CN102364825A

CN102364825A - 大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构

Info

Publication number: CN102364825A
Application number: CN2011103755245A
Authority: CN
Inventors: 张秋寒; 付强; 徐冰; 满宇光; 李振海
Original assignee: Harbin Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Harbin Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-02-29

Abstract

本发明涉及一种大型空冷发电机定子高导热槽部固定结构。本发明中所涉及的大型发电机槽部固定用绝缘材料中均添加了高导热陶瓷纤维，其中包括：槽楔、楔下垫条、槽衬材料及其填充材料中含有高导热陶瓷纤维。通过对各种材料合理的搭配和使用，有效地提高了线棒在定子铁心槽内综合导热性能，采用本发明设计制造的定子线棒槽内固定结构主要技术性能指标：(1)线棒在槽内固定材料的综合热导率达0.5W/m.K，有效地降低了电机的温升；(2)线棒与槽壁固定接触良好，有效地消除槽内电腐蚀，槽电位≤5V；(3)所研制的高导热槽内固定材料完全满足大型发电机定子下线工艺。本发明填补国内空白，各项技术指标达到国内外先进水平。

Description

大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构

技术领域：本发明涉及大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构。

背景技术：

随着大型空冷发电机的不断发展，温升水平是衡量电机设计和制造水平的重要因素。及时的散热能力是影响大型空冷高压发电机使用寿命的重要指标，因此开发高导热绝缘材料，研制高导热绝缘结构具有重要的意义。以往开发的高导热绝缘材料多针对定子线棒本身，采用高导热技术制造的定子线棒在导热性方面有了一定的提高，但槽内固定材料是由紧贴在定子线棒表面的一系列材料组成，线棒与铁心间及线棒与周围气隙间的热传导均需经过槽内固定材料，因此从发电机整体的控制温升角度上考虑，提高定子线棒在铁心槽内保护固定材料及结构的导热性能也尤为重要。大型发电机定子线棒槽内固定用材料，主要由树脂胶黏剂、硅橡胶、玻璃纤维、涤纶纤维等材料构成，聚合物树脂、胶黏剂等绝缘材料的导热系数在0.20-0.25W/mK之间，导热系数低不利于线棒散热，不利于有效地降低电机的温升；同时如果槽内固定结构设计不合理，线棒与槽壁有间隙存在，既会产生定子线棒槽内电腐蚀，影响主绝缘性能，同时气隙较多也不利于线棒的散热，严重地影响了电机的使用寿命。为此特对提高大型高压发电机高导热槽内固定结构展开了研究。

发明内容：本发明的目的是提供一种定子线棒快速散热，具有良好的导热性且耐高温，有效地降低电机温升，保证大型高压空冷发电机的运行稳定性的大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构。本发明的技术方案为：一种大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构，槽衬包覆在定子线棒表面与线棒一同嵌入定子槽内，槽楔为上层线棒嵌入槽内后楔入槽内，槽楔内夹波纹板，槽楔下部为楔下垫条，层间垫条位于上层线棒与下层线棒之间。本发明槽衬采用无纺布“U”型结构，其中每层无纺布槽衬纸间涂刷高导热绝缘粘接胶，“U”型包绕在线棒表面，安装在定子槽内，槽衬采用“硅橡胶绕包”槽衬结构，该结构为由半导体无纺布和高导热硅橡胶涂覆、折叠、包绕在线棒表面而成，其中作为弹性适形材料的硅橡胶中填充了高导热材料。

本发明包括槽衬为包覆在定子线棒表面与线棒一同嵌入定子槽内，起保护定子线棒不受损伤及消除槽内电腐蚀的作用；槽楔起径向楔紧固定的作用；楔下垫条和波纹板为配合槽楔使用，共同其径向楔紧固定的作用，楔下垫条的数量可根据槽楔与线棒之间的空间距离进行可调配；层间垫条位于上、下层线棒之间，起增大线棒出铁心后的层间间隙、避免线棒层间放电作用，同时防止上、下层线棒在铁心槽内产生磨损。

