超高速防爆變頻調速同步電機定子絕緣結構研究

胡 義

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

西氣東輸項目既關系到國家的能源戰(zhàn)略安全，又是一項惠民工程，其電驅動設備采用的是大容量、超高轉速的防爆變頻調速同步電動機。目前該類電機依靠進口，是Siemens、ABB、Coverteam、GE、TMEIC等少數跨國巨頭的壟斷領域，具有較高的技術壁壘和產品附加值，該電機實現(xiàn)國產化對國家和企業(yè)都有非常重要的意義，是國內電機制造業(yè)的當務之急。但從絕緣技術來看，蘊涵了較高的難度和一定的風險。

定子繞組絕緣技術難點：線圈采用槽部換位的半組式結構，包括槽部換位節(jié)距、換位角度、股線編織、熱壓成形、主絕緣結構、防暈結構、絕緣包扎、嵌線、端部間隙、端部焊接、VPI浸漬、旋轉烘焙固化和中間過程耐壓試驗、絕緣質量控制等。

針對20 MW 9 350 V F級變頻同步電動機的絕緣技術特征要求，完成了四個方面的研究內容。

絕緣結構試驗：通過槽部換位的半組式線圈主絕緣和防暈結構的VPI浸漬6895絕緣漆的結構試驗研究，確定其絕緣結構。

電加工絕緣技術：根據設計圖紙，添加必須的工裝和模具，結合現(xiàn)有電加工工藝水平，開展定子線圈成形加工專項研究，確定合理的技術途徑；確保定子線圈加工中對絕緣沒有任何損傷，無股間、排間短路和對地耐壓擊穿，絕緣加工后尺寸符合圖紙要求。

模擬繞組試驗：通過假定子鐵心繞組的模擬試驗，驗證編織換位方式、嵌線、端部間隙、端部焊接、絕緣包扎等工藝，VPI浸漆后測試繞組的電氣性能，為樣機的制造積累經驗和數據。

樣機制造和絕緣特性：在定子制造中嚴格執(zhí)行絕緣規(guī)范、試驗規(guī)范和工藝文件要求，加強中間過程絕緣質量管控，主定子VPI浸漆時采用電容測量裝置監(jiān)測浸漬效果，固化后的絕緣特性測試結果與設計吻合，達到了國外同行的先進水平。

1 絕緣結構試驗

為了減少電機定子槽內的渦流損耗和附加損耗，定子線圈采用股線360°換位技術。單個線圈由兩根半組式條式線棒組成，嵌線后再進行端部焊接、絕緣包扎、整個繞組VPI處理。提高繞組的整體性、散熱性及耐候性，降低繞組的局部放電量和介質損耗。

股線絕緣：采用滌玻燒結扁銅線DSBESJB-20/155，特點是絕緣層薄，附著黏結力強，機械強度高、耐磨損。

換位絕緣：采用0.20 NMN復合箔6640，該材料具備良好的柔軟性和耐剪切性能。

排間絕緣：采用B階的多膠粉云母板740-1，該材料在高溫時能夠釋放出大量樹脂，高的塑性壓縮量，使所有的股線形成整體。

主絕緣：采用玻璃布補強的中膠粉云母帶449-1和薄膜補強的中膠粉云母帶446-1A混包的絕緣結構，單面絕緣厚度為2.64 mm。該結構應用于上電公司10 kV大型高壓交流電機，已有超過30年的使用和電機的可靠運行經驗。

防暈：采用進口高、低阻防暈帶215.55和217.31，槽部為低阻帶，端部為高阻帶。該結構在10 kV定子線圈經過多次驗證試驗，起暈電壓水平始終保持在28 kV以上。

1.1 半組式線圈結構性能

1.1.1 室溫介質損耗試驗，測試結果見表1。

1.1.2 起暈電壓試驗，試驗結果見表2。

線棒起暈電壓大于30 kV，均可用于海拔5 km高原電機的繞組防暈。

1.1.3 交流工頻擊穿試驗，試驗結果見表3。

表2 成型半組式線圈起暈電壓試驗觀察結果

式中：H1為電機試驗地海拔高度km；H2為電機實際運行地海拔高度km。

表3 成型半組式線圈交流工頻擊穿試驗數據

1.2 產品線圈結構性能

根據試驗大綱要求，對6根產品線棒進行下列試驗項目測試。

1.2.1 室溫介質損耗試驗，測試結果見表4。

表4 產品線圈室溫介質損耗測試數據

1.2.2 主絕緣耐雷電沖擊試驗

試驗標準：JB/T 10098—2000交流電機定子成型線圈耐沖擊電壓水平(idt IEC 60034-15)Up=4UN+5 kV(Up為規(guī)定雷電沖擊電壓峰值；UN為額定電壓)。

