VPI絕緣系統(tǒng)耐特殊環(huán)境性能研究

薛長志，劉濟(jì)林，李燕琴

（中車株洲電機(jī)有限公司 電氣絕緣技術(shù)湖南省重點(diǎn)實驗室，湖南 株洲 412000）

0 引言

為適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)大功率化、結(jié)構(gòu)簡單、高效率和易維護(hù)等需求，采用開啟式冷卻結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)已逐漸被業(yè)內(nèi)認(rèn)可和推廣。采用開啟式冷卻結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過直接吸入空氣的方式實現(xiàn)對電機(jī)的冷卻，致使絕緣系統(tǒng)面臨復(fù)雜環(huán)境因子的侵蝕，尤其當(dāng)機(jī)艙內(nèi)未配套加熱去濕功能組件時，對發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的耐環(huán)境性能提出了更加苛刻的要求[1-3]。因此，開展風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的耐特殊環(huán)境試驗驗證，對評估風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的長期可靠性具有重要意義。

目前國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定電壓以中低壓占主流，其絕緣系統(tǒng)的浸漬樹脂體系大體分為3類：①環(huán)氧-酸酐體系；②聚酯亞胺體系；③環(huán)氧改性不飽和聚酯體系。3類浸漬樹脂在性能上各具優(yōu)勢，并在風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[4-8]。本研究以基于環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬體系的絕緣結(jié)構(gòu)為試驗對象，結(jié)合開啟式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中所面臨的濕熱、高寒、冰雪等特殊環(huán)境，對絕緣結(jié)構(gòu)開展多周期的“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冰凍-加熱”的特殊環(huán)境適應(yīng)性試驗及評估，以研究該絕緣結(jié)構(gòu)的特殊環(huán)境適應(yīng)性。

1 試驗

1.1 模型結(jié)構(gòu)試樣

以某典型開啟式結(jié)構(gòu)的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Un=690 V）為基礎(chǔ)設(shè)計模型結(jié)構(gòu)。模型結(jié)構(gòu)由模擬線圈、模擬鐵心夾具、槽部絕緣及固定用槽楔構(gòu)成，具體如圖1所示。

模擬線圈采用FMFYB-50/155型電磁線繞制而成，對地絕緣先采用厚度為0.14 mm的玻璃布補(bǔ)強(qiáng)云母帶半疊包1次，再用厚度為0.1 mm的滌玻保護(hù)帶半疊包1次，槽絕緣為厚度為0.24 mm的NMN復(fù)合箔。

圖1 模型結(jié)構(gòu)實物圖Fig.1 Physical drawing of model structure

模型結(jié)構(gòu)裝配后整體用環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬樹脂真空壓力浸漬(VPI)工藝處理兩次。試驗共制備A、B、C 3組模型結(jié)構(gòu)，其中A組模型作為對比試樣，B組模型進(jìn)行“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境試驗，C組模型進(jìn)行“浸水-冰凍-加熱”環(huán)境試驗。

1.2 主要儀器及設(shè)備

VPI真空壓力浸漬設(shè)備，沈陽維科真空設(shè)備有限公司；TS2Z432-55W型高低溫沖擊試驗箱，武漢克萊美特環(huán)境設(shè)備有限公司；FLUCK 1550C型絕緣電阻測試儀，美國FLUCK公司；5 kV介損自動測試儀、150 kV微機(jī)控制全自動交流擊穿耐壓試驗儀，上海浦東申高電容器有限公司。

1.3 環(huán)境試驗方法

1.3.1 冷熱沖擊-浸水-加熱試驗

冷熱沖擊-浸水-加熱試驗是模擬電機(jī)在極端低溫下的電機(jī)反復(fù)啟停及運(yùn)行中絕緣結(jié)構(gòu)遭遇水浸泡的工況，具體試驗流程如圖2所示，在每個試驗周期后診斷模型結(jié)構(gòu)的工頻耐壓、常態(tài)絕緣電阻及介質(zhì)損耗，18個試驗周期后，檢測模型結(jié)構(gòu)的剩余擊穿電壓。

圖2 冷熱沖擊-浸水-加熱試驗流程及要求Fig.2 Hot and cold shock-immersion-heating test process and requirements

