前　言

　　电机在运行过程中，由于电场的周期性变化导致定子绕组内温度的快速变化，从而造成线棒截面尺寸变化和绝缘逐渐老化。通过对线棒进行运行过程中温度变化过程的模拟试验和一系列的诊断试验，并对诊断试验数据与原始数据进行分析比较，选择适用于二滩水轮发电机组（简称二滩机组）的绝缘材料、绝缘结构和绝缘工艺，验证绝缘结构、绝缘工艺的可靠性，为GE公司评定二滩机组定子线棒的质量提供试验依据。为此开展了二滩机组定子线棒冷热循环试验研究。

2　试验标准和试验方法

　　根据IEEE Std．1310—1996试验标准进行试验。

2．1　加热方法

　　用工频交流电流通过线棒循环加热。为确保被试品的加热速率，要求供电电源有足够的功率；为减少所需加热电源的功率，每只线棒串联加热。

2．2　冷却方法

　　线棒用风冷却，并要求冷却器有足够的容量，使得线棒的降温速率为2．5℃±1℃／min。为了保证被试品沿长度方向表面温度分布均匀，为此，采取措施使空气垂直吹向线棒的表面，并避免因沿线棒长度方向的气
流导致冷却不均匀。

2．3　温度循环过程

　　冷热循环试验过程中，试验温度下限值为40℃，上限值为155℃。温度循环过程为：由40℃升至155℃，再降至40℃为一个循环。

　　试验过程中，每一个冷热循环周期之间没有间隔时间，亦即当温度升至上限后热循环终止，冷循环立即开始，温度降至下限后热循环开始，一直循环下去，直至试验结束。

2．4　温度控制和测量

　　在控温线棒槽部中点钻直径约10mm的小孔至铜导线，在小孔内埋置测温元件，测量导体的温度用以控制冷热循环过程。测温元件和控温线棒导体之间垫厚度小于或等于0．05mm的绝缘薄膜，小孔内用与原绝缘材料热性能相同的材料填充。尽量减少铜暴露在外面，并避免挤压测温元件。在试验过程中，控制线棒导体的温度必须测量准确。

　　线棒绝缘表面布置测温元件，用以测量表面温度，测温精度：±2℃。测温元件与绝缘表面接触良好，并用导热复合物改善热传导，减小热量流向测温元件的热阻。采取措施将外部气流（测温元件上的）的影响降至最小。为确保沿试品表面的温度分布均匀，试品每米布置一个测温元件，每个试品至少用3个测温元件。

　　试验温度和控制温度要求：（1）在有效循环过程中，控制点温度应控制在规定温度的±3℃以内。（2）每次沿线圈直线部分测量的表面温度应保持在表面温度平均测试值的±5℃以内。

2．5　循环次数

　　定子线棒应完成500个冷热循环。

3　冷热循环试验试验系统

　　为了按IEEE标准对二滩机组定子线棒绝缘进行冷热循环试验研究，我们与有关单位合作，研制了一套能模拟线圈绝缘实际运行工况的冷热循环试验系统。下面简单介绍该试验系统，并对其进行试验验证。

3．1　试验系统组成

　　冷热循环试验系统由升温系统、降温系统、自动控制测量系统三部分组成。升温系统由稳压电源和工频大电流变压器组成，通过工频交流电流对线棒进行加热，使线棒平均升温速率达到标准要求的2．5℃±1℃min，变压器最大输出电流为5000A；降温系统由鼓风系统和排风系统组成，鼓风系统鼓入室温冷空气，排风系统抽出热空气，两者共同作用，使得平均降温速率达到2．5±1℃／min。自动控制测量系统应用了先进的微机及微电子技术，能根据循环过程中升降温速率的要求和控温点的温度，自动调整电流的大小、鼓风系统和排风系统的启动或停止，实现了整个试验过程中每个循环的试验温度和控制温度的自动测量控制、自动记录温度曲线、循环次数、试验时间及数据处理，并具有自动校验、故障诊断及报警功能。

3．2　试验系统试验验证

　　（1）以第一个冷热循环为例，试验温度平均值与时间关系曲线如图1所示。试验温度平均值与测试值的差值的最大值与时间关系曲线如图2所示。其中A1、A2为试验线棒，T43为控温线棒。

　　由表1数据和图1可知：试验系统的平均升温速率为2．07℃／min．，平均降温速率为－2．21℃／min．，满足标准的要求。

4　冷热循环试验

4．1　试验线棒准备

　　选择4只二滩机组定子线棒，其主绝缘材料分别由两个厂家提供。

   （1）编号为T43线棒为温度控制线棒，在T43中埋入测温元件，通过测量T43导体的温度控制冷热循环过程。

   （2）编号T1、B56线棒为热保护线棒，放置在试验线棒的外侧，其作用是在试验中提供试验线棒外部热源，以模拟线棒之间的热辐射，估算外层试验线棒与其它线棒的温差。

4．2　试验线棒和测温元件布置

　　为确保试样表面温度分布均匀，每个试样平行放置，中心距离为10cm。为避免机械损伤，线棒间用软铜带可靠连接，并有足够的接触面，接触面光滑平整。为保证连接处不会变成加热源或散热源，在连接处采取了绝热措施。在试验线棒绝缘表面上每间隔1米布置一个测温元件，并可靠固定。

