1定子绕组绝缘
1.1云母带云母带主要由云母、补强材料及粘合剂构成，其中云母是天然矿物质，是一种含铝、钾、镁、铁和钠等元素的硅酸盐。目前电机绝缘上使用的云母主要来自天然矿产，人造云母由于造价过于昂贵而没有被广泛应用。世界上超过70%的云母来自印度和巴西，国内主要云母产地有新疆、内蒙古和四川等地。补强材料包括玻璃纤维（硼酸硅盐）和薄膜等。粘合剂起到粘合云母和补强材料的作用，分为双马桐油酸酐环氧、间苯二酚甲醛聚合物、羧酸盐和硼胺环氧等不同种类，粘合剂是决定云母带的电、热和力学性能的关键材料。B级桐油酸酐云母带（简称B级TOA带）和F级桐马环氧粉云母带(简称F级桐马带)的性能对比见表1[2]。云母带不但作用重要，而且在电机上的用量也较大。以一台18kV/200MW火电机组为例，少胶云母带的用量在2t以上；如一台向家坝水电机组，多胶云母带的用量多达25t。1.2VPI树脂在VPI绝缘体系中，与云母带配合使用的还有浸渍树脂。对浸渍树脂的性能要求是：粘度低，以便能有效地浸渍；饱和蒸汽压力小，使之能够低真空运行；在适宜的温度下胶化时间短，烘焙时减小流胶；环保，毒性小，闪点高；固化不受金属等物质的影响，即使受到催化剂作用，仍有较长的储存期；成本低。目前世界上广泛采用的浸渍树脂有三类：第一类为西屋公司(Themalastic绝缘)和ABB公司(Mi-cadur绝缘)的环氧酸酐/苯乙烯体系；第二类为西门子公司(Micalastic绝缘)和三菱电机公司的单纯环氧酸酐类体系；第三类为瑞士Isola公司(Samica-bond绝缘)的改性不饱和聚酯亚胺树脂，几种典型VPI树脂的性能数据见表2[3]。从20世纪60年代至今，VPI树脂发展很快，国外各公司自成体系。国内公司相对起步较晚，从80年代开始仿制并结合自身特点研制了适合浸渍中胶和少胶云母带的VPI树脂。目前,市场上应用的VPI浸渍树脂产品多为以西屋公司和ABB公司为代表的环氧酸酐/苯乙烯体系和以西门子和三菱电机公司为代表的单纯环氧酸酐类体系。1.3防晕材料绕组表面的防晕层起到改善电场分布的作用，常见的有漆、带等形式。防晕材料主要由半导体材料、补强材料和树脂构成，其中半导体材料主要是石墨和碳化硅，分别应用在线棒的槽部和端部。50年代到60年代初，国内使用的电机防晕材料主要为沥青半导体添加含铁石棉带或玻璃丝带；1965年以后，出现了醇酸半导体漆；1971年成功开发“一次成型”工艺，对于多胶模压绝缘体系，这种一次成型工艺一直沿用至今。电机防晕计算方法最初为二维电场数值计算，随着计算机技术的应用逐渐发展为三维电场的有限元分析，现在已经可以进行电场和热场的三维综合模拟测试和分析。另外，借助红外线成像仪和紫外线成像设备可以非常清晰地对试验过程进行观测和对比，如利用红外成像仪可以检测到线棒的温度，利用紫外成像仪可以观测到线棒放电。1.4电磁线绕组电磁线的种类非常多，构成电磁线绝缘层的常见材料有：玻璃纤维、聚酯、漆、膜以及复合材料等。对电磁线的性能要求是：适合编织成型，机械强度好，电气性能好，铜扁线与股线绝缘具有良好的粘结性能。考核指标有绕包线伸长率、回弹角、弯曲附着性能、绝缘粘合性能、柔韧性等。1955年，美国杜邦公司将玻璃纤维和聚酯纤维首先应用于电磁线外绝缘，后来发展成“Daglas”线。目前大型发电机电磁线绝缘大多采用涤玻烧结线，绝缘厚度可以减薄到0.2mm如图2所示。鉴于绕组的核心作用，在制造和安装过程中需要经过一系列严格的测试，线棒的常规试验项目包括介质损耗因数、局部放电量、耐电压、起晕电压、工频瞬时击穿电压和热稳定性等。绕组的试验项目包括绝缘电阻、吸收比和极化指数、直流耐电压、泄漏电流、交流耐电压等。除此之外，在制造前还经常进行一些非常规项目试验，如电热老化、冷热循环、疲劳振动和耐环境因素试验等。这些试验项目（包括非常规性能试验）周期长，需要花费大量的人力和物力，不是短期内可以完成的，因此绝缘体系的确定是极其严谨的，需要大量的试验和数据为基础。一旦确定某种绝缘材料和绝缘结构可以使用并经过工程验证，一般不轻易更换。类似线棒的电热老化试验和冷热循环试验是系统评定试验，不需要每个发电站都进行。
