20 MW超高速防爆高壓變頻調(diào)速同步電動機定子絕緣系統(tǒng)

劉 洋，張東林

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

20 MW超高速防爆高壓變頻調(diào)速同步電動機為西氣東輸項目所用電動機。電機采用能啟動電機運行的無刷勵磁系統(tǒng)、軸流式風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)。電機額定電壓為10 kV、頻率為52～82 Hz、容量為20 MW、轉(zhuǎn)速為4 800 r/min。由于電機的容量大、高電壓變頻、超高速和防爆因素都直接關(guān)系到電機絕緣的使用壽命和安全性，所以在電機絕緣設(shè)計時要綜合考慮到各因素設(shè)計新結(jié)構(gòu)，合理選用絕緣材料，采用適當(dāng)?shù)墓に?，以提高電機絕緣性能。

1 定子絕緣系統(tǒng)設(shè)計

絕緣系統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)電機技術(shù)條件及使用要求確定最佳的結(jié)構(gòu)型式，選用最合適的絕緣材料，采用最合適的絕緣工藝，使所建立的絕緣系統(tǒng)達到技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理、運行中可靠和效果最佳。

1.1 主導(dǎo)因素

一般電機絕緣系統(tǒng)設(shè)計要從機、電、熱、材料、工藝、環(huán)境等方面進行全面考慮，并以耐電強度和機械為主要考慮因素。但對于西氣東輸項目的電機還應(yīng)考慮以下幾個主導(dǎo)因素。

1)高壓加變頻

對于高電壓電機的絕緣老化電的因素是起主導(dǎo)作用的，再加上變頻對絕緣系統(tǒng)的影響，將使絕緣壽命大大地下降，為此需加強電氣強度，提高安全系數(shù)。

2)大容量

電機為2極，定子電流1 186 A。圈式定子線圈已不能滿足產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝的要求，需采用條式定子線圈。

3)超高轉(zhuǎn)速

電機轉(zhuǎn)速為4 800 r/min，對電機絕緣系統(tǒng)引起機械應(yīng)力和電磁力增大，需增加絕緣系統(tǒng)的機械強度，加強固定和綁扎，提高整體性。

4)防爆

定子繞組需采用加強防暈結(jié)構(gòu)和防暈材料。

5)外型尺寸的限制

定子絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣需減薄，以滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求。

1.2 條式定子線圈

大型汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和部分高速大容量電動機的定子繞組均用條式線圈，又稱為半組式線圈。

1.2.1 分類

條式定子線圈的分類如圖1所示。

1.2.2 換位的意義

條式定子線圈進行換位是為減少漏磁在導(dǎo)線中的附加損耗。附加損耗可分為擠流附加損耗(又稱渦流損耗)和循環(huán)電流所引起的附加損耗。

圖1 條式定子線圈的分類

通常條式定子線圈均采用直線360°或540°換位。這兩種換位均能全部抵消由于槽漏磁在線圈直線部分產(chǎn)生的環(huán)流電勢，但并不能抵消或只能抵消一部分端部漏磁產(chǎn)生的環(huán)流電勢。所以在條式線圈股線中產(chǎn)生循環(huán)電流、引起附加損耗是不可避免的。

為有效減少條式線圈端部漏磁的影響，減小循環(huán)電流，改善股線間的溫度，對于540°換位采取以槽部橫向漏磁補償?shù)拇胧窒瞬繖M向自感磁場的作用。對于360°換位采取360°槽部加空換位段、不足360°換位及360°延長換位的措施。通過計算得到合適的換位參數(shù)，有效減少端部漏磁的影響，減少股線回路環(huán)流、降低最高銅溫。這樣不但能減少電機的附加銅耗，也能延長電機絕緣的使用壽命，提高電機的效率。

傳統(tǒng)定子條式線圈每匝均為偶數(shù)股線并聯(lián)而成。近些年來又引入了奇數(shù)股線換位法，又稱單根換位技術(shù)。這樣每匝同樣高度的股數(shù)比偶數(shù)股線多一根，提高了槽利用率。

西氣東輸項目用電機定子條式線圈由于鐵心長度比汽輪發(fā)電機鐵心短很多，所以采用不足360°換位線圈。

1.3 主絕緣

線圈繞組線選用雙滌綸玻璃纖維繞包線。主絕緣材料選用玻璃纖維布單面補強和薄膜單面補強的兩種少膠粉云母帶，采用高定量鱗片粉云母紙，其性能見表1。云母帶具有云母含量高、抗切通性優(yōu)、膠含量低、滲透性強，有足夠的抗張強度，有利于機包、不分層不飛粉不污染環(huán)境等特點。

線圈主絕緣采取混合或連續(xù)繞包型式，根據(jù)部位的不同，結(jié)構(gòu)型式也各不相同。

定子繞組采取軟線圈(又稱白坯線圈)嵌線，整體VPI。繞組槽部主絕緣的雙面厚度比同類同電壓模壓結(jié)構(gòu)的線圈主絕緣厚度減少了1.3 mm。電機絕緣工作場強達2.86 kV/mm，比模壓結(jié)構(gòu)的2.66 kV/mm有所提高。