雷電沖擊波的視在波前時間1.2 μs，視在半峰值時間50 μs，電壓峰值為45 kV，沖擊波次數為5次/秒(GB/T 16927.1)。

試驗結果：全部通過。

1.2.3 工頻耐電壓試驗

試驗標準：JB/T 10098—2000交流電機定子成型線圈耐沖擊電壓水平(idt IEC 60034-15)。

在線圈引出端和地之間施加(2UN+1 kV)，即21 kV的工頻電壓，耐壓時間為1 min，接著以1 kV/s的速率升高電壓至2(2UN+1 kV)，即42 kV，然后立即以至少1 kV/s的速率降低電壓到零值，過程不發(fā)生擊穿。

試驗結果：全部通過。

1.2.4 交流工頻擊穿試驗，試驗結果見表5。

產品線圈性能數據達到JB/T 56085—96大型交流高壓電機線圈質量分等標準中優(yōu)等品標準。

1.2.5 電老化試驗

試樣為電磁線線棒，結構16匝2排，總長度1 350 mm，電磁線線規(guī)為1.6 mm×6.3 mm，2S20-F；絕緣結構為混合半疊包玻璃布補強的中膠粉云母帶449-1和薄膜補強的中膠粉云母帶446-1A，單面絕緣厚度為2.64 mm；匝間膠化采用740-1；主絕緣包扎后搭接2 mm包一層0.085 mm×25 mm低阻帶215.55，包扎長度為居中500 mm。低阻帶兩邊搭接25 mm半疊包一層0.25 mm×20 mm高阻帶217.31，長度150 mm；VPI浸漆、烘焙固化。試驗結果見表6。

表5 產品線圈交流工頻擊穿試驗數據

表6 線棒電老化試驗數據

電老化考核要求為施加于電磁線線棒樣品的長期電壓為2.5UN，電老化擊穿后的中值時間不低于800 h。從試驗結果看，電老化時間數據理想，能滿足項目實際需求。

2 電加工絕緣技術

2.1 定子線圈

定子線圈結構為半組式槽部360°換位線棒，換位節(jié)距短為37 mm，一匝線圈股線根數為36根電磁線，電磁線采用滌玻燒結扁銅線DSBESJB-20/155，線規(guī)為1.8 mm×6.3 mm，銅線厚度和絕緣厚度較薄，加工中360°換位處的換位絕緣容易移位、脫落，直線與端部R處、端部與引線R處成形時電磁線的疊片等會損傷絕緣，特別是換位處和端部S彎處，導致線圈排間膠化后的股間、排間短路。

2.1.1 工裝、模具

線圈成形、膠化模采用二模合一、端部凹模的結構，槽部360°換位處采用定制換位節(jié)距板、S彎壓模、換位模工裝等。通過模具直線截面膠化墊條材質、尺寸，冷壓、熱壓不變形，確保線圈直線膠化時受壓均勻，排間膠化后尺寸符合設計要求。調節(jié)直線與端部接口接縫處間隙(不能完全閉合，加熱要膨脹)，保障定子線圈膠化后直線與端部過渡處平滑、無凸縫，減少凸縫修整時對絕緣的損傷，確保下道工序進口包帶機包扎對地絕緣的質量。

2.1.2 加工工藝

定子線圈成形后排間膠化前：直線360°換位高度上、下兩端處先墊適形材料和多膠云母板740-1，然后平包一層0.1 mm×25 mm滌綸絲帶，1/4疊包一層0.05 mm聚四氟乙烯薄膜，1/2疊包二層0.03 mm聚酯薄膜。端部疏包一層0.1 mm×25 mm滌綸絲帶，1/4疊包一層0.05 mm聚四氟乙烯薄膜，1/2疊包二層0.03 mm聚酯薄膜。

