７０ 袁晓红等：大容量发电机定子线棒绝缘力学性能试验研究 绝缘材料 ２０１ ３，４６（５） 大容量发电机定子线棒绝缘力学性能试验研究 袁晓红，陈阳 １５００４０） （哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨摘要：为研究定子线棒绝缘层力学性能的考核方法，通过设计４点弯曲断裂试验方法，对线棒进行载荷～应变 和载荷一挠度测试，分析比较了３点弯曲试验方法与４点弯曲试验方法以及绝缘断裂失效与电性能的关系。结 果表明：采用４点弯曲试验方法可有效考核绝缘结构的本征力学性能，４点弯曲断裂试验后线棒的介质损耗因 数增量大幅增加，击穿电压明显下降，拐点时的断裂应变值暂可推荐作为线棒绝缘断裂应变失效的参考标准。 关键词：定子线棒；绝缘；弯曲断裂试验；力学性能 中图分类号：ＴＭ３０３．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９．９２３９（２０１３）０５—００７０．０４ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ Ｔｅｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ｆ Ｓｔａｔｏｒ Ｂａｒ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｙｕａｎ Ｘｉａｏｈｏｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｙａｎｇ ０Ｈａｒｂｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｈｎｒｂｉｎ １５００４０，Ｃｈｉｎａ １ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｂａｒ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ， ｆｏｕｒ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｌｏａｄ．ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｌｏａｄ．ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｂａｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｆｏｕｒ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｈｅｃｋ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌＯＳＳ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｂａｒ ａｆｔｅｒ ｆｏｕｒ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｅｓｔ ｉｎｃｒｅａｓ． ｅｓ ｇｒｅａｔｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｃ— ｏｍｍｅｎｄｅｄ ａｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｆｏｒ ｓｔａｔｏｒ ｂａｒ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｔｏｒ ｂａｒ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ；ｂｅｎｄｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｅｓｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ０ 引 言 电机运行状态下的绝缘状态，不能完全反应定子线 棒绝缘承受的机械强度。 随着发电机容量的提高，百万千瓦等级定子线 棒绝缘，特别是核电机组在运行过程中承受的机械 应力不容忽视。