梅 峰 方 銳

(武鋼有限檢修中心 湖北 武漢：430081)

某鋼廠2臺800kW風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著給高爐送風(fēng)助燃的任務(wù)。廠方為提高供電質(zhì)量，減少材料損耗,使風(fēng)機(jī)的性能得到充分發(fā)揮，提出對該電機(jī)實(shí)行技術(shù)改造。要實(shí)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)升壓改造，也就是風(fēng)機(jī)從一種電壓工作狀態(tài)變換到另一種電壓工作狀態(tài),并力求使電機(jī)額定功率、轉(zhuǎn)速、效率等性能基本保持不變，經(jīng)過核算，僅靠改接繞組接線方式是行不通的，必須對定子繞組進(jìn)行重新繞制。本文對其電機(jī)繞組參數(shù)進(jìn)行了可行性分析,并在線圈、匝數(shù)、截面積、絕緣處理等方面進(jìn)行了改進(jìn)。

拆除原繞組前應(yīng)先測量繞組各原始數(shù)據(jù),記錄見表1,圖1。

表1 高壓電機(jī)原始數(shù)據(jù)

圖1 定子磁槽(左：宏觀形貌；右：截面尺寸)

1 電機(jī)升壓改造可行性分析

電機(jī)在保持原來容量不變的條件下改壓，它的條件是應(yīng)保持電機(jī)的匝間電壓不變，導(dǎo)線的電流密度基本不變，這樣才能保持電機(jī)各部磁密和各部的溫升基本不變，保持原有電機(jī)的效率、功率因數(shù)、啟動電流和啟動轉(zhuǎn)距均符合原來的要求。這樣，電機(jī)的槽內(nèi)絕緣要增多，迫使導(dǎo)線截面積減少，往往降低容量。但為了盡量保持原有的容量，就要用較薄的耐溫等級高的絕緣材料，同時(shí)還要考慮結(jié)構(gòu)影響電機(jī)線圈的爬電距離等。在電機(jī)的級數(shù)、接線方式、并聯(lián)支路數(shù)不變的條件下，應(yīng)保持電機(jī)電壓與繞組匝數(shù)成正比，與導(dǎo)線截面積成反比，從而使氣隙磁密和熱負(fù)荷不變。故此電機(jī)只將定子繞組拆出重繞，改變電機(jī)導(dǎo)線的規(guī)格和匝數(shù)。

1.1 線圈匝數(shù)的計(jì)算

由于電機(jī)氣隙磁密不變，得到

W1/W2=U1/U2

則W2=(U2/U1)×W1

=7×104/6000=11.67

(1)

式中：W1為改壓前每槽線圈匝數(shù)；W2為改壓后每槽線圈匝數(shù)；U1為改壓前的額定電壓；U2為改壓后的額定電壓。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)滿足槽滿率需要，取

W2=11

(2)

1.2 額定電流計(jì)算

由于電壓為6kV和10kV時(shí)接法均為Y，I相=I線。

故U1/U2=I2/I1，得到

I2=(U1/U2)×I1

=6000×90.1/104=54.06(A)

(3)

式中：I1為改壓前的額定電流；I2為改壓后的額定電流。

1.3 導(dǎo)線截面積計(jì)算

由電流密度基本不變，得到S1/S2=I1/I2，

則改壓前的導(dǎo)線截面積

S1=3.0×6.9=20.7(mm2)

則改壓后的導(dǎo)線截面積

S2=(I2/I1)×S1

=54.06×20.7/90.1=12.42(mm2)

(4)

考慮到槽滿率問題，由公式(4)計(jì)算出來的截面積應(yīng)適當(dāng)減小，根據(jù)扁銅線的規(guī)格，電磁線絕緣層為0.55mm，選擇導(dǎo)線的線徑為

1.7×6.0=10.2(mm2)

改造前導(dǎo)線電流密度為

J1=I1/S1=4.35(A/mm2)

(5)

改造后導(dǎo)線電流密度為

J2=I2/S2=5.29(A/mm2)

(6)

與改造前的原電流密度相比，改造后的電流密度有所增加。由中小型電機(jī)設(shè)計(jì)參考值知，定子電流密度取值一般為4A/mm2-6A/mm2，考慮到電壓等級提高帶來的絕緣問題，對于電磁線的選用可行。

1.4 改造前后繞組槽部絕緣結(jié)構(gòu)

通過對改造前后繞組槽部絕緣結(jié)構(gòu)的對比計(jì)算及絕緣層的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)改變繞組的線號和匝數(shù)可以對該風(fēng)機(jī)進(jìn)行改壓(見圖2，圖3)。

圖2 改造前6kV繞組槽部絕緣結(jié)構(gòu)

圖3 改造后10kV繞組槽部絕緣結(jié)構(gòu)