定子線圈排間膠化加熱、加壓采用分段、分檔控制，即通電加熱后以全壓的1/3壓力對直線部分進行初壓，當直線溫度控制在150 ℃左右時，對線圈直線部分的上面、側面加全壓。注意全壓時應反復對線圈直線上面、側面施壓直至模具側面板與墊條完全合攏，然后再對二個端部加全壓，操作秩序必須先從線圈直線轉角處開始，上面、側面施壓，然后依次向引線方向逐步加至模具側面板與墊條完全合攏為止。

對地絕緣包扎在進口機器人包帶機上進行，通過調節(jié)包扎張力和包扎視角，確保對地絕緣包扎后的線圈尺寸符合圖紙要求。整個端部絕緣外面再半疊包一層單面透氣保護帶，防止繞組VPI浸漬后烘培固化時，端部樹脂的流失，使端部繞組絕緣表面平整、光滑，提高絕緣層內部的致密性和起暈電壓。

3 模擬繞組試驗

按產品圖紙，用層壓板作為支撐件，內襯鋼板，制作模擬定子鐵心槽，加工產品定子線圈，進行嵌線、端部間隙及綁扎固定、端部焊接、連接處絕緣包扎、VPI浸漬處理和絕緣性能測試，驗證電加工工藝性和繞組成型后的絕緣品質。結構見圖1，圖2。

圖1 模擬定子鐵心槽圖

圖2 VPI浸漬后帶定子線圈的模擬鐵心圖

3.1 絕緣電阻：2.9×103MΩ

3.2 介質損耗試驗數據

電壓/kV24681012tgδ/%1.181.682.203.184.04.58

3.3 局部放電量試驗數據

試驗電壓/kV46810放電量/pc4008001 0502 900

3.4 直流泄漏試驗數據

直流電壓/kV253035泄漏電流/μA3.08.217.2

3.5 電暈試驗

在黑暗條件下觀看，13 kV無電暈現(xiàn)象。

3.6 交流耐壓試驗

試驗電壓：21 kV；耐壓時間：1 min；無耐壓擊穿。

結論：試驗結果表明定子線圈電加工工藝技術途徑合理，成型后繞組絕緣品質優(yōu)良，符合設計預期，滿足電機絕緣特性要求，可進行產品樣機投產。

4 樣機制造和絕緣特性

4.1 樣機制造

主定子嵌線見圖3，VPI浸漬烘焙固化后見圖4。

圖3 主定子線圈端部間隙圖

圖4 主定子VPI浸漬、烘焙固化后圖

4.2 主定子絕緣特性

4.2.1 定子繞組介質損耗

測試結果：tan δ0=1.63%、tan δE=4.40%(日本三菱、TMEIC公司和我司內控指標為：tan δ0≤2%、tan δE≤6%，tan δ0指電壓為2 000時的損耗值、tan δE指電壓為額定電壓時的損耗值)。

4.2.2 定子繞組局部放電

4.2.3 定子繞組極化指數

由定子繞組的整機極化指數曲線測試結果：PI=7.1(PI=R10 min/R1 min，R1=4 580 MΩ，R10=32 500 MΩ。內控指標要求在10 000 V直流電壓下極化指數大于等于3)。

4.2.4 定子繞組泄漏電流試驗

試驗標準：GB 50150電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準；試驗施加的最高直流電壓值為定子繞組額定電壓的3倍。

試驗結果：試驗的每一個電壓值梯度下，泄露電流值不隨時間的延長而增大，三相泄露電流平衡。在2.5UN直流電壓時，三相中最大泄漏電流為18 μA，符合標準中考核值(最大值小于20 μA)要求。

4.2.5 定子繞組起暈電壓試驗

試驗標準：JB 8439高壓電機使用于高海拔地區(qū)的防電暈技術要求；規(guī)定定子繞組整機在1.3UN時，無電暈。

試驗結果：裝配前，對定子繞組施加13 kV的50 Hz工頻交流電壓，在黑暗中觀察無電暈，說明整機繞組起暈電壓大于13 kV，符合標準中考核值要求。

4.2.6 定子繞組交流電壓試驗

定子：19 700 V/50 Hz，60 s；

試驗結果：全部通過。

5 結論

5.1 試驗線圈、產品線圈的測試數據說明絕緣結構的電氣絕緣性能完全滿足項目設計使用要求。

5.2 模擬定子繞組、產品定子繞組固化后的絕緣特性測試數據說明電加工工藝技術成熟，絕緣體系的整體性能良好。

5.3 樣機型式試驗、交流耐壓試驗結果說明為該類同步電機提供了先進的絕緣技術、可靠的絕緣品質。