H級(jí)高壓電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)研究

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(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司 ，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，電機(jī)逐漸朝高電壓、大容量、高溫、高頻率方向發(fā)展，而H級(jí)電機(jī)由于耐熱性好，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠性高，能適應(yīng)嚴(yán)苛的技術(shù)要求等特征，在軍工、核電、風(fēng)電等領(lǐng)域?qū)級(jí)電機(jī)的需求量越來(lái)越大。據(jù)了解，我國(guó)H級(jí)低壓電機(jī)應(yīng)用較早，而H級(jí)高壓電機(jī)受主絕緣材料和浸漬樹(shù)脂的限制，研究開(kāi)發(fā)廠家較少。本文介紹了我公司新產(chǎn)品4kV、6.3kV 電機(jī) H級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)。

1 H級(jí)絕緣材料的篩選和確定

1.1 繞組線

H級(jí)繞組線的種類(lèi)較多，有漆包銅扁線、玻璃絲繞包銅扁線、薄膜繞包銅扁線、薄膜燒結(jié)線、云母繞包線等。對(duì)繞組線的性能要求是：適合編織成型，機(jī)械強(qiáng)度好，電氣性能高，銅導(dǎo)體與股線絕緣具有良好的粘結(jié)性能。

經(jīng)繞組線性能測(cè)試及工藝試驗(yàn)，篩選出180℃級(jí)的單玻雙聚酰亞胺-氟46復(fù)合薄膜繞包銅扁線在4kV電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用；0.065mm聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)的云母帶繞包線在6.3kV發(fā)電機(jī)上應(yīng)用。其性能完全滿足技術(shù)要求，性能指標(biāo)分別見(jiàn)表1、表2。

1.2 云母帶

本絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主絕緣全部選用少膠粉云母帶，少膠粉云母帶的性能決定了電機(jī)線圈絕緣的絕緣質(zhì)量。少膠云母帶是主絕緣的基礎(chǔ)材料，在一定程度上它的性能好壞決定了主絕緣的水平。少膠云母帶種類(lèi)不少，但既要保證線圈的電氣強(qiáng)度又要減薄絕緣厚度，難度較大。我們與生產(chǎn)廠家重點(diǎn)在云母帶組成成分與成分含量方面進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)研制新型少膠云母帶，新型少膠云母帶的優(yōu)越性在于：(1) 單面補(bǔ)強(qiáng)，以便減小云母帶中補(bǔ)強(qiáng)材料含量，提高云母含量；(2) 采用定量較高的鱗片粉云母紙，提高云母帶的抗切通性；(3) 以較高的鱗片粉云母紙為基材，可以提高電氣性能和機(jī)械性能；(4) 膠含量小，以改善云母帶的滲透性能，增強(qiáng)電機(jī)繞組的整體性；(5) 有足夠的抗張強(qiáng)度，不分層不飛粉，有利于線圈主絕緣的包繞，不污染環(huán)境。

因此，與國(guó)內(nèi)相關(guān)絕緣材料廠家合作研究，開(kāi)發(fā)了兩種新型的H級(jí)少膠云母帶，其技術(shù)要求見(jiàn)表3。

表1 單玻雙聚酰亞胺-氟46復(fù)合薄膜繞包銅扁線基本性能指標(biāo)

表2 云母帶繞包銅扁線性能指標(biāo)

表3 新型H級(jí)云母帶主要性能指標(biāo)

1.3 浸漬樹(shù)脂

在VPI絕緣系統(tǒng)中，浸漬樹(shù)脂的選擇是VPI絕緣的關(guān)鍵之一，浸漬樹(shù)脂直接關(guān)系到電機(jī)絕緣的性能和應(yīng)用工藝性及電機(jī)繞組的整體性。浸漬樹(shù)脂除了應(yīng)具有優(yōu)異的機(jī)、電、耐熱性外，還要具有下列要求：粘度低，以便能有效地浸漬；飽和蒸汽壓力低，使之能夠在低真空下操作；在適宜的溫度下膠化時(shí)間短，烘焙時(shí)減小流膠；環(huán)保，毒性小，閃點(diǎn)高；固化不受金屬等物質(zhì)的影響，即使受到催化劑的作用，仍有較長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存期；成本低。

經(jīng)試驗(yàn)篩選，選用了H級(jí)環(huán)氧樹(shù)脂改性可自聚低分子不飽和單體浸漬樹(shù)脂。該浸漬樹(shù)脂耐溫等級(jí)≥180℃。

2 定子繞組絕緣

定子繞組是電機(jī)的核心部件，被稱(chēng)為電機(jī)的心臟，而匝間絕緣和對(duì)地絕緣就是構(gòu)成心臟的最關(guān)鍵部分。

2.1 匝間絕緣

高壓交流電機(jī)由于電機(jī)電磁設(shè)計(jì)時(shí)需達(dá)到一定的安匝數(shù)，線圈設(shè)計(jì)通常為多匝結(jié)構(gòu)。在線圈制造過(guò)程中，匝間絕緣所受的機(jī)械力(彎曲、扭轉(zhuǎn)、敲擊等)遠(yuǎn)高于主絕緣，再加上電機(jī)運(yùn)行中經(jīng)常受到的沖擊電壓的侵襲，因此匝間絕緣所處的工作條件是苛刻的。

