10 kV高壓電機(jī)定子少膠VPI減薄絕緣結(jié)構(gòu)研究

劉 洋，吉 超，徐 娜

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150040)

0 引言

絕緣是高壓異步電機(jī)的核心技術(shù)，高壓電機(jī)絕緣系統(tǒng)需承受電應(yīng)力、機(jī)械力、熱應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力的影響，惡劣工作環(huán)境對電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、使用壽命提出了更高的要求。目前，高壓電機(jī)定子繞組絕緣的發(fā)展方向是減薄絕緣厚度、增強(qiáng)絕緣安全可靠性并延長使用壽命。因此，研究絕緣厚度的減薄具有十分重要的意義[1]。

自從高壓交流電機(jī)定子繞組整體VPI絕緣體系在國內(nèi)應(yīng)用以來，線圈絕緣厚度在逐漸減薄。以我公司10 kV級電機(jī)為例，定子線圈雙面主絕緣厚度已經(jīng)歷了5.7 mm、4.5 mm、3.9 mm三個(gè)階段。本文將10 kV級電機(jī)定子線圈主絕緣厚度(雙面厚度)擬由3.9 mm減薄至3.4 mm。

1 減薄結(jié)構(gòu)使用的絕緣材料

1．1 繞組線

繞組線是電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必需材料之一。電機(jī)絕緣的減薄不能單純減薄主絕緣厚度，而繞組線股線絕緣也需相應(yīng)減薄，實(shí)現(xiàn)電機(jī)整體性絕緣的減薄。

繞組線股線絕緣由于在線圈制造過程中經(jīng)常會受到遠(yuǎn)高于主絕緣的機(jī)械力(如彎曲、扭轉(zhuǎn)、敲擊等)沖擊，再加上電機(jī)運(yùn)行中經(jīng)常受到?jīng)_擊電壓(過電壓)的侵襲，因此股線絕緣所處的工作條件是苛刻的，事故發(fā)生頻率高，嚴(yán)重威脅電機(jī)的運(yùn)行安全。

為此，我們與國內(nèi)絕緣材料廠家共同研發(fā)能夠滿足減薄絕緣結(jié)構(gòu)的繞組線。經(jīng)過多方篩選，最后選定用含Nomex纖維的云母帶繞包線。該繞組線絕緣厚度薄、云母含量高、含Nomex纖維，VPI浸漬后介電強(qiáng)度高、耐電暈性好(浸透性好)，其基本技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 云母帶繞包銅扁線性能指標(biāo)

1．2 少膠云母帶

少膠云母帶是少膠VPI絕緣的基礎(chǔ)材料，對線圈絕緣有重要影響。少膠云母帶種類不少，我們與材料廠家合作開發(fā)了含Nomex纖維的玻璃纖維單面補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶和聚酯薄膜單面補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶。這種少膠帶的優(yōu)越性在于：(1)單面補(bǔ)強(qiáng)，減小了云母帶中補(bǔ)強(qiáng)材料含量，提高云母含量，有利于改善絕緣的長期耐電壓特性；(2)采用定量較高的鱗片粉云母紙，提高云母帶的抗切通性能；(3)膠含量小，改善云母帶的滲透性能，增強(qiáng)電機(jī)繞組的整體性；(4)含Nomex纖維，有足夠的抗張強(qiáng)度，不分層不飛粉，有利于線圈主絕緣的包繞，不污染環(huán)境；(5)云母帶中含少量促進(jìn)劑，利于繞組浸漬后固化[2]。其性能指標(biāo)見表2。

表2 少膠云母帶性能指標(biāo)

1．3 防暈帶

VPI絕緣用的防暈帶與模壓絕緣用的防暈帶相比，主要不同之處在于：(1)VPI絕緣用低阻防暈帶的阻值較低，浸漬時(shí)會有浸漬樹脂進(jìn)入低阻防暈帶中的導(dǎo)電物質(zhì)中間，使電阻變大；(2)VPI絕緣用防暈帶與浸漬樹脂相容，不會污染浸漬樹脂；(3)VPI絕緣用低阻防暈帶有一定的透氣性，不影響繞組絕緣在真空壓力浸漬時(shí)的浸漬效果。

