高壓電機(jī)線圈絕緣結(jié)構(gòu)及工藝的發(fā)展方向探析

趙國彬

（佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

1 電機(jī)電樞中的絕緣結(jié)構(gòu)

簡單來說，電樞繞組絕緣結(jié)構(gòu)一般是隨著繞組結(jié)構(gòu)型號的不同來分類的，其中為了最大化提高防潮的性能，一些大型的直流電機(jī)電樞是選擇連續(xù)式的絕緣結(jié)構(gòu)來進(jìn)行的。

匝間絕緣主要是應(yīng)用在同一線圈中的相鄰之間的小元件，因而僅僅只能承受匝間的電壓。而對于大型直流電機(jī)匝間絕緣來說，最常采用的是裸銅線外半疊包一圈尺寸為0.1mm 云母帶，或者選擇用高強(qiáng)度漆包雙玻璃絲包線。而對于一般小型的電機(jī)來說，直接選擇雙玻璃絲包線即可。

保護(hù)布帶的主要目的是為了保護(hù)主絕緣不受到其他機(jī)械性的損傷的影響。簡單來說，一般B 級絕緣電機(jī)最常選擇0.1mm 玻璃絲帶半疊繞。

電樞繞組端部的絕緣往往和直線部分的纏繞方式是相同的，二者之間最大的差別主要是端部纏繞的層數(shù)比直線部分纏繞的層數(shù)少。在電機(jī)中，端部和層間都是存在電壓的，此時主要是因為層間和支架二者都存在絕緣的關(guān)系，以及為了進(jìn)一步地改善冷卻的條件而使得在端部的絕緣區(qū)域中適當(dāng)?shù)販p少纏繞的層數(shù)。

2 大型高壓發(fā)電機(jī)絕緣技術(shù)

在大型高壓發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)中，定子繞組主絕緣一般主要采用的是多膠型絕緣體系，而更少使用一些少膠型的絕緣體系。而近年隨著技術(shù)水平的不斷提升已經(jīng)有了多膠型、少膠型以及F 級絕緣體系。在我國發(fā)電機(jī)的絕緣技術(shù)中，最成熟的兩個技術(shù)是發(fā)電機(jī)絕緣300MW、600MW 技術(shù)，這兩種技術(shù)主要是應(yīng)用在一些處于亞臨界火電機(jī)組上，一小部分用在一些核電機(jī)組中。隨著我國技術(shù)水平的不斷提升，已經(jīng)逐漸地改變了電力的發(fā)展方式，其中，我國不斷地調(diào)整電源的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)從先前的火電轉(zhuǎn)化為低碳清潔發(fā)展的方式。因此在當(dāng)前絕緣技術(shù)中，重點是投資在一些低碳的火電機(jī)組和清潔能源之中，從而來進(jìn)一步地適應(yīng)時代的發(fā)展。而在火電機(jī)組中，一般也以超越臨界機(jī)組為主[1]。當(dāng)前，在我國汽輪發(fā)電機(jī)的各類產(chǎn)品中，主要應(yīng)用在火電機(jī)組和核電發(fā)電機(jī)組中，其中線棒絕緣一般選擇少膠型的絕緣方式，選用的是環(huán)氧粉云母帶連續(xù)式絕緣單只線棒VPI 的絕緣技術(shù)。對于火電1000MW的汽輪發(fā)電機(jī)來說，自身的額定電壓為27kV，因而所采取的絕緣結(jié)構(gòu)則是連續(xù)式絕緣模型承壓的絕緣技術(shù)，自身的工作場強(qiáng)可以達(dá)到2.54MV/m。當(dāng)前我國一些電機(jī)絕緣的企業(yè)正在研制少膠型的環(huán)氧粉云母連續(xù)式絕緣單只線棒VPI 絕緣技術(shù)，并將該種技術(shù)應(yīng)用在火電和核電發(fā)電數(shù)量較大的汽輪發(fā)電機(jī)中，從而來最大化地促進(jìn)發(fā)電機(jī)技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展[2]。

3 大型高壓電動機(jī)自身的絕緣技術(shù)