具体说明如下：

定子线棒槽内固定结构包括：定子线棒槽衬、槽楔、楔下垫条、波纹板、层间垫条或层间适形材料。

1)、定子线棒槽衬共有两种型式：①无纺布“U”型结构，其中每层无纺布槽衬纸间涂刷高导热绝缘粘接胶，“U”型包绕在线棒表面，将其下如定子槽内；②硅橡胶槽衬结构，该结构为由半导体无纺布和高导热硅橡胶涂覆、折叠、包绕在线棒表面而成。其中作为弹性适形材料的硅橡胶中填充了高导热材料，使其具有良好的导热性能。

2)、槽楔环氧树脂层压材料或酚醛树脂模压塑料，由主、副两块槽楔构成，为成对楔紧结构。在线棒下线后将其楔入铁心的齿槽中起到径向固定线棒的作用。在制造槽楔材料时将高导热纤维在材料制造过程中合理加入，提高了槽楔的导热性及机械性能。

3)、楔下垫条在线棒槽衬和槽楔之间，为配合槽楔使用的楔紧材料，其厚度可根据下线实际情况进行配垫。该材料为环氧层压材料，其中加入高导热纤维，既提高了该材料的导热性，同时也增强了该材料的机械性能。

4)、波纹板为在主、副槽楔之间或线棒与槽壁之间使用，该材料为波纹层压板型结构，垂直于波纹板在波峰和波谷间施加一定的压力，该材料可以实现弹性楔紧作用。波纹板有绝缘波纹板和半导体波纹板两种，区别为半导体波纹板中添加了半导体材料，在两种波纹板中均加入高导热陶瓷纤维，提高了该材料的导热性能和机械强度。

5)、层间垫条或适形材料在同一槽内上下两根线棒之间使用，该材料的作用是增大了同一槽内两根线棒的槽部和端部间隙，减少机械损伤及增大端部上下两根线棒间的放电距离，在该材料中间可以安装测温铂电阻，对铂电阻起保护和固定作用。层间垫条为环氧玻璃坯布压制件，层间适形材料为涤纶毡，将这两种材料在制备过程中加入高导热纤维作为补强材料，既提高导热性又增强了起机械性能。

本发明的技术优点是：

大型空冷发电机高导热定子线棒槽内固定绝缘结构为一个有机地整体。从所涉及的各部位材料本身着手提高材料自身的热传导性能，并同时根据具体的发电机设计要求和下线工艺要求，设计出合理的材料配合使用结构与之配套，从整体上提高槽内固定结构的热传导性能。

采用本发明制造的高导热绝缘材料在主要技术性能指标不降低，工艺应用性能不变化的情况下，在材料中添加了导热纤维、导热填料，大幅提高了槽内固定结构的导热系数提高。其中定子线棒槽衬1、槽楔2、楔下垫条3、弹性波纹板4、层间垫条或适形材料5，导热系数最小为0.5W/m.K；本发明制造的定子线棒槽内固定结构可以满足如下性能指标：(1)槽内固定材料的热导率达0.5W/m.K以上；(2)槽电位测量≤5V；(3)定子槽部温升限值80K；(4)所有材料机械及电气性能满足发电机设计要求；(5)所有材料的应用均满足常规下线工艺要求。

本发明的各项技术指标均达到国内外先进水平，该技术适合大型空冷汽轮发电机组、水轮发电机组、交直流机组使用，本发明具有广泛的应用前景。本发明为空冷大型超高压大容量发电机组的绝缘设计和研究奠定了坚实的基础。

附图说明：

图1高导热槽内固定结构示意图

图2“U”型槽衬结构截面示意图

图3“U”型槽衬结构侧面示意图

图4硅橡胶槽衬结构截面示意图

图5硅橡胶槽衬结构侧面示意图

图6高导热混纺纤维布示意图

图7弹性波纹板结构示意图

具体实施方式：

如图1所示，一种大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构，槽衬1包覆在定子线棒7表面与线棒一同嵌入定子槽内，槽楔2为上层线棒7嵌入槽内后楔入槽内，槽楔2内夹波纹板4，槽楔2下部为楔下垫条3，层间垫条5位于上层线棒7与下层线棒8之间。

