主泵軸封式電動(dòng)機(jī)少膠型絕緣系統(tǒng)

劉 洋，祁世發(fā)

(哈電集團(tuán)哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

清潔能源是國(guó)家近年電力發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目，而主泵機(jī)組又是清潔能源發(fā)展中重要的設(shè)備之一。主泵機(jī)組分為:(1)軸封式，即泵與電動(dòng)機(jī)分體，中間由聯(lián)軸器連接，電動(dòng)機(jī)為立式、空冷異步電動(dòng)機(jī);(2)無(wú)軸封式，即泵與電動(dòng)機(jī)連成一體，電動(dòng)機(jī)為立式、水冷屏蔽電動(dòng)機(jī)。本文所述絕緣系統(tǒng)以軸封式6.6kV、4 500kW 主泵電動(dòng)機(jī)為依托。

1 主泵電動(dòng)機(jī)

清潔能源對(duì)主泵電動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求苛刻，既要求安全性達(dá)100%，又要求可靠性達(dá)100%，使用壽命不低于40 年(現(xiàn)有的)，要求達(dá)60 年。電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造難度大。我國(guó)于1993 年下半年著手設(shè)計(jì)研制6kV、4 500kW 軸封式主泵電動(dòng)機(jī)，1997 年完成首批產(chǎn)品，2008 年著手設(shè)計(jì)研制6.6kV 軸封式主泵電動(dòng)機(jī)。

2 絕緣材料耐高能輻射性

主泵電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，主要承受γ 射線的輻射，所以絕緣材料輻照試驗(yàn)的輻照源多采用放射性鈷源。絕緣材料經(jīng)大劑量輻照后，性能會(huì)變壞。絕緣材料在一定劑量輻射影響下還沒(méi)有損壞，其主要性能實(shí)際上沒(méi)有發(fā)生多大惡化的能力稱(chēng)為耐輻射性。

在某些情況下一定劑量的輻射可改善材料性能，在輻照試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)某項(xiàng)性能優(yōu)于未輻照的性能，就是這個(gè)原因。現(xiàn)在有些化工和絕緣材料業(yè)利用輻射實(shí)現(xiàn)一些采用普通化學(xué)方法不易實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)來(lái)改進(jìn)聚合物性能。聚合物在高能輻照下，將引起兩種反應(yīng):一種是引起分子的電離或激發(fā)，當(dāng)輻照停止后，分子恢復(fù)原狀，謂之物理反應(yīng);另一種是當(dāng)劑量足夠大時(shí)，聚合物的電離或激發(fā)分子間發(fā)生反應(yīng)，輻照停止后，分子結(jié)構(gòu)不再恢復(fù)原狀，謂之化學(xué)反應(yīng)。隨著輻射累積劑量的增大，聚合物發(fā)生老化。通過(guò)測(cè)量輻照前后絕緣材料的電氣、機(jī)械、理化性能的變化來(lái)衡量材料的耐輻射水平。

測(cè)試結(jié)果表明:鹽霧處理后擊穿電壓僅下降10%;長(zhǎng)期濕熱試驗(yàn)后擊穿電壓基本保持不變，可適用于特殊環(huán)境下的電機(jī)絕緣。

3 幾種絕緣材料的輻照試驗(yàn)

3.1 環(huán)氧酸酐浸漬樹(shù)脂

環(huán)氧樹(shù)脂具有粘結(jié)力高、收縮率低、可以混合多種填料等特點(diǎn)，在電氣、電子設(shè)備中應(yīng)用面很廣泛。

圖1 為采用同一種固化劑甲基內(nèi)次甲基四氫鄰苯二甲酸酐(ETPA)固化的四種環(huán)氧樹(shù)脂在經(jīng)輻照后抗彎強(qiáng)度與劑量關(guān)系。圖2 為經(jīng)不同固化劑固化后的同一種雙酚A 型環(huán)氧樹(shù)脂，在經(jīng)輻照后抗彎強(qiáng)度與劑量關(guān)系。固化劑分別是:(1)三乙烯四胺(TTA);(2)三氟化硼單乙胺(BF3-4W);(3)間苯二胺(MPD);(4)二氨基二苯甲烷(DDM);(5)甲基內(nèi)次甲基四氫鄰苯二甲酸酐(ETPA)。

A、雙酚A 型;B、酚酸環(huán)氧型;C、脂環(huán)族型;D、R-N ＜型圖1 輻照對(duì)各種環(huán)氧樹(shù)脂彎曲強(qiáng)度的影響