近年來，隨著技術(shù)水平的不斷提升，一些大型高壓電動機(jī)逐漸地朝著小型化、重量變輕以及增大單機(jī)容量的方向發(fā)展，因此，對絕緣技術(shù)提出了更高的要求，這樣才能夠最大化地保證電機(jī)能夠正常穩(wěn)定地運行。而隨著化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，一些合成聚合物在電機(jī)絕緣技術(shù)中的應(yīng)用范圍在不斷地擴(kuò)大，進(jìn)一步促進(jìn)了大型高壓交流電動機(jī)絕緣技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展和升級轉(zhuǎn)型。在當(dāng)前高壓交流電動機(jī)中，最常使用的絕緣技術(shù)是F級絕緣體系，同時也還有H 級以上的絕緣體系，而當(dāng)前大型交流電動機(jī)的額定電壓已經(jīng)達(dá)到了13.8kV。但是近年來國家提出了要降低能源的消耗，使得對電動機(jī)方面也提出了更高的要求。電機(jī)中的變頻器的存在，給電機(jī)絕緣技術(shù)帶來了較大的困擾。傳統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)在變頻器上已經(jīng)不能使用，嚴(yán)重縮短了變頻器的使用壽命。在高壓交流電動機(jī)中，雖然所選擇的絕緣材料和結(jié)構(gòu)不同，但是在絕緣技術(shù)的工藝中也經(jīng)常使用多膠模壓型和少膠浸漬（VPI）型絕緣體系來進(jìn)一步改進(jìn)與提高電機(jī)中的絕緣水平。

3.1 多膠模壓絕緣體系

在多膠模壓絕緣體系中，一般最常見的是連續(xù)繞包、模壓成型以及嵌線后浸漬樹脂的絕緣體系，是當(dāng)前我國高壓交流電動機(jī)中最常使用的絕緣技術(shù)。而粉云母帶的品種是非常多的，最常采用的是環(huán)氧多膠粉云母帶。

3.2 少膠粉云母浸漬環(huán)氧酸酐VPI 體系

在少膠粉云母浸漬環(huán)氧酸酐VPI 體系中，是國內(nèi)電機(jī)制造業(yè)中最常使用的絕緣技術(shù)。在該種絕緣體系中，主要的絕緣選擇的是少膠單面的補(bǔ)強(qiáng)高定量鱗片粉云母紙，存在少含量促進(jìn)劑的粉云母帶，而常見的補(bǔ)強(qiáng)材料包括纖維布和聚酯薄膜。該種云母帶膠含量較少，滲透性較強(qiáng)，因而可以用于高壓交流電機(jī)中，而含有一些促進(jìn)劑可以減少浸漬樹脂的流失。對于浸漬樹脂來說，最常采用的是高純度的雙酚A 環(huán)氧樹脂以及4 甲基六氫苯二甲酸酐組合。但是由于樹脂的粘稠度較大[3]，相應(yīng)的浸漬溫度需要達(dá)到65℃左右。對于環(huán)氧酸酐型浸漬樹脂來說，不含烯烴類的物質(zhì)，自身的飽和蒸汽壓較低，不容易揮發(fā)，對周圍環(huán)境的影響也比較小。其中從低電壓到高電壓中都可以應(yīng)用，在一些大中型交流電動機(jī)中的運用范圍較廣?？偟膩碚f，該種絕緣體系中絕緣性能較高，耐熱度、機(jī)械性能、輻射度以及對周邊環(huán)境的影響非常小。除此之外，能夠節(jié)省諸多的能源，簡化絕緣處理的工藝流程。

3.3 少膠粉云母脂環(huán)氧VPI 的絕緣體系的概述

在該種絕緣體系中，浸漬樹脂主要是由酯環(huán)族環(huán)氧樹脂、固化劑再添加一些稀釋劑進(jìn)行高度混合而構(gòu)成的，從而可以最大化地提高絕緣的性能。

4 高壓線圈絕緣的基本要求的概述

4.1 電氣強(qiáng)度

對于電機(jī)的絕緣技術(shù)來說，既希望絕緣的厚度越薄，同時也希望電氣強(qiáng)度較大。但是在電機(jī)的正常運行過程中，經(jīng)常會受到一些大氣壓的影響和具體操作過程中電壓的沖擊，從而導(dǎo)致電機(jī)突然出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。同時也會受到周圍溫度和電壓的日常影響，使絕緣將逐漸地老化，不能再產(chǎn)生絕緣性能。與此同時，電機(jī)中的振動和機(jī)械應(yīng)力也會逐步地?fù)p傷電機(jī)中的絕緣結(jié)構(gòu)。因此，在制造的過程中，需要對電機(jī)的絕緣進(jìn)行多次耐壓試驗，從而觀察電機(jī)中的電氣強(qiáng)度。根據(jù)累積效應(yīng)所體現(xiàn)出的種種因素來不斷地提高電氣強(qiáng)度。

