曾彩萍

(湘潭電機(jī)股份有限公司, 湖南 湘潭　411101)

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少膠絕緣高壓電機(jī)超薄型主絕緣結(jié)構(gòu)研究

曾彩萍

(湘潭電機(jī)股份有限公司, 湖南 湘潭411101)

摘要：系統(tǒng)研究了絕緣材料及繞包結(jié)構(gòu)等對(duì)高壓電機(jī)主絕緣性能的影響。采用玻璃云母帶與薄膜云母帶為主絕緣繞包材料，通過(guò)交替半迭包工藝?yán)@包的云母絕緣結(jié)構(gòu)，經(jīng)高性能環(huán)氧酸酐樹(shù)脂(VPI)浸漬固化及薄型低阻防暈材料保護(hù)后制作的6kV和10kV超薄型高壓電機(jī)主絕緣結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)良的電性能和老化壽命，實(shí)現(xiàn)了高壓電機(jī)主絕緣的明顯減薄。采用該超薄型絕緣結(jié)構(gòu)制造的高壓電機(jī)繞組溫升顯著降低，體積明顯縮小，制造成本下降。

關(guān)鍵詞：少膠云母帶； 環(huán)氧酸酐樹(shù)脂(VPI)； 高壓電機(jī)； 主絕緣； 擊穿電壓； 老化壽命

0引言

高壓電機(jī)主絕緣主要包括卷包和繞包兩種結(jié)構(gòu)形式。卷包結(jié)構(gòu)是線圈的直線部分，由云母箔卷包而端部則由云母帶繞包而成。其優(yōu)點(diǎn)是可消除無(wú)效絕緣尺寸，提高整體主絕緣的減薄效果。但是，由于卷包結(jié)構(gòu)的線圈直線部分與端部連接處存在接縫，此處的擊穿電壓通常僅為槽內(nèi)的20%～40%，成為該主絕緣結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)；另一方面，卷包的云母箔需要一定的挺度，會(huì)導(dǎo)致卷烘時(shí)在卷包層間留下氣隙，引起局部放電電壓降低、tanδ升高等問(wèn)題[1]。因此，高壓電機(jī)的主絕緣減薄不宜采用卷包結(jié)構(gòu)。

繞包結(jié)構(gòu)是目前高壓電機(jī)主絕緣普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)點(diǎn)是可將線圈的直線部分和端部都采用云母帶進(jìn)行繞包，有利于提高主絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣可靠性。目前，實(shí)現(xiàn)繞包結(jié)構(gòu)的絕緣減薄主要包括減少繞包層數(shù)和減薄云母帶厚度兩種方法。但是，前者可能因?yàn)槔@包層與層之間的缺陷相互重疊概率增加而導(dǎo)致電壓擊穿的概率增加，后者則可能因云母含量的減少而引起局部放電，將會(huì)導(dǎo)致絕緣老化壽命縮短。因此，高壓電機(jī)主絕緣減薄是一個(gè)綜合性課題，需要對(duì)絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣工藝等進(jìn)行綜合性研究，才能獲得最佳的絕緣減薄技術(shù)。

本文針對(duì)高壓電機(jī)主絕緣減薄問(wèn)題，在已有工作基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了少膠云母帶絕緣材料、VPI浸漬樹(shù)脂、繞包絕緣層結(jié)構(gòu)等對(duì)電機(jī)主絕緣性能的影響規(guī)律，獲得了高壓電機(jī)主絕緣的有效絕緣減薄技術(shù)。

1試驗(yàn)與討論

1.1絕緣材料的選擇

高壓電機(jī)主絕緣結(jié)構(gòu)的鐵心槽內(nèi)橫截面和繞組局部解剖圖如圖1所示。將設(shè)定結(jié)構(gòu)的成束線圈采用少膠云母帶經(jīng)繞包工藝進(jìn)行包覆，然后將其放入鐵心槽內(nèi)，經(jīng)VPI工藝浸漬絕緣樹(shù)脂，烘干固化后可形成少膠絕緣高壓電機(jī)的主絕緣結(jié)構(gòu)，其中主絕緣材料中的少膠云母帶和VPI浸漬樹(shù)脂對(duì)主絕緣結(jié)構(gòu)的性能具有決定性的影響。

