采用圆形取代矩形的发电机线棒——电机发展史上的一项重大创新

哈尔滨电机厂有限责任公司 刘孝忠

绕组线圈及其绝缘常被比作电机的心脏。大电机的造价中，绝缘部分约占25 %以上，表明它的技术含量很高。然而它又是很脆弱的，它的事故率约占电机的30%以上。大电机市场的竞争，在较大程度上讲就是绝缘的材料、性能、结构和工艺等方面的竞争，而且是相互保密的，即使高价也不出售、转让。

我国的大电机绝缘技术与国外先进水平相比，主要差距表现在主绝缘厚度和绕组固定这两个方面，然而它们之间又是密切相关的两个因素。我们发电机主绝缘厚度约厚10%左右，经过多年的研究开发，采取了有效措施，改善了定子绕组线棒矩形截面的4个角部的电场强度集中问题，实现了绝缘厚度减薄、缩小了差距。

本文简述一种根本解决办法，即采用圆形截面的电缆来取代矩形截面的线棒，从而消除了4个角部电场强度的不均匀问题，实现了电机发展史上的一项重大改革。

1 传统的矩形线棒

按照设计要求，大型电机定子铁芯的槽形为矩形，所以槽内的线圈或线棒也选择矩形截面，以提高槽满率。然而这种矩形截面导体的电场强度沿四周的分布是不等的，其4个角部高达6-9kV／mm，而4个直边却只有3kV／mm。

定子绕组的可靠固定和线棒主绝缘厚度的减薄是我国与世界先进技术水平的最主要差距，两者又是相互影响的。最近5年来，我们进行了专题研究，采取了下述有效的减薄措施：

①采用高云母含量、高机械强度、工艺性能好的云母带材料；

②采取各种改善角部场强的有效措施；

③在工艺上精工精作；

④采取可靠的绕组固定措施等。

现在国内的主绝缘厚度已经接近甚至达到了国外先进水平。

2 新型的圆形电缆

具有圆形截面的电缆不存在像矩形截面线棒的4个棱角，也就不会发生电场强度集中问题。因此，采用圆形电缆取代矩形线棒便从根本上消除了角部场强集中和绝缘厚度不能减薄的问题，因而这是电机工业发展史上的一项重大变革。这项改革的实现是与现代化高电压输电电缆的发展分不开的，这种已达到商品化的交链聚乙烯电缆的电压等级已达到500kV，可使发电机的输出电压提高到高压电网的水平。从而不必再经过变压器升压后并网，而传统的发电机至今为止的额定电压多为18或20kV，最高也不超过30kV。用于发电机上的这种电缆与普通输配电用电缆的不同在于它既没有金属屏蔽，又没有外皮，而其材料与工艺却与现已应用的高压电缆技术相同，即采用了已被电力电缆工业所证明了的固体挤压绝缘的高电压电缆技术，它属于市场上流行的标准件商品。

设备：D8 ADVANCE X射线衍射仪(德国布鲁克AXS有限公司)；Laser SHIMADZU SALD-3101 analyser激光粒度分析仪；Optima-8000电感耦合等离子体原子发射光谱仪(PerkInElmer)；TG-DSC热重-差热分析仪(日本-岛津)；JJ-4六联电动搅拌器、电加热套(带磁力搅拌)、高压釜(聚四氟)、PHS-3C型酸度计、真空抽滤泵。

采用圆形电缆的发电机可使电站省去变压器、开关、连接铜排、通道等许多电气、机械、土建工程设施，同时又以廉价的聚乙烯取代了昂贵的云母带。

3 结构工艺特点

与传统的矩形线棒相比，采用圆形电缆的大电机在结构、工艺等方面确实是一次重大变革。

3.1 槽形奇特

与传统大电机的矩形线槽不同，采用圆形电缆时定子铁芯槽形非常特殊，槽内二侧槽壁都带有一定的半圆形以便紧贴电缆。电机的整个绕组线圈由一根长电缆连续地穿入槽内，而不是矩形线棒那样由槽口嵌入槽内。此时定子槽形很深，即齿很高，约为轭部高的4-5倍。成排的圆形电缆在槽内是通过特殊结构的三角形硅橡胶软管来紧固的，以便减小振动。将该软管插入圆形电缆与铁芯槽壁之间并在管中充满液体硅胶，然后在受压情况下使之固化，并使电缆紧贴槽壁。它们之间的紧固力必须保持在一定范围内，以便容许电缆绝缘的热膨胀。

3.2 绝缘不同

定子绕组中的感应电压，从中性点起直到线端为止是逐渐升高的，电缆的电场强度也随着长度的增加而增大，所以其绝缘厚度是不同的，即绕组的第一匝线圈采用较薄的绝缘，以后便阶梯式地增加绝缘厚度，此外，电缆本身的股线绝缘也不同，为了减小漏磁通引起的附加损耗，电缆的多股股线应被细分并进行相互绝缘，然而事实上采用是不同的股线绝缘，即大多数股线是绝缘的，而股线线束的最外2层是非绝缘的，这样可以确保股线和内半导体层之间的等电势。对于电压为155kV、容量为75MVA的水轮发电机来说，定小绕组用这种电缆总长度为16m。

4 经济效益

采用圆形电缆取代矩形线棒的大电机可以带来下述经济效益。

①用聚乙烯取代云母带，成本大为降低；

②采用高压电缆取代传统线棒，可以不经升压变压器直接并网；

③由于电压很高，当容量不变时，便可减小电流和电流密度，从而减小损耗，提高电机效率，还简化了冷却系统。以直接并网运行而不必再经过降压变压器。

实践证明，采用圆形电缆的高电压大电机效率可提高0.5%～2%；而对于发电站来说则可使总成本节约25.3%左右。

5 研究课题

根据近年来参加国际大电网会议的我国代表介绍，采用圆形电缆取代矩形线棒的大电机在国外经历了8年的研究开发，已实现了商品化和工业化，订货量逐年增加。除了已投运5台外，加拿大和日本也向法国阿尔斯通订购，目的在于仿制和自己开发。这种电机将带来竞争热潮，有的人称之为“电机结构的一场革命”。

采用圆形电缆的大电机既可以是发电机(包括汽轮发电机、水轮发电机、风力发电机），也可以是电动机。这种专利发明是绝对保密的。

我国已经掌握了将信息迅速转化为生产力的能力，许多大电机行业单位非常重视，纷纷立题研究开发。当前的主要研究课题是：

①高电压电缆的研制；

②电缆在铁芯槽内的因定；

③具有阶梯式绝缘厚度的电缆在铁芯槽内的穿插工艺；

④电缆绕组的端部固定等。