環(huán)氧改性不飽和聚酯亞胺浸漬樹脂在直驅(qū)風力發(fā)電機定子上的應用研究

張曉強 ，韓汶欣 ，馬紅亮 ，郭大鵬 ，李 丹

（1.中車永濟電機有限公司，山西 永濟 044502；2.軌道交通牽引電機山西省重點實驗室，山西 永濟 044502）

0 引言

當前全球風電產(chǎn)業(yè)處于持續(xù)增長態(tài)勢，風力發(fā)電技術日趨成熟并得到廣泛應用[1]。直驅(qū)式風力發(fā)電機采用多極電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動的方式，免去了齒輪部件，在低風速時具備高效率、低噪音、長壽命和運行維護成本低等優(yōu)點。隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，直驅(qū)風力發(fā)電機的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)[2-5]。

直驅(qū)風力發(fā)電機的體積非常龐大，公路運輸困難，經(jīng)常會遇到拆除收費站護欄等問題[6]。同時由于風力發(fā)電集中分布在風能條件較好的戈壁、草原、海邊、高原等地方，此類區(qū)域范圍環(huán)境條件較為惡劣，要求發(fā)電機電機絕緣結構必須滿足冷熱沖擊變化、低溫、潮濕等特殊環(huán)境的可靠性要求[7-8]。

浸漬樹脂作為絕緣系統(tǒng)的重要組成部分，對電機絕緣防護起到關鍵性作用，因此其性能需滿足直驅(qū)風力發(fā)電機在特殊環(huán)境下的使用要求。本研究采用環(huán)氧改性不飽和聚酯亞胺樹脂（Better 116HU型）浸漬直驅(qū)風力發(fā)電機定子局部模型，然后對其進行周期性浸水冷熱沖擊試驗，測試試驗過程中局部模型的絕緣性能和完成12周期試驗后的絕緣性能，以驗證Better 116HU型樹脂能否滿足風力發(fā)電機的使用要求[9-10]。

1 試驗

1.1 主要原材料及模型

Better 116HU型浸漬樹脂，廣州貝特新材料有限公司；LOCTITE 5009型雙組分有機硅灌封膠，漢高樂泰膠水（中國）有限公司；TJ1357-6型表面絕緣磁漆，株洲時代電氣絕緣有限責任公司。

模型制作：首先使用電機定子鐵心沖片疊壓成鐵心1/24面積的局部模型鐵心；然后使用電機線圈根據(jù)電機嵌線工藝嵌入局部模型鐵心；最后經(jīng)VPI工藝處理并加熱固化、灌封、噴涂絕緣磁漆完成局部模型制作。

1.2 測試儀器及設備

VPI真空壓力浸漬設備，沈陽國機真空技術有限責任公司；SD2002型抗干擾介質(zhì)損耗因數(shù)測試儀，武漢森德電力科技有限公司；DGH型電熱鼓風干燥箱，寧波紅菱電熱烘箱有限公司；Fluke 1550B型絕緣電阻測試儀，F(xiàn)luke Corporation；CAP2000+型旋轉(zhuǎn)黏度計，美國BROOKFIELD公司；GEL22A型凝膠時間測定儀，美國SUNSHINE公司；HT-10/50型工頻耐壓測試儀、PC68型數(shù)字高阻計，桂林電器科學研究院有限公司；QS30D型高壓電橋，上海椋虹電子系統(tǒng)集成有限公司。

1.3 測試方法

1.3.1 樹脂常規(guī)性能測試

樹脂常規(guī)性能按照GB/T 15022.2—2017和GB/T 1981.2—2009進行測試，其中旋轉(zhuǎn)黏度采用CAP 2000+型旋轉(zhuǎn)黏度計，用2#轉(zhuǎn)子進行測試；凝膠時間采用自動凝膠時間測試儀進行測試；電氣強度根據(jù)GB/T 1408.1—2016測定，試驗媒質(zhì)為變壓器油，采用連續(xù)升壓方式；體積電阻率根據(jù)GB/T 31838.2—2019測定；介質(zhì)損耗因數(shù)根據(jù)GB/T 1409—2006測定，粘結強度按照GB/T 1981.2—2009進行測試，使用裸鋁線；工藝性和冷熱沖擊性能：在尺寸為45 mm×45 mm、深度約25 mm的平底鋁盒中分別放置漆包線、銅扁線、M10螺母，再加入樹脂，固化后觀察厚層是否開裂。若試樣未開裂，采用冷熱沖擊試驗箱進行-45～155℃的高低溫循環(huán)試驗。

