80 MW變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)研究及應(yīng)用

祁世發(fā)，劉 洋，吉 超

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

FL-62風(fēng)洞主驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)系統(tǒng)電機(jī)是我公司和中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽(yáng)空氣動(dòng)力研究所合作項(xiàng)目，項(xiàng)目研制成功不僅為國(guó)家航天事業(yè)做出貢獻(xiàn)，而且增強(qiáng)我公司的技術(shù)實(shí)力，提高公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

FL-62風(fēng)洞主驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)系統(tǒng)電機(jī)，額定電壓為11 kV，變頻調(diào)速(調(diào)速范圍100～500 r/min，對(duì)應(yīng)頻率10～50 Hz(恒轉(zhuǎn)矩)；500～860 r/min對(duì)應(yīng)頻率50～86 Hz(恒功率))，額定功率為80 MW，定子繞組采用條式線棒少膠VPI絕緣結(jié)構(gòu)。11 kV、變頻、80 MW條式線棒少膠絕緣結(jié)構(gòu)我公司還是首次設(shè)計(jì)，其絕緣考核電壓為13.8 kV。為此對(duì)絕緣材料的開發(fā)、研制、改進(jìn)和絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及工藝探索等進(jìn)行了研究。

1 絕緣材料的選用

1.1 繞組銅線

FL-62風(fēng)洞主驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)系統(tǒng)電機(jī)定子繞組由條式線棒組成，而條式線棒由多股并聯(lián)的絕緣股線組成。選擇絕緣厚度薄、耐熱性高、電性能優(yōu)良、附著性好的滌綸玻璃絲包燒結(jié)線。

我公司之前設(shè)計(jì)的11 kV、變頻、大容量電機(jī)繞組多采用圈式結(jié)構(gòu)。同一電壓等級(jí)下圈式線圈有匝間絕緣，相當(dāng)于增強(qiáng)了主絕緣厚度；而條式線棒無(wú)匝間絕緣，因此對(duì)股線絕緣和主絕緣電氣性能要求更高。為了不增加股線絕緣厚度，又能提高股線電氣性能，公司與電磁線廠家聯(lián)合開發(fā)了一種薄型滌綸玻璃絲包燒結(jié)漆包銅扁線(HPC8671)，其擊穿電壓和傳統(tǒng)線棒使用雙滌綸玻璃絲燒結(jié)線(DSBEB-20/155)的擊穿電壓對(duì)比見表1。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，同等絕緣厚度情況下，HPC8671的電氣性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DSBEB-20/155。

1.2 少膠云母帶

少膠云母帶是少膠VPI絕緣的基礎(chǔ)材料，它的性能對(duì)線棒絕緣有重要影響。我們篩選了兩種含有促進(jìn)劑的云母帶，即無(wú)堿玻璃纖維布單面補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶(HEC5442-1A)和聚酯薄膜單面補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶(HEC5442-1B)。

少膠云母帶的性能指標(biāo)及實(shí)測(cè)值見表2。

從表2可見，少膠云母帶的性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

1.3 環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹脂

無(wú)溶劑浸漬樹脂是VPI絕緣的關(guān)鍵材料，直接影響電機(jī)絕緣的性能和應(yīng)用工藝性，它除了應(yīng)具有優(yōu)良的機(jī)、電、理化綜合性能外，還受到膠化時(shí)間、貯存期、黏度、烘焙流失等因素制約。經(jīng)過(guò)充分的論證和試驗(yàn)研究，采用環(huán)保型T-H1169低黏度環(huán)氧浸漬樹脂作為我公司長(zhǎng)期使用的浸漬樹脂。T-H1169是由進(jìn)口高純度環(huán)氧樹脂通過(guò)改性，加特種潛伏性固化劑配制而成的單組份無(wú)溶劑低黏度環(huán)氧浸漬樹脂。該樹脂和少膠云母帶兼容性好，固化后機(jī)械電氣、耐濕熱、耐鹽霧、防潮抗水、耐氟利昂等綜合性能優(yōu)異，貯存穩(wěn)定性好，能夠滿足高壓電機(jī)絕緣技術(shù)要求。

1.3.1 T-H1169環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹脂性能

T-H1169環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹脂性能見表3。

表1 HPC8671與DSBEB-20/155擊穿電壓對(duì)比

表2 云母帶的性能指標(biāo)

表3 T-H1169環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹脂性能

*項(xiàng)目7、8、9漆餅固化條件：140±1 ℃/2 h，170±1 ℃/10 h。

1.3.2 溫度對(duì)樹脂黏度的影響

黏度是決定浸漬樹脂流動(dòng)性和滲透性的主要因素。圖1為T-H1169樹脂和東芝TVB2711K樹脂的黏度溫度關(guān)系曲線。

由圖1可以看出，T-H1169在室溫下的黏度比TVB2711K更低，滿足電機(jī)繞組的浸漬要求，具有良好的溫度黏度特性，樹脂的滲透性填充性十分優(yōu)異；而且與國(guó)外傳統(tǒng)VPI浸漬樹脂相比，T-H1169的室溫黏度大幅下降，在室溫條件下就完全滿足電機(jī)電氣設(shè)備的絕緣浸漬，避免了重復(fù)加熱樹脂而導(dǎo)致樹脂儲(chǔ)存穩(wěn)定性差的情況，節(jié)約了大量能源，縮短了生產(chǎn)周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 T-H1169與東芝TVB2711K浸漬樹脂黏度溫度關(guān)系

1.3.3 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

T-H1169環(huán)氧浸漬樹脂采用新型固化體系，克服了傳統(tǒng)單組份環(huán)氧固化劑易吸潮的缺點(diǎn)，因此具有優(yōu)異的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，該浸漬樹脂已在我公司使用三年多的時(shí)間，圖2為T-H1169在使用期間室溫黏度變化情況。