圖2 輻照對(duì)各種固化劑固化的雙酚A 型環(huán)氧樹(shù)脂彎曲強(qiáng)度的影響

可見(jiàn)環(huán)氧樹(shù)脂種類(lèi)和所用固化劑不同試驗(yàn)結(jié)果有很大差異。以芳香族胺類(lèi)(MPD、DDM)和酸酐(ETPA)作固化劑，其耐輻射性能較高，而脂肪胺(TTA)最差，而B(niǎo)F3-4W 在106Gy 劑量輻照便起泡產(chǎn)生龜裂。

環(huán)氧酸酐浸漬樹(shù)脂在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照后性能見(jiàn)表1?？梢?jiàn)在經(jīng)2×105Gy 輻照后，對(duì)電氣和機(jī)械性能影響不大。

表1 浸漬樹(shù)脂輻照前后性能對(duì)比

3.2 少膠云母帶

云母是絕緣云母制品的原料，電機(jī)用絕緣云母制品多采用白云母。白云母片在空氣中經(jīng)Co60γ射線輻照后，在劑量106Gy 時(shí)，擊穿強(qiáng)度得到提高，硬度有所下降。

少膠云母帶由高定量鱗片粉云母紙與補(bǔ)強(qiáng)材料(玻璃纖維或薄膜)由環(huán)氧膠粘劑組合。兩種粉云母帶在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照后的性能變化見(jiàn)表2。

表2 少膠粉云母帶經(jīng)γ 射線輻照后的性能

3.3 繞組線股線絕緣

繞組線由銅導(dǎo)體與股線絕緣組成。雙玻璃纖維繞包繞組線、單玻聚酰亞胺薄膜繞包繞組線、云母帶繞包繞組線、聚酰亞胺-氟46 薄膜燒結(jié)線及聚酰胺-酰亞胺漆包線和聚酰亞胺漆包線在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照后，在劑量2×105Gy ～5×105Gy 時(shí)，對(duì)其附著性和擊穿電壓影響不大。兩種繞組線輻照后的擊穿水平如表3 所示。

表3 兩種繞組線輻照后的擊穿水平

3.4 玻璃鋼和層壓板

(1)不飽和聚酯玻璃鋼

在空氣中經(jīng)γ 射線107Gy 輻照作用下，機(jī)械性能比輻照前不僅沒(méi)有降低反而提高。

(2)環(huán)氧玻璃鋼

以五種配方的環(huán)氧樹(shù)脂制作的玻璃鋼，經(jīng)Co60γ射線輻照，其結(jié)論:6101 環(huán)氧樹(shù)脂輻照劑量達(dá)5×106Gy 時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度下降40%左右。而644 環(huán)氧樹(shù)脂輻照劑量達(dá)1×107Gy 時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度下降較小。

(3)環(huán)氧層壓布板

在空氣中經(jīng)γ 射線106Gy 輻照后，其電氣性能有所提高。

3.5 薄膜

(1)聚酯薄膜

聚酯薄膜具有優(yōu)良的電氣、機(jī)械性能，是最常用的電工薄膜，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于F 級(jí)電機(jī)上。聚酯薄膜在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照后，當(dāng)劑量達(dá)1×104Gy ～5×105Gy 時(shí)，薄膜的機(jī)械性能有所提高。但經(jīng)1×106Gy ～5×106Gy 輻照后強(qiáng)度降低，5×106Gy 時(shí)耐折性劇減意味著韌性喪失、脆性增加。但聚酯薄膜經(jīng)輻照后常溫電氣強(qiáng)度和介質(zhì)損耗角正切都有改善。體積電阻系數(shù)總的來(lái)說(shuō)輻照前后變化不大。

(2)聚酰亞胺薄膜

聚酰亞胺是一種雜環(huán)耐高溫聚合物，可在220℃下長(zhǎng)期使用，在-200℃～400℃范圍內(nèi)保持較高的機(jī)械性能和電氣性能。由于聚酰亞胺分子具有十分穩(wěn)定的芳香結(jié)構(gòu)，耐輻射性和耐化學(xué)試劑性能優(yōu)良。

聚酰亞胺薄膜在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照，劑量為3×107Gy 時(shí)，拉伸強(qiáng)度可保留88%，伸長(zhǎng)率下降38%，介電強(qiáng)度保留80.5%。

3.6 輔助絕緣材料

主泵電動(dòng)機(jī)所用的其他絕緣材料均在空氣中經(jīng)Co60γ 射線2×105Gy 劑量輻照后，具有耐高能輻射能力，擇優(yōu)選用。

4 國(guó)內(nèi)外主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)

據(jù)報(bào)導(dǎo)，各國(guó)主泵電動(dòng)機(jī)所采用的形式不同，絕緣系統(tǒng)也不同(見(jiàn)表4)。

表4 各國(guó)主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)

無(wú)軸封式主泵消耗功率較小，屏蔽電動(dòng)機(jī)制造工藝復(fù)雜、絕緣等級(jí)為H 級(jí)、體積小。軸封式主泵消耗功率相應(yīng)較大，電動(dòng)機(jī)制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，絕緣等級(jí)為F 級(jí)，體積相對(duì)較大。