圖1　高壓電機(jī)主絕緣結(jié)構(gòu)的鐵心槽內(nèi)橫截面和繞組局部解剖圖

(1) 少膠云母帶： F級(jí)絕緣高壓電機(jī)少膠云母帶主要包括玻璃布單面補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶 (簡(jiǎn)稱玻璃云母帶) 和聚酯薄膜單面補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶(簡(jiǎn)稱薄膜云母帶)兩種類型。高壓電機(jī)的主絕緣需要承受高電場(chǎng)下的局部放電，超薄型主絕緣結(jié)構(gòu)云母帶的選型必須綜合考慮云母帶在繞包過(guò)程中承受的拉伸、扭曲等機(jī)械外力作用及其云母含量等因素。本研究選用的主絕緣云母帶厚度為0.13mm。

(2) VPI樹(shù)脂： 與傳統(tǒng)高壓電機(jī)絕緣用VPI樹(shù)脂-苯乙烯體系VPI浸漬樹(shù)脂相比， 環(huán)氧酸酐體系樹(shù)脂VPI處理的絕緣結(jié)構(gòu)具有更好的電氣性能。試驗(yàn)表明，其1.0Un(Un為設(shè)定的額定電壓)和150℃高溫下的熱態(tài)介電損耗正切值tanδ分別降低了51.5% 和53.5%，擊穿電壓和平均場(chǎng)強(qiáng)分別提高了21%。更高的擊穿強(qiáng)度水平可有效平衡絕緣減薄、繞包層數(shù)減少而帶來(lái)的擊穿電壓下降的問(wèn)題。因此，本研究選用的主絕緣VPI樹(shù)脂為環(huán)氧酸酐體系樹(shù)脂。

1.2云母繞包結(jié)構(gòu)對(duì)主絕緣性能的影響

傳統(tǒng)的繞包結(jié)構(gòu)常采用純玻璃布補(bǔ)強(qiáng)云母帶繞包結(jié)構(gòu)，其中的玻璃云母帶具有拉伸強(qiáng)度高、透氣性好，易于浸漬VPI等優(yōu)點(diǎn)，但存在著介電強(qiáng)度低及玻璃布延展性差易造成的線圈繞包過(guò)程中玻璃絲受力斷裂等缺點(diǎn)[2]；由于薄膜云母帶可有效減薄主絕緣，降低材料成本，而且具有介電強(qiáng)度高、延展性好等特點(diǎn)，因此純薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶繞包結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1.2.1純薄膜云母帶繞包結(jié)構(gòu)

由于薄膜云母帶不具有透氣性，所以不利于繞包結(jié)構(gòu)VPI浸漬過(guò)程中樹(shù)脂的滲透和填充[3-4]。繞包層數(shù)越多、絕緣越厚，VPI浸漬漆完全滲透絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的難度就越大。表1比較了兩種具有不同絕緣厚度繞包結(jié)構(gòu)的電氣絕緣強(qiáng)度。由表1可以看出，在繞包層數(shù)較少(半迭包4次，絕緣厚度為1.04mm)時(shí)的擊穿強(qiáng)度為43.5kV/mm；如果繞包層數(shù)增加至7次，絕緣厚度提高到 1.82mm，則擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低至36.0kV/mm，同時(shí)其Δtanδ值(0.104)也比絕緣厚度為1.04mm繞包結(jié)構(gòu)(0.060)明顯提高，此結(jié)構(gòu)在電壓較高的絕緣結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，會(huì)導(dǎo)致電氣性能下降。

表1　薄膜云母帶繞包結(jié)構(gòu)的性能

注： 表中數(shù)據(jù)為5個(gè)測(cè)試樣品試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

1.2.2交替繞包結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)繞包結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn)

為了提高云母帶繞包結(jié)構(gòu)的VPI浸漬樹(shù)脂滲透性，系統(tǒng)研究了玻璃云母帶和薄膜云母帶交替繞包結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)主絕緣性能的影響。交替繞包結(jié)構(gòu)是采用玻璃云母帶和薄膜云母帶通過(guò)交替錯(cuò)開(kāi)繞包方式得到的。本試驗(yàn)按三種繞包方式制作了相同絕緣厚度的試樣，經(jīng)VPI一次環(huán)氧酸酐絕緣漆及烘干固化后，得到三種具有不同繞包層結(jié)構(gòu)的試樣。

圖2是三種不同繞包結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗隨電壓變化曲線圖。三種結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗值在0.35%～0.55%之間，tanδ、Δtanδ值都很低，表明試樣狀態(tài)良好。與A、C結(jié)構(gòu)相比，全薄膜云母帶的B結(jié)構(gòu)在0.6～1.2Un范圍內(nèi)的介質(zhì)損耗 tanδ的曲線相對(duì)較陡。