圖2 T-H1169在使用期間的室溫黏度變化情況

從圖2可以看出，T-H1169環(huán)氧浸漬樹脂在三年多的使用期間內(nèi)室溫黏度始終保持在30～60 s(涂-4黏度計(jì)，23±1 ℃)的區(qū)間內(nèi)，黏度增長(zhǎng)十分平緩，儲(chǔ)存穩(wěn)定性優(yōu)異，可以滿足長(zhǎng)期使用的要求。

1.4 防暈材料

VPI絕緣用的防暈帶與模壓絕緣用的防暈帶相比，主要不同之處在于：一是VPI絕緣用低阻防暈帶的阻值較低，這是因?yàn)榻n時(shí)會(huì)有浸漬樹脂進(jìn)入低阻防暈帶中的導(dǎo)電物質(zhì)中間，使電阻變大；二是VPI絕緣用防暈帶與浸漬樹脂相容，不會(huì)污染浸漬樹脂；三是VPI絕緣用低阻防暈帶應(yīng)有一定的透氣性，以不影響繞組絕緣在真空壓力浸漬時(shí)的浸漬效果。通常VPI絕緣用防暈帶為全固化防暈帶。

全固化整浸防暈帶的性能指標(biāo)見表4。

表4 全固化整浸防暈帶的性能指標(biāo)

目前產(chǎn)品上用全固化整浸防暈帶各項(xiàng)性能完全達(dá)標(biāo)，并滿足了絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝要求。

2 定子絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

高壓交流電機(jī)定子繞組絕緣在運(yùn)行中受到電、熱、機(jī)械和環(huán)境因素等的作用。電機(jī)在運(yùn)行時(shí)或過(guò)電壓下，電應(yīng)力會(huì)引起絕緣內(nèi)氣隙和絕緣外邊界處局部放電，腐蝕絕緣；熱應(yīng)力會(huì)加速絕緣老化裂解；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和頻繁起動(dòng)，由此引起的繞組振動(dòng)和各種電磁力會(huì)對(duì)絕緣產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，造成機(jī)械損傷；絕緣還會(huì)受到潮氣、灰塵、油污等的污染，影響絕緣性能。

少膠VPI絕緣在應(yīng)對(duì)上述作用和影響方面有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。首先VPI絕緣采用少膠云母帶包繞線圈，提高絕緣中的云母含量，從而改善絕緣的長(zhǎng)期耐電性能。其次，用真空壓力浸漬環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹脂，能獲得無(wú)氣隙絕緣，絕緣電氣性能好，可減薄絕緣厚度。同時(shí)，采用定子繞組與鐵心一起整浸的工藝，繞組絕緣與鐵心黏結(jié)成整體，整體性好，既有利于繞組固定，改善了繞組散熱效果，抗機(jī)械應(yīng)力和電磁力性能增強(qiáng)，還提高了繞組絕緣耐環(huán)境因素的能力。這些都極大地提高了電機(jī)絕緣性能和可靠性。

2.1 定子線棒主絕緣結(jié)構(gòu)

在參照和借鑒國(guó)外先進(jìn)國(guó)家電機(jī)業(yè)的少膠VPI絕緣技術(shù)同時(shí)，借鑒我公司圈式線圈絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，提出以兩種單面補(bǔ)強(qiáng)的少膠云母帶交替包繞定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)方案。經(jīng)過(guò)大量工藝試驗(yàn)和常規(guī)的電氣性能試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該少膠VPI繞組絕緣整體性良好、電氣性能優(yōu)良。

2.2 定子線棒絕緣性能

2.2.1 常規(guī)電氣性能試驗(yàn)

試驗(yàn)線棒浸漬固化后電氣性能試驗(yàn)見表5、圖3。

表5 試驗(yàn)線棒浸漬固化后的介質(zhì)損耗角tgδ、擊穿電壓、電氣強(qiáng)度

圖3 11 kV(考核電壓13.8 kV)定子少膠VPI定子試驗(yàn)線棒介損曲線

從表5和圖3可以看出：本課題設(shè)計(jì)的高壓交流電機(jī)定子線棒少膠VPI絕緣各項(xiàng)電氣性能均能滿足本科研項(xiàng)目電機(jī)定子要求。圖4為試驗(yàn)線棒在進(jìn)行高溫介損試驗(yàn)。

2.2.2 耐電暈試驗(yàn)

按照本文設(shè)計(jì)的絕緣結(jié)構(gòu)制做了5個(gè)模擬試樣，進(jìn)行起暈電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6中規(guī)定。

從表6中的試樣數(shù)據(jù)可以看出，模擬線棒絕緣防暈結(jié)構(gòu)完全滿足使用要求。

圖4 高溫介損試驗(yàn)

表6 模擬試樣起暈電壓試驗(yàn)

3 應(yīng)用

此項(xiàng)目成果目前已應(yīng)用在FL-62風(fēng)洞主驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)系統(tǒng)電機(jī)項(xiàng)目上，整機(jī)完成后的絕緣試驗(yàn)滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。目前FL-62風(fēng)洞主驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)系統(tǒng)電機(jī)已在用戶安全運(yùn)行了近2年時(shí)間。為國(guó)家航天事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

4.1 通過(guò)試驗(yàn)證明，80 MW變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)定子線棒少膠VPI絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、安全、可靠、整體性好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

4.2 使用的HPC8671繞組線、HEC5442-1A和HEC5442-1B云母帶、T-H1169環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹脂等選材正確。

4.3 研究成功的80 MW變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)定子線棒少膠VPI絕緣系統(tǒng)提高了我公司的絕緣技術(shù)水平。