因此，探求定子线棒绝缘层力学试 验的方法及研究可行的试验标准成为必要。 １试验 大容量发电机定子线棒在运行过程中会承受 电、热、机械应力等因素的作用ｎ ，这些应力将影响 线棒绝缘性能，特别是在电机运行中，线棒长期承 受振动、伸缩等机械应力，可导致线棒绝缘损伤直 至击穿。为保证电机运行的安全及可靠性，应考核 线棒绝缘抵抗各种应力的能力，ＩＥＣ（国际电工委员 会）和ＩＥＥＥ（美国电气工程师协会）制定了一些有关 绝缘可靠性的试验方法，其中，对电应力、热应力及 二者联合作用下绝缘可靠性的试验方法已经得到 世界的公认ｔ 。 。对于线棒绝缘的机械强度，通常以 对压制的云母板或从电机线棒上剥离的绝缘层进 １．１定子线棒４点弯曲断裂试验 定子线棒在电机制造和运行过程中所受机械 应力包括：搬运和嵌线时受到局部弯曲应力的作 用；稳态运行过程中受到双倍工频振动力作用；暂 行抗冲击及抗弯性能评估 ，但这类数据难以表征 收稿日期：２０１３—０３．１９ 修回日期：２０１３—０４—２４ 态过程中受到突然冲击及弯曲应力的作用 。当线 棒的槽部及端部固定不良时，上述各种机械应力将 引起线棒绝缘层磨损甚至出现裂纹及疲劳，直至失 效引发电厂事故【６Ｊ。因此，在线棒绝缘结构设计中 要考虑绝缘的刚柔兼顾；通过４点弯曲断裂试验对 基金项目：国家重大科技专项（２００９ＺＸ０６００４—０１３—０４） 作者简介：袁晓红（１９６０一），女（汉族），黑龙江人，高级工程师，从事 汽轮发电机绝缘系统研究。 绝缘材料２０１３，４６（５） 袁晓红等：大容量发电机定子线棒绝缘力学性能试验研究 ７１ 绝缘层的弯曲刚度、最大抗弯幅值（挠度）及破坏特 点进行综合评估，从而真实反映绝缘层的耐机械应 力能力。 １．２试样制作 电机线棒的导线由多股铜电磁线压制构成，为 消除导体对绝缘层力学性能的影响，真实的反映大 容量发电机组定子线棒对地绝缘的弯曲刚度，采用 合金结构钢（庐２．０６￣１０“Ｐａ，ｃ＝Ｏ－３）作为导体材料； 钢导杆截面尺寸为５０ ｍｍｘ １２ ｍｍ，棱角半径 为 ０．３ ｍｍ。采用多胶环氧粉云母带绕包于钢导杆上， 绝缘总长度为１ ２００ ｍｍ，热压固化成型后单边绝缘 厚度为３．５ ｍｍ。 １．３试验方法 线棒的断裂试验目前国内外尚无统一方法及 判断标准，通过对电机运行中线棒受力情况进行分 析，设计了４点弯曲疲劳试验方法。 １－３．１载荷加载方式 按照图１所示尺寸设计夹具，将载荷施加在线 棒的４个点处。 图１试样及夹具示意图 １．３．２应变及挠度测试 将线棒夹持到４点弯曲疲劳试验夹具上并采用 液压伺服试验机进行加载。由于线棒的中点变形 最大，在中点绝缘表面粘贴应变片，从而有效检测 最大变形处的应变变化；使用外接挠度计测试试样 中点绝缘表面的位移。 １＿３＿３加载速率 分析加载速率与弯曲断裂结果的关系，经反复 试验证明，缓慢的加载速率将不会影响试验结果， 故试验选择加载速率为１．２７ ｍｍ／ｍｉｎ。 ２结果与讨论 ２．１定子线棒４点弯曲断裂试验分析 ２．１．１ 载荷一应变曲线（ ￡曲线） 在４点弯曲断裂试验中，图１所示线棒的下表面 为拉伸面，也是最大正应力面，其应变（ｓ）与载荷作 用力（Ｆ）的关系可由式（１）表示： ＝ Ｐａ ｈ （１） ‘＋ 』 式中，ａ为相邻支点和加载点的距离；ｈ为线棒高度； 日为线棒的弯曲刚度。 ８曲线可以有效反映弯曲刚度的变化情况，当 ｓ曲线出现拐点时，即表示试样的弯曲刚度发生变 化，以此作为判断绝缘断裂的标准。表ｌ为ｌ０支线 棒出现拐点时的断裂应变值，最低值为２ ３００ｘ１０一， ８ 试样的Ｆ．￡曲线如图２所示。根据曲线拐点判断 绝缘层已断裂。 表１断裂试验数据 编号 断裂应变值／ｌ０ 编号 断裂应变值／×１Ｏ １ ２ ３００ ２ ７６０ ２ ２ ３８０ ７ ２ ４００ ３ ２ ６００ ８ ２ ６５０ ４ ２ ４５０ ９ ２ ３５０ ５ ２ ３５０ １０ ２ ３７０ 稼 铘 应变／１０ 图２ ８ 线棒载荷一应变曲线 ２．１．２载荷一挠度曲线（ 曲线） 线棒下表面的中点位置最大挠度（ ）与载荷 （Ｆ）关系可由式（２）表示： 。、 。【３ａｌ ４ａ ） （２） 其中，ａ为相邻支点和加载点的距离；，为两支点 之间的距离；Ｅｌ为线棒的弯曲刚度。 Ｆ－６曲线出现拐点时试样的弯曲刚度发生了变 化，绝缘断裂失效。