劉 洋，祁世發(fā)

(哈電集團哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

清潔能源是國家近年電力發(fā)展的重點項目，而主泵機組又是清潔能源發(fā)展中重要的設備之一。主泵機組分為:(1)軸封式，即泵與電動機分體，中間由聯(lián)軸器連接，電動機為立式、空冷異步電動機;(2)無軸封式，即泵與電動機連成一體，電動機為立式、水冷屏蔽電動機。本文所述絕緣系統(tǒng)以軸封式6.6kV、4 500kW 主泵電動機為依托。

1 主泵電動機

清潔能源對主泵電動機的技術(shù)要求苛刻，既要求安全性達100%，又要求可靠性達100%，使用壽命不低于40 年(現(xiàn)有的)，要求達60 年。電動機的結(jié)構(gòu)復雜，產(chǎn)品設計制造難度大。我國于1993 年下半年著手設計研制6kV、4 500kW 軸封式主泵電動機，1997 年完成首批產(chǎn)品，2008 年著手設計研制6.6kV 軸封式主泵電動機。

2 絕緣材料耐高能輻射性

主泵電動機在運行時，主要承受γ 射線的輻射，所以絕緣材料輻照試驗的輻照源多采用放射性鈷源。絕緣材料經(jīng)大劑量輻照后，性能會變壞。絕緣材料在一定劑量輻射影響下還沒有損壞，其主要性能實際上沒有發(fā)生多大惡化的能力稱為耐輻射性。

在某些情況下一定劑量的輻射可改善材料性能，在輻照試驗時，經(jīng)常出現(xiàn)某項性能優(yōu)于未輻照的性能，就是這個原因?，F(xiàn)在有些化工和絕緣材料業(yè)利用輻射實現(xiàn)一些采用普通化學方法不易實現(xiàn)的反應來改進聚合物性能。聚合物在高能輻照下，將引起兩種反應:一種是引起分子的電離或激發(fā)，當輻照停止后，分子恢復原狀，謂之物理反應;另一種是當劑量足夠大時，聚合物的電離或激發(fā)分子間發(fā)生反應，輻照停止后，分子結(jié)構(gòu)不再恢復原狀，謂之化學反應。隨著輻射累積劑量的增大，聚合物發(fā)生老化。通過測量輻照前后絕緣材料的電氣、機械、理化性能的變化來衡量材料的耐輻射水平。

測試結(jié)果表明:鹽霧處理后擊穿電壓僅下降10%;長期濕熱試驗后擊穿電壓基本保持不變，可適用于特殊環(huán)境下的電機絕緣。

3 幾種絕緣材料的輻照試驗

3.1 環(huán)氧酸酐浸漬樹脂

環(huán)氧樹脂具有粘結(jié)力高、收縮率低、可以混合多種填料等特點，在電氣、電子設備中應用面很廣泛。

圖1 為采用同一種固化劑甲基內(nèi)次甲基四氫鄰苯二甲酸酐(ETPA)固化的四種環(huán)氧樹脂在經(jīng)輻照后抗彎強度與劑量關(guān)系。圖2 為經(jīng)不同固化劑固化后的同一種雙酚A 型環(huán)氧樹脂，在經(jīng)輻照后抗彎強度與劑量關(guān)系。固化劑分別是:(1)三乙烯四胺(TTA);(2)三氟化硼單乙胺(BF3-4W);(3)間苯二胺(MPD);(4)二氨基二苯甲烷(DDM);(5)甲基內(nèi)次甲基四氫鄰苯二甲酸酐(ETPA)。

A、雙酚A 型;B、酚酸環(huán)氧型;C、脂環(huán)族型;D、R-N ＜型圖1 輻照對各種環(huán)氧樹脂彎曲強度的影響

圖2 輻照對各種固化劑固化的雙酚A 型環(huán)氧樹脂彎曲強度的影響

可見環(huán)氧樹脂種類和所用固化劑不同試驗結(jié)果有很大差異。以芳香族胺類(MPD、DDM)和酸酐(ETPA)作固化劑，其耐輻射性能較高，而脂肪胺(TTA)最差，而BF3-4W 在106Gy 劑量輻照便起泡產(chǎn)生龜裂。

