2.6 蒸发冷却电机定子绝缘结构的模拟试验及结论
通过1200 kV·A蒸发冷却汽轮发电机的试制和运行，初步证实了汽轮发电机采用蒸发冷却是可行的，并具有一系列优点。但由于它的额定电压很低（仅400V），因此必须对高电压下蒸发冷却电机的绝缘结构进行探讨。北京电力设备总厂和中科院电工研究所共同进行了定子绝缘结构的击穿和电晕试验，以求为适合电机蒸发冷却的绝缘结构提供依据。
2.6.1 本次试验目的和要求
考虑到对定子绝缘结构的一般要求和电机蒸发冷却的特点，设计这次试验时侧重于对定子的电气强度（击穿）和电晕进行试验和探讨。
（1） 击穿
本次试验采用的是20世纪70年代常用的沥青云母带连续绝缘，按照老文献《高电压工程》第二卷上的介绍，当击穿概率为50%时旋转电机的击穿电压及击穿电场强度如表2-6所示。
表2-6 不同额定电压等级定子绝缘的击穿电压及击穿电场强度
在20世纪50年代时，某些额定电压11kV的汽轮发电机定子绝缘击穿电压的变化情况是：20℃时在65～76kV击穿；100℃时在50～60kV击穿。随着绝缘的改进，采用胶环氧粉云母时其击穿电场强度比以上数值更高。在一般电机制造厂内为考虑工艺上的损伤及老化等影响，要求绝缘强度在未放入定子槽内时按一定的高标准来考核，该标准应为额定电压的7倍，这一数据是按以下原则考虑得到的：
①线圈下线的敲打损失10%，达到热态又下降损失15%，试验电压升高到击穿是短时的，实际上高于1min 1.2倍，最后考虑20年在电、机械、热的作用下，绝缘水平降为原来的一半，则击穿电压Unp应为
上式中的UNH为额定相电压，故而高标准考核应为7倍。
②在制造过程中的检查性试验，对于电机容量在10000kV·A以上，额定电压在6kV以上的考核电压等级为：a.线圈绝缘好之后，2.75UNH+6500；b.下好线但未接头，2.5UNH+5000；c.接好头及引出线，2.25UNH+4000；d.总装好，出厂试验后（热态下），2UNH+3000。
当时按照实际情况，蒸发冷却电机定子可以有两种绝缘结构供选择：
a.仍利用常规主绝缘，这样击穿电压值应当和一般电机一样，无需再进行试验，而主要问题将是：
ⓐ带常规主绝缘能否将热量散出？如温升过高，则需将绕组内部加冷却通道，这需要进行外部传热和内部冷却通道传热的试验。
ⓑ在主绝缘层的间隙中，由于F-113的介电系数与固体绝缘不同是否会产生电晕？
b.采用新的绝缘结构：充分利用F-113的高绝缘性能（液体的击穿场强是37kV/25mm），使它可以承担一部分电机主绝缘的作用，这样既可以省下一部分固体绝缘材料，又加强了冷却。新绝缘结构的设想是：定子槽内上层导体和下层导体分别包耐F-113的绝缘材料聚酰亚胺，其厚度视电压等级而定，通过固定间隔放置垫板，由槽楔通过垫板压紧在槽内。
对后一种b结构必须得出其击穿电压值，同时考虑其电晕情况。
（2） 电晕
在电机槽内由于绝缘材料不是单一的，其介电系数各异，而使得电场强度相差很大，再加上硅钢片不可能非常整齐和出槽口毛刺等处的尖端效应，有可能在电机内产生电晕。一般绝缘结构为解决此问题，在绕组外部包有半导体防晕层。如采用架空式绝缘结构则防晕层不可能按常规方式处理，因此必须先找出其起晕电压数值，达到在工作条件下消除电晕的目的。由于F-113对不均匀电场比较敏感，但随压力的升高其起晕电压和击穿电压均有所增加，尤其在气态时比较明显。因此必须对上述所列的b方案进行试验研究。
一般电机工作时，蒸发冷却介质是在气、液两相的混合状态下，为观察方便，试验模型密封装置被制作成了有机玻璃筒，整个试验分成气态、液态、气液混合态，在这三种状态下进行，以求出在不同物理状态下的，以及在不同压力、不同条件下的击穿和起晕电压值。
2.6.2 试验装置
试验装置示意图见图2-3、图2-4，概述如下：
图2-3 新型架位式定子绝缘结构的试验装置示意图
1—槽模拟装置；2，3—导杆；4—压力表；5—酚醛板端盖；6—有机玻璃筒；7，8—阀门；9—弹簧片；10—高压磁瓶；11—架位；12—聚酯薄膜（或者聚酰亚胺薄膜）； 13—内加热装置
图2-4 新型架位式定子绝缘结构试验装置的横截面图
1—导杆；2—架位内包的绝缘材料；3—架位
