一種交流牽引電動機絕緣結(jié)構的設計及應用研究

周 成 高云霞 邱 添

(成都中車電機有限公司 四川 成都 610051)

0 前言

交流牽引電動機是電傳動機車的關鍵部件，它將電能轉(zhuǎn)換為機械能，產(chǎn)生牽引力牽引機車行進。牽引電機安裝在機車的轉(zhuǎn)向架上，運行條件惡劣，長期承受強烈的振動，同時長期經(jīng)受風沙雨雪的侵蝕，對電機的絕緣影響大；另一方面牽引電機要求功率大，但體積受到軌距限制，只能提高電機絕緣的耐熱等級來提高電機功率。機車的可靠運行與牽引電機的絕緣狀態(tài)密切相關，而且絕緣結(jié)構長期承受電機正常運行時的高溫和機械應力，因此，一套可靠的交流牽引電機絕緣系統(tǒng)至關重要。

以美國GE和西屋公司為代表的電機制造商，以不飽和聚酯樹脂絕緣體系為主，該絕緣體系廣泛應用于內(nèi)燃機車牽引電機、城市軌道交通牽引電機等產(chǎn)品，具有良好的使用穩(wěn)定性及經(jīng)濟性。該絕緣系統(tǒng)主要由耐電暈聚酰亞胺薄膜熔敷電磁線、粉云母帶對地絕緣和聚酯亞胺浸漬漆構成。不飽和聚酯樹脂含亞胺基中間體，通過增加分子間作用力，減少弱鍵，降低分子自由度和增加分子降解活化能，降低浸漬樹脂的介質(zhì)損耗因數(shù)，可提高電機絕緣系統(tǒng)耐濕熱性、耐鹽霧性和電性能，且還具有較高的黏結(jié)性和耐磨性。

1 絕緣結(jié)構設計

電機的匝間絕緣、直線段絕緣承受過電壓產(chǎn)生的破壞不可修復，根據(jù)TB/T 1333.1標準中對電壓的規(guī)定，文中絕緣結(jié)構的設計按照電機額定絕緣電壓等級1 800 V進行設計和考核。

1.1 匝間絕緣

電磁線匝間絕緣采用耐電暈聚酰亞胺-單面復合全聚氟乙丙烯復合薄膜繞包并燒結(jié)成型的銅扁線，銅扁線繞包使用的薄膜為Kapton-150FCR019，厚度為0.038 mm，其中耐電暈基膜厚度為0.025 mm，帶寬12.7 mm，疊包率為64%～66%，疊包1次。

1.2 定子線圈絕緣

1.2.1引線絕緣

引線頭套硅橡膠玻璃纖維編織套管，并在首匝出線處墊t4的Nomex氈，用0.07 mm×10 mm的聚酰亞胺薄膜壓敏帶固定。

1.2.2端部和直線部分絕緣

用0.21 mm×19 mm的增強型云母帶疊包1次，疊包率為66%，收尾處用0.18 mm×12 mm的玻璃布壓敏帶固定。該云母帶為單面玻璃布補強，其技術特點為云母含量高、云母帶補強基材采用較厚(0.1 mm)且強度高的玻璃布，具有高電氣性能和機械性能等特性。

所用增強型云母帶的常規(guī)技術指標如表1所示。

表1 增強型云母帶的常規(guī)技術指標

1.3 絕緣處理

1.3.1浸漬漆

所用浸漬漆以亞胺改性不飽和聚酯為基體，采用乙烯基甲苯做活性稀釋劑，通過過氧化物引發(fā)固化，其耐熱等級為H級。浸漬漆常規(guī)技術指標如表2所示[1]。

1.3.2浸漬工藝

真空壓力浸漬兩次，浸漆時工件溫度：40～60 ℃；真空度：不大于400 Pa，保持真空不小于10 min；壓力：0.48 MPa～0.69 MPa，保持壓力不小于25 min。烘焙條件：旋轉(zhuǎn)烘焙，175 ℃±5 ℃，第一次固化烘焙時間5 h，第二次固化烘焙時間8 h。

表2 浸漬漆常規(guī)技術指標

2 絕緣性能校核

2.1 匝間絕緣性能校核

2.2 主絕緣性能校核

按照上述絕緣結(jié)構制作模擬線棒，按照JB/T 50133標準測量擊穿電壓平均值為30.02 kV，按照TB/T 3315標準，定子線圈對地耐沖擊電壓水平UD要求為UD=4U+5 000，其中U=2×Udc+1 000=4 600 V，Udc為施加在直流環(huán)節(jié)的最高對地平均電壓，其值為1 800 V，即UD=23.4 kV，此電壓值小于線棒擊穿電壓30.02 kV，因此該主絕緣結(jié)構滿足電氣性能要求。

3 絕緣結(jié)構驗證

3.1 試樣制備

采用線圈規(guī)格為2.95 mm×7.15 mm/3.18 mm×7.38 mm，線圈匝數(shù)為5匝，按照上述絕緣結(jié)構和GB/T 17948.3標準要求進行?？ㄖ苽洳⒔岷娓?真空壓力浸漬兩次)，有效線圈6個，共計2個模卡。?？ㄔ嚇尤鐖D1所示[2]。

圖1 試驗結(jié)構示意圖

3.2 測試方法及結(jié)果

3.2.1外觀檢查

線圈表面未見有余膠和其他雜質(zhì)，顏色均勻，但是電熱(180 ℃、3.906 kV)老化400 h后，樣品顏色變深。

3.2.2電熱老化試驗

將線圈置于老化烘箱內(nèi)，將槽部接地線，導體按接高壓的接線方式接好線后將溫度升至180 ℃±2 ℃，待溫度穩(wěn)定后施加工頻電壓2.17UN，(即3.906 kV)進行電熱老化試驗400 h，所有樣品電熱老化400 h后均未失效。