槽衬1所用的绝缘粘接胶和硅橡胶中添加了纳米或微米级的氧化铝导热填料；槽楔2材料中添加了高导热陶瓷纤维；楔下垫条3和弹性波纹板4材料中含有高导热陶瓷纤维；层间垫条5中含有高导热陶瓷纤维。

槽衬1采用无纺布“U”型结构，其中每层无纺布槽衬纸间涂刷高导热绝缘粘接胶，“U”型包绕在线棒表面，安装在定子槽内。

槽衬1采用硅橡胶槽衬结构，该结构为由半导体无纺布和高导热硅橡胶涂覆、折叠、包绕在线棒表面而成，其中作为弹性适形材料的硅橡胶中填充了高导热材料氧化铝。

定子线棒槽衬1共有两种型式可选择应用：“U”型槽衬结构，见图2和图3；“硅橡胶绕包结构”见图4和图5。

如图2和图3所示，“U”型槽衬结构所用槽衬纸为半导体无纺布11材料，规格为0.1mm厚，在每层半导体无纺布间涂刷高导热胶黏剂12使其成为整体，“U”字形包覆在线棒7和8表面。该槽衬结构双面绝缘厚度仅为0.4～0.6mm，与槽壁6基本无间隙，提高了线棒7和8表面到铁心槽壁6的热传导性，并有效地降低了槽电位消除线棒7和8在定子槽部的电腐蚀。在“U”型槽衬所使用的胶黏剂12以有机硅改性环氧树脂为母胶，其中加入了ALN导热填料，并进行相应的试验筛选分析，使其导热系数达到了0.8W/m.K。

如图3、图4所示，根据机组设计要求，定子线棒槽衬1结构也可为“硅橡胶绕包结构”。硅橡胶绕包槽衬结构为在一层半导体无纺布13上涂覆一层室温硫化硅橡胶14(根据线棒7和8与槽壁6的间隙不同调整硅橡胶涂层厚度，厚度在0.1mm～0.3mm之间)，对折绕包在线棒7和8表面，在硅橡胶硫化前将线棒下入定子槽内，包绕在线棒表面的无纺布硅橡胶槽衬在定子槽内适形硫化。本发明将室温硫化硅橡胶14中加入导热填料(氧化铝Al₂O₃、氧化锌ZnO等)，通过控制填量和粒径分布，室温硫化后的硅橡胶导热系数可达到1.0W/m.K。采用该结构的硅橡胶绕包槽衬结构的双面绝缘厚度可以控制在0.5～0.8mm之间，厚度薄、导热性好，与槽壁6适形接触基本无间隙，提高了线棒7和8表面到铁心槽壁6的热传导性，并有效地降低了槽电位消除线棒槽部电腐蚀。

定子槽楔2为层压布板加工件或酚醛树脂模压塑料，在大型发电机定子槽部应用为主、副两块槽楔成对应用，主副槽楔为同一材质。为槽楔为层压布板材质时，层压板的补强材料为玻璃纤维布，是由多层半固化的玻璃坯布热压制成。我们通过在玻璃纤维9中横向、纵向混纺入高导热陶瓷纤维10，制成高导热混纺纤维坯布11，热模压成层压板材，最后根据具体形状加工成层压制品槽楔单件；当其为酚醛树脂模压塑料时，塑料中填充补强材料的是短纤纤维，分有取向和无取向两种。常规的酚醛树脂模压塑料填充的是玻璃纤维，将高导热陶瓷纤维(或晶须)作为补强纤维的一种，添加到热固化树脂中，根据图纸形状热模压成型。加工或模压成型后的定子槽楔2由于其组成材料中添加了高导热陶瓷纤维(或晶须)的成分如：BN的导热系数为40～120W/m.K，Al₂O₃的导热系数为25～40W/m.K，高导热陶瓷纤维(或晶须)的加入，改善了原有聚合物的导热性能，提高该材料的导热系数。