2 電機(jī)改造后運(yùn)行性能評估

由以上公式(1)、(2)得知,改壓后每槽線圈匝數(shù)較改造前有所增加,此時(shí)氣隙磁密(也稱磁感應(yīng)強(qiáng)度)也相應(yīng)變大。由以上公式(5)、(6)的比較得知，電流密度J均較改造前有所增加。在其它因素如定子鐵心長度、內(nèi)徑都不發(fā)生改變的前提下，電機(jī)的輸出功率及轉(zhuǎn)矩有所增加，硅鋼片等材料得到更充分的利用。但磁感應(yīng)強(qiáng)度的提高引起定子鐵心損耗增加，電流密度J及線負(fù)荷的提高導(dǎo)致銅耗增加,這些因素的綜合影響會引起電機(jī)溫升提高，通風(fēng)冷卻條件變差，也需要引起注意?？紤]到該電機(jī)在現(xiàn)場起到送風(fēng)助燃的作用，不需帶重負(fù)載，也不存在過載運(yùn)行或頻繁啟動現(xiàn)象，對改造后性能的變化只做定性分析，認(rèn)定該改造對其現(xiàn)場運(yùn)行生產(chǎn)不會造成明顯影響。

3 施工中的問題

根據(jù)原繞組槽部絕緣結(jié)構(gòu)、該風(fēng)機(jī)升壓改造可行性分析及改造后運(yùn)行性能評估結(jié)果,為了在有限的磁槽空間內(nèi)保證電流密度和絕緣強(qiáng)度,施工中線圈匝間絕緣、槽部絕緣、端部絕緣及防暈結(jié)構(gòu)處理,工藝復(fù)雜技術(shù)要求高,存在的具體問題如下:

1)原工作電壓6kV高壓電機(jī)，其槽滿率本身已經(jīng)很高;2)由于定子工作電壓的提高，線圈導(dǎo)線規(guī)格選型問題;3)匝間及對地絕緣厚度也會相應(yīng)增加，必須采用先進(jìn)合理的工藝方法才能保證電機(jī)的對地絕緣厚度;4)線圈端部斜邊排列之間的距離很小,且升壓后線圈端部絕緣結(jié)構(gòu)(防暈結(jié)構(gòu))復(fù)雜，增加嵌線風(fēng)險(xiǎn)。在施工中必須解決這四方面的問題。

4 線圈絕緣工藝改進(jìn)

4.1 導(dǎo)線革新

在導(dǎo)線的選用上，采用近年來自主設(shè)計(jì)制造的新型號電磁線—聚酰亞胺玻璃絲漆包扁線(專利號Z200920083432.8)代替?zhèn)鹘y(tǒng)雙玻璃絲包扁線，該電磁線具有耐高溫性能好、耐壓標(biāo)準(zhǔn)高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是提高了繞制線圈的匝間絕緣性能,大大提高了電機(jī)整體絕緣強(qiáng)度和運(yùn)行性能。它改變了傳統(tǒng)電磁線絕緣性能低的問題，繞制后不需再用其它材料加強(qiáng)匝間絕緣，降低了繞組整體厚度，由此減小了槽滿率。

4.2 控制匝間尺寸,增加熱壓固化措施

因風(fēng)機(jī)槽滿率本身已經(jīng)很高,新型號電磁線的應(yīng)用免去了玻璃絲包扁線在線圈制作中需要處理匝間絕緣的工序。但為了更有效控制繞組的匝間尺寸，在繞組漲完型整體浸絕緣漆干燥后(剝?nèi)ゾ€圈綁扎帶)，增加了匝間模壓環(huán)節(jié),使槽部對地絕緣厚度受控。

匝間模壓溫度為180±5℃，時(shí)間為15-20min，冷壓，降至40℃左右后做匝間絕緣沖擊電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為每匝耐壓500V。

4.3 對地絕緣處理方法

線圈對地絕緣處理采用“卷包—半疊包復(fù)合工藝”替代傳統(tǒng)半疊包扎方式(連續(xù)式),新的對地絕緣處理工藝增大了帶與帶壓縫的爬電距離,提高了線圈槽部絕緣強(qiáng)度及電氣性能。

如果按照傳統(tǒng)工藝標(biāo)準(zhǔn)，主絕緣需半疊繞包13-15層，這種工藝雖然能保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)所需的絕緣強(qiáng)度，但也使電機(jī)槽滿率過高。以每個(gè)線圈繞包14層計(jì)，每層5440云母帶厚度為0.14mm，電磁線絕緣層為0.55mm，平包低阻帶厚度0.14mm。

則主絕緣厚度：

(0.14×4×14)+(0.14×2)=8.12(mm)，

考慮對地模壓量為15%，則模壓后的主絕緣厚度為：

8.12×0.85=6.902(mm)

線圈有效邊厚度為主絕緣厚度加上線圈匝間厚度即:

