高導(dǎo)熱少膠整浸絕緣結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗研究*

杜協(xié)和,張敬龍,王鍵 ,陳瑤

(1湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南湘潭411101;2湖南湘電動力有限公司,湖南湘潭411101;3國網(wǎng)湖南電力有限公司婁底供電分公司,湖南婁底417000)

0 引言

高功率密度化是電機設(shè)計發(fā)展趨勢之一,高功率密度高壓電機具有同規(guī)格條件下功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、性價比高的優(yōu)點,電機的高功率密度化意味著單位體積內(nèi)的熱損耗增加,進而使電機的工作溫度增加,而電機溫升是影響電性能的關(guān)鍵因素,較高的運行溫度還會導(dǎo)致電機運行可靠性的降低,嚴重時會引發(fā)故障產(chǎn)生。電機絕緣技術(shù)及散熱技術(shù)是制約電機高功率密度化的瓶頸,根據(jù)短板效應(yīng),構(gòu)成電機繞組絕緣的有機高分子材料是電機部件中耐熱性最差的材料,而電機定子槽內(nèi)的繞組本體又剛好是電機溫升最高,散熱最差的區(qū)域。因此,解決材料屬性束縛,優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu),改善溫升是目前電機技術(shù)領(lǐng)域的一個世界性工程難題[1～4]。

高導(dǎo)熱技術(shù)在電機制造領(lǐng)域是新興技術(shù),在電機絕緣技術(shù)方面,一般通過提高絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)以改善繞組的散熱效果。根據(jù)計算,6kV級中型電機定子繞組絕緣導(dǎo)熱系數(shù)如從現(xiàn)在的0.20W/ m·k提升到0.30W/ m·k,定子溫升可降低10K左右[5～7]。

目前高導(dǎo)熱絕緣材料在電機上的應(yīng)用,主要體現(xiàn)在繞組主絕緣采用高導(dǎo)熱少膠粉云母帶(以下簡稱高導(dǎo)熱少膠帶),進而提升整體絕緣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)。電機高導(dǎo)熱絕緣除具備良好的導(dǎo)熱性能外,還需具有良好的可靠性,需滿足電機20～30年使用壽命設(shè)計要求,有些電機還需在鹽霧、濕熱,溫度交變的環(huán)境中運行,這就要求研制的高導(dǎo)熱少膠整浸絕緣結(jié)構(gòu)不僅具有可靠的電、熱老化性能,還需具有優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性?；谏鲜鲈?本文對高導(dǎo)熱少膠云母帶整浸絕緣結(jié)構(gòu)的電氣性能和環(huán)境可靠性進行試驗研究。

1 試驗

1.1 主要材料

高導(dǎo)熱玻璃絲補強少膠云母帶5452-1DH(國產(chǎn)a公司)、T5452-1R(國產(chǎn)b公司)、SamicaporHTC(瑞士c公司);H級無溶劑VPI 浸漬樹脂,雙雙玻璃絲包FCR膜燒結(jié)扁銅線電磁線,聚四氟乙烯帶、3240玻璃布板、硅脂等。

1.2 云母帶試樣的制作

云母帶試樣用于云母帶導(dǎo)熱系數(shù)測定試驗。把云母片裁成尺寸為Φ50mm的圓形,每個試樣由20個圓形云母片疊成。將疊好后的試樣安裝上浸漆模具,安裝前模具表面涂脫模劑,試樣與試驗之間采用聚四氟乙烯薄膜進行隔斷。然后將試樣進行VPI絕緣處理,絕緣樹脂采用H級無溶劑絕緣浸漬樹脂[8],待樹脂完全固化后,經(jīng)打磨至厚度為3mm左右的試樣,正反兩面噴導(dǎo)電石墨,干燥備用。

1.3 線圈試樣的制作

線圈試樣是用于工頻電老化和環(huán)境適應(yīng)能力試驗,其結(jié)構(gòu)與電機產(chǎn)品一致,可代表其采用的絕緣結(jié)構(gòu)性能。采用雙玻璃絲包FCR膜燒結(jié)扁銅線進行繞線,單根單排,10匝,線圈的直線邊橫截面為13.1mm×29.3mm,線圈的鐵心長為250mm,總長度為600mm,兩條直線邊的跨距為150mm,圖1為線圈示意圖。

圖1 線圈試樣示意圖

線圈直線邊平包聚四氟乙烯帶后,安裝3240玻璃布夾板并固定,然后做VPI絕緣處理,待絕緣樹脂完全固化后,拆除夾板和聚四氟乙烯帶。

2 結(jié)果與討論

2.1 高導(dǎo)熱少膠帶的常規(guī)性能對比

瑞士c公司是較早研制高導(dǎo)熱少膠帶的企業(yè),2001年將HTC絕緣分別應(yīng)用到250 MVA、350 MVA氫冷機組上,已有成熟的工程化引用技術(shù)經(jīng)驗。國內(nèi)云母帶廠商還未有少膠高導(dǎo)熱云母帶工程化應(yīng)用經(jīng)驗。從技術(shù)上看,優(yōu)先用c公司云母帶是最可靠的,但c公司云母帶價格高昂,且不提供小批量樣品,基于自主經(jīng)濟原則,預(yù)選了a、b種國產(chǎn)云母帶,以瑞士c公司云母帶作為樣板從常規(guī)性能進行比較,優(yōu)選合適的國產(chǎn)高導(dǎo)熱少膠帶,具體性能指標見表1。

