利茲繞組線研制及應(yīng)用探索研究

胡 義，周曉晟

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

Litz漆包繞組線是指以一定導(dǎo)體根數(shù)的漆包圓線按不同的絞向和絞合節(jié)距絞合形成的圓形或壓成矩形的絞合導(dǎo)線。其換位方式通常采用偶數(shù)換位，并用玻璃絲、聚酯薄膜、聚酰亞胺薄膜、云母帶等絕緣材料進(jìn)行最外層繞包的繞組線。

導(dǎo)體匝內(nèi)換位的主要目的是均流，降低電流的“趨膚效應(yīng)”，減少功率損耗；同時(shí)均勻表面電場(chǎng)分布，降低電場(chǎng)集中和電場(chǎng)突變，提高成型繞組結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期耐電壽命。目前，在自補(bǔ)償高頻脈沖發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)電機(jī)、直線電機(jī)、船用電機(jī)、逆變器等領(lǐng)域得到了廣泛使用。

近年來(lái)，隨著航天、軍工、超導(dǎo)電機(jī)等特殊用途的變頻電機(jī)、自補(bǔ)償高頻脈沖發(fā)電機(jī)的快速發(fā)展，對(duì)類似利茲線的匝內(nèi)換位導(dǎo)線的設(shè)計(jì)、選用頗為急切。在高壓交流電機(jī)定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、選用時(shí)，需要對(duì)利茲線制造時(shí)換位處的損傷、潤(rùn)滑方式，試驗(yàn)考核和排間、股間絕緣及氣隙填充，導(dǎo)體表面掛漆量及與對(duì)地絕緣結(jié)構(gòu)體系的相容性試驗(yàn)，絕緣結(jié)構(gòu)的常規(guī)電氣性能試驗(yàn)、長(zhǎng)期耐電壽命試驗(yàn)、熱老化試驗(yàn)，整機(jī)繞組固化后的電氣性能測(cè)試驗(yàn)證。本文對(duì)線圈繞制及過(guò)程絕緣性能評(píng)估等內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)的探索研究。

1 Litz繞組線主要技術(shù)及驗(yàn)收要求

1.1 主要技術(shù)要求

Litz繞組線中的導(dǎo)體表面應(yīng)無(wú)油污、金屬粉末及其他雜質(zhì)，絕緣繞包層應(yīng)連續(xù)、緊密適度、均勻平服地繞在線芯上，絕緣層不允許有起皺、開(kāi)裂、疊包不均勻及任何雜質(zhì)。Litz繞組線采用H級(jí)漆包圓線制造，漆膜厚度為1級(jí)漆膜絕緣。Litz繞組線采用的漆包圓線在生產(chǎn)過(guò)程中不允許有焊接點(diǎn)。Litz繞組線線芯不允許有影響性能的任何缺陷。Litz繞組線的換位節(jié)距、換位方向等換位要求按供貨圖。Litz繞組線繞包絕緣采用在換位后成束的Litz線外面再搭接2 mm包、半疊包等方式進(jìn)行絕緣包軋，材料為H級(jí)少膠粉云母帶，云母含量大于50%，與環(huán)氧酸酐漆的相容性良好。繞包層應(yīng)連續(xù)、緊密適度、均勻平服，不允許有起皺或開(kāi)裂現(xiàn)象。Litz繞組線須滿足每次訂貨圖中的導(dǎo)體規(guī)格、尺寸、線匝數(shù)、絕緣厚度及其他技術(shù)要求。Litz繞組線出廠前須進(jìn)行短路點(diǎn)測(cè)試：采用萬(wàn)用表的電阻“Ω”端的×1或×10檔，將測(cè)量桿依次測(cè)量，直至全部漆包圓繞組線測(cè)量完畢，測(cè)試結(jié)果不允許有短路現(xiàn)象。工頻擊穿試驗(yàn)：截取5段1 m長(zhǎng)換位導(dǎo)體，用鋁箔包繞中間部位800 mm，鋁箔邊緣距離端頭100 mm，鋁箔表面用布帶纏繞。除去換位線一端的各單股線的絕緣，并用金屬絲將各單股線連接，然后按500 V/s施加電壓，直到試樣擊穿。