3.2.3絕緣電阻試驗

將線圈引線接在絕緣測試儀的高壓端，模擬槽接測量線，測試電壓為DC1 000 V，分別測量線圈對地絕緣電阻值，老化前絕緣電阻均大于1.5×1012Ω。電熱老化后絕緣電阻較之老化前有所下降。試樣編號1～6的絕緣電阻分別為：1.0×1012Ω、7.5×1012Ω、大于1.5×1012Ω、6.3×1011Ω、7.8×1011Ω、8.5×1011Ω。

3.2.4老化前工頻對地耐壓試驗

將線圈引線接變壓器高壓端，模擬槽接地線，施加工頻電壓9.45 kV持續(xù)1 min，均未發(fā)生擊穿。

3.2.5常態(tài)及熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)

按照JB/T 7608—2006標準，分別測量室溫和155 ℃±2 ℃下各個線圈的電熱老化前及老化后的常態(tài)及熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)。測量電壓從0.2UN(UN為電機額定電壓，試驗測試時取1 800 V)開始，每隔0.2UN測量一次，直至1.0UN為止。結(jié)果如表3和表4所示。

表3電熱老化前常態(tài)及熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù) /%

線圈常態(tài)(25 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN熱態(tài)(155 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN11.671.721.761.801.884.304.344.374.384.4021.881.951.982.022.054.594.624.664.694.7131.701.751.771.811.844.304.314.354.384.4041.641.691.721.751.804.294.314.344.374.3851.691.751.771.811.854.344.354.374.384.4161.501.551.581.601.644.054.104.114.144.17平均1.681.741.761.801.844.314.344.374.394.41

表4電熱老化后常態(tài)及熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù) /%

線圈常態(tài)(25 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN熱態(tài)(155 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN11.011.071.121.181.345.045.065.065.236.4120.730.830.870.901.033.663.663.673.785.6831.151.201.271.361.564.364.374.384.455.6041.061.111.171.291.484.074.074.094.286.9951.491.581.721.882.093.903.903.924.214.7160.981.071.191.301.632.942.952.953.264.13平均1.071.141.221.321.524.004.004.014.205.59

但由于低壓電機沒有線圈質(zhì)量分等標準，以JB/T 50133—1999 《中型高壓電機少膠整浸線圈產(chǎn)品質(zhì)量分等》標準作為依據(jù)，對介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)進行分析。從表3可以看出，線圈常態(tài)介損基本低于2%，熱態(tài)介損(0.6UN時)低于15%，符合標準中一等品的要求。

具體對比如圖2所示。從圖2中可以看出，從0.2UN到1.0UN區(qū)間，線圈的電熱老化前的常態(tài)和熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)增長均較平穩(wěn)、緩慢；而老化后，0.8UN到1.0UN線圈的電熱老化前的常態(tài)和熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)增長均較快。

圖2 電熱老化前及老化后的線圈常態(tài)及熱態(tài)介損對比

3.2.6浸水試驗

常態(tài)浸水試驗：按GB/T 2423.38—2008標準中第7.2.2條嚴酷等級執(zhí)行，試驗用水為自來水，試樣處于水面以下150 mm，測試1 h、2 h、3 h、4 h、8 h、24 h和48 h后線圈對鐵芯的絕緣電阻。

高低溫溫度沖擊后浸水試驗：將?？ǚ湃?45 ℃的溫度沖擊試驗箱內(nèi)保持30 min，在1 min 內(nèi)將試驗箱的溫度升至155 ℃，保溫30 min，再在1 min 內(nèi)將試驗箱的溫度降至-45 ℃，此為一個周期的高低溫溫度沖擊試驗，按此重復做20個周期試驗后進行浸水試驗。結(jié)果如圖3所示。

圖3 浸水試驗結(jié)果

從圖3可以看出，模卡的常態(tài)和高低溫沖擊后浸水對地絕緣電阻都在1015Ω的數(shù)量級水平，變化趨勢都很小，說明該絕緣結(jié)構的耐潮性能良好。

3.2.7局部放電試驗

按GB/T 7354標準進行試驗，結(jié)果如表5所示。

表5 局部放電和電暈電壓

4 絕緣結(jié)構在牽引電機上的應用

4.1 對地耐壓

根據(jù)TB/T 3315—2013規(guī)定的定子繞組對地耐壓要求進行試驗U=2×Udc+10 004 600 V，未發(fā)生閃絡、絕緣擊穿，通過試驗。

4.2 常態(tài)介質(zhì)損耗

電機經(jīng)檢測定子常態(tài)介質(zhì)損耗，結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，定子常態(tài)介質(zhì)損耗與模擬線棒試驗相當。

表6 電機定子常態(tài)介質(zhì)損耗

4.3 溫升試驗

在工作狀況額定功率為520 kW，額定基波電壓有效值為805 V，額定轉(zhuǎn)矩為9 670 N·m，額定轉(zhuǎn)速為513 r/min，風量為73 m3/min，運行1 h后測量電機溫升為86.9 K，遠低于定子繞組溫升限值200 K。

5 結(jié)束語

絕緣結(jié)構性能校核、驗證以及實際應用均表明：所設計的不飽和聚酯樹脂體系的絕緣結(jié)構，滿足交流傳動內(nèi)燃機車配套中間直流電壓為1 800 V及以下的交流牽引電動機的使用要求。

從2013年起，該絕緣結(jié)構已應用于成都中車電機有限公司公司生產(chǎn)的4400HP機車配套交流牽引電機上，迄今為止，應用效果良好，無因絕緣結(jié)構設計問題引發(fā)的故障產(chǎn)生。