1.3.2 模型性能測試

（1）常態(tài)絕緣性能測試

局部模型冷卻至室溫后，測試常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、絕緣電阻、耐壓試驗、浸水絕緣電阻等。

（2）高溫絕緣性能測試

局部模型放入烘箱中，將其線圈溫度升高至150℃，保持至少4 h后，在烘箱中測試模型線圈的熱態(tài)絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)和電容。

（3）浸水冷熱沖擊試驗

浸水冷熱沖擊試驗為周期性試驗，共進行12個周期，其中1個周期試驗為：將局部模型置于烘箱中，使其線圈溫度升高至150℃，保持至少4 h；再將其溫度降低至135℃后把局部模型直接放入冷水槽中浸泡2 h（水浸至模型上槽口100 mm），在浸泡過程中測試剛?cè)胨徒? h時線圈的絕緣電阻；最后將模型從水中吊出直接放入烘箱，測試出水后線圈的絕緣電阻。

（4）循環(huán)試驗結束后的絕緣性能測試

在最后一周期浸水試驗結束后，將局部模型在120℃烘箱中烘焙12 h，冷卻至室溫，測試其線圈介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、絕緣電阻和擊穿電壓。

2 結果與分析

2.1 浸漬樹脂常規(guī)性能

本研究的Better 116HU型浸漬樹脂主要由不飽和聚酯亞胺樹脂、引發(fā)劑、潛伏型環(huán)氧固化劑和無揮發(fā)活性稀釋劑組成。按照GB/T 15022.2—2017《電氣絕緣用樹脂基活性復合物第2部分試驗方法》測試了樹脂的常規(guī)性能，結果如表1所示。從表1可以看出，Better 116HU型浸漬樹脂具有較好的環(huán)保性、貯存性能、絕緣性能和力學性能，并且有較好的耐環(huán)境性能。

表1 Better 116HU型浸漬樹脂的常規(guī)性能Tab.1 General performance of Better 116HU impregnating resin

2.2 局部模型的初始性能

圖1為局部模型上下端部的外觀。從圖1可以看出，經(jīng)過VPI工藝處理的局部模型線圈表面漆膜飽滿，掛漆均勻。有機硅灌封膠與樹脂附著性良好，經(jīng)二次浸漆高溫烘焙后未出現(xiàn)開裂問題，說明Better 116HU型樹脂滿足目前直驅(qū)風力發(fā)電機定子VPI工藝要求。

圖1 局部模型上下端部外觀Fig.1 Appearance of partial model upper and lower end

表2為模型線圈初始絕緣性能的測試結果。從表2可以看出，采用Better 116HU型樹脂浸漬的局部模型性能優(yōu)異，滿足直驅(qū)風力發(fā)電機定子常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)小于2%的要求。

表2 模型線圈初始絕緣性能Tab.2 Initial insulation performance of model coils

2.3 浸水冷熱沖擊對局部模型熱態(tài)絕緣電阻的影響

圖2為模型線圈在12個周期的浸水冷熱沖擊試驗過程中150℃絕緣電阻的變化曲線。從圖2可以看出，在浸水冷熱沖擊試驗過程中，線圈的高溫絕緣電阻先增大后減小，然后趨于穩(wěn)定。這是由于在前期浸水冷熱沖擊試驗過程中，模型線圈絕緣一體性好，水分對線圈絕緣影響小，而在150℃高溫烘焙時會提高Better 116HU型樹脂的固化程度，從而增大了線圈絕緣電阻。但在經(jīng)過多次浸水冷熱沖擊后，模型兩端的有機硅灌封膠逐漸出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，水分會從裂縫滲入線圈絕緣表面和內(nèi)部，導致線圈的絕緣電阻減小。