楔下垫条3在线棒槽衬1和槽楔2之间，为配合槽楔2使用的楔紧材料，其厚度可根据下线实际情况进行配垫。该材料为环氧玻璃坯布层压材料，在原坯布补强材料——玻璃纤维9中混纺入高导热陶瓷纤维10，制成高导热混纺纤维布11，热压成层压板材。加入高导热纤维10后，既提高了该材料的导热性，同时也增强了该材料的机械强度，材料在高温下的抗弯、抗冲击等力学性能也有了一定的提高。

如图7所示，主、副槽楔2间加入的弹性波纹板4，同为绝缘层压制品，弹性波纹板4是由特殊编织的玻璃布经F级热固性树脂浸渍成半固化玻璃坯布，然后在模具上加热加压固化而成。根据定子线棒槽内固定的要求，波纹板具有永久变形小，抗压变形小，回弹力高的性能，在机组长期运行过程中保持波纹形状，保持弹性，为协助槽楔2对线棒7施加径向压力。本研究将原补强材料玻璃布中混纺入高导热陶瓷纤维10，制成高导热混纺纤维布11作为其补强材料后，也提高了波纹板本身的热传导能力。

层间垫条或适形材料5在同一槽内上层线棒7和下层线棒8之间使用，该材料的作用是增大了同一槽内上层线棒7和下层线棒8的槽部和端部间隙，减少机械损伤及增大端部上下两根线棒7间的放电距离，在该材料中间可以安装测温铂电阻，对铂电阻起保护和固定作用。层间垫条5为环氧玻璃坯布压制件，在坯布补强材料——玻璃布中加入高导热陶瓷纤维10，制备的层压制品具有良好的导热性能和机械强度。层间适形材料5为涤纶毡，由涤纶纤维构成，在制造初期将高导热陶瓷纤维混纺入涤纶纤维中，制造成复合纤维毡，并浸渍树脂胶黏剂作为层间适形材料，垫入上下两根线棒7之间既提高导热性又增强了其机械性能。

定子槽楔2、楔下垫条3、波纹板4、层间垫条5在制造过程中使用我们所研制的高导热复合纤维布作为补强材料。高导热复合纤维布11如图6所示，采用不同方式将高导热陶瓷纤维10和玻璃纤维9进行横向和纵向混纺。高导热复合纤维布11的导热系数最小值为5W/m.K。高导热陶瓷纤维10通常由如下材料制备，如：氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化锌(ZnO)、氧化硅(SiO₂)等。

Claims

1.一种大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构，其特征是：槽衬(1)包覆在定子线棒(7)表面与线棒一同嵌入定子槽内，槽楔(2)为上层线棒(7)嵌入槽内后楔入槽内，槽楔(2)内夹波纹板(4)，槽楔(2)下部为楔下垫条(3)，层间垫条(5)位于上层线棒(7)与下层线棒(8)之间。

2.根据权利要求1所述的一种大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构，其特征是：槽衬(1)所用的绝缘粘接胶和硅橡胶中添加了纳米或微米级的氧化铝导热填料；槽楔(2)材料中添加了高导热陶瓷纤维；楔下垫条(3)和弹性波纹板(4)材料中含有高导热陶瓷纤维；层间垫条(5)中含有高导热陶瓷纤维。

3.根据权利要求1所述的一种大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构，其特征是：槽衬(1)采用无纺布“U”型结构，其中每层无纺布槽衬纸间涂刷高导热绝缘粘接胶，“U”型包绕在线棒表面，安装在定子槽内。

4.根据权利要求1所述的一种大型空冷发电机定子线棒高导热槽内固定结构，其特征是：槽衬(1)采用硅橡胶槽衬结构，该结构为由半导体无纺布和高导热硅橡胶涂覆、折叠、包绕在线棒表面而成，其中作为弹性适形材料的硅橡胶中填充了高导热材料氧化铝。