10 kV防爆電機(jī)定子繞組匝間絕緣結(jié)構(gòu)研究

杜協(xié)和，陳求索，王 健，宋桂霞，趙斯佳

(1.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101；2.湖南湘電動力有限公司，湖南 湘潭 411101；3.湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南 湘潭 411101)

0 引言

防爆電機(jī)是一種可以在易燃易爆場所使用的電機(jī)，主要應(yīng)用于煤礦、石油天然氣、石油化工和化學(xué)工業(yè)等行業(yè)。由于工作環(huán)境特殊，為確保防爆電機(jī)運行的安全可靠性，其設(shè)計的絕緣結(jié)構(gòu)性能與普通電機(jī)相比留有較大裕度[1]。

某公司生產(chǎn)的某型號防爆電機(jī)，為了提高槽滿率和電機(jī)效率，其定子線圈匝間絕緣結(jié)構(gòu)采用三層聚酯薄膜補(bǔ)強(qiáng)的云母帶平包，電磁線按標(biāo)準(zhǔn)彎曲后擊穿電壓最小值不小于5.5 kV，平均值不小于6 kV。然而，在線圈制造過程中，對每個線圈進(jìn)行匝間耐壓試驗時，出現(xiàn)了批量爬電現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)該批問題線圈的短路點主要集中在引線端的首末匝，且匝間擊穿點位置不明顯，端部有爬穿痕跡。將匝間試驗電壓下調(diào)至普通10 kV電機(jī)試驗電壓進(jìn)行復(fù)測，結(jié)果未出現(xiàn)匝間短路現(xiàn)象。分析其原因，高壓電機(jī)匝間絕緣通常是采用電磁線自身絕緣，在同一線圈中當(dāng)波前時間（Tf）≥1.0 μs時，各匝間過電壓分布均勻；當(dāng)Tf＜1.0 μs時，各匝間過電壓分布不均勻。首末匝承受的沖擊過電壓最高，占沖擊電壓的40%以上[2-4]。參照IEC 60034-15-2009《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 第15部分 帶定子成型線圈的交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的脈沖電壓耐受等級》和GB/T 22715—2016《旋轉(zhuǎn)交流電機(jī)定子成型線圈耐沖擊電壓水平》要求，對于普通的10 kV交流電機(jī)匝間試驗電壓為（4UN+5）×65%即29 kV，而對于防爆電機(jī)則為（4UN+5）×65%×105%即30.7 kV，其中UN為額定線電壓，其值為10 kV。第一個電壓峰值的波前時間應(yīng)不小于0.2 μs。這樣電動機(jī)定子繞組的首末端幾匝上承擔(dān)的電壓幅值為12.4 kV以上[5-6]。本次發(fā)生匝間批量爬電擊穿現(xiàn)象的線圈，其電磁線規(guī)格為1.18 mm×5.6 mm，此類小線規(guī)電磁線制作過程中，由于銅線較軟，包繞絕緣時銅線跟隨繞帶頭的波動幅度較大，不利于電磁線絕緣包繞緊密。因此承受過高的電壓、電磁線絕緣層的不緊密和端部成型過程中的機(jī)械形變，是該批繞組首末匝附近匝間絕緣爬電擊穿的主要原因。

針對上述情況，本研究分析確定其定子線圈匝間絕緣結(jié)構(gòu)方案，對電磁線進(jìn)行常規(guī)性能檢測，并制作線圈試樣，分別進(jìn)行浸漆前后的工頻耐壓試驗和匝間沖擊試驗。通過試驗數(shù)據(jù)確定最優(yōu)匝間絕緣結(jié)構(gòu)，提高線圈匝間絕緣性能，同時滿足防爆電機(jī)對匝間絕緣的各項要求。

1 試驗

1.1 匝間絕緣方案

試驗選用規(guī)格為1.18 mm×5.6 mm的銅扁線，匝間絕緣厚度為0.5 mm，匝間絕緣及包覆方式分為5種，如表1所示。

表1 匝間絕緣及包覆方式Tab.1 Interturn insulation coating method

1.2 電磁線擊穿試驗

按GB/T 4074.5—2008《繞組線試驗方法 第五部分：電性能》將5組電磁線裁成長度為350 mm的樣品，并使用圓棒卷繞試驗儀將其制成U型[7]。將樣品分組送入電磁線匝間擊穿儀中測試匝間絕緣的擊穿電壓，每組樣品測5次，記錄數(shù)據(jù)。

1.3 試驗線圈的制作和測試

按照圖紙要求制作線圈試樣，并進(jìn)行匝間沖擊試驗。按照防爆電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，其試驗電壓為30.7 kV。拆除一個對角線方向兩個端部的白布帶，在端部每層電磁線之間墊聚四氟乙烯帶，長度大于300 mm，墊好聚四氟乙烯帶后將端部綁緊。按工藝要求將線圈進(jìn)行真空壓力浸漆處理（vacuum pressure impregnating，VPI），浸漬1168H絕緣漆[8]。將線圈從聚四氟乙烯帶的中間鋸斷，并使電磁線分離開成扇形，打磨端部絕緣20 mm作為測試電極，進(jìn)行匝間擊穿和起暈試驗。