6.902+6.55=13.45(mm)>12.3(mm)(槽寬)，

無法嵌線。

采用卷包工藝能在保證電機(jī)絕緣耐壓強(qiáng)度的同時(shí)，明顯降低絕緣厚度。有資料表明，卷包結(jié)構(gòu)絕緣厚度1.35-1.5mm可以達(dá)到半疊繞包結(jié)構(gòu)2.0-2.5mm絕緣厚度同樣的電氣絕緣強(qiáng)度。經(jīng)過多次試驗(yàn)，采用”卷包—繞包復(fù)合工藝”，達(dá)到減薄主絕緣厚度，提高耐壓水平的目的。線圈對地絕緣厚度應(yīng)符合式(7)：

(7)

Un為額定電壓，K取7-9倍電場強(qiáng)度；E為峰值擊穿電場強(qiáng)度，23-30kV/mm。

使用0.12mm的9002云母帶在直線部分卷包3層，端部補(bǔ)包2層繞包，然后整個(gè)線圈用5440云母帶半疊包9層,線圈直線部分用低阻防暈帶平包一層即可。

每層9002粉云母帶厚度0.12mm，每層5440云母帶厚度0.14mm，每層低阻防暈帶0.14mm,絕緣厚度為

(0.12×2×3)+(0.14×4×9)+(0.14×2)=6.04(mm)

按15%的模壓量則：6.04×0.85=5.134(mm)

線圈有效邊厚度：5.134+6.55=11.684(mm)<12.3(mm)(槽寬)

與繞包工藝比較，新工藝制作出來的線圈主絕緣厚度減薄了1.70mm。此時(shí)，留出繞組嵌放的裕量為0.60mm。

4.4 線圈防暈及模壓處理

高壓電機(jī)定子線圈在通風(fēng)槽口及端部出槽口處，其絕緣表面的電場分布是不均勻的。當(dāng)局部場強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值(非均勻臨界場強(qiáng)8.1kV/cm)時(shí)，氣體容易發(fā)生局部電離，電離處藍(lán)色的熒光即為電暈現(xiàn)象。電暈產(chǎn)生的熱效應(yīng)、臭氧及氮的氧化物會損壞絕緣，因此對于由6kV改壓至額定電壓為10kV的高壓電機(jī)必須進(jìn)行防暈處理(見圖4、圖5)。

圖4 防暈處理

圖5 防暈結(jié)構(gòu)圖

在線圈直徑部分包以低阻防暈帶，一方面使通風(fēng)槽口電場分布較為均勻，降低軸向場強(qiáng)；另一方面低阻帶與槽壁接觸處處于低電位，將該處的間隙短路，從而避免了電暈產(chǎn)生。

對于防暈帶在包纏工藝上的要求：

1)線圈包纏對地絕緣后，線圈直線部分用0.14mm低阻防暈帶平包一層，采用平包時(shí)，每圈應(yīng)搭邊1～2mm。

2)線圈端部用0.2mm高阻半導(dǎo)體防暈帶半疊包一層，在直線部分與低阻防暈帶搭接20～25mm，在高阻帶外層和線圈兩端，用0.1mm交織帶或聚脂纖維熱縮帶半疊包一層，尺寸要求見表2。

表2 線圈防暈處理技術(shù)要求

備注：電壓10kV

3)線圈在處理好防暈之后，全線圈用0.04mm聚四氟乙稀薄膜帶平包一層。

10kV線圈有效邊對地模壓的溫度為185±5℃,時(shí)間為60分鐘。因線圈端部斜邊排列之間的距離很小,線圈端部采用專業(yè)夾具夾緊，通過線圈有效邊熱傳遞起到熱壓效果，保證端部外形尺寸,方便下一步嵌線減小工藝損傷。

熱壓結(jié)束后再移入水冷模壓，當(dāng)溫度降至約40℃時(shí)，卸下線圈，剝除定向帶做對地絕緣耐壓試驗(yàn)。

試驗(yàn)證明，采用”卷包—繞包復(fù)合工藝”制作出來的繞組絕緣強(qiáng)度要高于相同層數(shù)全繞包工藝制作的繞組。利用該工藝制作的線圈全部通過了32kV的標(biāo)準(zhǔn)耐壓。同時(shí)，因?yàn)榻档土私^緣厚度，不僅給施工人嵌線提供了方便，也使電機(jī)整體的絕緣性能得到了一定的提升。

5 結(jié)語

高壓風(fēng)機(jī)的升壓改造，必須保持電機(jī)導(dǎo)線的電流密度基本不變，因此改壓的原則是保持匝間電壓不變。改造后因槽內(nèi)絕緣加厚，槽滿率增高，故需改進(jìn)絕緣處理方式以提高耐溫、耐壓程度，保證電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。在此次改造中，綜合考慮了上述各因素的作用，充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備和材料的最大功用，最終用25天的時(shí)間完成此項(xiàng)改造任務(wù)，為鋼廠節(jié)省了新購置2臺電機(jī)的費(fèi)用，創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)效益約60萬元。同時(shí)，把新產(chǎn)品應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)踐的工期從購置等待2個(gè)多月縮短為25天，有力地保障了鋼廠生產(chǎn)運(yùn)行的連續(xù)性。