合狀態或者液態，基本上不會出現全部是氣態的狀況，所以盡管氣態的冷卻介質擊穿電壓不是很高，但對于中等容量電機選用F-113作為部分主絕緣是可能的。

⑤試驗證明在液態或氣液混合狀態下采用鋁板槽時，直到擊穿從未發現電暈。即便在針形電極（以有機玻璃貼銅網為槽）時，在負壓280～300mmHg下，其起暈電壓也高達24～27.2kV。說明可以不必采用特別防暈措施，其使用電壓可能用到18kV左右（即使在純氣態下，起暈電壓也在10kV以上）。

⑥由于考慮到在加工過程中電機不可能太干凈，因此必須考慮選用復合絕緣即固體絕緣和液體絕緣共同使用。

⑦由于F-113對不均勻電場很敏感，因此應盡可能使槽內電場均勻。

⑧從試驗結果看，必須進一步對液態、氣液混合狀態下蒸發冷卻介質的爬電現象做進一步的研究，找出距離與爬電電壓的關系，供選擇架位之用。