浅谈水轮发电机组定子端接头绝缘与处理

在有关水轮发电机定子绝缘的文献中很少单独提及定子端接头绝缘，主要原因是处理端接头绝缘比处理线棒击穿容易，且在制作和检修工艺得到保障的情况下，端接头绝缘寿命是较长的。但是，发电机组在长期运行中，由于受到电、热、机械和化学等因素的长期作用,其定子端接头绝缘的电气和机械强度将逐渐降低，加上由于厂家制造工艺或定子绕组现场下线工艺的原因，水轮发电机定子绕组端接头绝缘往往成了发电机定子绝缘的薄弱点,而在《电气设备预防性试验规程》中又没有明确要求单独检查水轮发电机定子绕组端接头绝缘，故在交接试验及预防性试验中往往就忽视了这一点。本文通过介绍青溪水电厂3号机组事故的处理，阐述了影响水轮发电机组定子绕组端接头绝缘的主要因素、试验检查和处理方法。
　　1端接头绝缘的种类
　　端接头绝缘分为套管式(绝缘盒式)绝缘和连续式绝缘。套管式绝缘是把绕组的槽内部分先加以绝缘，然后再把端接部分绝缘。连续式绝缘是把整个线圈用窄云母带交叠缠绕,其优点是绕组有效部分与端接部分的绝缘之间没有接缝，线圈在放入槽中以前，应先进行真空浸渍处理，把藏在绝缘材料间隙中的空气驱出，然后在一定压力下把绝缘漆压入这些间隙内，这样可以提高绕组绝缘水平。由于水轮发电机组直径较大，为了方便运输，常将定子分成4～6瓣分别制造，到现场后再并装成一体，有部分下线和端接头制造是在现场完成的，因受现场的条件限制，通常端接头接连的工艺水平及质量要比在制造厂里制作的差些。运行中，各瓣间存在着不同步的微小振动，也会影响端接头的接触电阻，进而影响端接头绝缘水平。
　　2影响端接头绝缘的主要因素
　　总体来看，影响水轮发电机组端接头绝缘的主要因素有以下4个方面：
　　2.1端接头接触电阻增大，大电流通过时发热导至绝缘水平下降
　　端接头接触电阻与端接头的焊接方法和焊接工艺有关，目前一般采用的焊接法有铅锡焊接法和银铜焊接法。铅锡焊接法的优点是焊接温度较低，焊接工艺简单，但铅锡焊料允许通过的电流密度低，抗拉强度不高；银铜焊接法的银铜焊料允许通过的电流密度高，抗拉强度也高，但银铜焊接温度高，焊接工艺要求也高。无论是铅锡焊接或银铜焊接，其内部都有可能存在焊接物不严实的情况，其不严实度直接影响到接头接触电阻值的大小，若接头接触电阻增大，温度升高，会引起绝缘水平降低，严重者则会造成事故。因而提高制作人员和检修人员的焊接水平，是防止接头绝缘事故的重要环节。
　　为了防止端接头电阻增大，我们每次大修时都要测量绕组的直流电阻，必要时还要测量端接头接触电阻。根据规程规定，绕组直流电阻值在校正了由于引线长度不同而引起的误差后，相互间差别与初次(出厂或交接时)测量值比较，相差不得大于最小值的1%，超出要求者则应查明原因。若绕组直流电阻增大，有可能是端接头接触电阻增大，实际上表明某些端接头在运行中受电、热和机械力的作用而发生了变化，导致该接头的接触电阻增大。根据Q＝I2Rt,在额定电流下，接触电阻增大的接头会局部发热，如此长期运行，绝缘材料便会逐渐热老化。热老化的象征大多为绝缘颜色逐渐变为焦黑，失去弹性，变硬、变脆，发生龟裂，机械强度降低，严重者受振动即剥裂、掉落，进而造成事故。
　　2.2绝缘材料的选择与配制
　　影响端接头绝缘的另外一个因素是绝缘材料的选择与配制。绝缘材料的种类很多，可分为天然的与人造的，有机的与无机的，有时也采用不同绝缘材料进行人工组合，如线棒绝缘：云母带、绝缘漆、收缩带；端接头绝缘(绝缘盒式)：绝缘盒、环氧树脂、聚酰胺树脂、石英粉。绝缘盒是由厂家根据机组端接头的尺寸预先制造的，绝缘盒与接头应有一定的空间，如果绝缘盒太小(如青溪水电厂4台机组)，在灌注绝缘填料时，很多地方的气泡都因空间太小而排出不来，造成绝缘盒内部有很大的气隙(或气泡)，严重影响机组的绝缘水平。绝缘填料主要由环氧树脂、聚酰胺树脂、石英粉按一定比例配制而成，其比例视聚酰胺树脂的标号而不同。石英粉过多会造成绝缘填料太浓，不容易灌注，且灌注后绝缘盒内许多气泡排出不来；石英粉过少会造成绝缘填料固化后机械强度不够。聚酰胺树脂过少会造成绝缘填料不容易固化；聚酰胺树脂过多，会造成绝缘填料固化时间短，且绝缘变脆、变硬，失去弹性，受振动或打击时容易破裂。当然绝缘填料配制时与当时的环境温度也有很大关系，以上种种比例失调，都会造成绝缘不良现象，直接影响端接头绝缘质量。表1为绝缘填料的参考配方。
　　
　　2.3端接头绝缘的制作工艺