為提高匝間絕緣的可靠性和減薄絕緣厚度，從電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行等方面綜合考慮，采取如下技術(shù)措施。

(1)匝間絕緣厚度對(duì)槽利用(槽滿)率的影響很大，采用較薄絕緣的結(jié)構(gòu)。

(2)有良好的耐熱性，與電機(jī)耐熱等級(jí)相匹配，因?yàn)樵验g絕緣直接與導(dǎo)體相接觸，處在熱的最嚴(yán)酷條件下運(yùn)行。

(3)有長(zhǎng)期承受各種沖擊過(guò)電壓的能力，高的介電強(qiáng)度，保證長(zhǎng)期運(yùn)行的耐熱性。

(4)具有良好的耐電暈性，以防繞組內(nèi)部電腐蝕。

(5)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，在線圈制造過(guò)程中匝間絕緣承受機(jī)械力(彎曲、扭轉(zhuǎn)和敲擊等)作用時(shí)，其性能不應(yīng)下降過(guò)多，匝間絕緣處理后，線匝應(yīng)粘合密實(shí)且有一定強(qiáng)度。

(6)與主絕緣相容性好，而且制造工藝應(yīng)簡(jiǎn)單實(shí)用。

總之，要求匝間絕緣在電機(jī)予期的壽命期間，保持必要的絕緣水平。

2.2 對(duì)地絕緣

對(duì)地絕緣必須具有良好的耐電、熱、機(jī)械和環(huán)境等各種應(yīng)力的能力。

定子對(duì)地絕緣又稱(chēng)為電機(jī)的主絕緣，對(duì)定子線圈的導(dǎo)體和定子鐵心起電氣隔離的作用。鑒于繞組的核心作用，在模擬試驗(yàn)線圈上需進(jìn)行一系列嚴(yán)格的試驗(yàn)。常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目如介質(zhì)損耗因數(shù)、局部放電量測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試、直流耐電壓試驗(yàn)、交流耐電壓試驗(yàn)、起暈電壓試驗(yàn)、工頻瞬時(shí)擊穿電壓試驗(yàn)和老化試驗(yàn)等。通過(guò)這些檢測(cè)試驗(yàn)可以確定電機(jī)定子繞組的絕緣性能，絕緣性能又可以綜合地反映出所用絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣工藝的配合狀態(tài)。

在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)不同絕緣結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)線圈進(jìn)行了絕緣性能試驗(yàn)，確定了絕緣結(jié)構(gòu)。模擬線圈各項(xiàng)性能測(cè)試和試驗(yàn)均滿足設(shè)計(jì)要求。模擬線圈見(jiàn)圖1。常態(tài)介損見(jiàn)圖2。其熱態(tài)介損180℃0.6UN下平均為8.5%；擊穿電壓值平均為60kV。從測(cè)試結(jié)果可知，定子線圈的電氣測(cè)試值均合格，且分散性較小。

按NB/T 42004—2013及NB/T 42005—2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)6.3kV級(jí)試驗(yàn)線圈進(jìn)行了電老化和電熱老化試驗(yàn)。其結(jié)果為電老化：12.6kV電壓下通過(guò)了1200h;電熱老化：155℃ 13.7kV電壓下通過(guò)了400h。

圖1 試驗(yàn)線圈

圖2 試驗(yàn)線圈介損曲線

3 VPI整體浸漬工藝參數(shù)的確定

高壓電機(jī)繞組絕緣整體進(jìn)行VPI浸漬，可以使電機(jī)繞組絕緣無(wú)氣隙或少氣隙，增加繞組絕緣導(dǎo)熱性，提高槽填充率和繞組的防潮性能，同時(shí)繞組固定的更牢靠，電氣性能更優(yōu)異。以此保證電機(jī)運(yùn)行可靠性和使用壽命等。

經(jīng)過(guò)工藝試驗(yàn)和性能試驗(yàn)，確定了最佳的VPI工藝參數(shù)，制定VPI工藝守則，保證了H級(jí)高壓電機(jī)的制造質(zhì)量。其主要參數(shù)為真空度20Pa 6h；分階段加壓最終0.5MPa 4h；烘焙160℃±5℃ 15h。

4 應(yīng)用

該成果已成功應(yīng)用在電機(jī)產(chǎn)品中，4kV電機(jī)已在某鋼廠中運(yùn)行了4年，某6.3kV發(fā)電機(jī)已運(yùn)行了2年，目前運(yùn)行狀況良好。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)模擬線圈試驗(yàn)驗(yàn)證，絕緣材料及浸漬樹(shù)脂等材料選材正確，絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝可靠。

(2)H級(jí)絕緣系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)線圈各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良，電老化和電熱老化均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。滿足H級(jí)電機(jī)的技術(shù)要求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

(3)研究并應(yīng)用成功的H級(jí)6.3kV級(jí)絕緣系統(tǒng)具有一定的推廣價(jià)值，也會(huì)對(duì)H級(jí)高壓電機(jī)絕緣系統(tǒng)的提升，發(fā)展和新開(kāi)發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。