2定子铁心绝缘
定子铁心材料为电工硅钢片，包括无取向和有取向两种，其中无取向硅钢片使用较多。这类硅钢片一般附带有原始漆膜，原始漆膜为硅酸盐或者磷酸盐，按照国际分类标准，分为C0至C6等级。对于中小型电机而言，这层原始漆膜可以满足一般的性能要求，硅钢片不需要进行额外的涂漆处理。但对于大型发电机而言，为了加强片间绝缘，抑涡流损耗，要求漆膜附着力好、耐高温、耐磨、耐腐蚀性能强，因此需要进行二次涂漆处理。硅钢片漆的种类也很多，包括纯有机漆、半无机漆和无机漆等几类。国内在20世纪50年代研制出纯有机漆并得到了广泛应用，如二甲苯改性醇酸树脂漆9163。80年代开发了半无机漆，90年代开始开发水溶性半无机漆并在本世纪初在电机上得到了应用。目前国内的水溶性漆与国外相比仍略有差距，但这种差距已经大大缩小。目前国外在大型电机上广泛采用的是美国杜邦公司的1151系列和奥地利罗布兰亭公司的EB5001系列，这两种漆在国内也有大量使用，为水溶性半无机漆。硅钢片在涂漆加热过程中，由于溶剂挥发和漆基分解会产生醛类或含苯等有刺激性或有毒有害物质，因此水溶性半无机漆比溶剂型半无机漆更加环保，也得到了大量的应用并越来越受到关注。
3转子励磁绕组绝缘
相对于定子绕组绝缘而言，转子励磁绕组绝缘更加强调材料的力学性能，这是由其高速旋转形成离心力的结构特点决定的。水轮发电机转子转速一般为每分钟几十转或几百转，汽轮发电机的转速高达3000r/min。典型的转子励磁绕组绝缘结构[2]见图3和图4。早期的励磁绕组对地绝缘材料为虫胶云母或复合材料，后来发展为环氧玻璃坯布、云母带、环氧玻璃布/NHN/环氧玻璃布复合材料和芳纶纸等。匝间绝缘常见的材料有间苯二酚环氧玻璃坯布、三聚氰胺玻璃布板以及芳纶纸等。除了定子绕组、铁心和转子绕组部件的本体材料外，发电机上绕组的固定部分还有多种绝缘材料，如槽内固定线棒的槽楔、波纹板、适形材料等。固定线棒端部的绝缘支架、绑环、绝缘螺栓、大锥环，适形管（绳、毡、带）等，以及绝缘盒、绝缘引水管[4]、绝缘轴瓦和工艺用胶漆类材料，种类众多。图5～图7均为绕组固定用绝缘部件和材料。
4结束语
绝缘材料在发电机上应用部位关键、应用种类繁多、所占成本比重大，起着十分重要的作用，其性能直接影响和制约着电机的设计和发展。而大型发电机更加看重材料的性能稳定性，因为一旦大型发电机的绝缘材料或者部件出现故障，将导致停机进而会引发大面积停电，对于核电机组后果更加严重，因此对于大型发电机而言，对绝缘材料的要求更加看重其优良性能的稳定性，保证足够的裕度，使机组可以安全稳定运行。对于电机定子绕组而言，在相当长一段时间内，F级主绝缘材料仍有广泛的应用空间，可以根据需要进行改善和提升性能会越来越优良，例如对云母带进行高导热、快固化、高耐电性能的改进；将纳米技术引入工程应用。另外，主绝缘材料的更新改良，还应该结合电机绝缘结构设计的改进，例如采取一些改善定子线棒导体角部电场分布的措施等。国内生产的无溶剂型环氧酸酐VPI浸渍树脂和水溶性半无机硅钢片漆已经在大型电机上试用，应用范围将越来越广。另外，电机防晕技术也是一项关键技术，虽然目前计算手段和测试方法均已较为成熟，但相对于电机的整体发展，配套的防晕材料发展仍显缓慢。转子绕组中应用的Nomex纸为美国杜邦公司生产，具有优良的电气绝缘和抗撕裂性能，价格较为昂贵。20世纪70年代国内一些企业对Nomex纸进行仿制代替，但效果不佳，随着国内造纸工业技术水平的发展，国内制造的芳纶纸性能基本达到了Nomex纸的水平，相信很快可以进行国产应用。目前通过技术引进的消化吸收及再创新，我国已经可以制造大容量的水电、火电机组以及抽水蓄能、燃机和核电机组，电机制造事业得到迅猛的发展。但在这些发电机组中，还有很多绝缘材料和绝缘零部件仍需进口，技术水平仍有差距，实现国产化是一条必然的道路。只有实现国产化，才能降低价格，缩短生产周期，提升自身水平和实力，最终不受制于人。
作者：满宇光 单位：哈尔滨大电机研究所 水力发电设备国家重点实验室 国家水力发电设备工程技术研究中心