1.4 試驗線棒的制作和測試

將5種電磁線，每種電磁線取18根，每根長度為600 mm，每6根為1組制成1根試驗線棒，分別標(biāo)記為1#、2#、3#組。電磁線端部用粘帶固定，防止絕緣松散。將電磁線整理平直，取6根電磁線擺放整齊，從距離電磁線一端150 mm處開始半疊包玻璃絲帶或滌玻帶，至距離另一端150 mm處為止，并用貼紙標(biāo)識各組。將兩端電磁線依次均勻分開，相鄰?qiáng)A角為35°。在相隔的電磁線端部包扎云母帶（且保證每根電磁線只有一端包扎云母帶），云母帶包扎長度為30～50 mm，包至端部折返20～30 mm，并用6050粘帶包扎固定。剪裁適當(dāng)尺寸的適形氈，填充扇形根部縫隙，并用玻璃絲帶或滌玻帶包扎緊固。從扇形根部開始包扎聚四氟乙烯帶至另一端扇形根部為止。按照10 kV級電機(jī)浸漆工藝守則進(jìn)行VPI處理。將電磁線未包扎云母帶一端進(jìn)行打磨，作為檢測電極，試驗線棒如圖1所示。

圖1 試驗線棒Fig.1 Trial stator bar

2 結(jié)果與分析

2.1 電磁線性能

表2是5種電磁線按標(biāo)準(zhǔn)折彎成U型后測得的擊穿電壓值。電磁線供需雙方參照標(biāo)準(zhǔn)NB-T 31048.3—2014和電磁線應(yīng)用情況，制定了技術(shù)要求：擊穿電壓值最小值不小于5.50 kV，平均值不小于6.00 kV，5種線圈均達(dá)到了要求。從表2可以看出：①電磁線在浸漆前，其擊穿電壓值主要取決于所用的絕緣材料。聚酯薄膜有較高的擊穿電壓和良好的柔韌性，在彎曲后仍有良好的性能表現(xiàn)，如5號電磁線有最高的擊穿電壓；②聚酰亞胺薄膜柔韌性不如聚酯薄膜，故彎曲后性能不如聚酯薄膜，如2號和3號；③云母是一種多孔的非致密材料，很容易從中間空隙處爬電，如4號；④通過1號和2號、3號和4號的對比可知，含聚酰亞胺薄膜的絕緣結(jié)構(gòu)在浸漆前的擊穿電壓優(yōu)于純云母帶的絕緣結(jié)構(gòu)。⑤通過2號和3號、1號和4號的對比可知，在厚度相同的情況下，云母帶采用半疊包或平包就擊穿電壓而言沒有太大區(qū)別。

表2 電磁線擊穿電壓Tab.2 Breakdown voltage of electromagnetic wire

2.2 線圈試驗

（1）匝間沖擊試驗

按要求將線圈壓型完畢后，進(jìn)行匝間沖擊試驗，試驗電壓為31 kV，5種電磁線制得的線圈均未發(fā)生擊穿或爬電。

（2）起暈試驗

線圈浸漆后進(jìn)行起暈試驗。5種線圈的起暈電壓值都很低（在500 V左右），造成這種現(xiàn)象的原因可能是線圈匝間有大量空隙，且匝間沒有防暈結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致在電壓很低的時候就起暈了。

在很不均勻的電場中，電壓還較低的時候，場強(qiáng)的集中點就已經(jīng)超過臨界值產(chǎn)生局部放電；而離該集中點稍遠(yuǎn)處，場強(qiáng)已大幅減小，故放電只能局限在該集中點附近的空間而不能擴(kuò)展出去。該區(qū)域由于放電激發(fā)出的離子在回歸常態(tài)時將輻射出光子，可以看見有均勻穩(wěn)定的發(fā)光層籠罩在電極周圍，這就是電暈。發(fā)生電暈時在電極周圍可以看到光亮，并伴有咝咝聲，且氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，間隙仍能耐受電壓的作用[2]。

在本試驗中，線圈壓型后直接隨定子送入浸漆罐進(jìn)行VPI浸漆并烘焙固化。由于缺少對地絕緣（云母帶）將線圈各匝綁緊并吸收絕緣漆形成致密的保護(hù)，在烘焙過程中，一方面絕緣漆會有部分流失，另一方面熱熔膠條在高溫下會軟化松動，導(dǎo)致線圈匝間產(chǎn)生空隙、小漆瘤等缺陷，故在電壓還較低時就產(chǎn)生電暈。

