沙漠應(yīng)用電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)踐

張平澤， 張雨迪

(1. 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2. 南京工業(yè)大學(xué) 測繪學(xué)院，江蘇 南京 211800)

沙漠應(yīng)用電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)踐

張平澤1， 張雨迪2

(1. 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2. 南京工業(yè)大學(xué) 測繪學(xué)院，江蘇 南京 211800)

沙漠環(huán)境惡劣，對電機(jī)絕緣要求更苛刻。雖在沙漠腹地工作的電機(jī)有種種防沙裝置，但電機(jī)繞組絕緣仍難免會遇到沙漠中的沙塵威脅，且沙漠中高低溫差大，有凝露結(jié)霜及沙漠運(yùn)輸過程的顛簸振動等惡劣環(huán)境，影響電機(jī)的正常運(yùn)行和壽命。就沙漠環(huán)境對絕緣的影響引起絕緣惡化因素的分析及絕緣結(jié)構(gòu)的相應(yīng)對策，并對如電磁線、對地絕緣材料等逐一做了深入探討，給出了初步的提升方案。

沙漠應(yīng)用電機(jī); 絕緣結(jié)構(gòu); 匝間絕緣； 對地絕緣

2. College of Surveying and Mapping, Nanjing University of Technology, Nanjing 211800, China)

0 引 言

電氣設(shè)備的可靠性很大程度地依賴于絕緣，即絕緣材料和絕緣配合——絕緣結(jié)構(gòu)的運(yùn)行性能和可靠性[1]。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明,電力系統(tǒng)事故中50%以上是由于絕緣故障引起的，因此采用能在各種環(huán)境中確保高度可靠性的絕緣結(jié)構(gòu)是相當(dāng)重要的。在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造中，需慎重選擇合適的絕緣材料，設(shè)計(jì)組合相融的結(jié)構(gòu)并采用先進(jìn)的絕緣工藝。

沙漠環(huán)境惡劣，對絕緣要求較嚴(yán)，雖然在沙漠腹地工作的電機(jī)有封閉型的，或有防沙裝置的，但電機(jī)繞組絕緣仍難免遇到沙漠中的沙塵、高低溫差變化大、有凝露等惡劣環(huán)境影響，所以沙漠中使用的電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能加強(qiáng)抗高溫耐低溫、抗大溫差、耐風(fēng)沙、耐酸堿水、耐潮、耐振動及冷熱機(jī)械應(yīng)力等的能力。

1 沙漠環(huán)境對電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)影響的老化因素

1.1 熱老化

沙漠，尤其是如塔里木盆地、塔克拉瑪干沙漠油田處，夏季最高氣溫可達(dá)52℃，地面溫度有時(shí)最高達(dá)74℃，一日溫差一般為10～20K，最大約達(dá) 60K，而冬季最低溫度為-29℃，這樣惡劣的高溫和溫差對長期承載負(fù)荷的電機(jī)，特別是低壓電機(jī)絕緣主要起了熱老化作用，使高分子聚合物熱降解、熱氧化等。再加上電機(jī)的頻繁起動及負(fù)載變動、冷熱循環(huán)老化，使絕緣變脆、變質(zhì)，又由于銅線和絕緣的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)不一樣，導(dǎo)線與絕緣在反復(fù)多次熱脹冷縮的情況下會產(chǎn)生熱變形、蠕動和位移，使絕緣龜裂和起泡，潮氣或塵埃又會乘虛而入，更加劇了絕緣的老化，使絕緣最終喪失功能而破壞。所以要考慮和選用絕緣和銅線附著力較好的電磁線，以及耐高溫且耐冷凍的絕緣結(jié)構(gòu)[2]。

1.2 濕度影響

通常認(rèn)為沙漠是個干旱地方，其實(shí)由于早晚溫差大，卻會發(fā)生凝露現(xiàn)象。如夏季白天溫度是52℃，相對濕度為10%，而到半夜溫度降到17℃，此時(shí)的相對濕度突然會增加到接近100%，所有設(shè)備也就包括電機(jī)表面會突然出現(xiàn)凝露和霧氣，水、氣的出現(xiàn)或者侵入絕緣，將會降低絕緣性能。如果灰塵中含有一些有吸水性的礦物質(zhì)，則會引起短路打火，更加劇電氣絕緣性能下降。為此，需考慮將電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成三防型的耐濕熱電機(jī)。

