高壓交流電機(jī)定子繞組耐寒性研究

吉 超，劉 洋，祁世發(fā)

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國(guó)能源電力的開(kāi)發(fā)利用，業(yè)內(nèi)對(duì)于我國(guó)青海、西藏、四川等高原地區(qū)的電力發(fā)展提出了新的要求，高原高寒地區(qū)惡劣的環(huán)境特點(diǎn)對(duì)高壓交流電機(jī)定子繞組具有較大的影響。疊加近年來(lái)在國(guó)家“一帶一路”政策下，西氣東輸?shù)仍鲚旐?xiàng)目的建設(shè)，長(zhǎng)期低溫貯存和安裝對(duì)高壓交流電機(jī)定子繞組絕緣性能也提出了新的要求[1]。

高原高寒地區(qū)空氣密度低、溫度低，導(dǎo)致電機(jī)定子繞組長(zhǎng)期承受低溫，會(huì)影響電機(jī)定子繞組絕緣的防暈性能。戶外晝夜溫差較大，會(huì)使電機(jī)安裝、運(yùn)輸和貯存的難度加大。為避免電機(jī)直接承受強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻照，還必須在該地區(qū)建設(shè)安裝專用間或庫(kù)房，一定程度上增加了電機(jī)的運(yùn)行成本[2]。針對(duì)上述高原高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，本文結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用低溫老化等試驗(yàn)對(duì)電機(jī)定子繞組的耐寒性進(jìn)行研究，確定耐低溫的絕緣結(jié)構(gòu)具有重大意義。

1 材料選擇及絕緣結(jié)構(gòu)的確定

低溫用絕緣材料要求其能承受低溫的長(zhǎng)期作用，低溫下絕緣繞組應(yīng)不易受潮、不開(kāi)裂。據(jù)文獻(xiàn)介紹[3-5]，熱收縮率是低溫材料的重要參數(shù)，熱收縮率僅大于延伸率的絕緣材料容易發(fā)生開(kāi)裂，延伸率比熱收縮率大10倍或以上的材料不易發(fā)生開(kāi)裂。薄膜具有穩(wěn)定的物化、電學(xué)及力學(xué)性能，延伸率是收縮率的12倍，由于其優(yōu)良的低溫性能，近年來(lái)被用于低溫環(huán)境的匝間絕緣材料和對(duì)地絕緣[6-7]。環(huán)氧樹脂電絕緣性能好，壽命長(zhǎng)，固化收縮率低，固化后有良好的穩(wěn)定性，并且良好的耐低溫、耐濕性能，能適用于各種低溫應(yīng)用的要求，滿足高原高寒環(huán)境的要求。環(huán)氧粉云母絕緣結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度，在絕緣系統(tǒng)中不僅能使絕緣結(jié)構(gòu)具有較高的抗張強(qiáng)度和剛度，而且能減少收縮，提高抗低溫能力。

低溫或超低溫對(duì)絕緣系統(tǒng)有破壞作用，因此對(duì)于絕緣結(jié)構(gòu)不但要具有優(yōu)良的電氣性能，還要具有良好的機(jī)械性能。本文結(jié)合文獻(xiàn)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定采用少膠云母帶真空壓力浸(VPI)絕緣結(jié)構(gòu)。槽楔、墊條均采用環(huán)氧玻璃布板，相內(nèi)連接線和極間連接線均采用環(huán)氧聚酯薄膜云母帶半疊繞。這種絕緣結(jié)構(gòu)既具有耐寒性，VPI絕緣固化又好，防潮性能優(yōu)秀，是一種可靠的絕緣結(jié)構(gòu)。

2 耐寒性周期試驗(yàn)

2．1 試驗(yàn)方案

耐寒性周期試驗(yàn)主要是模擬電機(jī)定子繞組在運(yùn)輸和貯存過(guò)程中由于極端環(huán)境對(duì)主絕緣造成高低溫沖擊的影響。根據(jù)GB/T 2423．1《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A：低溫》，本試驗(yàn)將試驗(yàn)線圈放置在DGF305B高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱中進(jìn)行低溫處理，耐寒長(zhǎng)期老化處理溫度選擇-50 ℃，低溫每個(gè)耐寒周期為48 h，間隔為24 h，共持續(xù)10個(gè)周期。試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1。