4.2 介質(zhì)損耗變小

在電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電機(jī)處于交變電場中，經(jīng)常會產(chǎn)生介質(zhì)損耗，并且會影響電機(jī)的絕緣性能。雖然介質(zhì)損耗的熱量相對較小，但是在一些點上的熱量會相對集中。如果在某一個弱點上產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，會導(dǎo)致該點處的局部溫度逐漸地上升，從而增加了介質(zhì)損耗的數(shù)量，導(dǎo)致電機(jī)絕緣性能急劇下降，嚴(yán)重的會造成該點處的熱擊穿現(xiàn)象發(fā)生。因此在一些大型高壓電機(jī)中，介質(zhì)損耗不應(yīng)該超過國家相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)額。

4.3 抗電暈性

在大型高壓電機(jī)正常的運行過程中，絕緣結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和結(jié)構(gòu)表面都會產(chǎn)生電暈的現(xiàn)象，使得絕緣結(jié)構(gòu)快速地老化和變得容易腐蝕。因此對于一些電壓較大的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)來說，都要采取防電暈的措施，從而進(jìn)一步提高和保障電機(jī)的正常運行。

4.4 能承受機(jī)械應(yīng)力

在大型電機(jī)的日常運行過程中，線圈的絕緣需能夠承受一定程度的機(jī)械應(yīng)力，而不會產(chǎn)生破裂或者是變形。由于線圈的膨脹系數(shù)和絕緣的膨脹系數(shù)二者不同，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，絕緣就會受到張力的影響。而線圈因為電磁力的作用，在線圈的端部會產(chǎn)生一些震動情況，使得線圈發(fā)生變形，導(dǎo)致電機(jī)不能穩(wěn)定的工作。因此，在電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)中，需要絕緣結(jié)構(gòu)可以具備一定的彈性，能夠承受一定程度的機(jī)械應(yīng)力作用。

5 高壓電機(jī)線圈的具體加工工藝

5.1 每部分絕緣的構(gòu)成、選用及加工工藝

5.1.1 股間絕緣的概述

股間絕緣主要是多根導(dǎo)線之間的絕緣，主要是由導(dǎo)線自身帶的絕緣所構(gòu)成。對于一些功率較大的電機(jī)來說，如果選擇一根的導(dǎo)線，就容易導(dǎo)致電機(jī)的電密度增大，容易引起導(dǎo)線自身局部的發(fā)熱或者是放電現(xiàn)象的發(fā)生。反之，如果加大導(dǎo)線的寬度，將會導(dǎo)致在后續(xù)的繞組嵌線中造成諸多的不便，進(jìn)而影響電機(jī)的穩(wěn)定運行。因此可以選用多根導(dǎo)線代替一個導(dǎo)線的方法來進(jìn)一步地降低電密度的問題。

5.1.2 匝間絕緣

匝間絕緣，主要是多根導(dǎo)線與其他的導(dǎo)線之間的絕緣，導(dǎo)線自身的耐壓能力和浸漆的加工工藝有著非常大的關(guān)聯(lián)。

5.1.3 層間絕緣

簡單來說，層間絕緣就是將某一個線槽中放兩把或多把不同相的線圈，這些線圈在同一個槽內(nèi)不同的線圈要承受電機(jī)自身的額定電壓。但是為了最大化地避免相間放電現(xiàn)象的發(fā)生，可以在上下層之間增加層間絕緣。

對于成型繞組來說，如果每一個線圈都需要獨立包絕緣，此時層間絕緣是為了進(jìn)一步地提高電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)質(zhì)量穩(wěn)定可靠程度，一般選擇F 級絕緣電機(jī)用3240 的環(huán)氧玻璃布板。

5.1.4 槽口絕緣

在當(dāng)前諸多類別的電機(jī)故障中，最常見的故障就是槽口放電現(xiàn)象。主要是當(dāng)電機(jī)中的線圈在槽口處，遠(yuǎn)離了鐵芯，就會產(chǎn)生較高的電位差，從而產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。在線圈折彎處的槽口位置中，電場強(qiáng)度較高，因此需要在線圈的端部區(qū)域中包扎相應(yīng)的高電阻防暈帶，一般是從線頭位置開始，之后沿著直線位置結(jié)束[4]。

5.2 VPI 工藝和熱壓模工藝

VPI 的內(nèi)容是采用真空、加壓以及整體浸漬的方式來進(jìn)行絕緣，在我國已經(jīng)有三十多年的應(yīng)用歷史。經(jīng)過該種工藝處理后電機(jī)自身的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性、導(dǎo)熱度以及其他性能均較為良好，因而一般主要應(yīng)用在一些大型的高壓電機(jī)和中型的電機(jī)的浸漬工藝中。

