发电机绝缘技术——讲义

耐热等级 Y A E B F

允许工作温度（℃） 耐热等级 90 105 120 130 155 C H 200 220 250
允许工作温度（℃） 180 200 >180 220 250
具有良好的耐潮性和耐化学稳定性 具有良好的工艺性能 具有良好的力学性能
4)绝缘材料种类 绝缘材料的种类繁多，按照其特性和共性进行如下分类： 按物理状态分类
辐照的影响：产生各种光电流，绝缘电阻率明显下降。 4）绝缘电阻测量方法 直测法： 直接测量施加于试样的直流电压和流过试样的电流， 通过欧姆定律计算出电阻； 或使流过试样的电流通过一个已知的标准电阻， 测量标准电阻两端的电压而求得通过的电流。 欧姆表 （常用于电工产品绝缘电阻检测） 、 检流计 （改变电压极性并取两次测试值的平均值） 、 高阻计 （应用电子方法技术将微小的电流信号放大） 。 比较法：与已知的标准电阻相比较来测定绝缘电阻值。常用电桥法和电流比较法。电桥 法不能用于测量随时间变化较快的电阻。 充放电法（充电法和自放电法） 2.4 介电强度 介电强度是绝缘材料和绝缘结构最基本的绝缘特性参数。 介电强度定义：指材料或结构能够承受而又不致遭到破坏的最高电场场强。 电气击穿定义： 绝缘材料或绝缘结构在电场作用下瞬间失去绝缘特性， 造成电极间短路 的现象。 击穿电压定义：在试验或使用过程中，绝缘材料或绝缘结构发生击穿时所施加的电压。 击穿点的场强称为击穿场强。 试样击穿的判定：发生击穿现象时，施加在试样上的电压突然降落，通过试样的电流突 然增大，有时伴随发出光和声音；最终判断是观察是否在试样上右贯穿性的小孔、裂纹以及 炭化的痕迹等。 介电强度试验类型：耐电压试验和击穿试验。 耐电压试验是在一定的试验条件下，对试样施加一定的电压，经历一定的时间后，以是 否发生击穿作为判断试样合格与否的标准。 若在此时间内试样不发生击穿， 即认为试样是合 格的。耐压试验施加的电压值一般高于该试样的工作电压。 耐电压试验只能说明试样的介电强度不低于该试验电压的水平， 但不能说明究竟有多高。 在进行绝缘材料的开发、 应用研究和电气设备的绝缘结构设计时， 则必须测定绝缘的介电强 度，这时就需要进行击穿试验。 击穿试验是在一定试验条件下，升高电压直到试样发生击穿为止， 击穿试验是在一定条件下逐渐升高施加于试样的电压， 直到试样发生击穿为止， 测得击 穿电压或击穿场强。 2.5 高压电机在运行过程中作用于定子线棒绝缘的各种因素
线棒的附加损耗大；并且下层线棒有三个散热面（两侧槽壁和槽底） ，而上层线棒只有两个 散热面（两侧槽壁） ，因此下层线棒比上层线棒散热条件好些，上层线棒受热的作用强些。 另外，在同一根线棒中，绝缘距导线愈近，受热的作用愈强。 2.5.3 热机作用 当发电机起停机时，随着定子绕组内的电流由零递增或递减至零时，线棒导线的温度 相应的增加或降低，即冷热循环，导线产生膨胀或收缩。由于导线、绝缘及铁心材料的膨胀 系数不同，绝缘将承受拉伸应力或挤压应力的作用，这种作用即为热机作用。 2.5.4 力的作用 定子线棒在制造、 安装和检修过程中， 在自身重力和外力的作用下定子线棒将产生振动 和弯曲，绝缘层内部将产生很大的弯曲应力。 由于交变电磁场的作用，通过交流电流的定子线棒将受到电磁力的作用。 电机在正常运行时， 定子线棒承受交变负荷的作用以及转子的不平衡、 轴承等影响引起 的振动。 定子线棒的振动幅值与电流的平方成正比。 随着单机容量的增大， 定子线负荷增大， 线棒的振动幅值将剧增。在振动的作用下，绝缘承受振动应力的作用。 当电机处于与正常情况不同的过渡状态下运行或发生短路时， 通过线棒的电流将大大超 过额定值，一方面在绕组间形成很大的电动力，引起绕组端部变形，股线移动；另一方面在 绝缘中形成很大的热冲击。 2.6 高压电机在运行过程中定子线棒绝缘在各种因素作用下的老化特性 2.6.1 定子绕组绝缘在电场作用下的老化特性 在电机运行过程中， 处于交变电场中的绕组绝缘在电场的作用下， 将产生局部放电及槽 内放电现象，导致绝缘的电气机械性能劣化。 