低壓電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的工藝因素影響研究

劉冠芳 ，劉 嬿 ，鄭瑞娟 ，李斌寅 ，郭大鵬

（1.中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 永濟(jì) 044502；2.軌道交通牽引電機(jī)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 永濟(jì) 044502）

0 引言

介質(zhì)損耗是指電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗[1-2]。介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試是大型電機(jī)定子線圈和繞組絕緣性能檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛且較容易檢驗(yàn)絕緣狀態(tài)的一種試驗(yàn)方法[3]，通常在0.2UN～1.0UN的特定電壓范圍內(nèi)每間隔0.2UN的試驗(yàn)電壓下測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)[4]。多項(xiàng)研究表明，介質(zhì)損耗因數(shù)的起始值、增量以及最大值可以作為電機(jī)定子線圈絕緣質(zhì)量分等和繞組絕緣狀態(tài)評(píng)估的依據(jù)[5-7]。而在低壓電機(jī)中，介質(zhì)損耗因數(shù)通常用作絕緣加速老化試驗(yàn)中評(píng)價(jià)絕緣狀態(tài)的重要指標(biāo)之一[8-9]。近年來(lái)，隨著變頻電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，制造缺陷導(dǎo)致的絕緣故障不斷增多，在低壓電機(jī)制造過(guò)程進(jìn)行介質(zhì)損耗因數(shù)檢測(cè)，對(duì)提升低壓電機(jī)的制造工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品絕緣性能具有重要意義。

本文研究低壓電機(jī)制造過(guò)程的鐵心不齊、油漬污染、絕緣受潮、絕緣漆流失4種因素對(duì)電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，驗(yàn)證采取不同處置措施后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化規(guī)律，分析電機(jī)在制造過(guò)程中介質(zhì)損耗因數(shù)異常的原因并提出改進(jìn)措施。

1 影響介質(zhì)損耗因數(shù)的工藝因素

低壓電機(jī)定子常用的制造工序?yàn)?，首先將鐵心疊壓和焊接加工后形成定子鐵心，然后將制作好的線圈嵌入鐵心槽，端部連線后浸漬絕緣漆，最后進(jìn)行介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試。因此，在電機(jī)定子制造過(guò)程中，與絕緣性能密切相關(guān)的、且對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)產(chǎn)生影響的制造工藝包括鐵心疊壓、鐵心加工、線圈制作、浸漆等。

1.1 鐵心疊壓

鐵心疊壓工藝一般包括疊壓、壓裝、焊接和退模，而退模后保持定子鐵心層間壓力的方法主要有焊接法、鉚接法和扣片法[10]，這些方法都會(huì)使鐵心產(chǎn)生應(yīng)力，出現(xiàn)鐵心不齊度較大，并有凸片現(xiàn)象[11]。介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試時(shí)凸片附近電場(chǎng)強(qiáng)度較大，容易產(chǎn)生局部放電，導(dǎo)致定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

1.2 鐵心加工

機(jī)座加工中拉銷(xiāo)加工具有高負(fù)載和高產(chǎn)熱的特點(diǎn)，要求加工過(guò)程必須加入切削液，起潤(rùn)滑冷卻的作用[12]。由于蓖麻油冷卻液具有冷卻效率高、兼容性強(qiáng)、環(huán)保性能好的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電機(jī)機(jī)座加工過(guò)程[13]。機(jī)座加工后冷卻液會(huì)殘留在機(jī)座和鐵心表面，如果清洗不徹底，嵌線后油污會(huì)滲入絕緣層污染線圈，影響定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)。

1.3 線圈制作

絕緣材料或經(jīng)絕緣包扎后的線圈在存放過(guò)程中容易受潮，且浸漆前的烘潮和真空干燥過(guò)程未能完全將潮氣排出，則會(huì)導(dǎo)致浸漆后水分和絕緣漆混合，從而影響定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)。

1.4 浸漆

定子鐵心線圈的浸漆過(guò)程采用自動(dòng)化設(shè)備控制，對(duì)于工藝成熟的浸漆過(guò)程通常不會(huì)對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)產(chǎn)生大的影響，但如果浸漆完成后的出罐時(shí)間較長(zhǎng)或烘箱升溫時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致槽口部位的絕緣漆流失比較多，使絕緣層與鐵心之間產(chǎn)生空隙，從而影響定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)。

