牽引電機(jī)用有機(jī)硅少膠云母帶的應(yīng)用研究

鄭瑞娟 ，劉冠芳 ，李曉華 ，郭大鵬 ，裴曉梅

（1.中車永濟(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

牽引電機(jī)作為軌道交通車輛牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部分，正朝著大功率化、小型輕量化和高可靠性方向發(fā)展，而采用具有卓越的耐熱性能和電絕緣性能的有機(jī)硅絕緣系統(tǒng)是軌道交通牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)其發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵手段[1-2]。

有機(jī)硅云母帶作為有機(jī)硅絕緣系統(tǒng)的關(guān)鍵配套材料，其性能對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)有著重要影響，成為絕緣系統(tǒng)的重要研究對(duì)象。文獻(xiàn)[3]通過模擬線棒浸漆試驗(yàn)研究了國(guó)產(chǎn)有機(jī)硅少膠云母帶和國(guó)產(chǎn)有機(jī)硅浸漬漆的相容性。文獻(xiàn)[4]通過模擬線棒試驗(yàn)研究了進(jìn)口云母帶與國(guó)產(chǎn)云母帶的工藝性能和電氣性能。文獻(xiàn)[5]通過繞包線棒浸漬試驗(yàn)對(duì)比研究了一種新型有機(jī)硅少膠云母帶與進(jìn)口云母帶的電氣絕緣性能。文獻(xiàn)[6]通過模型驗(yàn)證研究了兩種國(guó)產(chǎn)云母帶與進(jìn)口云母帶從材料到絕緣結(jié)構(gòu)的性能差異。文獻(xiàn)[7]研究了兩種有機(jī)硅絕緣系統(tǒng)的熱老化性能及其壽命。目前關(guān)于有機(jī)硅少膠云母帶性能測(cè)試的研究主要集中在對(duì)材料的基礎(chǔ)性能以及與絕緣浸漬漆的相容匹配性上。而有機(jī)硅少膠云母帶的性能與絕緣系統(tǒng)可靠性關(guān)系的研究尚未見報(bào)道。

本研究以兩種進(jìn)口云母帶（進(jìn)口A、進(jìn)口B）和兩種國(guó)產(chǎn)云母帶（國(guó)產(chǎn)C、國(guó)產(chǎn)D）為對(duì)象，對(duì)比分析4種云母帶材料的基礎(chǔ)性能和絕緣結(jié)構(gòu)電氣性能，其中采用進(jìn)口A云母帶的絕緣結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此將其作為基準(zhǔn)絕緣結(jié)構(gòu)，通過絕緣系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)探究有機(jī)硅少膠云母帶的性能與絕緣系統(tǒng)可靠性的關(guān)系。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

有機(jī)硅少膠云母帶，分別來自國(guó)外A、B公司和國(guó)內(nèi)C、D公司；聚酰亞胺薄膜，天津市天緣電工材料股份有限公司；玻璃絲帶，永濟(jì)優(yōu)耐特絕緣材料有限公司；有機(jī)硅絕緣漆，德國(guó)Wacker公司；聚酰亞胺薄膜熔敷導(dǎo)線，山東迪賽機(jī)電有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

NF2671B型安全耐壓測(cè)試儀，南通電子儀器廠；工頻耐壓測(cè)試儀，上海海鷹電氣有限公司；2816a型介質(zhì)損耗測(cè)試儀，聯(lián)德機(jī)械有限公司；HT-2102AP型拉力機(jī)，臺(tái)灣弘達(dá)儀器股份有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 基礎(chǔ)性能驗(yàn)證

按照GB/T 5019.2—2009《以云母為基的絕緣材料第2部分：試驗(yàn)方法》[8]規(guī)定方法制取云母帶基礎(chǔ)性能測(cè)試試樣。測(cè)試云母帶組成成分、電氣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度等性能。

1.3.2 線棒驗(yàn)證

線棒制作：分別采用4種有機(jī)硅少膠云母帶繞包聚酰亞胺薄膜熔敷導(dǎo)線制作線棒，每種云母帶各繞包5根線棒，共20根，具體線棒制作工藝如下：有機(jī)硅少膠云母帶半疊包5次，聚酰亞胺薄膜半疊包1次，玻璃絲帶半疊包1次。

線棒包好絕緣之后，真空壓力浸漬（VPI）有機(jī)硅絕緣漆，經(jīng)過200℃高溫固化得到有機(jī)硅絕緣系統(tǒng)模擬線棒結(jié)構(gòu)。