圖2　三種主絕緣繞包結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗tan δ-Un變化曲線

表2是三種繞包層結(jié)構(gòu)的電絕緣性能。可以看出，由玻璃云母帶和薄膜云母帶交替繞包的C結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)(41.6kV/mm)，比純玻璃云母帶的A結(jié)構(gòu)和純薄膜云母帶的B結(jié)構(gòu)分別提高12.2%和20.6%。與A結(jié)構(gòu)相比，C結(jié)構(gòu)由于含有可提高耐電壓沖擊性的聚酯薄膜而表現(xiàn)出更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；而與B結(jié)構(gòu)相比，C結(jié)構(gòu)由于同時(shí)含有高透氣性的玻璃布而提高了VPI樹(shù)脂浸透性， VPI樹(shù)脂在繞包層數(shù)較多的絕緣結(jié)構(gòu)中浸透性更好。因此，C結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出突出的電性能，具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、低Δtanδ及155℃高溫下tanδ低等特點(diǎn)，成為超薄型主絕緣結(jié)構(gòu)的最佳選擇。

表2　主絕緣繞包結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注： 表中數(shù)據(jù)為5個(gè)測(cè)試樣品試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

1.2.3主絕緣交替繞包結(jié)構(gòu)的電氣強(qiáng)度

為了檢驗(yàn)主絕緣結(jié)構(gòu)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)據(jù)分散性，在可能引起數(shù)據(jù)分散性的不同工藝條件下(包括不同的操作者、設(shè)備、時(shí)間等)進(jìn)行了多批次試樣制作，每次試樣不少于5件，然后對(duì)所有試樣在同一條件下進(jìn)行測(cè)試。圖3是不同絕緣厚度的主絕緣交替繞包結(jié)構(gòu)的5個(gè)批次、每批次不少于5件試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的平均值分布曲線。其絕緣厚度分別為1.04mm和1.82mm。

圖3　多批次試樣的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)分布曲線

絕緣厚度為1.04mm時(shí)，去掉5個(gè)批次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值后的平均擊穿電壓值為44.7kV；絕緣厚度為1.82mm時(shí)，去掉5個(gè)批次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值后的平均擊穿電壓值為 75.0kV。

對(duì)于高壓電機(jī)主絕緣減薄后的性能考核，主要考慮擊穿電壓和老化壽命兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)比較注重短期的擊穿電壓，要求達(dá)到或超過(guò)7Un值；而國(guó)外比較注重長(zhǎng)期老化壽命，短期擊穿電壓考核指標(biāo)僅為2(2Un+1)。

按照目前國(guó)內(nèi)7Un值的短期擊穿電壓考核指標(biāo)，絕緣厚度為1.04mm的平均擊穿電壓值為44.7kV，大于6kV電機(jī)主絕緣擊穿電壓考核值7Un(即42kV)；絕緣厚度為1.82mm的平均擊穿電壓值為75.0kV，大于10kV電機(jī)主絕緣擊穿電壓考核值7Un(即70kV)。如果按照國(guó)外 IEC 60034—15標(biāo)準(zhǔn)，則裕度更大。

1.2.4主絕緣的保護(hù)

主絕緣的保護(hù)包括機(jī)械保護(hù)和電氣保護(hù)。目前，10kV級(jí)電機(jī)繞組槽部含有低阻防暈層和端部的高阻防暈層配套組成防暈結(jié)構(gòu)，對(duì)主絕緣的槽部和端部均進(jìn)行了機(jī)械和電氣兩方面的保護(hù)作用。6kV級(jí)高壓電機(jī)主絕緣通常僅采用0.1mm的保護(hù)帶進(jìn)行機(jī)械保護(hù)。實(shí)際上，如果繞組在VPI后的烘焙工藝不能有效防止VPI浸漬樹(shù)脂的流失，則因線圈制造公差、槽形尺寸公差以及嵌線間隙等引起的主絕緣與鐵心之間的間隙不可避免，加上鐵心制造上存在毛刺、尖銳棱邊等隱患，電機(jī)繞組槽部在Un下完全可能發(fā)生局部放電。而端部主絕緣在相電壓下基本不會(huì)發(fā)生電暈現(xiàn)象。因此，6kV級(jí)電機(jī)繞組槽部有必要進(jìn)行電氣保護(hù)，即在線圈直線部分繞包低阻防暈帶，以防止槽部主絕緣與鐵心槽之間的空氣放電。