環(huán)氧酸酐浸漬樹脂在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照后性能見表1?？梢娫诮?jīng)2×105Gy 輻照后，對電氣和機械性能影響不大。

表1 浸漬樹脂輻照前后性能對比

3.2 少膠云母帶

云母是絕緣云母制品的原料，電機用絕緣云母制品多采用白云母。白云母片在空氣中經(jīng)Co60γ射線輻照后，在劑量106Gy 時，擊穿強度得到提高，硬度有所下降。

少膠云母帶由高定量鱗片粉云母紙與補強材料(玻璃纖維或薄膜)由環(huán)氧膠粘劑組合。兩種粉云母帶在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照后的性能變化見表2。

表2 少膠粉云母帶經(jīng)γ 射線輻照后的性能

3.3 繞組線股線絕緣

繞組線由銅導體與股線絕緣組成。雙玻璃纖維繞包繞組線、單玻聚酰亞胺薄膜繞包繞組線、云母帶繞包繞組線、聚酰亞胺-氟46 薄膜燒結(jié)線及聚酰胺-酰亞胺漆包線和聚酰亞胺漆包線在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照后，在劑量2×105Gy ～5×105Gy 時，對其附著性和擊穿電壓影響不大。兩種繞組線輻照后的擊穿水平如表3 所示。

表3 兩種繞組線輻照后的擊穿水平

3.4 玻璃鋼和層壓板

(1)不飽和聚酯玻璃鋼

在空氣中經(jīng)γ 射線107Gy 輻照作用下，機械性能比輻照前不僅沒有降低反而提高。

(2)環(huán)氧玻璃鋼

以五種配方的環(huán)氧樹脂制作的玻璃鋼，經(jīng)Co60γ射線輻照，其結(jié)論:6101 環(huán)氧樹脂輻照劑量達5×106Gy 時，機械強度下降40%左右。而644 環(huán)氧樹脂輻照劑量達1×107Gy 時，機械強度下降較小。

(3)環(huán)氧層壓布板

在空氣中經(jīng)γ 射線106Gy 輻照后，其電氣性能有所提高。

3.5 薄膜

(1)聚酯薄膜

聚酯薄膜具有優(yōu)良的電氣、機械性能，是最常用的電工薄膜，現(xiàn)已廣泛應用于F 級電機上。聚酯薄膜在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照后，當劑量達1×104Gy ～5×105Gy 時，薄膜的機械性能有所提高。但經(jīng)1×106Gy ～5×106Gy 輻照后強度降低，5×106Gy 時耐折性劇減意味著韌性喪失、脆性增加。但聚酯薄膜經(jīng)輻照后常溫電氣強度和介質(zhì)損耗角正切都有改善。體積電阻系數(shù)總的來說輻照前后變化不大。

(2)聚酰亞胺薄膜

聚酰亞胺是一種雜環(huán)耐高溫聚合物，可在220℃下長期使用，在-200℃～400℃范圍內(nèi)保持較高的機械性能和電氣性能。由于聚酰亞胺分子具有十分穩(wěn)定的芳香結(jié)構(gòu)，耐輻射性和耐化學試劑性能優(yōu)良。

聚酰亞胺薄膜在空氣中經(jīng)Co60γ 射線輻照，劑量為3×107Gy 時，拉伸強度可保留88%，伸長率下降38%，介電強度保留80.5%。

3.6 輔助絕緣材料

主泵電動機所用的其他絕緣材料均在空氣中經(jīng)Co60γ 射線2×105Gy 劑量輻照后，具有耐高能輻射能力，擇優(yōu)選用。

4 國內(nèi)外主泵電動機絕緣系統(tǒng)

據(jù)報導，各國主泵電動機所采用的形式不同，絕緣系統(tǒng)也不同(見表4)。

表4 各國主泵電動機絕緣系統(tǒng)

無軸封式主泵消耗功率較小，屏蔽電動機制造工藝復雜、絕緣等級為H 級、體積小。軸封式主泵消耗功率相應較大，電動機制造工藝相對簡單，絕緣等級為F 級，體積相對較大。

5 少膠整體VPI 絕緣系統(tǒng)