导杆2、3是用环氧酚醛板外裹铝皮制成用以模拟定子导线，安置于槽模拟装置1中，导杆2通过弹簧片接到升压器（即高压磁瓶）的高压端，导杆3通过弹簧片接地，同时接于内加热装置。槽模拟装置1是由两壁、上盖和底板构成。为了观察方便，上盖用有机玻璃制成。两壁内部压入铜网以模拟定子槽，铜网和底板连接后再通过螺钉接地，由于开始试验时铜网使出槽口尖端放电严重，后面的试验在槽口边缘部分表面贴铝箔，但是在试验中又发现铝箔太薄容易损坏，槽内仍与实际情况相差甚远，最后将两壁改为铝板，每间隔0.6mm创0.3mm宽的槽以模拟实际硅钢片突出部分。固定导杆上开始缠的是绸布带，并以环氧板架空，以增加爬电距离，但这样拆装很不方便，后就改为有机玻璃架位，按照图2-4所示结构进行装配，在架位内包聚酯薄膜以增加爬电距离，架位的间隙即为定子绕组的主绝缘厚度，可以调节。由于聚酯薄膜爬电性能较差后改为聚酰亚胺薄膜，以保证不在架位处击穿。整个槽模拟装置安放于有机玻璃筒6中，两端用酚醛板5压以橡胶圈密封，通过阀门7、8排出空气和灌入F-113液体，并以压力表4测定其内部压力。
为保持内部压力恒定，开始采用外加热，即将整个室内加热，后为加快速度将导杆3改装，见图2-3中的13，在其上边缠上电阻丝以实现内部加热。
在进行试验时先将密封装置内的压力调整到760mmHg（1mmHg=133.322Pa，下同），然后将过滤好的F-113灌入密封装置内，采用内加热或外加热以升高筒内的压力，记下击穿或起晕电压的数值。再根据需要改变导杆与槽壁的距离，即架位的间隙，相当于改变主绝缘的厚度，得出不同距离下的击穿、起晕电压与距离的关系。
测试设备采用校正过的50kV和65kV升压器，外加热用室内不可调的电阻丝通电发热，内加热用调压器和升降压变压器来调节图2-3中13上的电阻丝发热，压力表精度为2.5级。
2.6.3 试验数据整理及曲线
试验数据的整理按照蒸发冷却介质的物理状态，分成气态、液态、气液混合态三种情况完成。
（1） 气态
首先整理出蒸发冷却介质呈气态时的起晕电压与介质压强之间的关系，见图2-5。架位的间隙即主绝缘距离为6.85mm，间隙内充满的是F-113蒸发冷却介质。分三种试验条件完成，试验条件1是用有机玻璃做架位，架位内包聚酯薄膜，槽壁为有机玻璃压铜网，采取外加热；试验条件2是用有机玻璃做架位，架位内包聚酯薄膜，槽壁为有机玻璃压铜网并在出槽口贴铝箔，采取内加热；试验条件3是用有机玻璃做架位，架位内包聚酰亚胺薄膜，槽壁为铝板，采取内加热。
图2-5 气态下起晕电压与介质压强的关系
然后整理出蒸发冷却介质呈气态时的起晕电压与主绝缘距离之间的关系，见图2-6，其中横坐标为主绝缘距离d，单位为毫米（mm）。该结果的试验条件是气态压强为0.29kgf/cm2[注]，用有机玻璃做架位，架位内包聚酯薄膜，槽壁为有机玻璃压铜网，采取外加热。
图2-6 气态下起晕电压与主绝缘距离的关系
根据起晕情况又进一步完成了击穿电压与介质压强、主绝缘距离的关系。如图2-7所示，为击穿电压与介质压强的关系曲线，架位的间隙即主绝缘距离为6.85mm，同样分三种试验条件完成，试验条件1是用有机玻璃做架位，架位内包聚酯薄膜，槽壁为有机玻璃压铜网，采取外加热；试验条件2是用有机玻璃做架位，架位内包聚酯薄膜，槽壁为有机玻璃压铜网并在出槽口贴铝箔，采取内加热；试验条件3是用有机玻璃做架位，架位内包聚酰亚胺薄膜，槽壁为铝板，采取内加热。
图2-7 气态下击穿电压与介质压强的关系
如图2-8所示，为击穿电压与主绝缘距离的关系曲线，试验分两种条件完成，试验条件1是气态压强为0.29kgf/cm2，用有机玻璃做架位，架位内包聚酯薄膜，槽壁为有机玻璃压铜网，采取外加热；试验条件2是气态压强为0.3kgf/cm2，用有机玻璃做架位，架位内包聚酯薄膜，槽壁为铝板，采取内加热。
图2-8 气态下击穿电压与主绝缘距离的关系
（2） 液态
整理出的是击穿电压与介质压强、主绝缘距离的关系。在图2-9所示的击穿电压与介质压强的关系曲线图中，列出了两个试验条件，它们相同的试验情况是架位的间隙即主绝缘距离为6.85mm，试验条件1是用环氧板做架位，槽壁为有机玻璃压铜网，采取外加热；试验条件2是用有机玻璃做架位，架位内包聚酰亚胺薄膜，槽壁为铝板，采取外加热。
图2-9 液态下击穿电压与介质压强的关系
在图2-10所示的击穿电压与主绝缘距离的关系曲线图中，试验条件是液体压强为0.6kgf/cm2，用有机玻璃做架位，架位内包聚酯薄膜，槽壁为铝板。