图３为８铽样载荷一挠度曲线。 由图２和图３可知，８ 试样的 ｓ曲线和 曲线 变化具有一致的对应关系，当载荷达到５．１×１０ Ｎ左 右时，两条曲线同时出现拐点，试样的弯曲刚度明 ７２ 袁晓红等：大容量发电机定子线棒绝缘力学性能试验研究 绝缘材料２０１３，４６（５１ 显下降，由此判断其绝缘断裂失效。 糖 挠度／ａｒｍ 图３ ８ 线棒载荷一挠度曲线 ２．２ ４点弯曲断裂试验关键问题探讨 ２．２．１ ３点弯曲与４点弯曲的比较分析 国内外许多公司在进行绝缘结构力学性能试 验时都采用３点弯曲试验法，图４和图５为支点跨距 为７００ ｍｉｌｌ时的弯矩图和剪力图。由图４与图５可 知，当弯矩达到最大值时，对应的剪力为０（图５中中 间点），而其他各点的剪力虽然相同但弯矩却是呈 线性变化的，因此即使失效也很难判断失效的主要 原因和绝缘的薄弱点。 蠹≯｜ ～ 一一是 —葫 — 冕 １￣４４４ ５８ ３３３ ９７．２２２ １３６．１ｌ１ １７５ 图４定子试验线棒３点弯曲弯矩图 ３８８．８％９ －１６６．６６７ ５５．５５６ ２７７．７７８ ５００ 图５定子试验线棒３点弯曲剪力图 为克服３点弯曲试验法的缺点，研究采用４点弯 曲试验法进行试验。图６、图７分别为对应的弯矩图 和剪力图。由图６、图７可知，在两个加载点之间剪 力为０，弯矩相同，构成纯弯曲的受力状态，加载点 之间绝缘的横截面受到相同分布的正应力作用，失 效点能够充分代表绝缘的薄弱点。 ． 荔 —＝＝：： 爵 胃。 ２７．６ ｍ １３８ １９３．２ 图６定子试验线棒４点弯曲弯矩图 ＿７玎朋 －３３３３３３ Ｉ】ｌ ＩＩＩ ５５５．５５６ ｌ∞Ｏ 图７定子试验线棒４点弯曲剪力图 ２．２．２ 绝缘断裂失效与电性能的关系 当定子线棒在机械应力作用下发生断裂失效 时，最直观的表现就是电性能发生变化。为探究断 裂劣化的电性能特征，对试样在断裂试验前后进行 常态介质损耗因数及击穿强度对比试验。 将试验线棒的中间部位包绕铝箔电极并用玻 璃丝带扎紧，电极长为４００ ｍｍ；采用“三电极”、正接 法 测试绝缘结构的常态介质损耗因数及其增量； 采用工频瞬时击穿法测试绝缘结构的电气强度［８］。 ２．２．２．１ 绝缘断裂失效与介质损耗因数的关系 图８、图９分别为５ 、８ 试样在断裂试验前后介 质损耗因数（ｔａｎｇ）随电压变化的曲线。由图８、图９ 可以看出，当绝缘断裂失效时，ｔａｎｇ起始值（０．２ｕｎ）小 幅增加，而介质损耗因数增量Ａｔａｎ￣（Ｏ．６Ｕｎ一０．２ｕｎ）显 著增加；这些现象表明对地绝缘结构中存在气隙， 在较高的电压下，气隙放电引起损耗增大 ，表明绝 缘层内部出现松动迹象，因此，断裂试验后的表面 “裂纹”并不是导致介电性能下降的直接原因。 试验电压／ｋＶ 图８ ５ 试样断裂试验前后介质损耗因数曲线 绝缘材料２０１３，４６（５） 袁晓红等：大容量发电机定子线棒绝缘力学性能试验研究 ７３ Ｏ ３ ６ ９ １２ １５ ｌ８ 试验电压／ｌ【Ｖ 图９ ８ 试样断裂试验前后介质损耗因数曲线 ２．２．２．２绝缘断裂失效与击穿场强的关系 ４点断裂试验中将 ｓ曲线出现拐点作为绝缘 断裂失效点。此时对线棒进行外观检查，发现表面 出现许多纵向裂纹，对线棒裂纹处进行解剖后发现 仅表层云母带出现分层现象，表面清理后裂纹消 失。为佐证断裂曲线出现拐点为绝缘失效，对这批 线棒进行了击穿试验，考察残余的电气强度，并与 未进行断裂试验的线棒进行对比，结果见表２。 表２工频瞬时击穿试验数据 断裂失效试样 未进行断裂试验的试样 编号 击穿电压／ｋＶ 编号 击穿电压 ｖ ６ ６２ Ｘ一１ ｌ１８ ７ ６３ Ｘ一２ ｌ１６ ８ ５８ Ｘ一３ １２０ ９ ６５ Ｘ一４ ｌ１５ １０ ６０ Ｘ一５ ｌｌ９ 由表２可以看出，出现表面“裂纹”的线棒仍具 有一定的电气强度，并未造成断路。从可靠性考 虑，当击穿电压下降到５０％时，即达到中位寿命 ， 表２中线棒的击穿电压已下降到原始值的５０％～ ６０％，经检查，击穿点位于线棒小面的中心，并不在 裂纹上。用多胶云母带模压制造的线棒，由于云母 带包扎层数较多，在弯曲时表层云母与补强材料玻 璃布之间会出现相对位移，产生“裂纹”状，似乎击 穿点就应在裂纹处。击穿试验结果证明，４点弯曲 断裂试验后线棒表面裂纹不是失效的判断标准。 ３结论 （１）用４点弯曲试验来模拟电机运行中线棒受 力状况的方法是合理的，可有效检测绝缘结构的本 征力学性能； （２）４点弯曲断裂试验后，线棒的介质损耗因数 增量大幅增加，击穿电压明显下降，多胶模压线棒 表面可见轻微裂纹； （３）根据线棒弯曲断裂及电性能试验结果，采 用４点断裂试验，当 ｓ曲线出现拐点后绝缘有失效 迹象，拐点时的断裂应变值暂可推荐作为线棒绝缘 断裂应变失效的参考标准。 参考文献： 【１］汪耕，李希明．大型汽轮发电机设计、制造与运行［Ｍ】．上海：上 海科学技术出版社，２０１２． ［２］ ＩＥＥＥ Ｓｔｄ １０４３ＴＭ・１９９６（Ｒｅａｆｆ ２００３），ＩＥＥＥ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｄｕｒａｎｃｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｆｏｒｍ—Ｗｏｕｎｄ Ｂａｒｓ＇ ａｎｄ Ｃｏｉｌｓ［Ｓ］． ［３］ ＩＥＥＥ Ｓｔｄ １５５３ＴＭ ２００２，ＩＥＥＥ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ Ｖｏｌｔａｇｅ—Ｅｎｄｕｒ－ ａｎｃｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｆｏｒｍ・－Ｗｏｕｎｄ Ｃｏｉｌｓ ａｎｄ Ｂａｒｓ ｆｏｒ Ｈｙｄｒａｇｅｎ－－ ｅｒａｔｏｒｓ［Ｓ］． ［４】徐冰，李振海，张秋寒，等．１０００ＭＷ水轮发电机定子线棒绝缘技 术的研究［Ｊ］＿绝缘材料，２０１２，（３）：１６—２１． ［５］ Ｂａｒｔｎｉｋａｓ Ｒ，Ｍｏｒｉｎ Ｒ．Ｍｕｌｔｉ—ｓｔｒｅｓｓ Ａｇｉｎｇ ｏｆ Ｓｔａｔｏｒ Ｂａｒｓ ｗｉｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，Ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｓ Ｓｉｍｕｌｔａ— ｎｅｏｕｓ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｆａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００４，ＥＣ一１９，７０２—７１４． ［６］Ｇｒｅｇ Ｃ Ｓｔｏｎｅ，Ｅｄｗａｒｄ Ａ Ｂｏｕｌｔｅｒ，Ｉａｎ Ｃｕｌｂｅｒｔ，ｅｔ ａ１．Ｅｌｅｃｔｒｉ— ｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｓ—Ｄｅｓｉｇｎ，Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，Ａｇ— ｉｎｇ，Ｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎｄ Ｒｅｐａｉｒ［Ｍ］．ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ Ｓｅｒｉｅｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎ— ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２． 【７］陈阳，冯超，张影．定子线棒介质损耗因数正接法、反接法测试 的比较分析［Ｊ］ｌ大电机技术，２０１２，１：５—１２． ［８］刘凤娟，刘睿，田冀焕，等．定子线棒内均压结构对槽部电场强度 及介质损耗因数的影响［Ｊ］．绝缘材料，２０１２，（４）：７３—７７． ［９］ Ｅｍｅｒｙ Ｆ Ｔ．Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ Ｆａｃｔｏｒ，ａｎｄ Ｃｏｒｏ— ｎａ Ａｓｐｅｃｔｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｓｔａｔｏｒ Ｂａｒｓ ａｎｄ Ｗｉｎｇｄｉｎｇｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，２００５（２）：１ ５． ［１０】邱昌荣．电气绝缘测试技术［Ｍ】．北京：机械工业出版社， ２００２．