海上直驅(qū)風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的環(huán)境適應性研究

李術林， 夏靜， 張世福， 何海濤， 秦大為， 李明威

（1.金風科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026；2.北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司，北京 100176）

0 引 言

國務院在2021年10月明確了我國在2030年實現(xiàn)碳達峰和2060年實現(xiàn)碳中和的目標。在此背景下，風力發(fā)電作為清潔能源受到了國家格外的關注，為風電產(chǎn)業(yè)帶來了前所未有的機遇[1]。

隨著陸上風資源市場逐漸趨于飽和，海上風力發(fā)電機組成為了風電領域未來的的重要發(fā)展方向。直驅(qū)風力發(fā)電機由于其低故障率廣泛應用于海上，但海上直驅(qū)發(fā)電機價值高，維護成本高，因此高可靠性是直驅(qū)發(fā)電機設計的重點。海上風力發(fā)電機所處的環(huán)境較陸上發(fā)電機更為嚴苛，有高溫高濕、高低溫交變、鹽霧和振動等特殊環(huán)境，在一定程度上絕緣更容易劣化，因此開展海上直驅(qū)風力發(fā)電機在長期惡劣海上環(huán)境中的可靠性研究具有十分重要的意義。

針對海上風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的耐環(huán)境性，國內(nèi)研究者們已經(jīng)開展了一些試驗研究。陳洪武等[2]采用鹽溶液浸泡和高低溫冷熱沖擊試驗的方式，對發(fā)電機表面防腐涂料的耐海上環(huán)境特性進行了試驗研究。陳健等[3]對發(fā)電機的模擬線圈開展了鹽霧試驗，通過分析線圈在鹽霧老化后的各項電氣性能來判斷其鹽霧環(huán)境耐受能力。李強軍等[4]研究了不同浸漬樹脂形成的絕緣系統(tǒng)，并開展了耐環(huán)境試驗研究，最終得出不同浸漬樹脂的耐環(huán)境能力。劉學忠等[5]對3 kV級絕緣系統(tǒng)進行了加速試驗，以海洋模擬環(huán)境作為應力因子，通過分析最終試樣的電性能來判斷絕緣系統(tǒng)在海洋環(huán)境工況下的性能情況。本研究根據(jù)海上直驅(qū)風力發(fā)電機的使用環(huán)境，對環(huán)氧改性不飽和聚酯體系的發(fā)電機模擬繞組和浸漬樹脂漆片開展多因子循環(huán)試驗（包括高低溫交變試驗、濕熱試驗、鹽霧試驗、振動試驗），根據(jù)測試結(jié)果評估絕緣系統(tǒng)的環(huán)境適應性，為海上直驅(qū)風力發(fā)電機的可靠性評估提供參考。

1 海上應力特征

海上直驅(qū)風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)受到的電、熱和機械應力和陸上機組幾乎沒有區(qū)別。兩者運行環(huán)境最主要的差異體現(xiàn)在相對濕度和空氣含鹽量。海上大氣環(huán)境的相對濕度較高，同時空氣含鹽量高，這會對海上直驅(qū)風力發(fā)電機的絕緣系統(tǒng)造成不良影響。

天然海水的含鹽量一般為3.4%，該值隨地理位置和氣候因素而變化，如紅海的含鹽量約為4%，黑海的含鹽量為3%。中國各個海域近海表層海水在冬季的含鹽量見表1[6]?？諝庵泻}量的極大值一般出現(xiàn)在海洋上空，特別是高蒸發(fā)率的亞熱帶地區(qū)，查閱GB/T 4797.6—2013可知，我國東部沿海地區(qū)鹽霧沉降量實測的平均值為10～33 mg/(m2·d)，最大值在15～54 mg/(m2·d)范圍內(nèi)，最小值在5～20 mg/(m2·d)范圍內(nèi)。