1.3.2 浸水-冰凍-加熱試驗

浸水-冰凍-加熱試驗是模擬電機(jī)在雨雪冰凍環(huán)境下的啟動、運(yùn)行工況，具體試驗過程如圖3所示，在每個試驗周期后診斷模型結(jié)構(gòu)的工頻耐壓、常態(tài)絕緣電阻及介質(zhì)損耗，18個試驗周期后，檢測模型結(jié)構(gòu)的剩余擊穿電壓。

圖3 浸水-冰凍-加熱試驗流程及要求Fig.3 Immersion-freezing-heating test procedures and requirements

1.4 診斷測試

測試前，模型結(jié)構(gòu)均在恒溫恒濕環(huán)境下靜置6 h，以消除環(huán)境溫、濕度對測試結(jié)果的影響。試驗前后及每個試驗周期后均診斷模型結(jié)構(gòu)的工頻耐壓、絕緣電阻及常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)。模型結(jié)構(gòu)的工頻耐壓值為3 000 V，持續(xù)時間為1 min；常態(tài)絕緣電阻和吸收比在1 kV直流電壓下測量；常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)在0.5～3.0 kV，以0.5 kV為間距測量；擊穿電壓在空氣環(huán)境下（未浸入油槽中）測試，升壓速率為500 V/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境試驗對模型結(jié)構(gòu)絕緣電阻的影響

模型A試品以及參與環(huán)境試驗的模型B、C試品的絕緣電阻及吸收比R60s/R15s如表1所示。

表1 模型結(jié)構(gòu)的絕緣電阻Tab.1 Insulation resistance of model structures

從表1可以看出，模型A試品及模型B、C試品試驗前的60 s絕緣電阻值均在200 GΩ左右，三者水平基本相當(dāng)。模型B試品經(jīng)歷18周期的“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境試驗和模型C試品經(jīng)歷18周期的“浸水-冷凍-高溫”環(huán)境試驗后，兩者的60 s絕緣電阻都有一定程度的下降，但絕緣電阻最低值仍在70 GΩ以上，吸收比大于2，表明模型B、C試品在經(jīng)歷環(huán)境試驗后的絕緣電阻仍處于較高水平。

18周期的環(huán)境試驗過程中模型B、C試品的絕緣電阻變化趨勢如圖4所示。從圖4可以看出，在“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冰凍-加熱”試驗過程中，隨著試驗周期的增加，模型B、C試品的絕緣電阻整體呈下降趨勢，但在部分周期出現(xiàn)小幅回升，這是因為絕緣材料具有一定的吸水性，在經(jīng)歷反復(fù)受潮、受熱的過程中，絕緣結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷著“吸濕-飽和-恢復(fù)”反復(fù)交替的過程，表現(xiàn)為絕緣電阻值的波動；在“冷熱沖擊-浸水-加熱”試驗過程中，模型B試品的絕緣電阻波動范圍略大，表明“冷熱沖擊-浸水-加熱”對絕緣結(jié)構(gòu)的影響程度更大。

圖4 環(huán)境試驗過程模型結(jié)構(gòu)的絕緣電阻變化Fig.4 Changes of insulation resistance of model structures during environmental test

2.2 環(huán)境試驗對模型結(jié)構(gòu)介質(zhì)損耗的影響

模型A試品以及參與環(huán)境試驗的模型B、C試品的常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)均值如表2所示。

表2 模型結(jié)構(gòu)的常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)均值（單位：%）Tab.2 Dielectric loss factor at room temperature of model structure

從表2可以看出，模型A試品及模型B、C試品試驗前的常態(tài)介質(zhì)損耗水平相當(dāng)。經(jīng)歷18周期“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境試驗后的模型B試品介質(zhì)損耗因數(shù)變化明顯，經(jīng)歷18周期“浸水-冷凍-高溫”環(huán)境試驗后的模型C試品介質(zhì)損耗因數(shù)增幅較小。

