高壓變頻電機絕緣結構的研究

（佳木斯電機股份公司，黑龍江 佳 木斯 1 54002）

隨著電力電子領域新技術的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)領域得到了廣泛應用。變頻調(diào)速電機以簡單的結構、優(yōu)良的調(diào)速性能、較高的調(diào)速比，使用可靠性高等優(yōu)點得到了市場的認同。同時高壓變頻電機市場需求逐漸上升，高壓變頻電機主要技術開發(fā)關鍵點在于高壓變頻電機絕緣結構的設計，因此，對高壓變頻電機絕緣結構的研究也相繼提到日程，進行技術儲備。

1 高壓變頻電機絕緣結構的特性分析

用于交流電動機供電系統(tǒng)的變頻器，其輸出電壓或電流中均含有高次諧波，與工頻電壓的正弦波具有相當大的區(qū)別，這些幅值較大的諧波在氣隙中產(chǎn)生的磁場將在繞組中感應電流，產(chǎn)生脈動轉矩而引起機械軸系的扭振。變頻器在換流時產(chǎn)生的沖擊電壓會疊加在電機運行的電壓上，這樣的電壓峰值會對電機的主絕緣和匝間絕緣形成很大的威脅。同時，又由于變頻電源可以在很低的頻率下起動，因而可以做到頻繁起動，從而使電機經(jīng)常處于循環(huán)交變應力作用之下，造成電機絕緣的疲勞和加速老化。

綜上所述，高壓變頻電機對其絕緣的基本要求如下：

（1）按國際上變頻電機的技術要求，絕緣考核電壓比額定電壓提高一檔。

（2）要承受所有沖擊電壓對其定子線圈匝間絕緣強度的考驗。

（3）要承受過電壓對其定子繞組對地絕緣強度的考驗。

（4）要承受電、熱老化對其定子繞組絕緣強度的考驗。

（5）定子繞組固定結構合理，固定牢固。

同時還要考慮電機的經(jīng)濟性，即適當減薄定子線圈的匝間絕緣和對地絕緣厚度。

2 高壓變頻電機絕緣結構的確定

因少膠整浸絕緣結構應用比較成熟，同時該結構也是未來絕緣結構的發(fā)展趨勢，因此，高壓變頻電機采用少膠整浸絕緣結構。

2.1 定子繞組匝間絕緣的確定

高壓交流電機的定子繞組匝間絕緣是電機繞組絕緣的重要組成部分，由于變頻電機起動頻繁，通過變頻器的電壓或電流含有高次諧波，產(chǎn)生的沖擊電壓波頭很陡，另外，匝間絕緣緊靠著發(fā)熱的銅線，處在熱的最嚴酷的條件下，因此，高壓變頻電動機的匝間絕緣顯得尤為重要，在設計變頻電機的匝間絕緣結構時，既要考慮電機的電壓和線圈的匝數(shù)，也要考慮變頻電機供電電壓對絕緣的影響。

2.2 定子繞組主絕緣結構

對于高壓交流變頻電動機的對地絕緣來說，關鍵是獲得密實的無氣隙的耐電性能好的絕緣。因為電機在運行時或過電壓下，施加在定子繞組上的交變電場會引起絕緣內(nèi)氣隙的游離放電，腐蝕絕緣，導致絕緣喪失耐電性能。另外交流變頻電動機在正常運行時，定子繞組要承受各種機械應力，特別是在電機起動時繞組受到的沖擊力和振動要大得多，這些會導致繞組變形，絕緣磨損和損傷。因此主絕緣除了要有優(yōu)良的電氣性能，還要有良好的機械強度。經(jīng)過大量的研究及試驗篩選，最終確定了交流高壓變頻電機定子繞組主絕緣結構。

（1）主絕緣絕緣材料的確定

由于少膠環(huán)氧玻璃粉云母帶（5442-1、5442-1P）其云母帶的介電性能指標優(yōu)越，使用工藝性好。

（2）定子線圈主絕緣結構

按國際上變頻電機的技術要求，絕緣考核電壓比額定電壓提高一檔，考慮實際情況，少膠整浸結構其主絕緣厚度比照國外仍厚30%左右，目前少膠整浸結構的絕緣裕度完全可以滿足變頻電機要求，因此，高壓變頻電機的主絕緣厚度仍采用少膠整浸結構的絕緣厚度。