1.3 風(fēng)沙問題和電老化

沙漠空氣中含塵量高，地表層流沙厚，塔克拉瑪干沙漠細(xì)膩，如同玉米粉面一樣，200μm篩余量才37%，遇到風(fēng)季被暴風(fēng)刮起的粉塵懸浮在空中5～7天沉降不下來，即使有很好的防塵、防沙裝置，空氣中的沙塵粉也會鉆進(jìn)電機(jī)。現(xiàn)場實(shí)測沙塵pH值約為6.5(10g沙在100mL蒸餾水溶液中)。侵入電機(jī)的沙塵粉在凝露作用下，形成酸性溶液，這更會對絕緣造成危害。

有時(shí)空氣中沙粒的相對摩擦產(chǎn)生的“沙暴靜電”會高達(dá)3000V，對人、對低壓電機(jī)絕緣都存有危害因素隱患。所以在絕緣結(jié)構(gòu)中，首先考慮的是沙漠電機(jī)為封閉的結(jié)實(shí)整體，可以防沙、防酸堿等，并在其繞組端部或外部包上一層彈性體絕緣以保證質(zhì)量。

1.4 機(jī)械應(yīng)力影響

惡劣的沙漠地形運(yùn)輸對電機(jī)絕緣會產(chǎn)生不良的機(jī)械振動和應(yīng)力，而在負(fù)荷起動時(shí)或突然短路等異常運(yùn)行時(shí)的電磁力造成鐵心振動、繞組振動，而機(jī)械應(yīng)力的變化會造成絕緣層松散、裂紋，加劇了風(fēng)沙塵埃及有害物質(zhì)(如導(dǎo)電物、腐蝕物質(zhì))的侵入，破壞絕緣的整體性，最終導(dǎo)致電機(jī)被破壞。

1.5 其他老化因子

正常的長期工作電壓的電老化、電化學(xué)作用等，也是引起絕緣老化的其他因素，造成了繞組絕緣破壞而壽終。

所以要設(shè)計(jì)、制造出可靠的、有一定機(jī)電強(qiáng)度的沙漠電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)，必須要仔細(xì)考慮對付上述這些沙漠環(huán)境的負(fù)面影響因素。

2 沙漠電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

鑒于上述分析，沙漠電機(jī)絕緣耐熱等級是應(yīng)首先考慮的，確定為H級絕緣，并參考應(yīng)用引進(jìn)的GE752絕緣技術(shù)。

2.1 匝間絕緣提升工藝

選用H級聚酰亞胺薄膜涂上一層氟乙烯丙烯樹脂的帶子包在銅線上(單層2/3疊或雙層1/2疊包)然后經(jīng)燒結(jié)而成，絕緣厚度僅為0.20～0.36mm，而介電、機(jī)械性能很好。國產(chǎn)燒結(jié)薄膜導(dǎo)線性能如表1所示。由于性能好而絕緣度高，可以大大提高電機(jī)的出力。

從表1可見，用這種燒結(jié)薄膜導(dǎo)線作匝間絕緣是很可靠的。

2.2 對地絕緣

(1) 整體性絕緣封閉線圈。不論是交流電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子線圈，還是直流電機(jī)的電樞、主極換向極線圈等，考慮將對地絕緣基本都包在線圈上，再適當(dāng)選用較薄型保護(hù)性質(zhì)的槽絕緣，這樣有利于使絕緣封閉，整體性、可靠性好。

絕緣材料選用以聚芳酰胺纖維紙(N)或聚酰胺纖維紙(S)和聚酰亞胺薄膜(H)單面或雙面復(fù)合制品(NHN,NH或SHS)。在繞組上半疊包2～3層聚酰亞胺薄膜帶(6050)，外層半疊包一層聚芳纖維紙聚酰亞胺單面復(fù)合上膠帶(NH)，槽絕緣用雙面聚芳纖維紙和聚酰亞胺薄膜復(fù)合材料(6650-NHN)來用它作其他襯墊、隔相、層間等絕緣之用。

這些材料耐熱性高，長期工作溫度在200℃左右，其介電性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、堿，耐輻射、阻燃，并能與大多數(shù)絕緣劑、漆相容性良好。受潮后性能無大變化，而且使用這些材料絕緣厚度可以減薄。具體材料性能如表2所示。

表1 國產(chǎn)燒結(jié)薄膜導(dǎo)線性能

表2 材料具體性能

(2) 電機(jī)線圈端部及主極、換向極線圈外部絕緣。由于暴露在外部，繞組端部最接近電機(jī)端蓋及通風(fēng)口，最易被風(fēng)沙塵粉侵害或其他塵埃污染，為此選擇在繞組線圈端部及一些線圈如主極、換向極線圈外層加包一層有彈性的硅橡膠三角帶以提高抗風(fēng)沙、耐腐蝕能力，其特性如表3所示。