表1 中國海域含鹽量Tab.1 Salt content of Chinese seawater

相對濕度是指空氣中水汽壓和相同溫度下的飽和蒸汽壓的百分比或濕空氣絕對濕度與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度之比。沿海地區(qū)相對濕度數(shù)據(jù)范圍如表2所示[6]。

表2 中國海域溫、濕度Tab.2 Temperature and humidity of Chinese seawater

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，按照極值的1.5倍設定試驗參數(shù)，則鹽溶液濃度確定為5%±1%。

根據(jù)鹽霧沉降量的極值，結(jié)合GB/T 2423.17—2008將鹽霧沉降量設置為1～2 mL/(80 cm2·h)，該數(shù)據(jù)值折算后為環(huán)境最大鹽霧量的60倍以上。

環(huán)境相對濕度按照產(chǎn)生凝露工況進行考慮，相對濕度設置為90%～100%。其余應力條件與陸上機艙環(huán)境條件[4]相似。

2 模擬繞組的多因子循環(huán)試驗

2.1 試樣制備

參考海上直驅(qū)風力發(fā)電機定子要求，以浸漬樹脂漆片和模擬繞組作為研究試樣。

漆片試樣原料為環(huán)氧改性不飽和聚酯樹脂，試樣厚度為1.5 mm，直徑為100 mm，數(shù)目為10個，如圖1(a)所示。

圖1 漆片及模擬繞組試樣Fig.1 Varnish and simulation winding sample

模擬繞組參照海上直驅(qū)發(fā)電機原始比例制作。模擬繞組的主絕緣采用厚度為0.14 mm的少膠云母帶半疊包2層，外平包一層厚度為0.1mm的保護帶，主絕緣單邊厚度為0.66 mm。槽絕緣采用NMN進行防護，槽絕緣厚度為0.25 mm。使用硅鋼片疊壓成定子鐵心模型，線圈數(shù)量為10支，嵌線接線后進行兩次真空壓力浸漬處理，浸漬樹脂為環(huán)氧改性不飽和聚酯樹脂，外側(cè)噴涂環(huán)氧磁漆進行補強防護。模擬繞組試樣見圖1(b)。

2.2 試驗方法

環(huán)境多因子循環(huán)老化試驗流程見圖2。試樣共進行4個周期的試驗，每個周期均包括高低溫交變試驗、恒定濕熱試驗、中性鹽霧試驗和振動試驗。具體要求如下：

圖2 環(huán)境多因子循環(huán)老化試驗流程Fig.2 Environmental multi-factor cycling ageing test process

高低溫交變試驗參照GB/T 2423.22—2012[7]進行，烘箱設置高溫點為150℃，持續(xù)時間為3 h，低溫點為-40℃，持續(xù)時間為3 h，高低溫循環(huán)次數(shù)為12次。

恒定濕熱試驗參照GB/T 2423.3—2016[8]進行，試驗箱濕度為90%～100%，烘箱溫度設置為55℃，持續(xù)時間為168 h。

中性鹽霧試驗參照GB/T 2423.17—2008[9]進行，鹽溶液濃度為5%±1%，pH值為6.5～7.2，鹽霧沉降量為1～2 mL/(80 cm2·h)，試驗箱溫度為（35±2）℃，持續(xù)時間為168 h。

振動試驗參照GB/T 2423.10—2019[10]進行，振動頻率為60 Hz，加速度為1.5g，其中g=10m/s2，x、y和z軸三向振動，持續(xù)時間均為1 h。

2.3 初始診斷

在試樣制作完成后對漆片和模擬繞組進行電性能初始診斷。其中漆片的測試項目包括介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、電氣強度、紅外光譜，模擬繞組的測試項目包括絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、工頻耐壓強度、局部放電。

2.4 過程診斷

漆片的過程診斷測試項目為介質(zhì)損耗。

模擬繞組的過程診斷測試項目包括絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、局部放電、工頻耐壓強度。