2 不同因素對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響分析

采用武漢森德電力科技有限公司的SD2002型介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試儀，按照GB/T 34665—2017[4]測(cè)試介質(zhì)損耗因數(shù)，由于低壓電機(jī)在0.6UN（UN為額定電壓）下的介質(zhì)損耗因數(shù)與0.2UN下的數(shù)值相差非常小，本研究使用1.0UN下的介質(zhì)損耗因數(shù)減去0.2UN下的數(shù)值作為介質(zhì)損耗因數(shù)增量。

目前低壓電機(jī)的介質(zhì)損耗因數(shù)及增量的數(shù)值無(wú)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，現(xiàn)有的研究通常根據(jù)50臺(tái)以上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)制定標(biāo)準(zhǔn)值。本研究中的電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求為≤1.5%，介質(zhì)損耗因數(shù)增量≤1.0%。

通過(guò)對(duì)鐵心疊壓、鐵心加工、線圈制作以及浸漆過(guò)程中，由于工藝異常造成鐵心不齊、油污污染、絕緣受潮以及絕緣漆流失的電機(jī)定子絕緣進(jìn)行介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試，與同批次符合標(biāo)準(zhǔn)要求的電機(jī)定子進(jìn)行對(duì)比，分析不同制造工藝因素對(duì)電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的影響。

2.1 鐵心不齊

鐵心疊壓后存在不齊度為0.10～0.13 mm的凸片（設(shè)計(jì)要求槽形不齊度不大于0.10 mm）時(shí)，電機(jī)定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)隨測(cè)試電壓的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 鐵心不齊對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.1 Influence of core irregularity on the dielectric loss factor

從圖1可以看出，在低測(cè)試電壓（0.2UN～0.6UN）時(shí)，鐵心有凸片的電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)與正常電機(jī)（鐵芯無(wú)凸片）基本一致且都比較小，隨著測(cè)試電壓的升高，其介質(zhì)損耗因數(shù)的增幅比較大。這是由于鐵心疊壓不齊，會(huì)造成鐵心與絕緣層接觸不好，局部產(chǎn)生空隙或存在尖端，測(cè)試電壓升高后氣隙或尖端發(fā)生放電，造成介質(zhì)損耗因數(shù)增量的增大，導(dǎo)致局部放電起始電壓和熄滅電壓降低，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 局部放電起始電壓和熄滅電壓測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 PDIV and PDEV test data

對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)異常的電機(jī)進(jìn)行二次浸漆處理，得到二次浸漆處理前后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖2所示。從圖2可以看出，浸漆后介質(zhì)損耗因數(shù)略有減小，通過(guò)測(cè)量電容發(fā)現(xiàn)，定子繞組電容僅從23.79 nF增加至23.88 nF，說(shuō)明絕緣漆固化后再次浸漬時(shí)，絕緣漆只能進(jìn)入少部分有浸漆通道的空隙中，使介質(zhì)損耗因數(shù)減小和電容增加，但是不能使介質(zhì)損耗因數(shù)恢復(fù)達(dá)到正常，因此必須在鐵心疊壓工序上控制疊壓質(zhì)量。

圖2 二次浸漆前、后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化Fig.2 The change of dielectric loss factor before and after the second impregnation

2.2 油污污染

由于蓖麻油具有較強(qiáng)的滲透性，定子嵌線后油污會(huì)不斷滲入絕緣材料，從槽楔表面可以看出明顯的油漬。正常電機(jī)定子和經(jīng)油漬污染后的3臺(tái)電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。3臺(tái)電機(jī)定子污染槽數(shù)不同，1#、2#、3#污染的槽數(shù)分別占總槽數(shù)的1/15、1/3、1/2。從圖3可以看出，低測(cè)試電壓（0.2UN～0.6UN）時(shí)，經(jīng)油漬污染后的電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)較正常電機(jī)定子的介質(zhì)損耗因數(shù)大，且隨著測(cè)試電壓的升高介質(zhì)損耗因數(shù)的增幅進(jìn)一步增大，污染的槽數(shù)越多，介質(zhì)損耗因數(shù)及其增量越大。這主要是因?yàn)闅埩舻谋吐橛屠鋮s液是一種極性電介質(zhì)，其介質(zhì)損耗因數(shù)比常用的云母等絕緣材料大，在高電壓作用下電導(dǎo)損耗比較大，導(dǎo)致電機(jī)定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

圖3 油污對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.3 Influence of greasy dirt on the dielectric loss factor