5 少膠整體VPI 絕緣系統(tǒng)

5.1 定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)

軸封式主泵電動(dòng)機(jī)定子繞組絕緣結(jié)構(gòu):C1 型定子線圈主絕緣采用中膠環(huán)氧玻璃粉云母帶、繞組軟(白坯)線圈嵌線、整體VPI 環(huán)氧高壓無(wú)溶劑漆;C3 型定子線圈主絕緣采用少膠粉云母帶、繞組軟線圈嵌線、整體VPI 環(huán)氧酸酐無(wú)溶劑浸漬樹(shù)脂。C3 型定子線圈主絕緣厚度比C1 型的有所減薄。

5.2 耐輻射性能

定子繞組絕緣的電氣性能可綜合反映出所選用的絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣工藝優(yōu)化是否合理、優(yōu)良。C3 型少膠粉云母整體VPI 絕緣定子繞組模擬線圈與C1 型模擬線圈在空氣中經(jīng)劑量為2×105Gy 的Co60γ 射線輻照后，結(jié)果證明該劑量的輻照對(duì)其常態(tài)介質(zhì)損耗角正切(tanδ)和擊穿電壓影響不大。圖3 所示為輻照前后的常態(tài)tanδ 曲線，輻照前后擊穿電壓值見(jiàn)表5。可見(jiàn)C3 電氣性能比C1 優(yōu)越。

圖3 模擬線圈輻照前后常態(tài)介質(zhì)損耗正切曲線

表5 模擬線圈輻照前后擊穿電壓值

5.3 定子線圈耐電老化評(píng)定

選取少膠粉云母整體VPI 絕緣體系中的18 只10kV 定子模擬線圈做電老化評(píng)定試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為22.5kV(10MV/m)。試驗(yàn)結(jié)果:電老化中值壽命均超過(guò)1 300h，滿(mǎn)足國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的在8.7MV/m下的電老化壽命不低于1 000h 的指標(biāo)。

5.4 耐熱性評(píng)定

C1、C3 電動(dòng)機(jī)定子絕緣系統(tǒng)的模擬繞組在空氣下經(jīng)Co60γ 射線輻照劑量達(dá)2×105Gy 后，對(duì)其進(jìn)行耐熱評(píng)定。參照GB/T 22718—2008《高壓電機(jī)絕緣性能耐熱性評(píng)定方法》中單點(diǎn)快速法進(jìn)行。評(píng)定結(jié)果:C1 型絕緣系統(tǒng)的溫度指數(shù)為162℃，熱壽命超過(guò)50 年。C3 型絕緣系統(tǒng)的溫度指數(shù)為174.5℃，在130℃運(yùn)行溫度下，壽命為63.3 年。

6 結(jié)語(yǔ)

軸封式主泵電動(dòng)機(jī)的絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。少膠粉云母整體VPI 絕緣系統(tǒng)具有整體性好、電氣性能和機(jī)械性能優(yōu)越、耐熱性穩(wěn)定、耐環(huán)境因素強(qiáng)和安全運(yùn)行可靠性好等特征，更特殊的是耐高能輻射性能，累積劑量達(dá)2×105Gy時(shí)對(duì)絕緣系統(tǒng)和所用的絕緣材料性能影響不大，有的性能還有所增強(qiáng)。此絕緣系統(tǒng)經(jīng)輻照試驗(yàn)和耐熱性評(píng)定，溫度指數(shù)為174.5℃，壽命為63.3 年，超過(guò)了當(dāng)今對(duì)主泵電動(dòng)機(jī)絕緣所提出的最高60 年的水平。

通過(guò)幾次對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)耐熱性評(píng)定得出，經(jīng)2×105Gy 輻照的模擬定子繞組比未經(jīng)輻照的，其溫度指數(shù)有所提高，壽命有所增長(zhǎng)。

［1］ 桂林電器科學(xué)研究所三室.電工絕緣材料耐高能輻射性能綜述.絕緣材料通訊，1976.4.

［2］ 張東林，石雷峰，王旭輝.核電耐輻照電動(dòng)機(jī)絕緣的發(fā)展.第六屆全國(guó)工程電介質(zhì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，1998.9.

［3］ 祁世發(fā)，朱珊珊，張東林.哈電大中型交流電機(jī)LD-F絕緣體系.哈爾濱:大電機(jī)技術(shù)，2010.8.

［4］ 孫雅玲，劉洋，張東林.我國(guó)高壓交流電機(jī)絕緣技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展.哈爾濱:交直流電機(jī)行業(yè)技術(shù)交流會(huì)論文匯編，2010.10.