通常VPI絕緣用防暈帶為全固化防暈帶[3]。全固化整浸防暈帶的特點(diǎn)如下：(1)低電阻半導(dǎo)體帶的電阻值符合規(guī)定，且均勻性好。低電阻半導(dǎo)體帶厚度薄，具有良好的滲透性并與ET884-1環(huán)氧無溶劑浸漬樹脂相容性好等；(2)高電阻半導(dǎo)體帶具有良好的非線性特性，與ET884-1環(huán)氧無溶劑浸漬樹脂相容性好。防暈結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 防暈結(jié)構(gòu)圖

1．4 浸漬樹脂

浸漬樹脂直接關(guān)系到電機(jī)絕緣的性能和應(yīng)用工藝性及電機(jī)繞組的整體性。浸漬樹脂除了應(yīng)具有優(yōu)異的機(jī)、電、耐熱性外，還要具有下列要求：黏度低，以便能有效地浸漬；飽和蒸汽壓力低，使之能夠在低真空下操作；適宜溫度下膠化時(shí)間短，烘焙時(shí)減小流膠；環(huán)保毒性小，閃點(diǎn)高；固化不受金屬等物質(zhì)的影響，即使受到催化劑的作用，仍有較長時(shí)間的儲存期；成本低。

無溶劑環(huán)氧浸漬樹脂利于絕緣材料的浸透，適合主絕緣相對較厚的10 kV高壓電機(jī)的VPI工藝。本文采用的ET884-1浸漬樹脂屬于無溶劑高純度環(huán)氧浸漬樹脂，這與本文所選用的以環(huán)氧膠黏劑為粘合劑的少膠云母帶有良好的相容性，所以在實(shí)際生產(chǎn)中取得了很好的效果。

2 主絕緣厚度的減薄

定子線圈主絕緣厚度是絕緣水平先進(jìn)的標(biāo)志之一。電機(jī)定子線圈主絕緣厚度的減薄須在確保滿足電機(jī)產(chǎn)品技術(shù)條件和安全可靠運(yùn)行要求的基礎(chǔ)上，并主要考慮如下三方面來確定主絕緣厚度尺寸。

(1) 主絕緣應(yīng)能承受制造和運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的電壓(電流)和過電壓，應(yīng)具有一定的擊穿電壓儲備量，又稱安全系數(shù)，以保證電機(jī)絕緣在長期運(yùn)行后具有足夠的耐電強(qiáng)度。

(3) 應(yīng)使主絕緣在運(yùn)行年限內(nèi)，始終保持使電機(jī)能安全運(yùn)行的耐電強(qiáng)度[3]。

目前我公司10 kV級電機(jī)定子線圈常用絕緣結(jié)構(gòu)雙面主絕緣厚度為4.8 mm和3.9 mm(不包括防暈層)。我們在此絕緣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新的減薄主絕緣結(jié)構(gòu)，將定子線圈雙面主絕緣厚度減薄至3.4 mm(不包括防暈層)，減薄絕緣結(jié)構(gòu)(見表3)，并按此絕緣結(jié)構(gòu)制作多批次試驗(yàn)線圈模擬件(見圖2)進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性。

表3 主絕緣減薄結(jié)構(gòu)

圖2 介損試驗(yàn)

3 整體真空壓力浸漬(VPI)

真空壓力浸漬技術(shù)是目前最先進(jìn)的絕緣處理技術(shù)，已在電機(jī)行業(yè)廣泛使用。真空壓力浸漬技術(shù)可以制造無氣隙絕緣，使線圈絕緣性能好，槽滿率高、防潮性能優(yōu)異，很大程度提高了電機(jī)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行可靠性。真空壓力浸漬技術(shù)提高了電機(jī)的機(jī)械電氣性能和導(dǎo)熱性能，而且生產(chǎn)效率高，適合制造10 kV級高壓電機(jī)[4]。