2.5 最終診斷

在完成4個周期試驗后，對漆片和模擬繞組開展性能測試來評估絕緣系統(tǒng)經(jīng)受環(huán)境應力后的最終性能。漆片的測試項目包括介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、電氣強度、紅外光譜。模擬繞組的測試項目包括絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、局部放電、電氣強度。

3 漆片測試結(jié)果與分析

3.1 紅外光譜

老化試驗前及4個周期老化試驗后漆片的紅外光譜測試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，老化試驗前后漆片的紅外光譜圖基本無變化，沒有出現(xiàn)新的典型特征峰，即化學成分未發(fā)生明顯變化。老化試驗后試樣在3 500～3 950 cm-1處的吸收峰變得尖銳，這是水中H-O的特征形態(tài)，由于水不是單個水分子，分子以氫鍵締合，因此水的振-轉(zhuǎn)譜帶間隔不是等間距。在紅外光譜圖中波數(shù)為100～400 cm-1處，經(jīng)過4周老化后試樣的特征峰波動更加劇烈，分析認為是鹽霧試驗中殘留少量無機鹽導致[11]。

圖3 老化試驗前后漆片的紅外光譜對比Fig.3 Infrared spectra comparison of varnish before and after ageing test

3.2 介電性能

測試漆片在每個試驗周期后的介質(zhì)損耗因數(shù)（1 kV）和電容值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 漆片介質(zhì)損耗因數(shù)和電容的變化趨勢Fig.4 Change of dielectric loss factor and capacity of varnish

以500 V/s的升壓速率分別對5個未經(jīng)過老化處理的對照試樣和5個經(jīng)歷過4個周期老化試驗的漆片試樣進行擊穿試驗，記錄擊穿電壓并計算電氣強度，繪制箱體圖如圖5所示。

圖5 漆片電氣性能Fig.5 Electrical properties of varnish

從圖4～5可知，除最后1個周期的電容數(shù)據(jù)外，漆片的介質(zhì)損耗因數(shù)和電容均整體呈現(xiàn)先升高后趨于平緩的趨勢。試驗前后的電氣強度未發(fā)生變化。

分析認為，介質(zhì)損耗因數(shù)與電導或松弛極化呈正相關，電導增大的原因一般是受潮或污染產(chǎn)生了額外的雜質(zhì)電導；松弛極化增大的原因一般是因為高分子材料的成分出現(xiàn)了變化，導致可移動極性基團和極性鏈段大幅增加[12]。

從圖3紅外光譜結(jié)果可知，老化試驗前后漆片的成分無明顯變化，但存在水分和鹽霧的污染，此時介質(zhì)損耗因數(shù)的變化主要是雜質(zhì)電導引起，因此第1周期試驗后漆片的介質(zhì)損耗因數(shù)增大，第2～3試驗周期后介質(zhì)損耗因數(shù)呈變緩持平趨勢，說明漆片的體積電導不再繼續(xù)增加，原因可能是漆片的持續(xù)后固化過程使得其本體更加緊密完整，微觀上形成封閉層，阻礙了水分或鹽霧粒子的劣化。

電容的計算公式如式（1）所示。

式（1）中：C是電容；ε是相對介電常數(shù)；S是兩電極正對面積；k是靜電力常量；d是試樣厚度。

老化試驗過程中，漆片的厚度、電極測試面積均未發(fā)生變化，此時電容與相對介電常數(shù)呈正比關系，介電常數(shù)的變化規(guī)律即為電容的變化規(guī)律。