槽部低阻防暈層占有槽形尺寸。目前國(guó)內(nèi)最薄的低阻帶厚度為0.08mm。國(guó)際上薄型低阻防暈材料有兩種： 一種是以德國(guó)Kremepl公司為代表的在纖維非織物上浸漬含有導(dǎo)電性顆粒的粘結(jié)劑的涂層型導(dǎo)電帶；另一種是以美國(guó)Dupont公司為代表的 Nomex-843碳纖維復(fù)合導(dǎo)電帶。兩者厚度均為0.05mm。槽部防電暈材料應(yīng)確保VPI過(guò)程中其導(dǎo)電粒子不能進(jìn)入主絕緣、優(yōu)良的樹(shù)脂滲透性以及與端部高阻防暈層的表面電阻匹配性。本試驗(yàn)選用0.05mm Nomex-843作為低阻材料來(lái)減薄防暈結(jié)構(gòu)的槽部尺寸。

1.3主絕緣結(jié)構(gòu)的老化評(píng)定

圖4是6kV級(jí)和10kV級(jí)高壓電機(jī)主絕緣老化試驗(yàn)試樣，其中6kV試樣主絕緣尺寸為1.1mm(含防暈)，10kV試樣主絕緣尺寸為1.92mm(含防暈)。所有線圈試樣均VPI一次環(huán)氧酸酐絕緣浸漬漆，并經(jīng)烘干固化后制得。

圖4　6kV級(jí)和10kV級(jí)高壓電機(jī)主絕緣老化試樣

表3是主絕緣結(jié)構(gòu)在電熱老化前介質(zhì)損耗隨施加電壓的變化。對(duì)于6kV級(jí)試樣： 室溫下的tanδ0.2Un=0.850%<3%，(tanδ0.6Un- tanδ0.2Un)/2=0.213%<0.3%，每0.2Un間距的tanδmax=0.233<0.6%，155℃時(shí)tanδ0.6Un=4.593%<10%，介質(zhì)損耗的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良；擊穿電壓為47.1kV，高于7Un(42kV)。10kV級(jí)試樣在室溫和155℃下的介質(zhì)損耗各項(xiàng)指標(biāo)同樣優(yōu)良；其擊穿電壓為81.9kV，明顯高于7Un(70kV/mm)。

表3　主絕緣結(jié)構(gòu)在電熱老化前的常規(guī)電性能

注： 表中數(shù)據(jù)為3個(gè)測(cè)試樣品試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表4是6kV級(jí)和10kV級(jí)主絕緣結(jié)構(gòu)的電熱老化壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)電熱老化后的剩余擊穿電壓。對(duì)于6kV級(jí)主絕緣結(jié)構(gòu)，在8個(gè)電熱老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，其中5個(gè)>1200h，2個(gè)>800h，1個(gè)>500h。10kV級(jí)主絕緣結(jié)構(gòu)的全部8個(gè)電熱老化壽命試驗(yàn)結(jié)果全部超過(guò)1200h。從表4可以看出，經(jīng)電熱老化試驗(yàn)后未擊穿的所有試樣都保留著優(yōu)良的耐壓性能。6kV級(jí)5個(gè)未擊穿試樣的擊穿電壓平均值為45.10kV，與電熱老化之前(表3)相比，保持率達(dá)到95.8%，而10kV級(jí)8個(gè)未擊穿試樣的擊穿電壓平均值為68.9kV，與熱電老化之前(見(jiàn)表3)相比保持率達(dá)到84.1%，說(shuō)明本主絕緣結(jié)構(gòu)在絕緣厚度減薄至6kV級(jí)單邊1.10(含防暈)、10kV級(jí)單邊1.92(含防暈)后，電性能仍超過(guò)了目前商業(yè)化產(chǎn)品的優(yōu)良品水平。試驗(yàn)表明： 超薄型主絕緣結(jié)構(gòu)具有良好的絕緣可靠性。

表4　高壓電機(jī)主絕緣結(jié)構(gòu)的電熱老化壽命及其剩余性能

2超薄型絕緣結(jié)構(gòu)在高壓電機(jī)制造中的實(shí)際應(yīng)用

采用本研究制備的超薄型主絕緣結(jié)構(gòu)與超薄型匝間絕緣結(jié)構(gòu)組合，制造了4臺(tái)超薄型高壓電機(jī)，包括6kV級(jí)2臺(tái)(2011年7月出廠)，10kV級(jí)2臺(tái)(2011年8月出廠)。上述4臺(tái)高壓電機(jī)自出廠后開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)使用，截至目前運(yùn)行情況良好。表5是4臺(tái)超薄型絕緣結(jié)構(gòu)高壓電機(jī)樣機(jī)的基本性能。