2.3 線棒試驗

2.3.1 起暈試驗

在線棒的一端將第1、3、5根電磁線用銅絲連接作為一極，在另一端將第2、4、6根電磁線用銅絲連接作為另一極，然后接入起暈測試儀中，在暗室內(nèi)進(jìn)行起暈試驗。5組線棒的起暈電壓值見表3。從表3可以看出，各線棒的起暈電壓差距不大，3號線棒有較高的起暈電壓，這可能是因為該種線棒的絕緣結(jié)構(gòu)浸漆后整體性相對較好。

表3 試驗線棒的起暈電壓Tab.3 Corona initiation voltage of test bar

2.3.2 匝間擊穿試驗

線棒浸漆后在空氣中進(jìn)行匝間擊穿試驗，結(jié)果表明，5種線棒在20～22 kV下產(chǎn)生嚴(yán)重的電弧放電，無法繼續(xù)升壓，故改為在油槽中進(jìn)行匝間擊穿試驗。原計劃每根線棒取5個擊穿電壓值，即1-2相、2-3相、3-4相、4-5相、5-6相，然而試驗結(jié)果表明，1-2相、3-4相、5-6相擊穿后，2-3相、4-5相試驗的擊穿值（18 kV左右）明顯小于其他3項，故每根線棒僅取1-2相、3-4相、5-6相3個擊穿電壓值。試驗表明，線棒匝間擊穿的位置集中在扇形根部，如圖2所示，匝間擊穿電壓值如表4所示。

圖2 匝間擊穿位置Fig.2 Turn to turn breakdown position

表4 試驗線棒的擊穿電壓Tab.4 Breakdown voltage of test bar

根據(jù)理論，線棒首末幾匝應(yīng)承擔(dān)過電壓值的40%，即31×0.4=12.4 kV。從表4可以看出，這5種結(jié)構(gòu)的擊穿電壓均值都遠(yuǎn)超該數(shù)據(jù)，均符合要求。其中3號線棒有較高的擊穿電壓均值，這可能是因為該種線棒的絕緣結(jié)構(gòu)浸漆后整體性相對較好。

2.4 參比線棒數(shù)據(jù)分析

為了便于比較，本研究還制作了兩組參比線棒，其匝間絕緣結(jié)構(gòu)分別為0.09 mm×12 mm的聚酯薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶平包3次（標(biāo)記為“參比1”）和0.07 mm×12 mm的聚酯薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶半疊包兩次（標(biāo)記為“參比2”）。參比線棒的起暈電壓和擊穿電壓數(shù)據(jù)見表5。

表5 參比線棒的匝間擊穿電壓和起暈電壓Tab.5 Turn to turn breakdown voltage and corona initiation voltage of bars

從表5可以看出，對于參比1，其中出現(xiàn)兩例擊穿電壓異常低的情況，經(jīng)重復(fù)加壓檢查，仍可耐受一定電壓，這說明線棒的匝間絕緣并未完全擊穿，而是由于絕緣層內(nèi)部存在空隙導(dǎo)致空氣擊穿，這與線圈批量生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)的爬穿問題一致。根據(jù)本項目試驗線棒的測試數(shù)據(jù)和使用不同規(guī)格電磁線時相同匝間絕緣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量監(jiān)控數(shù)據(jù)，可以判斷當(dāng)線規(guī)較小時，參比1的匝間結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定因素。

對于參比2，其數(shù)據(jù)與表4中方案代號1號和4號電磁線的數(shù)據(jù)接近。以目前所得的數(shù)據(jù)來看，在匝間絕緣厚度相同的情況下，采用半疊包和平包的工藝對浸漆后的線棒擊穿電壓影響不大。

3 結(jié)論

（1）保持絕緣厚度一定，采用相同銅扁線，使用不同絕緣材料和包扎方式，制造5種目前普遍用于高壓電機(jī)制造的線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗，結(jié)果表明5種線圈結(jié)構(gòu)各項電氣性能均能滿足高壓電機(jī)線圈的技術(shù)要求。

（2）采用平包方式，當(dāng)電磁線規(guī)格較小時，更難保障匝間絕緣結(jié)構(gòu)的均一性，從而導(dǎo)致其電氣性能下降，尤其是在產(chǎn)生機(jī)械形變后。

（3）單面聚酯薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶繞包線（1號、4號）的絕緣厚度薄，耐電暈性能好。從匝間絕緣可靠性、電磁線穩(wěn)定行和采購成本等因素綜合考慮，1號方案半疊包云母帶絕緣結(jié)構(gòu)最優(yōu)，事實也證明，采用1號方案生產(chǎn)后，所生產(chǎn)的10 kV防爆電機(jī)定子線圈均通過了匝間沖擊試驗，再沒有發(fā)生過批量爬穿現(xiàn)象。