圖2 模型線圈150℃絕緣電阻變化曲線Fig.2 Insulation resistance change curve of model coils at 150℃

2.4 浸水冷熱沖擊對局部模型浸水絕緣電阻的影響

圖3為局部模型線圈在12個周期的浸水冷熱沖擊試驗過程中浸水2 h的絕緣電阻變化曲線。從圖3可以看出，線圈的浸水絕緣電阻在前3個周期出現(xiàn)增大，之后開始減小，在第8個周期后逐漸趨于穩(wěn)定。前期浸水絕緣電阻增大是由于在冷熱沖擊過程中樹脂的固化程度提高，但是隨著試驗進行，端部灌封膠與線圈絕緣粘接失效，導致水分滲入，引起線圈絕緣電阻減小。

圖3 模型線圈浸水2 h絕緣電阻變化曲線Fig.3 Insulation resistance change curve of model coils after immersing in water for 2 h

2.5 浸水冷熱沖擊對局部模型介質(zhì)損耗因數(shù)的影響

圖4為模型線圈在12個周期的浸水冷熱沖擊試驗過程中150℃介質(zhì)損耗因數(shù)的變化曲線。從圖4可以看出，線圈150℃介質(zhì)損耗因數(shù)在前5個周期呈緩慢增大趨勢，之后增大速度變快，這與模型絕緣電阻開始出現(xiàn)明顯下降的周期是基本一致的。在浸水冷熱沖擊試驗過程中，隨著端部灌封膠的開裂，水分滲入鐵心槽內(nèi)絕緣層間，在高溫烘焙過程中不能充分將槽內(nèi)的水分排出，導致線圈的介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

圖4 模型線圈150℃介質(zhì)損耗因數(shù)變化曲線Fig.4 Dielectric loss factor change curve of model coils at 150℃

2.6 浸水冷熱沖擊后局部模型的絕緣性能

12周期浸水冷熱沖擊試驗后，將模型烘干除潮，測試其絕緣性能，結果如表3所示。從表3可以看出，局部模型的介質(zhì)損耗因數(shù)、對地電容、絕緣電阻和擊穿電壓都可以滿足1.5 MW直驅(qū)風電發(fā)電機定子局部模型試驗評定標準的要求。

表3 浸水冷熱沖擊后線圈絕緣性能Tab.3 Insulation performance of model coils after water immersion cold-thermal shock test

2.7 局部模型拆解分析

圖5為局部模型浸水冷熱沖擊試驗后的外觀與剖面圖。從圖5可以看出，鐵心槽內(nèi)線圈斷面處匝間絕緣無孔隙、分層；主絕緣無孔隙、分層；鐵心斷面處楔下、層間及槽底邊角樹脂填充良好。而且取出線圈后主絕緣一體性良好，說明局部模型槽內(nèi)樹脂填充效果良好。

圖5 局部模型浸水冷熱沖擊試驗后的外觀與剖面Fig.5 Appearance and section of partial model after water immersion cold-thermal shock test

3 結論

（1）Better 116HU型浸漬樹脂氣味小、固化揮發(fā)分低，具有優(yōu)良的力學性能、絕緣性能和貯存穩(wěn)定性，能夠滿足各項技術指標要求。

（2）Better 116HU型浸漬樹脂浸漬的直驅(qū)風電定子局部模型線圈表面漆膜飽滿，掛漆均勻，且其浸水絕緣電阻、常態(tài)和高溫介質(zhì)損耗優(yōu)良。

（3）經(jīng)過浸水冷熱沖擊試驗，定子局部模型線圈的綜合性能優(yōu)良，達到1.5 MW直驅(qū)風力發(fā)電機定子的驗證標準要求。

（4）通過對局部模型進行拆解分析，模型槽內(nèi)樹脂填充飽滿，模型線圈的絕緣一體性良好。