2.3 繞組固定結構

變頻電機繞組在頻繁啟動和運行中受到機械振動、電磁力、溫度以及環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生松動、位移、磨損等現(xiàn)象，極易造成電機絕緣擊穿。為此，加強變頻電機繞組固定尤為重要。

（1）槽內(nèi)固定

定子槽底墊條和層間墊條采用熱膨脹玻璃氈墊條，熱膨脹玻璃氈在浸漬固化后能膨脹60%~70%左右，可起到良好的適形和固定作用，同時熱膨脹玻璃氈在遇到障礙物時膨脹率會變小，因而不會損壞繞組絕緣。這種結構的特點一是使槽內(nèi)繞組固定牢固；二是使槽內(nèi)線圈與鐵心間接觸良好，減少了槽內(nèi)氣隙放電現(xiàn)象。

（2）端部固定環(huán)

端部固定環(huán)設置了內(nèi)環(huán)和外環(huán)的結構。內(nèi)環(huán)用滌玻填充管墊在繞組端部上下層線圈邊之間，經(jīng)VPI浸漬固化后，形成一玻璃鋼環(huán)外環(huán)根據(jù)設計部門的需要，可選擇絕緣玻璃鋼環(huán)或非磁性鋼環(huán)。絕緣玻璃鋼環(huán)采用Φ10絕緣軟端箍直接繞在繞組端部的外圓上，繞制圈數(shù)為奇數(shù),一般為3圈或5圈，經(jīng)VPI浸漬固化后，形成一玻璃鋼環(huán)。

（3）端部墊塊

定子繞組端部斜邊直接采用熱膨脹玻璃氈塞在線圈的上層邊和下層邊，經(jīng)VPI浸漬固化后，特別是在浸漬環(huán)氧樹脂并加熱固化后，塞在繞組端部斜邊的熱脹型玻璃氈在高出線圈邊的3 mm部分會因膨脹較大而使玻璃氈墊塊形成啞鈴形狀，牢牢地卡在線圈上，從而使繞組固定結實可靠。

（4）相內(nèi)連接線固定

相內(nèi)連接線絕緣處理完成后,采用絕緣編織繩或Φ10絕緣軟端箍貼緊相內(nèi)連接線內(nèi)圓繞一周，并用Φ5滌玻繩將相內(nèi)連接線與絕緣編織繩或絕緣軟端箍綁扎固定。經(jīng)VPI浸漬固化后，形成一玻璃鋼環(huán)，極大地提高了相內(nèi)連接線的固定強度。

2.4 繞組絕緣VPI浸漬處理

真空壓力浸漬是目前國內(nèi)外交流電機的一種重要的絕緣工藝方法，這種工藝的定子絕緣整體性能好，電氣強度高，機械性能、耐水性能優(yōu)良。同時，又能改善絕緣散熱效果。絕緣浸漬漆采用JF9950K高壓F級無溶劑浸漬漆。JF-9950K漆具有固化前粘度小，滲透性好，膠凝時間適中，固化后機械電氣性能優(yōu)良等特點。因此變頻電機繞組采用真空壓力浸環(huán)氧無溶劑樹酯JF9950K一次，再進行普通浸漬一次。

3 模擬線圈絕緣性能測試

按10.0~10.5 kV電壓等級絕緣結構制作5支試驗模擬線圈，根據(jù)JB/T50133-1999的規(guī)定對5支線圈進行了介質(zhì)損耗(常態(tài)和熱態(tài))和擊穿電壓的試驗。從試樣制作和表中測試數(shù)據(jù)看，該絕緣結構合理，模擬線圈各項電氣性能指標按JB/T 50133—1999考核，其常態(tài)介損、擊穿電壓、瞬時擊穿場強達到優(yōu)等品。熱態(tài)介損優(yōu)于一等品,接近優(yōu)等品。試驗結果如表1所示。

表1 模擬線圈絕緣性能測試

4 結束語

從上述理論分析和試驗數(shù)據(jù)可以看出，確定的高壓變頻電動機定子絕緣結構是先進和可靠的，模擬定子線圈絕緣電氣性能完全可以滿足高壓變頻電機的絕緣要求。通過對高壓變頻電機絕緣結構研究和確定，為在高壓變頻電機的設計制造，提供了技術支持，加強了在變頻電機產(chǎn)品領域內(nèi)的市場競爭力。