18周期的環(huán)境試驗過程中模型結(jié)構(gòu)的常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)變化趨勢如圖5所示。從圖5可以看出，在環(huán)境試驗過程中，隨著試驗周期的增加，模型結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗因數(shù)整體呈上升趨勢，表明冷熱沖擊、浸水、冰凍等環(huán)境因子造成絕緣結(jié)構(gòu)輕微劣化，隨著“冷熱沖擊-浸水-加熱”試驗周期數(shù)的增加，模型B試品的常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)增大明顯，表明“冷熱沖擊”環(huán)境應(yīng)力對絕緣結(jié)構(gòu)的影響較大。隨著“浸水-冷凍-加熱”試驗周期數(shù)的增加，模型C試品的常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)有一定增大，但增幅不明顯，表明“冷凍”環(huán)境應(yīng)力對絕緣結(jié)構(gòu)的影響程度輕微。

圖5 環(huán)境試驗過程模型結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗因數(shù)變化趨勢Fig.5 Changes of dielectric loss factor of model structures during environmental test

2.3 環(huán)境試驗對模型結(jié)構(gòu)擊穿電壓的影響

模型A試品的擊穿電壓以及參與環(huán)境試驗的模型B、C試品的擊穿電壓測試結(jié)果如表3所示。

表3 模樣結(jié)構(gòu)試樣的擊穿電壓 （單位：kV）Tab.3 Breakdown voltages of model structure samples

從表3可以看出，經(jīng)過18個周期的“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冰凍-加熱”試驗后，模型B、C試品的剩余擊穿電壓較未經(jīng)歷環(huán)境試驗的模型A試品均有所下降，但均大于20 kV，其中經(jīng)歷18周期“冷熱沖擊-浸水-加熱”試驗的模型B試品平均擊穿電壓保持率大于70%，而經(jīng)歷18周期“浸水-冰凍-加熱”試驗的模型C試品平均擊穿電壓保持率大于85%。

環(huán)境試驗結(jié)束后，模型結(jié)構(gòu)線圈表面漆膜未見開裂現(xiàn)象，槽楔無松動，線圈剖面各絕緣材料無分層，模擬鐵芯槽內(nèi)無銹蝕情況，綜合絕緣電阻、介質(zhì)損耗及擊穿電壓的測試數(shù)據(jù)，表明環(huán)境試驗后，基于環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬體系的絕緣結(jié)構(gòu)絕緣性能保持較高水平，絕緣結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出良好的耐“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冷凍-加熱”環(huán)境試驗的能力。

3 結(jié)論

在實驗室條件下，對基于環(huán)氧改性不飽和聚酯體系的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了開啟式風(fēng)力發(fā)電機(jī)典型運(yùn)行工況模擬環(huán)境因子試驗，主要得到以下結(jié)論：

（1）絕緣結(jié)構(gòu)在經(jīng)過18周期“冷熱沖擊-浸水-加熱”、“浸水-冷凍-加熱”試驗后，絕緣電阻仍在70 GΩ以上，對地工頻擊穿電壓大于20 kV，其電氣絕緣性能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計要求。

（2）以環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬體系為基礎(chǔ)的絕緣結(jié)構(gòu)具備耐受“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冷凍-加熱”環(huán)境試驗的能力。

（3）18周期環(huán)境試驗后絕緣結(jié)構(gòu)試品的剩余擊穿電壓以及介質(zhì)損耗的變化程度表明，“冷熱沖擊”環(huán)境應(yīng)力對絕緣結(jié)構(gòu)的影響較“冷凍”環(huán)境應(yīng)力更大。

（4）VPI絕緣系統(tǒng)在耐受“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境試驗后，介質(zhì)損耗、擊穿電壓等性能下降程度相對“浸水-冷凍-加熱”較大，說明絕緣系統(tǒng)本身防水性能較好，但絕緣材料在經(jīng)過反復(fù)的熱脹冷縮后，結(jié)構(gòu)容易受水汽的侵蝕。因此，在絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，需針對“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境的影響采取措施，一方面確保絕緣結(jié)構(gòu)的長期致密性，另一方面，在滿足運(yùn)行要求的前提下，提升發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫升，保證發(fā)電機(jī)本身具備運(yùn)行去潮能力，以避免發(fā)電機(jī)絕緣在潮濕工況環(huán)境下的長期運(yùn)行。