水分和鹽霧粒子的相對介電常數(shù)明顯高于漆片本身，根據(jù)復合電介質(zhì)理論，受到水分和鹽霧粒子侵蝕后，漆片的相對介電常數(shù)將增大[13-17]。因此在第1個試驗周期漆片受潮和鹽霧粒子侵蝕后，電容值增大，但隨著老化試驗的進行，漆片后固化使介電常數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，而水分和鹽霧粒子的持續(xù)性表面沉積侵蝕使介電常數(shù)繼續(xù)增大，兩方面綜合作用使2～3周期試驗后的電容變化趨于平緩，在第4周期試驗時，水分和鹽霧粒子的影響占據(jù)主導因素，產(chǎn)生累積效應，致使介電常數(shù)增大，宏觀表現(xiàn)為電容增大。

結(jié)合紅外光譜，分析介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、電氣強度的測試結(jié)果可知，多因子循環(huán)試驗條件會對漆片產(chǎn)生一定的影響，但從圖5可以看出，老化試驗前后漆片的電氣強度基本相當，且老化后試樣電氣強度數(shù)據(jù)的分散性優(yōu)于老化前試樣，說明漆片電氣強度的保持率高，并未出現(xiàn)宏觀可見的異常變化，由此可知老化試驗產(chǎn)生的劣化侵蝕更趨向于發(fā)生在漆片的表面或淺層區(qū)域。綜上，環(huán)氧改性不飽和聚酯樹脂具有良好的海上環(huán)境耐受能力，可用于海上環(huán)境。

4 模擬繞組測試結(jié)果與分析

4.1 絕緣電阻

對模擬繞組的每個線圈在完成每個周期試驗后開展1 000 V直流電壓下的60 s絕緣電阻測試，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，模擬繞組線圈的絕緣電阻隨老化周期的增加先增大后減小。

圖6 線圈的絕緣電阻測試結(jié)果Fig.6 Insulation resistance test result of coil

4.2 局部放電測試

對模擬繞組的每個線圈開展局部放電測試，測量工頻下單個線圈的局部放電起始電壓（PDIV）和局部放電終止熄滅電壓（PDEV），結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，單個線圈的PDIV和PDEV均呈先增大后減小的趨勢。

圖7 線圈的局放放電測試結(jié)果Fig.7 Partial discharge test results of coil

4.3 介質(zhì)損耗因數(shù)及電容

在2.25 kV交流電壓下，測試線圈在每個試驗周期后的介質(zhì)損耗因數(shù)和電容，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，線圈的介質(zhì)損耗因數(shù)和電容均在第1試驗周期后增大，然后在第2～3試驗周期變化趨勢變緩，在第4周期又突然增大。

圖8 線圈的介質(zhì)損耗和電容測試結(jié)果Fig.8 Dielectric loss factor and capacity test result of coil

4.4 泄漏電流

對線圈進行工頻3 kV、1 min測試，記錄泄漏電流值，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，隨著老化試驗周期的進行，泄漏電流值呈現(xiàn)階梯式增大的趨勢。

圖9 線圈的泄漏電流測試結(jié)果Fig.9 Leakage current test results of coil

4.5 擊穿電壓

4個周期試驗完成后，以500 V/s的升壓速率將電壓升壓至15 kV并保持10 min，耐壓過程未發(fā)生絕緣擊穿。

以500 V/s的升壓速率升壓至線圈絕緣擊穿，記錄擊穿電壓如圖10所示。圖10中，線圈A1～A3為空白對照試樣，其擊穿電壓平均值為30.30 kV；線圈1～10為老化后模擬線圈，其擊穿電壓平均值為29.14 kV，性能下降了3.8%。

圖10 線圈的擊穿電壓測試結(jié)果Fig.10 Breakdown voltage test results of coils

4.6 結(jié)果分析

發(fā)電機絕緣系統(tǒng)是由多種絕緣材料通過復雜的工藝方法，分不同工序階段制作而成，一般是通過浸漬樹脂將多種絕緣材料縱向粘結(jié)在一起組成的功能系統(tǒng)，在此復雜的結(jié)合方式下，浸漬樹脂的性能十分重要，通過漆片測試結(jié)果已經(jīng)明確該浸漬樹脂具有良好的海上環(huán)境耐受能力，但是在絕緣系統(tǒng)成型過程中，因多組分多材料多工序的組合模式，必然存在有大量的非均勻相的不同組分界面，這些界面成為了典型的絕緣薄弱位置。