表5　超薄型絕緣結(jié)構(gòu)高壓電機(jī)的基本性能

表6是10kV超薄型高壓電機(jī)樣機(jī)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)特點(diǎn)。與傳統(tǒng)減薄型電機(jī)相比，超薄型高壓電機(jī)實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)電機(jī)定子銅減重3.3%，轉(zhuǎn)子銅減重5.1%，硅鋼片減重9.6%，絕緣材料減重32.0%，單臺(tái)電機(jī)總減重達(dá)到9.1%，總量減輕292kg，表現(xiàn)出明顯的減重效果和低成本化效益。

表6　10kV超薄型絕緣結(jié)構(gòu)電機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益

表7是超薄型絕緣結(jié)構(gòu)與國(guó)外同類技術(shù)水平的比較?？梢钥闯?，超薄型主絕緣結(jié)構(gòu)達(dá)到了國(guó)外Siemens 和ABB 公司的技術(shù)水平；在主絕緣厚度減薄至6kV級(jí)的1.10 mm(含防暈)和10kV級(jí)的1.92mm(含防暈)后，不但實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的明顯減重、縮小了電機(jī)體積、降低了制造成本，而且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)溫升的進(jìn)一步降低?？梢钥闯觯⌒徒^緣結(jié)構(gòu)高壓電機(jī)可有效提高電機(jī)單位體積功率、降低生產(chǎn)制造成本。

表7　超薄型絕緣結(jié)構(gòu)與國(guó)外同類絕緣技術(shù)水平對(duì)比

3結(jié)語(yǔ)

以設(shè)定的薄型少膠玻璃云母帶和薄膜云母帶為主絕緣繞包材料，通過(guò)交替半迭包工藝?yán)@包形成云母絕緣層結(jié)構(gòu)，經(jīng)高性能環(huán)氧酸酐樹(shù)脂VPI浸漬固化及薄型低阻防暈材料保護(hù)后制作的6kV和10kV超薄型高壓電機(jī)主絕緣結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的電性能和老化壽命。由其制造的高壓電機(jī)繞組溫升顯著降低，體積明顯縮小，制造成本大幅下降。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]清華大學(xué)，西安交通大學(xué).高電壓絕緣.北京： 電力工業(yè)出版社，1980年.

[2]EMERY F T, WILLIAMS M. Preliminary evalution of flat glass backed mica paper tape for high voltage coil groundwall insulation using vacuum-pressure-impregnation∥2011 Electrical Insulation Conference, Annapolis, Maryland, 2011(5): 175-179.

[3]HAQ S U, OMRANIPOUR R. Accelerated life testing of high voltage stator coils with enhanced PET-Mica insulation system∥2011 Electrical Insulation Conference, Annapolis, Maryland, 2011,47(10): 479- 482.

[4]NEAL J E. The use of polyester film in HV rotating machine insulation. IEEE Electrical Insulation Conference, 1995,9: 583-587.

The Ultra-thin Main Insulation Structures Lapped with Dry-mica Tapes for High Voltage Motors

ZENGCaiping

(Xiangtan Electric Manufacturing Co., Ltd., Xiangtan 411101, China)

Abstract：Effect of the insulation materials and structures lapped with dry-mica tapes on the main insulation properties has been systematically investigated. The ultra-thin main insulation structures of 6kV and 10kV grades have been successfully manufactured by alternative half-overlapped with the designed glass or PET mica tapes, followed by VPI with anhydride-cured epoxy resins and corona protection with low electrical resistant materials, and exhibited excellent insulation properties and long thermo-electric aging life. The high voltage motors fabricated with the ultra-thin main insulation structures are lowered in the servicing temperature rise, obvious lightweight and reduced in production cost.

Key words：backed dry-mica tape; vocuum pressure impregnating(VPI); high voltage motors; main insulation structures; breakdown voltage; thermo-electric aging life

收稿日期：2015-03-13

中圖分類號(hào)：TM 304

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)04- 0077- 05

作者簡(jiǎn)介：曾彩萍(1966—)，女，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姎饨^緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與絕緣技術(shù)。