6 關(guān)于絕緣工藝的概述

對于電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)來說，無論是哪一種絕緣工藝，最主要的就是形成緊密的、無空隙的絕緣結(jié)構(gòu)。這些絕緣的方案都是屬于纏繞式的絕緣制品。對于富膠絕緣來說，是借助預(yù)先浸帶的方式來進(jìn)行包扎線圈，之后再借助熱壓來得到相應(yīng)的緊密的絕緣制品，其中VPI 工藝就是用真空的方式來除去空氣之后再加壓浸漬固化成型。

但是對于絕緣層壓制品中的層壓板來說，是借助預(yù)先浸上膠布熱壓而成，而筒狀制品是通過加熱纏繞的方式進(jìn)一步得到緊密的絕緣制品，通過上述分析可知高壓電機(jī)的線圈的制造工藝與絕緣層制品的加工相類似。

6.1 熱包扎工藝

對于熱包扎的工藝來說，英國Jones Stroud 絕緣公司提出了“F 級高壓電機(jī)用不加壓富膠絕緣”，在該工藝中，最關(guān)鍵的是需要將電機(jī)中的線圈加熱到55 攝氏度，之后包扎相應(yīng)的富膠云母帶，最后在外圍中包有密封帶。簡單來說，這種工藝的方案類似于筒狀制品的熱纏繞工藝。在熱包扎工藝中，需要控制云母帶中揮發(fā)物的含量以及相應(yīng)的纏繞張力和環(huán)境中的溫度，最終實現(xiàn)不加壓的最終目標(biāo)。而這種熱包扎的工藝主要是應(yīng)用在一些4.16～6.7kV 電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)中。但是，對于一些小型的電機(jī)廠來說，可以選用此種加工的方法。有些加工廠選用自動包帶機(jī)來進(jìn)行包扎，可以最大化地提高包扎的緊密度與速度，從而來提高線圈的質(zhì)量水平。

6.2 液壓工藝

無論是液壓工藝還是熱壓工藝，都會存在絕緣結(jié)構(gòu)固化時膠液的流失問題，從而影響著電機(jī)中線圈的使用性能，因此需要不斷改進(jìn)材料以及施工的工藝。當(dāng)前國內(nèi)外工廠采用的是液壓工藝，該種絕緣結(jié)構(gòu)是在密封的條件下進(jìn)行受熱固化成型的，可減少膠液的流失現(xiàn)象，使得制造出的絕緣結(jié)構(gòu)具有較高的機(jī)械性能。

7 高壓電機(jī)中線圈絕緣結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

第一種趨勢是少膠VPI 絕緣結(jié)構(gòu)，目前已具有較高的成熟度和評價認(rèn)同度，我們思考的優(yōu)化方案推薦是以鍛燒型云母紙?zhí)娲F(xiàn)行非鍛燒型云母紙絕緣結(jié)構(gòu)，在提高結(jié)構(gòu)整體性和應(yīng)力抵抗壽命方面應(yīng)該有更大的積極作用，也有利于絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的減薄設(shè)計，值得研究嘗試。第二種是多膠云母絕緣，采用單面補(bǔ)強(qiáng)云母帶，真空液壓工藝方式的多膠結(jié)構(gòu)，能夠克服傳統(tǒng)模壓雙面補(bǔ)強(qiáng)的諸多結(jié)構(gòu)分散不可靠因素，具有獨立材料完成性，實現(xiàn)較高的云母含量和優(yōu)良的整體連續(xù)均勻理想性，而且相對工序環(huán)節(jié)更少，環(huán)境更環(huán)保，材料或設(shè)備及運行維護(hù)成本都有很大的節(jié)約。

8 結(jié)語

總而言之，電機(jī)中絕緣性能的好壞直接影響著電機(jī)自身的使用壽命和質(zhì)量水平。而當(dāng)前電機(jī)的發(fā)展趨勢往往向輕量化、小型化、多功能化的方向發(fā)展，為了順應(yīng)時代發(fā)展的潮流，絕緣結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)向減薄化、容易操作以及高散熱方向不斷發(fā)展?；诖?，在當(dāng)前電機(jī)中線圈絕緣結(jié)構(gòu)的制造和加工工藝中，需要加大研發(fā)的力度，不斷地改進(jìn)線圈的絕緣工藝，逐步提高絕緣的性能，使電機(jī)中的線圈在正常的運行過程中能夠穩(wěn)定快速地發(fā)揮作用。與此同時，還需對容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行全方位、多層次以及寬領(lǐng)域的探索與研究，從而提出最佳的解決方案，最大化地促進(jìn)線圈在電機(jī)中的使用性能。