1）局部放电及其对定子绝缘的损伤 （1）局部放电概念：在电场的作用下，绝缘系统中只有部分区域发生发电，而没有贯穿施 加电压的导体之间，即绝缘未击穿，这种现象称为局部放电。 （2）局部放电产生原因：定子线棒在生产过程中，由于工艺上的原因，在绝缘层间或绝缘 层与股线之间可能存在气隙。在电场的作用下，当工作电压达到气隙的起始放电电压时，便 产生局部放电。局部放电起始电压与气隙厚度密切相关。 （3）局部放电的危害（破坏效应） 局部温度升高：在发生局部放电的气隙内，局部温度可达到 1000℃，使胶粘剂碳化， 造成股线松散、股间短路；使主绝缘局部过热而热裂解，严重损伤主绝缘，导致绝缘老化。
已实际应用于双馈、直驱、半直驱、电励磁等系列风力发电机上。Leabharlann 2绝缘技术基础知识
2.1 绝缘材料 绝缘材料是一切电机电器中必不可少的材料。 在电机行业， 人们把绝缘材料比着电机的 心胀， 它不仅是决定电机经济指标的关键因素之一， 还直接决定了电机的运行可靠性和使用 寿命。可以说没有绝缘材料，就没有机电工业。 1)绝缘材料定义：指能够阻止电流通过的材料，其电导率很小。它是一种能够建立强电场的 物质，其绝缘电阻系数在 109Ω·cm 以上。 2)绝缘材料的用途： 将带电的部分与不带电的部分或带不同电位的部分相互隔离开来， 使电 流能够按照一定的路径流动。 3)对绝缘材料的特性要求 具有良好的介电性能、导热性能、耐电晕性能和低介质损耗角正切值。 具有良好的耐热性能。在允许工作的温度下，具有良好的介电性能和机械性能。 根据国际电工委员会（IEC） 《电气绝缘的耐热性评定和分级》 ，将电气绝缘的耐热 性划分为如下耐热等级。
U work
n U ph n0
式中 n0 ---- 从中性点算起引线线棒的序号 n ---- 拟计算同一支路线棒的序号 2.5.2 热作用 首先，机组处于一定环境条件下运行，定子线棒绝缘受环境温度的作用。其次，大型电 机在带负荷运行时，定子线棒中有交流电流通过，电流在槽内产生交变的横向漏磁通，这样 线棒股线处于交变的电磁场中，股线上将产生感应电势，感应电势在股线间形成环流，从而 产生附加损耗导致发热。然后，线棒绝缘材料在电场作用下将产生介质损耗而发热。 在交变电场作用下， 由于沿铁心槽高方向各股线交链的横向漏磁通数量不等， 各股线的 感应电势不同，靠近槽口的部分股线感应电势小些，靠近槽底的部分股线的感应电势大些， 因此股线断面上的电流分布不均匀， 靠近槽口的部分股线比靠近槽底的部分股线的电流密度 大些，也就是说，股线中的电流存在挤流效应，电流挤向股线表面，股线的交流电阻比直流 电阻大。显然，愈靠近槽口的股线，挤流效应愈严重。股线交流电阻与直流电阻的比值称为 菲尔德系数 KF，又称为电阻增大系数。从槽底向槽口，KF 值逐渐增大，导致上层线棒比下层
V
V
EV
式中： Ev—施加于试样的直流电场强度（V/m） ； σv—通过试样的稳态电流密度（A/m ） ； ρv—体积电阻率（欧姆·m） 。 表面电阻率（ρs）: 绝缘体表面层的直流电场强度与通过绝缘体表面层的稳态电流密 度之比，也就是单位正方形面积内的绝缘电阻值。
2
S
S
ES
式中： Es—施加于试样表面的直流电场强度（V/m） ； σs—通过试样表面的稳态电流密度（A/m） ； ρs—表面电阻率（欧姆） 。 表面电阻率外界的影响很敏感（如材料表面附着的半导体杂质、环境湿度等） 。 由上述可知：绝缘电阻不仅与绝缘材料的性能有关，还与绝缘系统的形状和尺寸有关； 而电阻率完全取决于绝缘材料的性能。 3）影响绝缘电阻的因素 温度：温度身高，电阻率呈指数形式下降； 湿度：绝缘材料受潮后，电阻率明显下降； 电场强度：在电场强度不高时，电阻率几乎与其无关；但当电场强度很高时，电子电导 起明显作用，电阻率下降。另外，当电压升高后，材料内部缺陷（裂纹、气泡）可能产生放 电，绝缘电阻下降。