4 模擬線圈性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

模擬線圈性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)(平均值)見表4。介損試驗(yàn)按照J(rèn)B/T 7608—2006相關(guān)要求考核，常態(tài)介損初始值≤3，每0.2UN測量間距Δtanδ≤0.6，高溫介損tanδ155 ℃ 0.6UN≤10。由表4中數(shù)據(jù)可以看出，3只線圈初始值均小于3，并且滿足JB/T 7608—2006考核要求。因此，減薄絕緣結(jié)構(gòu)線圈的常態(tài)介損和高溫介損均滿足要求。

(1) 從表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知：雙面絕緣厚度3.4 mm減薄絕緣結(jié)構(gòu)常態(tài)介損初始值≤1.5、每0.2UN測量間距Δtanδ≤0.5、高溫介損tanδ155 ℃ 0.6UN≤8，符合JB/T 12685—2016標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定。

(2) 從圖3可見雙面絕緣厚度3.4 mm減薄絕緣結(jié)構(gòu)的常態(tài)損耗曲線比較平緩，數(shù)值略低于其它兩種結(jié)構(gòu)。

圖3 線圈常態(tài)介質(zhì)損耗正切曲線

(3) 從表4中減薄結(jié)構(gòu)(雙面絕緣厚度3.4 mm結(jié)構(gòu))電氣性能平均值可知：模擬線圈的瞬時(shí)工頻擊穿電壓≥70 kV，瞬時(shí)工頻電氣強(qiáng)度≥30 MV/m，符合JB/T 12685—2016標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定。

表4 模擬線圈電氣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)(平均值)

(4) 從圖4可見減薄結(jié)構(gòu)線圈的擊穿電壓值略低于其它兩種結(jié)構(gòu)，但電氣強(qiáng)度卻高于其他兩種結(jié)構(gòu)。

圖4 線圈擊穿電壓與電氣強(qiáng)度示圖

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用10 kV減薄結(jié)構(gòu)制作的模擬線圈電氣性能通過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以應(yīng)用于產(chǎn)品。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)設(shè)計(jì)部門提供的3 550 kW、4極、10 kV交流電機(jī)數(shù)據(jù)。雙面絕緣3.4 mm和雙面絕緣厚度3.9 mm兩種絕緣系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

(1) 采用減薄絕緣結(jié)構(gòu)，電機(jī)中心高由710降低到630，降低了一個(gè)機(jī)座號。

(2) 磁密相對合理，最主要的是電機(jī)的總重降低了很多。

(3) 材料節(jié)約，硅鋼片重量減少了94 kg，節(jié)約了2.3%；銅線重量減少了329.6 kg，節(jié)約了38.5%；銅條重量減少了174.07 kg，節(jié)約了33.4%；每臺可節(jié)省16萬元～19萬元。按每生產(chǎn)典型10 kV交流電機(jī)100臺計(jì)算可至少節(jié)省1 612萬元。

6 結(jié)論

(1) 10 kV級雙面絕緣厚度3.4 mm減薄結(jié)構(gòu)，與我公司現(xiàn)行的10 kV主絕緣結(jié)構(gòu)(雙面絕緣厚度3.9 mm)相比，減薄了0.5 mm，在國內(nèi)屬于先進(jìn)水平。

(2) 通過試驗(yàn)論證，減薄結(jié)構(gòu)不僅減薄了絕緣厚度，而且定子模擬線圈電氣絕緣性能優(yōu)良，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足JB/T 12685—2016標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。

(3) 減薄絕緣結(jié)構(gòu)可以縮小電機(jī)外型尺寸、增大電機(jī)的輸出功率、降低電機(jī)的重量，因此其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益巨大。

綜上所述，10 kV主絕緣減薄結(jié)構(gòu)研發(fā)成功，豐富了公司電機(jī)的絕緣產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高了公司絕緣技術(shù)水平，增強(qiáng)了公司市場競爭力。