圖1 DGF305B高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱

2．2 試樣及試驗(yàn)

高壓交流電機(jī)定子模擬試驗(yàn)線圈8只，冷凍前測(cè)試絕緣電阻、極化指數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)、耐交流電壓等試驗(yàn)。其中5只(編號(hào)1-5)進(jìn)行耐寒周期試驗(yàn)，試驗(yàn)周期后，測(cè)試其絕緣電阻、極化指數(shù)、耐交流電壓試驗(yàn)及瞬時(shí)擊穿電壓試驗(yàn)。剩余3只線圈不做耐寒周期試驗(yàn)，直接進(jìn)行瞬時(shí)擊穿電壓試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3．1 絕緣電阻和極化指數(shù)

絕緣電阻可初步判定絕緣結(jié)構(gòu)是否有缺陷，當(dāng)絕緣良好時(shí)，穩(wěn)態(tài)漏導(dǎo)電流很小，因而絕緣電阻值較高；當(dāng)絕緣受潮或者表面受玷污，漏導(dǎo)電流增加，絕緣電阻就降低。極化指數(shù)可以進(jìn)一步確定絕緣繞組的狀態(tài)，試驗(yàn)線圈冷凍前后的絕緣電阻及極化指數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)線圈冷凍前后的絕緣電阻及極化指數(shù)表

由表1中數(shù)據(jù)可知，耐寒性周期試驗(yàn)前模擬試驗(yàn)線圈的絕緣電阻最大值603 GΩ，最小值532 GΩ；耐寒性周期試驗(yàn)后模擬試驗(yàn)線圈的絕緣電阻最大值587 GΩ，最小值512 GΩ；說(shuō)明耐寒性周期試驗(yàn)前(后)模擬試驗(yàn)線圈的絕緣電阻均>500 GΩ，冷凍前后無(wú)明顯變化。耐寒性周期試驗(yàn)前模擬試驗(yàn)線圈的極化指數(shù)最大值4.6，最小值3.9；耐寒性周期試驗(yàn)后模擬試驗(yàn)線圈的極化指數(shù)最大值4.5，最小值3.8；說(shuō)明耐寒性周期試驗(yàn)前模擬試驗(yàn)線圈的極化指數(shù)均>2，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，冷凍前后無(wú)明顯變化。

這說(shuō)明模擬試驗(yàn)線圈主絕緣整體結(jié)構(gòu)良好，雖然經(jīng)過(guò)冷凍，仍能保持良好的絕緣狀態(tài)。

3．2 介質(zhì)損耗試驗(yàn)

工頻下測(cè)量的繞組介質(zhì)損耗角正切值tanδ是電機(jī)絕緣的一個(gè)重要性能，在低場(chǎng)強(qiáng)下tanδ值反映絕緣材料和絕緣工藝的完整性，由不同電壓下測(cè)得的tanδ值可以計(jì)算出介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ，Δtanδ能靈敏的反映出絕緣結(jié)構(gòu)中局部缺陷。耐寒周期試驗(yàn)前后定子繞組的介質(zhì)損耗角正切值tanδ見(jiàn)表2。

表2 定子繞組的介質(zhì)損耗角正切值tanδ表

按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12685中對(duì)10 kV級(jí)高壓電機(jī)定子線圈的技術(shù)要求，常態(tài)介質(zhì)損耗角正切tanδ0.2 Un≤1.5，每0.2Un測(cè)量間距的Δtanδ≤0.8%。由表2中數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)耐寒性試驗(yàn)后，線圈的介質(zhì)損耗角正切tanδ差異不大，耐寒性試驗(yàn)前后Δtanδ均小于0.6%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3．3 工頻交流耐電壓試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12685中對(duì)10 kV級(jí)高壓電機(jī)定子線圈的技術(shù)要求，對(duì)試驗(yàn)線圈施加(2.75Un+6.5)kV工頻交流電壓并保持1 min，進(jìn)行工頻耐電壓試驗(yàn)。耐寒性試驗(yàn)前后線圈均通過(guò)交流耐電壓試驗(yàn)。