額定電壓6 kV級(jí)Litz繞組線，擊穿電壓≥5 000 V；額定電壓10 kV級(jí)Litz繞組線，擊穿電壓≥6 500 V。

1.2 驗(yàn)收要求

外觀檢查，繞組線表面無(wú)油污、粉塵及其他機(jī)械雜質(zhì)，絕緣繞包層連續(xù)、緊密，外包裝無(wú)破損，符合要求。導(dǎo)體規(guī)格、線匝數(shù)、換位節(jié)距、總導(dǎo)體數(shù)、漆膜厚度、成束的截面尺寸、絕緣繞包方式及最終的絕緣尺寸符合要求。短路點(diǎn)試驗(yàn)，成盤Litz繞組線首尾全部進(jìn)行短路點(diǎn)測(cè)試，無(wú)短路。工頻擊穿試驗(yàn)，截取5段1 m長(zhǎng)換位導(dǎo)體分別進(jìn)行短時(shí)交流耐壓試驗(yàn)，擊穿電壓值均大于8 500 V。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程

2.1 試樣制備

試驗(yàn)線棒將連續(xù)換位導(dǎo)線束裁取為750 mm長(zhǎng)短料，每4段匯成一根試樣。高度方向雙面貼合匝間膠化材料2340-D，并在熱壓模上進(jìn)行線棒膠化，然后混合半疊包玻璃布補(bǔ)強(qiáng)少膠粉云母帶5452-1和聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)少膠粉云母帶5452-1P各4層，共8層，最后在居中250 mm范圍內(nèi)半疊包一層0.08 mm×25 mm低阻防暈帶SD2644。

上模擬鐵心夾板后，21根試樣真空壓力浸漬F級(jí)少膠浸漆樹(shù)脂SD1145一次，21根試樣真空壓力浸漬H級(jí)少膠浸漆樹(shù)脂SD1150一次，烘焙固化后進(jìn)行絕緣電氣性能測(cè)試試驗(yàn)。

2.2 常態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試

11根F級(jí)試驗(yàn)線棒和11根H級(jí)試驗(yàn)線棒，分別測(cè)試常態(tài)介質(zhì)損耗。

2.3 熱態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試

常態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試后的5根F級(jí)試驗(yàn)線棒和5根H級(jí)試驗(yàn)線棒，分別測(cè)試其熱態(tài)介質(zhì)損耗。

2.4 瞬時(shí)工頻擊穿試驗(yàn)

熱態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試后的5根F級(jí)試驗(yàn)線棒和5根H級(jí)試驗(yàn)線棒，分別在室溫變壓器油中進(jìn)行短時(shí)工頻交流電壓擊穿試驗(yàn)。

2.5 電老化試驗(yàn)

常態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試后的6根F級(jí)試驗(yàn)線棒和6根H級(jí)試驗(yàn)線棒，分兩組進(jìn)行室溫電老化試驗(yàn)，試驗(yàn)施加的工頻交流電壓值為2.5UN，即25 000 V。

2.6 定溫?zé)崂匣?/h3>

10根F級(jí)試驗(yàn)線棒放置在恒溫200 ℃的鼓風(fēng)熱烘箱中，10根H級(jí)試驗(yàn)線棒放置在恒溫220 ℃的鼓風(fēng)熱烘箱中，分別進(jìn)行定溫?zé)崂匣囼?yàn)。經(jīng)歷40天、80天熱老化試驗(yàn)后，各取出5根試樣再進(jìn)行短時(shí)工頻擊穿試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 F級(jí)少膠絕緣系統(tǒng)SD1145

3.1.1 常態(tài)、熱態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試和瞬時(shí)工頻擊穿電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 常態(tài)、熱態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試和瞬時(shí)工頻擊穿電壓試驗(yàn)值

數(shù)據(jù)分析：介損及介損增量符合要求，但熱態(tài)介損偏高，可能是漆包線與VPI浸漬樹(shù)脂的相容性及換位處間隙樹(shù)脂未完全填充所致。

3.1.2 交流擊穿試驗(yàn)

線棒的短時(shí)工頻交流電壓擊穿試驗(yàn)在變壓器油中進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 線棒的短時(shí)工頻交流電壓擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：5根線棒的短時(shí)工頻交流電壓擊穿平均值為88.57 kV，按10 kV電壓等級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)考核，裕度系數(shù)大于7倍，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.3 定溫?zé)崂匣囼?yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)線棒放置在200 ℃恒溫鼓風(fēng)熱烘箱中，老化40天、80天后分別取出5根線棒，在變壓器油中進(jìn)行短時(shí)工頻交流電壓擊穿試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 定溫?zé)崂匣缶€棒的短時(shí)工頻交流電壓擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：定溫?zé)崂匣?0天、80天后的5根線棒的短時(shí)工頻交流擊穿電壓值下降率為30%左右，且熱老化40天后的擊穿電壓下降率趨于穩(wěn)定，80天熱老化后與40天相比較，基本無(wú)變化，說(shuō)明該絕緣結(jié)構(gòu)足以滿足F級(jí)絕緣耐熱壽命要求。