第1周期試驗后，從圖6～8可以看出，絕緣電阻和局部放電性能有較明顯的提升，介質(zhì)損耗因數(shù)和電容變化較小，分析認為絕緣樹脂固化過程較長，在生產(chǎn)完畢后，仍會有一定時間的后固化過程，這會使絕緣樹脂的高分子鏈更加完善，絕緣性能提高，如果有加熱工況，后固化的進程會更加明顯，因此第1周期試驗后繞組絕緣電阻和局部放電性能的提升均由樹脂的后固化引起。

隨第2～4周期試驗的進行，從圖6～9可以看出，絕緣電阻和局部放電性能小幅下降，介質(zhì)損耗因數(shù)和電容在第4周期試驗后大幅上升，泄漏電流隨老化試驗進行呈現(xiàn)小幅升高趨勢。在周期性試驗條件下，模擬繞組絕緣性能的劣化會出現(xiàn)累積和疊加。其中局部放電性能下降可認為是絕緣系統(tǒng)在冷熱交變應力作用下，不同相之間具有不同的熱膨脹系數(shù)，產(chǎn)生了不同的應力梯度，導致組分界面位置出現(xiàn)應力集中和畸變，在振動應力作用下促使該薄弱點的劣化更加顯著，綜合作用導致絕緣系統(tǒng)的界面間隙變多，也就更加容易產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，因此PDIV和PDEV值均呈現(xiàn)下降趨勢。電容和介質(zhì)損耗均與鹽霧環(huán)境有關，分析認為在經(jīng)過周期性老化試驗后，由于鹽霧的影響，在絕緣系統(tǒng)中引入了不易清除的鹽霧粒子，導致絕緣系統(tǒng)的介電常數(shù)增大，宏觀上表現(xiàn)為電容值下降，與此同時，鹽霧粒子在濕熱應力的作用下，水解電離產(chǎn)生的自由離子增多，絕緣系統(tǒng)中的雜質(zhì)電導開始起顯著作用，表現(xiàn)為介質(zhì)損耗因數(shù)明顯升高。而絕緣電阻和泄漏電流的變化趨勢具有關聯(lián)性，絕緣系統(tǒng)中雜質(zhì)電導的增大以及表面鹽霧粒子的沉積均會使絕緣系統(tǒng)的體積電阻和表面電阻減小，表現(xiàn)為絕緣電阻下降，泄漏電流升高。

從圖10可知，雖然試驗后絕緣系統(tǒng)的擊穿電壓有輕微下降，但仍保持著較高的電氣強度。綜合而言，模擬繞組在經(jīng)歷了48次的冷熱沖擊、672 h的濕熱試驗、672 h的鹽霧試驗、12 h的振動試驗后，其介電性能有小幅劣化，剩余擊穿電壓仍然較高，表明該海上直驅(qū)風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)具有高可靠性、高耐受能力，可滿足海上環(huán)境的使用要求。

5 結(jié) 論

（1）環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬樹脂老化前后成分未發(fā)生明顯變化，漆片的介電性能參數(shù)出現(xiàn)了一定變化，但電氣強度未發(fā)生下降，綜合分析后認為老化因子的侵蝕趨向于發(fā)生在表面或淺層區(qū)域，表明環(huán)氧改性不飽和聚酯樹脂具有良好的海上環(huán)境耐受能力。

（2）模擬繞組在經(jīng)歷了48次的冷熱沖擊、672 h的濕熱試驗、672 h的鹽霧試驗、12 h的振動試驗，總計試驗時長達1 644 h后，其介電性能有小幅劣化，剩余擊穿電壓仍然較高，可滿足海上環(huán)境的使用要求。