深溪沟电站发电机定子绝缘盒树脂发黑原因分析及处理

袁永智，李晓飞

（国电大渡河检修安装有限公司，四川 乐山 614900）

1 电站概况

深溪沟水电站位于四川省汉源县，为大渡河干流规划的第十八级电站，其上一梯级为瀑布沟电站，下一级为枕头坝电站。电站装机四台，总装机容量为660 MW，发电机单机输出额定功率为165 MW。4台水轮发电机组投运日期：1#机，2010年7月；2#机，2010年11月；3#机，2011年5月；4#机，2011年6月。额定功率为165 MW，额定电压为15.75 kV，额定转速为90.9 r/min，额定功率因数为 0.9（滞后），额定频率为 50 Hz，发电机型号为SF165-66/13640，发电机型式为三相交流、立轴、同步、密闭循环空气冷却，半伞式结构；定子槽数为585，3支路波绕组；铁心尺寸为Φ13640；定子采用现场机座把合、铁心叠装和绕组下线工作。

2 故障概况

深溪沟3F机组在运行时，发生定子线棒击穿现象。处理定子线棒故障过程中，绝缘盒拆除时发现绝缘盒树脂存在不同程度的变黑、未固化等不良情况，其中与线棒端头或连接片紧贴位置的树脂出现了焦化的现象，未固化的树脂有明显的柔软性。

3 绝缘盒老化分析

绝缘盒内树脂老化主要有热老化和电老化两方面。

3.1 热老化

深溪沟发电机所用绝缘盒树脂的主要成分为E44（低分子量液态双酚A环氧树脂）、H4（650低分子聚酰胺）、石英粉、501稀释剂（环氧丙烷丁基醚，是一种线型的脂肪族单环氧基稀释剂）。其中501稀释剂的主要作用为降低体系粘度，但它不会挥发，会参与固化反应，若添加量过大，就会造成固化后体系交联度不足，引起固化物发软，耐热性下降，容易老化的情况。而若添加了过量的丙酮稀释剂，在固化过程中丙酮会随着反应热的产生挥发，造成树脂固化后表面及内部产生气孔。固化物呈现松散结构，降低其耐热性。见图1、图2。

图1 热老化造成的绝缘发黑

图2 稀释剂挥发造成的表面气孔

热老化可分为两种情况：热老化和热氧老化。前者是在热量作用下发生降解反应，包含聚合物主链的断裂和侧基消去，表现为热失重；后者是发生氧化反应，前期主要生成过氧化氢，在热的作用下过氧化氢加速分解，产生自由基引发一系列反应，表现为材料吸氧量增加，多数材料会出现颜色变化。这两种老化都会造成材料的脆化，主要和分子量变小，易于形成球晶有关。见图3、图4。

图3 典型的几种材料热老化机理

图4 热氧老化机理

3.2 电老化

绝缘盒树脂一般承受的电场较低，因此不会发生树脂内部气孔引起的局部放电问题。但若树脂和导体之间存在间隙，由于感应电荷聚集，导体之间和树脂之间会出现微小放电。长期持续发生，也会造成树脂的劣化。见图5。

图5 与导体接触位置微放电腐蚀造成绝缘小孔洞及发黑

4 深溪沟绝缘盒发黑（老化）原因分析

绝缘盒内树脂发黑（老化）包括以下几个方面绝缘盒所用树脂耐热性不良、机组运行温度过高、线棒连接板焊接质量不良造成温度过高及绝缘盒内树脂固化不良等几个方面。

1）绝缘盒所用树脂耐热性不良

深溪沟发电机绝缘盒树脂采用的是成熟的三组份+稀释剂的方案。即填充树脂由按一定比例的“环氧:固化剂:石英粉”+施工用稀释剂的绝缘结构。这种绝缘方案国内有大量的业绩和试验证明，“三组份+稀释剂”绝缘盒树脂在按要求配比混合均匀固化后，其绝缘性能完全满足要求。分析不成立。

2）机组运行温度过高

绝缘盒实际运行过程中的实测温度小于100℃，远未达到运行允许的最高温度。在此温度下，正常绝缘盒树脂长期运行不会出现发黑的劣化状态，分析不成立。

3）线棒连接板焊接质量不良造成温度过高

现场396槽上层线棒更换相关的绝缘盒拆除、端头连接片熔开后，发现有未熔透现象，可以推测部分线棒端头焊接不良，使绝缘盒运行温度升高，也是绝缘盒树脂劣变的因素之一。绝缘盒内部铜连接片和绝缘盒表面温差，见表1。