介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試：按照GB/T 34665—2017《電機(jī)線圈/繞組絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量方法》[9]分別測(cè)試各組試樣常態(tài)和熱態(tài)（200℃）的介質(zhì)損耗因數(shù)。測(cè)試時(shí)記錄環(huán)境溫度和相對(duì)濕度。

工頻擊穿電壓測(cè)試：根據(jù)JB/T 50133—1999《中型高壓電機(jī)少膠整浸線圈產(chǎn)品質(zhì)量分等》對(duì)每根線棒逐個(gè)進(jìn)行工頻擊穿電壓測(cè)試，將試驗(yàn)電壓由0開始以500 V/s的速率連續(xù)升壓，直至發(fā)生擊穿。

膠含量測(cè)試：從線棒主絕緣取樣，采用馬弗爐高溫600℃焙燒2 h充分去除有機(jī)組分，從而計(jì)算線棒主絕緣中膠含量。

固化率測(cè)試：從線棒主絕緣取樣，采用乙二胺溶劑抽提法測(cè)試線棒固化率。

1.3.3 絕緣系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證

根據(jù)T/CEEIA 343—2018《牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)多因子耐久性評(píng)定方法》[10]規(guī)定的試樣制作要求，設(shè)計(jì)并制作了4種動(dòng)車牽引電機(jī)單槽模型，如圖1所示，4種模型分別采用4家不同公司的云母帶，采用相同的浸漆固化工藝整體VPI浸漬同一種有機(jī)硅絕緣漆并烘焙固化，每種模型有10個(gè)，其中5個(gè)作為試驗(yàn)試樣，5個(gè)作為備品。

圖1 單槽模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of single slot model

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行圖2所示試驗(yàn)，直至失效。

圖2 可靠性試驗(yàn)流程Fig.2 The process of reliability test

試驗(yàn)過程中，在電熱聯(lián)合試驗(yàn)或診斷試驗(yàn)過程中試樣失效，則該試樣達(dá)到壽命終點(diǎn)，停止該試樣后續(xù)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)性能

表1為4家公司的有機(jī)硅少膠云母帶基礎(chǔ)性能測(cè)試結(jié)果。從表1可以看出，相較于進(jìn)口A云母帶，進(jìn)口B云母帶由于采用了干法上膠工藝，有效降低了膠黏劑含量，云母含量較高，透氣性較好，浸漬漆更易滲透進(jìn)絕緣系統(tǒng)，形成性能良好的整體絕緣結(jié)構(gòu)。國(guó)產(chǎn)C和國(guó)產(chǎn)D云母帶由于采用傳統(tǒng)濕法上膠工藝，透氣性相比進(jìn)口云母帶有所下降。

表1 4種有機(jī)硅少膠云母帶基礎(chǔ)性能Tab.1 Fundamental property of silicone mica tape

2.2 線棒驗(yàn)證

2.2.1 常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)

基于4家公司云母帶的線棒常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)如圖3所示。從圖3可以看出，在1.0UN測(cè)試電壓下，進(jìn)口A和進(jìn)口B云母帶繞包線棒的介質(zhì)損耗因數(shù)均小于國(guó)產(chǎn)C和國(guó)產(chǎn)D云母帶繞包線棒，但4種云母帶繞包線棒的常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)均小于1.0%。

圖3 模擬線棒介質(zhì)損耗因數(shù)Fig.3 Dielectric loss factor of simulating bars

2.2.2 熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)

4種云母帶繞包線棒的熱態(tài)（200℃）介質(zhì)損耗因數(shù)如圖4所示。

圖4 模擬線棒介質(zhì)損耗因數(shù)（200℃）Fig.4 Dielectric loss factor of simulating bars under 200℃

從圖4可以看出，不同電壓下，4種云母帶繞包線棒的熱態(tài)介質(zhì)損耗增量均很小，熱態(tài)介質(zhì)損耗主要表征組成絕緣結(jié)構(gòu)材料之間的相容匹配性，熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)越小表明云母帶與浸漬漆的相容匹配性越好[12]。因此，4種有機(jī)硅少膠云母帶與有機(jī)硅浸漬漆的相容匹配性由高到低依次為進(jìn)口B、國(guó)產(chǎn)D、進(jìn)口A、國(guó)產(chǎn)C。