图2-10 液态下击穿电压与主绝缘距离的关系
（3） 气液混合态
整理出的仍是击穿电压与介质压强、主绝缘距离的关系。在图2-11所示的击穿电压与介质压强的关系曲线图中，试验条件1是架位的间隙即主绝缘距离为7mm，用环氧板做架位，槽壁为铝板，采取内加热；试验条件2是架位的间隙即主绝缘距离为5.25mm，用有机玻璃做架位，架位内包聚酰亚胺薄膜，槽壁为铝板，采取内加热。
图2-11 气液混合态下击穿电压与介质压强的关系
在图2-12所示的击穿电压与主绝缘距离的关系曲线图中，试验条件是气液混合态的压强为0.55 kgf/cm2，用有机玻璃做架位，架位内包聚酰亚胺薄膜，槽壁为铝板。
图2-12 气液混合态下击穿电压与主绝缘距离的关系
2.6.4 试验结果分析
对于上述所列的图2-5～图2-12试验结果，试验研究人员的分析是：
①根据实际试验情况，多在出槽口处发现电晕，这是由于出槽口处的铜网相当于针尖电极，其起晕电压很低，贴铝箔后改善了电场条件，使之接近线状电极，在同一情况下气态起晕电压大为提高，约提高8～10kV。改用铝板后，完全为一线状电极，其起晕电压又大为增加，以致只有在零压或压力很低时才能看到电晕。
②由于上述试验是在20世纪70年代中期完成的，当时的观察测量手段比较落后，大部分是用眼睛观察，故所得到的测量数据比较分散，但分散度不大，基本落在曲线的±2kV以内。
③气态起晕电压随压力加大而升高，这是由于气体密度增加使电介质极化困难，压力每升高0.1 kgf/cm2，起晕电压约增加1～1.5kV。
④起晕电压随距离增加而升高，这是由于随距离增加，主绝缘内电场强度E下降，距离每增加1mm，起晕电压约升高2～3kV。
⑤液态介质在有机玻璃压铜网时，只有在负压下才出现电晕，在负压180mmHg时起晕电压为27.2kV，负压300mmHg时为24kV。改用铝板做槽内壁后，负压300mmHg加到35kV击穿，负压130mmHg加到40kV仍未见电晕。这可能因为电晕的产生要具备一定的温度条件，而液态和气液混合状态下的F-113只要不是针尖电极产生电晕就比较难。
⑥气态击穿电压随距离增加几乎成直线关系增加。
⑦液态击穿电压随压力升高成直线关系增加，压力每增加0.1 kgf/cm2击穿电压升高15kV左右。
⑧槽壁为铝板比槽壁为有机玻璃压铜网的击穿电压在同一介质压力下高约8～12kV，这是因为铝板比铜网的电场分布均匀。
⑨液态击穿电压随距离增加而增加。
⑩气液混合状态的击穿电压随压力升高而升高。
气液混合状态的击穿电压随距离增加而增加。
液态和气液混合状态的击穿电压在相同外部条件下相差不大，约 1～2kV。
为了模拟冷却介质含有杂质后的电气绝缘情况，将模型加浮灰后抽真空，再加足量的水使之与介质充分混合，然后进行击穿试验，此时在架位处28kV时发生爬电现象。
2.6.5 结论
①气液混合状态和液态的击穿电压相差不大，约1～2kV。而全包聚酰亚胺薄膜（规格0.05mm厚），半叠包4层、厚度为0.4～0.45mm，总绝缘厚（包括F-113在内）为5.25mm时，其击穿电压为50～57kV，平均击穿电场强度为10kV/mm。这和液态时，全部为F-113作为绝缘，距离为7mm时的击穿电压很接近。
②由于击穿电压随温度上升而增加，因此对运行是有利的。
③用F-113作主绝缘，在击穿后一般自恢复能力较好，只在连续击穿 2～3次后，方才有所降低。
④因为电机实际工作时，蒸发冷却介质是处于气液混合状态或者液态，基本上不会出现全部是气态的状况，所以尽管气态的冷却介质击穿电压不是很高，但对于中等容量电机选用F-113作为部分主绝缘是可能的。
⑤试验证明在液态或气液混合状态下采用铝板槽时，直到击穿从未发现电晕。即便在针形电极（以有机玻璃贴铜网为槽）时，在负压280～300mmHg下，其起晕电压也高达24～27.2kV。说明可以不必采用特别防晕措施，其使用电压可能用到18kV左右（即使在纯气态下，起晕电压也在10kV以上）。
⑥由于考虑到在加工过程中电机不可能太干净，因此必须考虑选用复合绝缘即固体绝缘和液体绝缘共同使用。
⑦由于F-113对不均匀电场很敏感，因此应尽可能使槽内电场均匀。
⑧从试验结果看，必须进一步对液态、气液混合状态下蒸发冷却介质的爬电现象做进一步的研究，找出距离与爬电电压的关系，供选择架位之用。