表1 绝缘盒内部铜连接片和绝缘盒表面温差

由计算结果可知，绕组端部运行温度远低于允许温度，此项原因有可能。

4）绝缘盒内树脂固化不良

由于绝缘盒在现场安装过程中，树脂浇注过程中使用稀释剂过量，致使树脂固化不良，表现为固化后树脂变为弹性体，未完全硬化。固化不良造成树脂耐热性明显降低、粘结性降低。因为固化不充分致使树脂的实际耐热性能降低接近运行温度，容易发生树脂劣化色变。并且原绝缘盒树脂浇注之前对线棒端头及连接板表面氧化层清除不充分，使树脂与导电体的粘接更差，运行一段时间后树脂与导体之间局部或大面积产生间隙，并且过量稀释剂在树脂与导体之间也会形成孔洞空隙，在机组运行过程中，这些间隙或空隙发生微放电致使树脂出现焦化甚至发黑的劣化情况。见图 6～ 图 9。

图6 2017年绝缘盒拆开残片照片

图7 粘结不良造成电腐蚀发黑

图8 使用过量稀释剂形成的大量气泡

图9 粘结不良造成电腐蚀发黑

从以上情况判断，树脂稀释剂过量、固化不良是造成绝缘盒树脂老化严重，出现焦化、发黑、开裂等不良情况是原先就存在的问题，而随着机组运行时间的延长，情况有所加剧。

5 分析验证

5.1 外观观察

①目的：初步判断绝缘老化程度。②判据：发黑区域树脂（靠近导体部分，运行最高温度100℃～110℃）与未发黑的区域（靠近绝缘盒壳体部分，运行温度约80℃～90℃）的树脂进行弯曲比较。③方法：摩擦发黑区域表面，判断是否有碳粉落下；发黑区域和未发黑区域切片后折弯判断开裂情况。结果见图10～图11。

图10 绝缘盒变黑情况

图11 正常颜色与发黑绝缘胶对比

由图可知：发黑区域表面摩擦后未有碳粉掉落，表面未碳化；已发黑树脂轻轻弯曲后，表面明显开裂，未发黑绝缘弯曲后发软但未出现开裂情况，表明发黑绝缘已有劣化发脆。

5.2 表面绝缘电阻测量

①目的：判断发黑情况是树脂发生热氧老化造成的，还是已发生碳化现象。②判据：若发生碳化现象，表面绝缘电阻将明显降低。③方法：在发黑严重表面、角部区域，黏贴间距10 mm的铜带，用5 kV高压表测量1 min后的绝缘电阻。同时测量未发黑区域的电阻值进行对比。结果见图12～图14。

图12 表面发黑区域147GΩ

图13 角部发黑区域146GΩ

图14 未黑区域608MΩ

由图可知：发黑区域绝缘电阻值较大，且大于未发黑区域，表明树脂虽然发黑但并没有造成碳化，依然为绝缘体。

5.3 耐压试验

压。②方法：在树脂表面黏贴电极，在空气中，施加工频电压测量耐压水平。耐压前后用5 kV高压表测量绝缘体积电阻。见表2，结果见图 15～ 图 16。

表2 灌注胶耐压情况

图15 灌注胶耐压后闪络

图16 灌注胶耐压后闪络

有图可知：已劣化发黑树脂有一定的绝缘耐压水平，短期内不会发生击穿情况。

5.4 热老化

①目的：通过加速老化试验，观察未变黑树脂老化后状态，判断树脂变黑是否因热老化导致。②方法：将未变黑树脂切片后，放入150℃烘箱进行老化，一段时间后观察外观。放入烘箱前颜色为深黄色，150℃加热20小时后，颜色已变成深褐色，加热25小时后颜色已发黑，且在用镊子加起时碎裂。

6 绝缘树脂调查总结

1)通过以上调查及试验，可以确定绝缘盒树脂变黑主要是由于热氧老化导致一定程度的劣化，但还未达到碳化的程度，依旧是绝缘体，还保持着一定的绝缘耐压能力，可以满足一定期限的使用要求；

2)原绝缘盒树脂在150℃时，轻碰触即断裂，耐热性达不到150℃；同时根据现场运行开裂、发黑判断，也达不到110℃～120℃下长期运行的水平；

3)新混合树脂按工艺要求配比，耐热性优于原稀释剂添加过量的树脂。通过本次试验，也验证了在安装时由于树脂配比不当（添加了过量的稀释剂）造成了绝缘盒树脂耐热温度降低、性能变差。

7 结论

根据对深溪沟3#发电机绝缘盒树脂的有关测试，表明原绝缘盒树脂的耐热性能没有达到要求，导致热氧化而发黑，但仍有适当的耐电压能力，并且绝缘盒的壳体本身也具有一定的绝缘能力，可以认为在较长的一段时间内发电机运行是安全的。

但是考虑现在的绝缘盒树脂已经有一定程度的劣化，并且有相当一部分存在树脂与导体剥离、内在裂纹等缺陷，树脂的劣化速度在一定的程度之后会加剧。为确保深溪沟电站发电机长期安全运行，建议在2年～4年内采用新开发的耐热、耐冷热循环和抗热收缩性能优良的A/B组分树脂进行彻底的更换处理。

对于各台发电机绝缘盒更换前，建议通过抽检绝缘盒解剖和检测分析来确定处理的顺序，树脂绝缘状况较好的可以稍后处理。