　　再一个影响端接头绝缘的因素是端接头绝缘制作工艺过程。下端部接头绝缘(绝缘盒式)制作工艺是在绝缘盒中倒一定量的绝缘填料，慢慢地套在接头上。制作时，首先要放入适量的绝缘填料，多了会溢出，少了装不满，再往绝缘盒中倒绝缘填料就比较麻烦；其次，套进接头的过程不能太快，一方面是由于太快了，绝缘填料还没来得及渗入绝缘盒内每一部位就溢出绝缘盒，另一方面是会在接头绝缘中留有气泡，严重影响绝缘性能。上端部接头绝缘(绝缘盒式)的制作就比较复杂，首先是绝缘盒底部封口问题。有两种制作方法，一种是用环氧泥封，等环氧泥固化后与绝缘盒成一体，作为机组绝缘的一部分；另一种是用石棉泥铺在接头底部，把绝缘盒套上，往绝缘盒中灌注绝缘填料，待绝缘填料固化后，将石棉泥去掉。第一种方法的好处是，环氧泥粘在线棒绝缘上，加强了端接头的绝缘；第二种方法制作的接头绝缘其外观较好，绝缘盒口较平整。在制作中两种方法都可采用。至于灌注绝缘填料亦要有一定的步骤，不能一次灌满，应在不完全固化时分3次灌注，以免绝缘盒中的气泡没全排出来，影响绝缘水平，另外在第一次灌注时也可将绝缘盒底部进一步密封，防止绝缘填料注满后从绝缘盒底部渗漏。
　　2.4机械振动
　　发电机的定子端接头都伸出到铁心外面。运行中受到外界和自身(机械和电磁)的力的影响而不停地产生振动，特别是大型发电机，其电压等级较高，且端接头伸出铁心较长，机组定子分瓣数也较多，影响就更大。如青溪水电厂1、2、3号3台机组，在测量绝缘盒泄漏电流时，发现在分瓣处，特别是跨两瓣的接头绝缘盒较容易击穿或泄漏电流过大，也就证明该处不仅有现场下线工艺的原因，还有绝缘受机械振动影响最大的原因。所以，在分瓣处的接头制作工艺上要特别严格、仔细，在试验检查过程中，也ψ魑氐憬屑觳椤＊?br>综上所述，无论是哪方面的因素，对端接头绝缘的影响都很大，因而提高制作人员和检修人员的制作水平是防止端接头绝缘事故的重要环节。
　　3端接头绝缘和接触电阻的试验方法
　　在《电气设备预防性试验规程》中没有明确要求单独检查水轮发电机组定子绕组端接头绝缘，为了预防事故的发生，根据机组现有的绝缘薄弱点，如青溪水电厂4台机组，借鉴汽轮发电机定子绕组端部手包绝缘的试验方法，用如下试验方法较为有效。
　　3.1端接头绝缘盒的泄漏电流测量
　　其试验方法如图1、2。当发电机上挡风板和转子吊出后，在定子绕组端接头绝缘盒周围用手工包一层锡铂纸，为使锡铂纸贴紧绝缘盒，在锡铂纸周围扎一条橡皮筋，然后用绝缘棒把导线及已包好锡铂纸的绝缘盒引至微安表，用直流高压发生器对定子绕组(定子绕组三相短接起来)加直流13.8kV电压，读取泄漏电流，塞午勾加至13.8kV即放电击穿、或相比之下泄漏电流较大，即视为不合格绝缘盒，需处理。一般不合格的绝缘盒其放电电压在12kV左右或泄漏电流在30～50μA之间，有个别绝缘盒泄漏电流甚至大于100μA。由于定子绕组绝缘盒数量很多，为加快试验速度，试验时可先把绝缘盒用锡铂纸逐一包好20～30个，然后逐一试验。
　　3.2端接头接触电阻的测量
　　端接头接触电阻的测量方法主要有几种：大电流压降法、涡流探测法、电桥法以及用红外热像测温仪测量。红外热像测温仪测量是一种新方法：在定子绕组通一大电流，使定子接头产生温升，当一定时间后，定子接头温升达到稳定，此时用红外热像仪测量每一定子接头的温度，然后进行比较判断，它的优点是方便且不须刺破被测接头绝缘。电桥法是用双臂电桥测量。由于电桥法和大电流压降法都须损伤接头绝缘，而大电流压降法一般比电桥法更准确、灵敏，所以在这种情况下一般不采用电桥法而采用大电流压降法测量。大电流压降法是在绕组中通以不大于20%In的电流，测量接头上所产生的压降，根据R＝U/I计算出接头接触电阻值，这种方法一般是在端接头焊完还未包绝缘的情况下使用，准确度比较高，但受测点位置和探针接触的影响，测量结果有一定的分散性。良好的端接头接触电阻一般只有几微欧，而且绝大部分焊接接头的接触电阻值小于同长度线圈导体的直流电阻值。不良端接头的接触电阻不但会超过同长度线圈导体的直流电阻值，而且会比良好接头的接触电阻大许多倍。涡流探测法是根据静止的整块导体在交变磁场中感应产生涡流的原理制成的(如图3)，如果接头结构不严实，接触不良，焊接物未灌满，则涡流所通过路径的电阻大，量，此种方法只适用于整块接头型式的接头测量，这种方法最大的优点是方便且不须刺破被测接头的绝缘，但在测量时探头所放的位置、接头形状及周围环境都有很大的关系，使得探测结果分散性较大，所以现在一般不用此方法测量。在以上4种测量方法中一般当接头未包绝缘时采用大电流压降法，而接头包绝缘后则逐步倾向于采用红外热像仪测量。