表1 云母帶的常規(guī)性能

表1為兩種國產(chǎn)高導(dǎo)熱少膠帶和瑞士進口高導(dǎo)熱少膠帶的性能對比,三家企業(yè)所制高導(dǎo)熱少膠帶在電氣性能和機械性能上沒有明顯的差異,b公司帶子拉伸強度稍差點,可通過采用更高強度玻璃布予以改進。在導(dǎo)熱性能上可以看出,帶子的導(dǎo)熱系數(shù)隨著帶子厚度增加而增加,在云母帶其他組分配比相似情況下,可以推斷,導(dǎo)熱填料越多,帶子越厚,導(dǎo)熱系數(shù)越高。從技術(shù)性能上看,兩種云母帶均能滿足預(yù)選要求。

2.2 云母帶浸漬絕緣漆固化后的導(dǎo)熱系數(shù)對比

隨著定子繞組絕緣導(dǎo)熱系數(shù)值的增加,定子繞組的溫度會逐漸下降,根據(jù)電機設(shè)計要求,要保證電機的溫升的要求,云母帶導(dǎo)熱系數(shù)不能小于0.35W/ m·k,因此,我們選用的是熱流計法測定云母帶導(dǎo)熱系數(shù),云母帶的導(dǎo)熱系數(shù)測定結(jié)果見表2。

表2 各云母帶的導(dǎo)熱系數(shù)

從表2中可看出,a公司和b公司生產(chǎn)的高導(dǎo)熱少膠帶浸漬H級無溶劑VPI 浸漬樹脂后的絕緣結(jié)構(gòu),兩者均滿足導(dǎo)熱系數(shù)不小于0.35 W/ m·k目標要求。

因此選擇a公司和b公司生產(chǎn)的膠高導(dǎo)熱少膠帶制作線圈試樣,制作方法見1.3,線圈試樣結(jié)構(gòu)及數(shù)量見表3。(A、B結(jié)構(gòu)為高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu),C結(jié)構(gòu)為普通結(jié)構(gòu)作為參比例)

表3 霉菌試驗外觀影響評定

表3 試樣絕緣結(jié)構(gòu)及數(shù)量

2.3 線圈試樣質(zhì)量保證試驗

匝間耐壓和對地耐壓都是非破壞性的試驗,常被作為檢驗線圈匝間和對地絕緣質(zhì)量的質(zhì)量保證試驗。按照試驗標準對全部線圈試樣進行檢測,均通過試驗,判定合格。可進行后續(xù)的電氣耐久性試驗和環(huán)境試驗。

2.4 電氣耐久性試驗

每組選用5只線圈試樣進行電氣耐久性試驗,15只線圈試樣在室溫條件下,試驗電壓選擇22kV,在經(jīng)過了長達400h的老化時間后,線圈試樣均未擊穿,按照JB/T 12685—2016《高壓電機定子線圈 技術(shù)條件》中相關(guān)要求可以判定,該組線圈試樣和其所采用的絕緣結(jié)構(gòu)滿足高壓電機定子線圈的絕緣要求。

2.5 環(huán)境試驗

2.5.1 濕熱試驗

按照GB755—2008進行濕熱試驗后的性能測試,定子繞組對機殼絕緣電阻及繞組間的絕緣電阻不小于500MΩ(常溫,標準大氣條件下測量)。在循環(huán)試驗過程中,每個循環(huán)結(jié)束后檢測樣品絕緣電阻;待恢復(fù)階段完成后,對樣品進行交流耐壓試驗,耐壓值為13kV,耐壓時間1min。

A、B、C三種絕緣結(jié)構(gòu)每5個線圈為一組,濕熱試驗如圖2所示,三種絕緣結(jié)構(gòu)絕緣電阻平均值分布如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 濕熱試驗

圖3 A結(jié)構(gòu)濕熱診斷試驗結(jié)果

圖4 B結(jié)構(gòu)濕熱診斷試驗結(jié)果

圖5 C結(jié)構(gòu)濕熱診斷試驗結(jié)果

從圖3、圖4、圖5所述濕熱試驗過程監(jiān)測的絕緣電阻可知,A、B、C三種結(jié)構(gòu)濕熱試驗后的絕緣電阻均在175GΩ以上,遠高于GB755中規(guī)定的定子繞組對機殼絕緣電阻及繞組間的絕緣電阻不小于規(guī)定的500MΩ要求,濕熱試驗后,三種結(jié)構(gòu)所有試樣均通過了13kV,1min工頻耐壓試驗。

2.5.2 鹽霧試驗

鹽霧試驗后,A、B、C三種結(jié)構(gòu)樣品絕緣表面未有腐蝕現(xiàn)象,且均通過13kV,1min耐壓試驗,無擊穿,閃絡(luò)現(xiàn)象,無銹蝕,滿足考核要求,具體試驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 鹽霧試驗后診斷試驗結(jié)果

2.5.3 霉菌試驗

試驗樣品材料上霉菌的生長程度判定等級為表3中規(guī)定1級以上說明霉菌對試驗樣品性能或使用無影響,判定為合格。

A、B、C三種結(jié)構(gòu)霉菌試驗前后,外觀照片如圖7、圖8所示,長霉等級均為1級,滿足設(shè)計要求。

圖7 霉菌試驗

圖8 霉菌試驗后對比

3 結(jié)語

(1)在現(xiàn)有VPI絕緣體系下,針對額定電壓為6kV的絕緣結(jié)構(gòu),所選用國內(nèi)生產(chǎn)的高導(dǎo)熱少膠帶電氣性能、機械性能和導(dǎo)熱性能均能夠滿足使用要求。

(2)電壓等級為6kV的絕緣結(jié)構(gòu),在通過濕熱、鹽霧、霉菌試驗一系列環(huán)境試驗后仍具有良好的電氣性能,說明所設(shè)計的兩種高導(dǎo)熱絕緣結(jié)構(gòu)具有相當?shù)牧己铆h(huán)境適應(yīng)能力。