3.1.4 電老化試驗(yàn)

在室溫條件下，對(duì)6根試驗(yàn)線棒長(zhǎng)期施加25 kV工頻交流電壓，直至擊穿；要求線棒的電老化試驗(yàn)時(shí)間中值大于800 h。

試驗(yàn)結(jié)果：電老化試驗(yàn)超過(guò)1 200 h，仍無(wú)擊穿；滿足要求，試驗(yàn)結(jié)束。

3.2 H級(jí)少膠絕緣系統(tǒng)SD1150

3.2.1 常態(tài)、熱態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試和瞬時(shí)工頻擊穿電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 常態(tài)、熱態(tài)介質(zhì)損耗測(cè)試和瞬時(shí)工頻擊穿電壓試驗(yàn)值

數(shù)據(jù)分析：介損及介損增量符合要求，但熱態(tài)介損偏高，可能是漆包線與VPI浸漬樹(shù)脂的相容性及換位處間隙樹(shù)脂未完全填充所致。

3.2.2 交流擊穿試驗(yàn)

線棒的短時(shí)工頻交流電壓擊穿試驗(yàn)在變壓器油中進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 線棒的短時(shí)工頻交流電壓擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：5根線棒的短時(shí)工頻交流電壓擊穿平均值為85.26 kV，按10 kV電壓等級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)考核，裕度系數(shù)大于7倍，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 定溫?zé)崂匣囼?yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)線棒放置在220 ℃恒溫鼓風(fēng)熱烘箱中，老化40天、80天后分別取出5根線棒，在變壓器油中進(jìn)行短時(shí)工頻交流電壓擊穿試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 定溫?zé)崂匣缶€棒的短時(shí)工頻交流電壓擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：定溫?zé)崂匣?0天、80天后的5根線棒的短時(shí)工頻交流擊穿電壓值下降率均小于30%左右，且熱老化40天后的擊穿電壓下降率趨于穩(wěn)定，說(shuō)明該絕緣結(jié)構(gòu)足以滿足H級(jí)絕緣耐熱壽命要求。

3.2.4 電老化試驗(yàn)

在室溫條件下，對(duì)6根試驗(yàn)線棒長(zhǎng)期施加25 kV工頻交流電壓，直至擊穿；要求線棒的電老化試驗(yàn)時(shí)間中值大于800 h。

試驗(yàn)結(jié)果：電老化試驗(yàn)超過(guò)1 400 h，仍無(wú)擊穿；滿足要求，試驗(yàn)結(jié)束。

4 結(jié)論

4.1 試制的Litz導(dǎo)線的導(dǎo)體漆膜厚度、線匝數(shù)、換位節(jié)距、截面尺寸、絕緣包扎、絕緣厚度等滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)短路點(diǎn)試驗(yàn)和工頻電壓擊穿試驗(yàn)驗(yàn)證，可用作交流高壓電機(jī)繞組線使用。

4.2 Litz導(dǎo)線與少膠粉云母帶、VPI樹(shù)脂組成的絕緣結(jié)構(gòu)，由于換位處的間隙不易被VPI浸漬的樹(shù)脂完全填滿，因而結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗因素要略高于常規(guī)銅扁線，特別是熱態(tài)損耗大。這對(duì)其在高頻或變頻電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用要引起足夠的重視。

4.3 Litz導(dǎo)線的連續(xù)換位結(jié)構(gòu)，可以有效改善線圈內(nèi)的導(dǎo)體表面電位，使其分布更均勻，減少繞組棱邊處的電場(chǎng)集中和電場(chǎng)突變，提高整個(gè)繞組的長(zhǎng)期耐電壽命，從而有利于減薄主絕緣厚度。

4.4 通過(guò)絕緣結(jié)構(gòu)的常規(guī)電氣性能試驗(yàn)和線棒的定溫?zé)崂匣囼?yàn)、室溫電老化試驗(yàn)驗(yàn)證，Litz導(dǎo)線可應(yīng)用于我公司額定電壓為10 kV級(jí)、F級(jí)少膠絕緣系統(tǒng)SD1145及H級(jí)少膠絕緣系統(tǒng)SD1150電機(jī)繞組的生產(chǎn)制造。