表1 云母帶的性能指標(biāo)

1.4 防暈結(jié)構(gòu)

條式定子線圈防暈結(jié)構(gòu)采取三級防暈(如圖2所示)。防暈材料選用具有一定透氣性的、不污染浸漬樹脂的全固化防暈帶，其性能如表2所示。

圖2 條式定子線圈防暈結(jié)構(gòu)示意圖

表2 全固化整浸防暈帶的性能

1.5 整體VPI

電機定子繞組采用整體VPI浸漬ET884-1無溶劑環(huán)氧酸酐浸漬樹脂。此浸漬樹脂具有粘度低、飽和蒸汽壓小、不易揮發(fā)、環(huán)?；具_到“零”污染等特點。固化后具有優(yōu)異的機械強度、電氣性能和耐熱性。其性能指標(biāo)如表3所示。

表3 ET884-1無溶劑環(huán)氧酸酐浸漬樹脂性能

定子繞組整體VPI簡化了線圈制造工藝、便于嵌線;繞組云母含量增大，可獲得無氣隙絕緣，提高了繞組絕緣的電氣性能;繞組整體性好，有利于繞組固定增強了抗機械應(yīng)力和電磁力的性能;繞組絕緣均勻與鐵心接觸緊密，可提高熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性;并可以減薄絕緣厚度，提高絕緣的耐環(huán)境能力，降低成本等。從而使電機在運行時更可靠、更安全。定子端部綁扎固定及整體VPI烘焙后的效果圖如圖3所示。

圖3 定子浸漬后的效果圖

2 條式定子線圈制造工藝

制造工藝是保證絕緣系統(tǒng)設(shè)計性能要求和產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求。本電機線圈制造工藝比普通的制造工藝有很大的變化和改進。定子線圈換位選用不足360°換位方式。在制造過程中基本采取機械化，主絕緣少膠粉云母帶包繞采取機包。工藝流程如圖4所示。

圖4 定子線圈制造工藝流程

嚴格的工藝過程，才能保證電機產(chǎn)品的最終性能和質(zhì)量。這里值得一提的是股線膠化工序，這將直接影響股線絕緣和主絕緣的電氣強度。膠化后的條式線圈清理不可忽略。如清理不好，將嚴重損傷內(nèi)層主絕緣。

圖5 真機模擬試驗條式線圈

3 真機條式定子線圈的性能測試

隨機浸漬的真機模擬試驗線圈如圖5所示。

3.1 常規(guī)電氣性能試驗

真機模擬定子試驗線圈浸漬固化后電氣性能試驗數(shù)據(jù)如表4、圖6所示。

圖6 線圈常態(tài)介質(zhì)損耗角正切曲線

表4 電氣性能試驗數(shù)據(jù)

從表4、圖6可知:條式定子線圈的電氣性能測試值均達到優(yōu)等品的要求指標(biāo)。其電機絕緣的電氣安全系數(shù)達9～10倍;電擊穿值的分散性很小，上限分散度為2.35%，下限分散度為3.9%。

3.2 耐電暈試驗

按條式定子線圈耐電暈標(biāo)準規(guī)定:線圈耐電暈的起暈電壓應(yīng)不低于1.5倍的額定電壓值。

對四支10 kV模擬真機條式定子線圈做耐電暈試驗:起暈電壓均大于24 kV，遠高于標(biāo)準規(guī)定值。

4 電機產(chǎn)品出廠前電氣絕緣試驗

4.1 絕緣電阻測試

用2 500 V兆歐表測試定子繞組的單相及整機的對地絕緣電阻，換算至40℃值。

整機繞組對地絕緣電阻值應(yīng)不低于100 MΩ，實測為3.55 GΩ。

4.2 極化指數(shù)PI

用2 500 V兆歐表測試定子繞組對地絕緣電阻值，計算10 min的值與1 min的值之商，即極化指數(shù)PI=R10/R1≥2.0，實測為 4.5。

4.3 直流耐電壓試驗及泄漏電流測量

1)直流耐電壓:3.5 UN，直流1 min;通過。

2)泄漏電流測量:2.5 UN直流試驗電壓下，最大通過泄漏電流在20 μA以下;通過。

4.4 定子繞組對地耐電試驗

(2 UN+3)kV 50 Hz1 min;通過。

5 結(jié)語

絕緣系統(tǒng)設(shè)計時，周密地研究了電機的技術(shù)條件和使用要求，考慮了電機運用時的大容量、超高速、高電壓、變頻調(diào)速、防爆和尺寸限制等幾個影響絕緣性能的因素。設(shè)計了不足360°換位的條式定子線圈少膠軟線圈嵌線的絕緣結(jié)構(gòu)和防暈結(jié)構(gòu)，采用整體VPI環(huán)氧酸酐浸漬樹脂的絕緣處理工藝，從而減薄了絕緣厚度。電機絕緣工作場強為2.86 kV/mm，安全系數(shù)達9～10倍，足以保障電機運行的可性和安全性。