2.2.3 膠含量

4種云母帶繞包線棒的膠含量如圖5所示。從圖5可以看出，4種云母帶繞包線棒的主絕緣結(jié)構(gòu)膠含量基本相當(dāng)，膠含量均在31%左右。結(jié)合表1中云母帶自身膠黏劑含量計(jì)算得到，進(jìn)口B云母帶組成的絕緣系統(tǒng)樹脂浸入量最多，其次是國(guó)產(chǎn)D云母帶，國(guó)產(chǎn)C云母帶組成的絕緣系統(tǒng)樹脂浸入量最少。由此得出，云母帶膠黏劑含量越少，透氣性越高，云母帶組成的絕緣系統(tǒng)樹脂浸入量越多。這是由于進(jìn)口B云母帶采用了干法粉末上膠技術(shù)，其余3種云母帶均采用了傳統(tǒng)濕法上膠工藝，而云母紙吸膠能力強(qiáng)，采用濕法上膠工藝時(shí)，液態(tài)膠黏劑大部分會(huì)滲入云母紙層間，填充云母片間的空隙，另一小部分膠黏劑則在云母紙和補(bǔ)強(qiáng)玻璃布間形成連續(xù)均勻的膠膜[13]，從而導(dǎo)致云母帶透氣性大幅下降，不利于VPI過程中浸漬樹脂的滲入，樹脂浸入量較低。

圖5 模擬線棒膠含量Fig.5 Resin content of simulating bars

2.2.4 固化率

4種云母帶繞包線棒的固化率如圖6所示。從圖6可以看出，4種云母帶繞包線棒的固化率由高到低依次為進(jìn)口B、國(guó)產(chǎn)D、進(jìn)口A、國(guó)產(chǎn)C。結(jié)合圖4、圖6數(shù)據(jù)可得，云母帶組成絕緣系統(tǒng)的熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)越小，固化率越高。

圖6 模擬線棒固化率Fig.6 Curing degree of simulating bars

2.2.5 工頻擊穿電壓

4種云母帶繞包線棒的擊穿電壓如圖7所示。從圖7可以看出，4種云母帶繞包線棒的擊穿電壓水平均很高，進(jìn)口B云母帶繞包線棒的擊穿電壓最高，與線棒熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)和固化率的變化趨勢(shì)基本一致。說明線棒絕緣結(jié)構(gòu)的一體性越好，熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)越小，絕緣系統(tǒng)的固化率和工頻擊穿電壓越高，這就使得絕緣系統(tǒng)的電氣性能更優(yōu)。

圖7 線棒擊穿電壓Fig.7 Breakdown voltage of simulating bars

2.3 絕緣系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證

經(jīng)過驗(yàn)證，進(jìn)口A云母帶組成的絕緣系統(tǒng)通過了4個(gè)周期可靠性評(píng)定試驗(yàn)；進(jìn)口B云母帶組成的絕緣系統(tǒng)通過了7個(gè)周期可靠性評(píng)定試驗(yàn)；國(guó)產(chǎn)C云母帶通過了3個(gè)周期可靠性評(píng)定試驗(yàn)；國(guó)產(chǎn)D云母帶通過了5個(gè)周期可靠性評(píng)定試驗(yàn)。說明進(jìn)口B云母帶模型絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性最高，這也印證了上文所述進(jìn)口B云母帶組成的絕緣系統(tǒng)電氣性能最優(yōu)的結(jié)論。

使用進(jìn)口A公司云母帶的絕緣結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，作為基準(zhǔn)絕緣結(jié)構(gòu)，進(jìn)口B和國(guó)產(chǎn)D云母帶組成的絕緣結(jié)構(gòu)可靠性均優(yōu)于基準(zhǔn)絕緣結(jié)構(gòu)，因此進(jìn)口B和國(guó)產(chǎn)D云母帶可在牽引電機(jī)中應(yīng)用。而國(guó)產(chǎn)C云母帶組成的絕緣結(jié)構(gòu)可靠性低于基準(zhǔn)絕緣結(jié)構(gòu)，因此國(guó)產(chǎn)C云母帶需要進(jìn)一步應(yīng)用考核。

3 結(jié)論

（1）進(jìn)口B有機(jī)硅少膠云母帶組成的有機(jī)硅絕緣系統(tǒng)性能最優(yōu)。

（2）膠含量比較少、透氣性比較高的云母帶與有機(jī)硅浸漬漆的相容匹配性更優(yōu)，形成的絕緣系統(tǒng)熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)較小、固化率較高，提高了絕緣系統(tǒng)的擊穿電壓，提升了絕緣系統(tǒng)的可靠性。

（3）國(guó)產(chǎn)云母帶的性能與進(jìn)口最優(yōu)云母帶相比仍存在差距，但國(guó)產(chǎn)D云母帶滿足牽引電機(jī)使用要求。