5.1 定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)

軸封式主泵電動機定子繞組絕緣結(jié)構(gòu):C1 型定子線圈主絕緣采用中膠環(huán)氧玻璃粉云母帶、繞組軟(白坯)線圈嵌線、整體VPI 環(huán)氧高壓無溶劑漆;C3 型定子線圈主絕緣采用少膠粉云母帶、繞組軟線圈嵌線、整體VPI 環(huán)氧酸酐無溶劑浸漬樹脂。C3 型定子線圈主絕緣厚度比C1 型的有所減薄。

5.2 耐輻射性能

定子繞組絕緣的電氣性能可綜合反映出所選用的絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)設計和絕緣工藝優(yōu)化是否合理、優(yōu)良。C3 型少膠粉云母整體VPI 絕緣定子繞組模擬線圈與C1 型模擬線圈在空氣中經(jīng)劑量為2×105Gy 的Co60γ 射線輻照后，結(jié)果證明該劑量的輻照對其常態(tài)介質(zhì)損耗角正切(tanδ)和擊穿電壓影響不大。圖3 所示為輻照前后的常態(tài)tanδ 曲線，輻照前后擊穿電壓值見表5?？梢奀3 電氣性能比C1 優(yōu)越。

圖3 模擬線圈輻照前后常態(tài)介質(zhì)損耗正切曲線

表5 模擬線圈輻照前后擊穿電壓值

5.3 定子線圈耐電老化評定

選取少膠粉云母整體VPI 絕緣體系中的18 只10kV 定子模擬線圈做電老化評定試驗，試驗電壓為22.5kV(10MV/m)。試驗結(jié)果:電老化中值壽命均超過1 300h，滿足國外標準中規(guī)定的在8.7MV/m下的電老化壽命不低于1 000h 的指標。

5.4 耐熱性評定

C1、C3 電動機定子絕緣系統(tǒng)的模擬繞組在空氣下經(jīng)Co60γ 射線輻照劑量達2×105Gy 后，對其進行耐熱評定。參照GB/T 22718—2008《高壓電機絕緣性能耐熱性評定方法》中單點快速法進行。評定結(jié)果:C1 型絕緣系統(tǒng)的溫度指數(shù)為162℃，熱壽命超過50 年。C3 型絕緣系統(tǒng)的溫度指數(shù)為174.5℃，在130℃運行溫度下，壽命為63.3 年。

6 結(jié)語

軸封式主泵電動機的絕緣系統(tǒng)設計合理，達到了世界先進水平。少膠粉云母整體VPI 絕緣系統(tǒng)具有整體性好、電氣性能和機械性能優(yōu)越、耐熱性穩(wěn)定、耐環(huán)境因素強和安全運行可靠性好等特征，更特殊的是耐高能輻射性能，累積劑量達2×105Gy時對絕緣系統(tǒng)和所用的絕緣材料性能影響不大，有的性能還有所增強。此絕緣系統(tǒng)經(jīng)輻照試驗和耐熱性評定，溫度指數(shù)為174.5℃，壽命為63.3 年，超過了當今對主泵電動機絕緣所提出的最高60 年的水平。

通過幾次對電動機絕緣系統(tǒng)耐熱性評定得出，經(jīng)2×105Gy 輻照的模擬定子繞組比未經(jīng)輻照的，其溫度指數(shù)有所提高，壽命有所增長。

［1］ 桂林電器科學研究所三室.電工絕緣材料耐高能輻射性能綜述.絕緣材料通訊，1976.4.

［2］ 張東林，石雷峰，王旭輝.核電耐輻照電動機絕緣的發(fā)展.第六屆全國工程電介質(zhì)學術(shù)會議論文集，1998.9.

［3］ 祁世發(fā)，朱珊珊，張東林.哈電大中型交流電機LD-F絕緣體系.哈爾濱:大電機技術(shù)，2010.8.

［4］ 孫雅玲，劉洋，張東林.我國高壓交流電機絕緣技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展.哈爾濱:交直流電機行業(yè)技術(shù)交流會論文匯編，2010.10.