另外，由于蓖麻油冷卻液已經(jīng)進(jìn)入絕緣層，與包繞的絕緣層融為一體，而蓖麻油冷卻液的揮發(fā)溫度在280℃以上，遠(yuǎn)高于絕緣材料的耐熱等級(jí)，因此不能通過(guò)正常生產(chǎn)的高溫烘焙工藝來(lái)減小定子的介質(zhì)損耗因數(shù)，須對(duì)鐵心進(jìn)行清洗和高溫烘焙后，介質(zhì)損耗因數(shù)才可恢復(fù)正常。

2.3 絕緣受潮

一般情況下定子線圈制作后放置時(shí)間在5天以內(nèi)，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程由于后工序的影響，部分線圈的放置時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。本研究對(duì)在溫度為（23±2）℃、相對(duì)濕度為55%～65%的環(huán)境下存放不同時(shí)間的電機(jī)定子浸漆后絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并與符合要求的電機(jī)定子對(duì)比。絕緣受潮后的電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖4所示，其中電機(jī)定子線圈 1#、2#、3#的存放時(shí)間分別為11、16、23天。

圖4 絕緣受潮對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.4 Influence of insulation moisture on the dielectric loss factor

從圖4可以看出，受潮電機(jī)定子的介質(zhì)損耗因數(shù)比未受潮電機(jī)定子要大，且在0.2UN電壓下介質(zhì)損耗因數(shù)已經(jīng)大很多，并隨著放置時(shí)間的增加而增大，這主要因?yàn)樗肿邮菢O性分子，絕緣吸潮后，其電導(dǎo)損耗和松馳極化損耗增加[14-15]，從而使介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)異常的電機(jī)定子在浸漆后進(jìn)行二次烘焙處理，得到烘焙后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖5所示。從圖5可以看出，二次烘焙后介質(zhì)損耗因數(shù)基本保持不變，說(shuō)明絕緣漆固化后將水分封存在絕緣層中，高溫烘焙無(wú)法使水分排出。因此在浸漆前須對(duì)線圈或者定子鐵心線圈通過(guò)烘焙或真空干燥完全將潮氣排出后，絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)才能恢復(fù)正常。

圖5 二次烘焙后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化Fig.5 Change of dielectric loss factor after secondary baking

2.4 絕緣漆流失

在浸漬漆固化工藝中絕緣漆流失和正常的電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖6所示。從圖6可以看出，低測(cè)試電壓（0.2UN～0.4UN）時(shí)，絕緣漆流失的電機(jī)定子介質(zhì)損耗因數(shù)與正常電機(jī)的基本相同。但隨著測(cè)試電壓的升高，介質(zhì)損耗因數(shù)增量顯著增大，這主要是槽口絕緣漆流失后，絕緣與鐵心之間產(chǎn)生氣隙，氣隙面積的增大使氣-固交界面的突出物增多，提高了氣隙內(nèi)放電通道形成的概率，使起始放電電壓降低[16]，因此測(cè)試電壓升高后氣隙放電增強(qiáng)，導(dǎo)致介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

圖6 絕緣漆流失對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.6 Influence of insulation paint loss on the dielectric loss factor

對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)增大的電機(jī)進(jìn)行二次浸漆處理，以填充槽口的空隙，經(jīng)二次浸漆填充后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖7所示。從圖7可以看出，二次浸漆后介質(zhì)損耗因數(shù)明顯減小，與正常電機(jī)的介質(zhì)損耗因數(shù)相當(dāng)（圖6），且測(cè)得定子繞組電容從25.88 nF增加至27.53 nF，電容值增加了6.37%，說(shuō)明二次浸漬處理后絕緣漆填充了鐵心與絕緣之間的空隙，分別使介質(zhì)損耗因數(shù)減小和電容增加。因此，絕緣漆流失導(dǎo)致的介質(zhì)損耗因數(shù)增大可以通過(guò)再次浸漆使其恢復(fù)正常。

圖7 二次浸漆對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.7 Influence of insulation paint filling on the dielectric loss factor

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)和分析4種制造工藝對(duì)電機(jī)定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）低壓電機(jī)受工藝因素影響產(chǎn)生的鐵心不齊、油漬污染、絕緣受潮和絕緣漆流失均會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)損耗因數(shù)增大，其中絕緣受潮后電機(jī)定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)在0.2UN電壓下明顯增大。

（2）鐵心不齊、油漬污染和絕緣受潮對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，通過(guò)再次浸漆或烘焙無(wú)法對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的減小產(chǎn)生明顯作用。

（3）絕緣漆流失對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，通過(guò)再次浸漆可以填充鐵心與絕緣之間的空隙，使電機(jī)定子絕緣的電容增加、介質(zhì)損耗因數(shù)減小。