机电工业系统的绝缘材料厂生产的绝缘材料通常有以下六大类： 漆、树脂与胶类。 浸渍纤维制品类。 层压制品类。 塑料类。 云母制品类。 薄膜、粘带和复合制品类。 5)按耐热极限温度分级分类 2.2 绝缘结构的作用和要求 作用：隔电的作用、机械支撑、机械固定和保护作用。 要求：能够承受各种热、电、热机和力的作用。 2.3 绝缘电阻 1）绝缘电阻的定义 绝缘电阻是施加在绝缘体上两个导体之间的直流电压与流过绝缘体的稳态电流之比， 即：
2.5.1 电场作用 高压电机在运行过程中，定子线棒绝缘承受各种电压，将受到电场的作用。 定子绕组绝缘承受的电压有： （1）大气过电压 雷电波直接击到线路导线上或落到线路附近的建筑物上， 在线路上感应电压产生直接雷 电压或感应过电压， 其中感应过电压较为常见。 大气过电压可能通过一条或多条线路的导线 进入变电所或发电厂，从而进入电机的定子绕组。 （2）内部过电压 在运行电网中，由于各种操作，某些过渡过程、不对称短路，乃至弧光接地引起的过电 压称为内部过电压。其中，弧光接地可能引起很高的过电压，切断电弧重燃的线路会引起幅 值为(3.5～4.5)Uph（相电压）的过电压；切断空载变压器会引起(3～4.5)Uph 的过电压。 电弧间歇性接地可能引起(3～3.5)Uph 的过电压。 （3）工作电压 大型电机在运行时， 不同部位的绝缘承受的工作电压有所不同。 各个线棒对机壳的电压， 除与引出线端连接的线棒的工作电压等于相电压外，该支路其余线棒的工作电压为：
发电机绝缘技术
1 概述
1.1 东方电机有限公司主要产品 东方电机主要从事水轮发电机组、 热能发电机 （燃煤、 燃气、 核能） 、 风力发电机 （组） 、 交（直）流电机、电站控制系统及军工产品的研发、设计、制造和服务。五十余年来，东方 电机通过自主创新和科研攻关，形成了水、火、核、气、风“多电并举”的产业发展格局， 并拥有行业最高端、最齐全的产品品种。包括：500-1000MW 巨型混流式、30-75MW 大型贯流 式、300-375MW 大型抽水蓄能等水电机组，600-1000MW 燃煤、400-480MW 燃气、第三代核电 AP1000 及 ERP1750MW 等汽轮发电机，核电主泵机组，2.5MW 永磁直驱风力发电机组等。截止 2013 年底，累计产出发电设备突破 3.6 亿千瓦。 1.2 东方电机绝缘技术研究和试验能力 东方电机有限公司绝缘试验室始建于六十年代， 经过五十余年的不断发展和完善， 已建 设成为能够全面进行绝缘材料的常规电气机械性能试验、 绝缘结构的常规电气机械性能试验、 热性能试验和长期电老化寿命试验的现代化试验室，已具备下述研究试验能力： 具备绝缘材料化学分析、成份分析以及电气性能研究试验能力； 具备绝缘材料及绝缘结构件的机械性能和环境条件影响的试验研究能力； 具备绝缘工艺研究能力； 具备绝缘结构各种常规绝缘性能试验研究能力； 具备绝缘结构长期电老化寿命和电热老化寿命试验研究能力； 具备对绝缘结构进行脉冲电老化和高频电老化试验研究能力； 具备定子绕组环境模拟试验研究及绕组固定结构研究能力。 1.3 东方电机绝缘技术的实际应用 经过 50 余年的不断发展和创新， 形成了东方电机特有多胶和少胶两种 F 级(耐热等级为 155℃)绝缘技术体系和水电、火电、核电、交流电动机（包括特种电机） 、风电等系统产品 绝缘技术；已实际应用于三峡左岸、三峡右岸、三峡地电、龙滩、溪洛渡等一系列额定电压 为 20kV 的水轮发电机以及惠州、黑糜峰、仙游、仙居、呼和浩特等大型抽水蓄能电站机组 上， 已实际应用于额定电压为 10.5kV～27kV 的汽轮发电机、 额定电压为 20kV 的 400MW 燃机、 额定电压为 24kV 的 1000MW 核电、 额定电压为 27kV 的 1750MW 核电上， 已实际应用于额定电 压为 690V～10.5kV 的普通交流电动机、交交变频电动机、直交变频电动机及特种电机上，