3．4 電氣強(qiáng)度試驗(yàn)

定子線圈的擊穿電壓是線圈絕緣重要參數(shù)，反映絕緣強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12685相關(guān)要求中，10 kV級(jí)高壓電機(jī)定子線圈的瞬時(shí)工頻電氣強(qiáng)度≥30 MV/m。耐寒性試驗(yàn)前后定子線圈槽部的擊穿電壓和介電強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 擊穿電壓和介電強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)可知，未經(jīng)過(guò)耐寒試驗(yàn)的線圈擊穿電壓最小值74.4 kV，介電強(qiáng)度最小值33.1 MV/m；經(jīng)過(guò)耐寒試驗(yàn)后的線圈擊穿電壓最小值71.6 kV，介電強(qiáng)度最小值31.5 MV/m?？梢?jiàn)耐寒試驗(yàn)后，線圈的擊穿電壓和介電強(qiáng)度依然很高，滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12685相關(guān)要求中，10 kV級(jí)高壓電機(jī)定子線圈的瞬時(shí)工頻電氣強(qiáng)度≥30 MV/m的要求。耐寒試驗(yàn)對(duì)線圈擊穿電壓和介電強(qiáng)度影響不大，絕緣整體性完好。

3.5 引出線電纜冷凍前后絕緣性能

引出線電纜中大部分護(hù)套電纜材料的低溫耐沖擊脆化溫度在-15～-20 ℃，在高寒高原環(huán)低溫下容易開(kāi)裂，無(wú)法達(dá)到高寒高原環(huán)境運(yùn)行和安裝要求。經(jīng)研究，硅橡膠優(yōu)異的化學(xué)和物理性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于高壓絕緣領(lǐng)域[8-9]。硅橡膠的玻璃化溫度最低可達(dá)-150 ℃，硅橡膠有著優(yōu)良的電性能和抗電弧性[10]，較高的機(jī)械強(qiáng)度，相對(duì)于其他電纜材料硅橡膠高壓引接線具有良好的耐低溫性能，可在-60 ℃下長(zhǎng)期使用，并保持柔軟性。因此本文選用硅橡膠電纜做定子引接線，并隨線圈一同進(jìn)行耐寒性試驗(yàn)，試驗(yàn)后電纜仍具有良好的柔軟性，表面無(wú)裂紋，耐寒試驗(yàn)前后電氣強(qiáng)度差別不大，絕緣電阻無(wú)變化。

4 應(yīng)用

本文對(duì)耐低溫絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，選定的絕緣結(jié)構(gòu)完全能夠承受耐寒環(huán)境的影響，低溫下繞組絕緣系統(tǒng)不開(kāi)裂，各項(xiàng)絕緣性能耐寒試驗(yàn)前后變化很小，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的絕緣結(jié)構(gòu)在低溫下是安全可靠的。依據(jù)研究成果，設(shè)計(jì)編制低溫狀態(tài)下的絕緣規(guī)范，用于電機(jī)設(shè)計(jì)并指導(dǎo)生產(chǎn)。已應(yīng)用于西氣東輸二線輪南-吐魯番支干線170×108 Nm3/a增輸工程項(xiàng)目變頻電機(jī)上，該電機(jī)為8 000 V、15 000 kW、F級(jí)變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)。

5 結(jié)論

5．1 通過(guò)耐寒試驗(yàn)，試驗(yàn)線圈整體性、電性能變化很小，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5．2 本文選擇的耐低溫絕緣材料，確定的絕緣結(jié)構(gòu)，通過(guò)各項(xiàng)絕緣結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)，證明耐低溫絕緣結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

5．3 本文選定的絕緣結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于F級(jí)變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)。