4．3　诊断试验及其结果分析

　　在冷热循环试验开始和结束时对线棒进行表面电阻率测试和耐压试验；在冷热循环开始前、循环50次、循环100次、循环250次及循环500次后进行尺寸、介质损耗测试、外观检查；在冷热循环500次后进行工频交流耐压试验和工频击穿试验。

　　为了避免因搬动线棒而损伤线棒绝缘，以及避免整个试验过程中线棒和测温元件的布置发生变化，试验过程中的各项诊断测试均在冷热循环试验设备原位置进行。

4．3．1　尺寸测量

    由表2的数据可知：随着循环次数增加，截面尺寸呈逐渐增大的趋势。

4．3．2　表面电阻率测试

　　在循环前和500次循环后，测试各线棒两个大面的表面电阻率。从号端槽口100mm处、槽内1／4处、槽内中点、槽内3／4处、非号端槽口100mm处依次测试5点，测试结果如表3所示。
　　

4．3．3　介质损耗测试

　　用高压西林电桥、两电极系统进行测试。测试时，所有不测试线棒直线及其测温元件和屏蔽层均接地，被测试线棒直线及其测温元件和屏蔽层与测量极连接（不接地）。测试结果如图3、图4、图5、图6、图7所示。

　　由图3、图4、图5、图6、图7可知：500次循环后，常态介质损耗值均达到一等品要求；常态介损增量Δtanδ值，A1、A2增大较多，而T43、B357增大值小于1。

4．3．4　线棒外观检查及轻敲检查

　　（a）冷热循环试验前各线棒绝缘表面损伤情况：

　　T43：号端下模面R处高阻防晕层脱落35mm长。

　　A1：长端下模面R处棱角高阻防晕层损伤。

    A2：上模面靠A面棱角有小坑。

   （b）50次循环后线棒敲击试验结果：

    B357：A、B面均不发空。

    T43：A、B面均不发空。

　　A1：A面长端起发空500mm长、短端发空100mm长，B面短端槽口100mm处发空。　

  　A2：A面除长端槽口300mm内、槽中间（1／2处）500mm长不发空外，其余全发空；B面不发空。

    （c）100次循环后线棒敲击试验结果：

    B357：A、B面均不发空。

    T43：A、B面均不发空。

　　A1：A面长端起发空100mm长、短端发空500mm长，B面短端槽口100mm处发空。　

  　A2：A面除长端槽口300mm内、槽中间（1／2处）300mm长不发空外，其余全发空；B面不发空。

   （d）250次循环后线棒敲击试验结果：　　

    B357：A、B面均不发空。

    T43：A、B面均不发空。

　　A1：A、B两面从长端起发空1500mm长，A面短端发空1100mm长，B面短端槽口100mm处发空，长端从槽口400mm处开始至600mm处发空。

　　A2：A面除长端槽口200mm内、槽中间（1／2处）100mm长不发空外，其余全发空；B面全发空。

   （e）500次循环后线棒敲击试验结果：　　

    B357：A面非号端槽口内发空200mm，B面不发空。

　　T34：A面不发空，B面非号端槽内600mm处发空。

    A1：A、B两面全发空。　　

    A2：A、B两面全发空。

4．3．5　工频交流耐压试验

　　冷热循环试验后4只线棒均通过了51．6kV、1min工频交流耐电压试验。

　　冷热循环试验后工频击穿试验结果，如表4所示。

   （1）新研制的冷热循环试验系统可自动控制试验温度及升降温速率，具有自动绘制温度曲线的功能，并能自动记录循环次数、试验时间、试验温度、控制温度、升降温速率以及测试时间；温度控制、测量及平均升降温度速率均能满足标准要求；试验系统能长期、连续、稳定运行。该套系统的研制成功，填补了国内空白，为大型发电机组尤其是三峡机组定子线棒绝缘长期老化寿命的评估奠定了基础。

   （2）经500次冷热循环试验以后，低阻防晕层的表面电阻降低，但仍满足标准要求。

   （3）经500次冷热循环以后，线棒截面尺寸增大，表明主绝缘逐渐变疏松，密度下降，但增大的最大值仅为0．25mm×0．51mm，表明绝缘的尺寸稳定性良好。

   （4）500次冷热循环试验以后，线棒常态介损逐渐增大但仍达一等品要求。

   （5）经500次冷热循环试验以后，主绝缘仍具有较好的介电性能，击穿电压最低值为85kV，为额定电压的4．7倍。

   （6）试验证明：线棒T43、B357的性能良好，表明其主绝缘材料性能优异、绝缘结构和绝缘工艺可靠。因此，二滩机组使用了与T43、B357相同的绝缘结构、绝缘材料和绝缘工艺。