將1×25mm自粘性硅橡膠三角帶半疊包一層在聚酰亞胺薄雙玻璃絲包線外，經(jīng)真空壓力浸漆后的擊穿為37、27、33kV，這個數(shù)值很可觀。

(3) 固化成整體轉(zhuǎn)子線圈。轉(zhuǎn)子線圈端部綁扎用樹脂浸漬玻璃纖維無緯綁扎帶。其有絕緣性能，且耐腐蝕，固化成整體后，抗張強(qiáng)度達(dá)915～1100MPa。

(4) 其他部位絕緣。如槽楔、墊條、換向器端支架絕緣等，因通風(fēng)致冷及在電機(jī)部位不同可選用價(jià)格稍便宜的F級或H級絕緣材料，而最終組合配合成的絕緣結(jié)構(gòu)經(jīng)試驗(yàn)表明仍為H級。

表3 加一層硅橡膠三角帶特性

2.3 絕緣浸漆處理工藝

電機(jī)絕緣的最后工序是絕緣處理。決定用真空壓力浸漆(Vacuum Pressure Impregnating, VPI)來進(jìn)行處理，就是先用 0.4～0.6真空度方法將絕緣中的水分、溶劑、低分子物等排除掉，然后用合適的絕緣漆加壓力(0.6～0.7MPa)0.5～1h，使它填充到絕緣的所有空隙，最后加熱固化使絕緣成為一個結(jié)實(shí)的整體結(jié)構(gòu)，從而提高絕緣抗惡劣環(huán)境、抗機(jī)械震動等的能力。

選用的浸漬性能對比試驗(yàn)如表4所示。

2.4 絕緣結(jié)構(gòu)的性能試驗(yàn)

要評價(jià)絕緣結(jié)構(gòu)的合理性，衡量它的可靠性及預(yù)期壽命，必須通過試驗(yàn)來考驗(yàn)，或者以一個典型的有長期使用經(jīng)驗(yàn)的老絕緣結(jié)構(gòu)作為考核參照來評價(jià)。參照美國GE752絕緣系統(tǒng)來設(shè)計(jì)和制造，并做了部分試驗(yàn)工作。表5是一些絕緣結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 浸漬性能對比

從表5可見這些絕緣結(jié)構(gòu)性能是可行的，硅橡膠三角帶的密封性是可靠的。

3 結(jié) 語

為某工程項(xiàng)目研制沙漠電機(jī)，經(jīng)過調(diào)研、分析、實(shí)地考察和試驗(yàn)驗(yàn)證，吸收GE752引進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)了耐熱老化、防沙、防濕熱、有高介電性能、機(jī)械強(qiáng)度的全封閉型電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)。它以聚酰亞胺薄膜涂F46的燒結(jié)薄膜導(dǎo)線作匝間絕緣，以聚酰亞胺薄膜、聚芳或聚芳酰胺纖維紙及其復(fù)合材料為主的對地絕緣，配以有彈性的硅橡膠三角帶包裹端部外層，采用專用真空壓力浸漆工藝的H級絕緣結(jié)構(gòu)，經(jīng)實(shí)踐證明此研制方案是可行的，經(jīng)得起沙漠環(huán)境的考驗(yàn)。這為我國在沙漠地區(qū)的專用

表5 絕緣結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

電機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域填補(bǔ)了空白。

[1] 凌敏，饒保林，李靜靜，等.高壓電機(jī)納米復(fù)合主絕緣的研究進(jìn)展[J].絕緣材料，2014,47(1)： 1-5.

[2] 唐衛(wèi)平，趙曉洋.高導(dǎo)熱絕緣漆的研制及其在低壓電機(jī)上的應(yīng)用[J].絕緣材料，2014，47(4)： 37-40.

Research and Practice on Insulation Structure of Application of Motor in Desert*

ZHANGPingze1,ZHANGYudi2

(1. Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China;

The desert environment is poor, and the insulation of the motor is more severe. Although in the hinterland of the desert sand work motor device various, but still the insulation of the motor windings will inevitably encounter the desert dust in the high and low temperature difference, the normal operation and the service life of the motor effects of condensation frosting and desert transport process bump and shake the bad environment. The desert environment on the impact of insulation deterioration caused by the response factor analysis and insulation structure, and the electromagnetic line, the insulation material and so on one by one to do the in-depth study, a preliminary scheme to improve was given.

desert application motor; insulation structure; turn to turn insulation; ground insulation

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PPZY2015C238)

張平澤(1967—),男，教授，高級工程師，研究方向?yàn)楣┡潆娮詣踊巴ㄐ偶夹g(shù)。

TM 303.4

A

1673- 6540(2016)12- 0064- 04

2016-03-21