國外無刷勵磁機(jī)國產(chǎn)化絕緣結(jié)構(gòu)的研究

劉鳳娟 李金勇 李銘 任志學(xué) 田永平

（北京北重汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司，北京 100040）

1 引言

Q97/330MW合作型發(fā)電機(jī)是出口印度機(jī)組，印度方堅(jiān)持要求采用無刷勵磁機(jī)與之配套。我公司在此前一直從法國ALSTOM購買配套勵磁機(jī)，沒有生產(chǎn)業(yè)績。為了滿足用戶需求，擺在我公司面前只有2條路：①繼續(xù)從法國購買勵磁機(jī)；②自主試制配套勵磁機(jī)。第一條路的購買成本為800萬元/臺以上，并且受制于人；選擇自主研制，生產(chǎn)成本僅200萬元/臺，經(jīng)濟(jì)效益顯著，而且可以提高公司的設(shè)計能力和制造工藝水平。因此公司于2006年10月底決定自主試制QL72交流勵磁機(jī)。

該機(jī)配套勵磁機(jī)（QL72）保留了法國原設(shè)計的先進(jìn)性，電磁參數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，頻率250Hz。對定子、轉(zhuǎn)子線圈的熱、電和機(jī)械性能，要求很高?，F(xiàn)役機(jī)組，基本上都是因絕緣“過熱”老化，導(dǎo)致“接地”惡性事故停機(jī)，損失巨大。因此定子線圈、轉(zhuǎn)子線圈的絕緣材料要根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)的需求，選擇耐熱等級F級以上的，并盡量選擇H級絕緣。通過課題研究，確定滿足設(shè)計和機(jī)組運(yùn)行要求的F級和H級繞組絕緣結(jié)構(gòu)。

2 絕緣材料選擇

2.1 定子磁極線圈匝間絕緣選材試驗(yàn)

定子磁極線圈平繞結(jié)構(gòu)擬采用邊繞邊墊匝間絕緣的工藝路線，然后熱壓固化成型。匝間絕緣的選取原則：

（1）厚度薄，為0.13－0.14mm，電氣、機(jī)械和耐熱各項(xiàng)綜合性能良好。

（2）工藝性能良好、盤狀通長材料予浸高溫高強(qiáng)膠，常溫干爽便于邊繞邊墊。

（3）與銅線粘結(jié)性能良好，線圈熱固化后整體性好，不易匝間短路。

國內(nèi)外傳統(tǒng)的磁極匝間絕緣一般使用環(huán)氧玻璃坯布和上膠NOMEX紙，選取兩種材料進(jìn)行性能對比試驗(yàn)，結(jié)果如表1。

表1

經(jīng)過繞制樣品線圈對比試驗(yàn)，上膠玻璃坯布熱壓固化后，與銅線粘結(jié)良好。但由于單層墊放，在其底材玻璃布的編織孔中殘留氣泡和針孔，使得局部粘接不良，留下“隱患”；在熱壓過程中，玻璃布外緣的玻璃絲隨著膠一起被擠出，會影響磁極線圈的散熱及外觀。而上膠NOMEX紙熱壓固化后與銅線粘結(jié)力強(qiáng)，由于底材N紙經(jīng)“軋制”，非常致密，因此具有較高的電氣、機(jī)械和耐熱性能，厚度均勻并且壓縮率低，使得磁極線圈尺寸穩(wěn)定性好。

綜合比較后，決定選用上DDS環(huán)氧膠的NOMEX紙作為定子磁極線圈的匝間絕緣。

圖1

2.2 轉(zhuǎn)子電樞線圈的股線絕緣和主絕緣選材試驗(yàn)

（1）電磁線的選擇：電樞線圈為半組式波繞組線圈，槽內(nèi)360°換位。電磁線為含銀軟銅扁線，H級超薄絕緣，絕緣雙面絕緣厚度0.2mm。與國內(nèi)電磁線制造廠經(jīng)過多次協(xié)商，研制的超薄型H級燒結(jié)滌玻含銀電磁扁銅線，含銀量 0.08%～0.12%，填補(bǔ)了含銀電磁線的國內(nèi)空白。

（2）電樞線圈主絕緣選材試驗(yàn)

電樞UN=542V，屬低壓電機(jī)，但因設(shè)計參數(shù)高，因此電樞線圈主絕緣由槽襯和導(dǎo)電桿絕緣組成，如圖2所示。主絕緣的選擇必須滿足以下要求：

1）主絕緣材料的電氣、機(jī)械和耐熱性能都必須優(yōu)良。成品線圈交流耐電壓試驗(yàn)高達(dá)10200V。嵌線裝配序間要進(jìn)行7次交流耐電壓試驗(yàn)，對主絕緣材料的電氣、機(jī)械性能是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

圖2

2）線棒主絕緣厚度薄，只有0.7mm。為保證線棒半疊包層數(shù)，主絕緣材料必須很薄。

3）耐熱等級F級以上，最好達(dá)到H級。

4）手工包扎，主絕緣的工藝性要好。

5）電樞繞組必須經(jīng)整機(jī)真空壓力浸漬，電樞線棒主絕緣冷壓后嵌線，因此主絕緣材料在常溫下必須儲存期長，不能出現(xiàn)“腫脹”。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，慎重考慮，能滿足上述要求的絕緣材料耐高溫?zé)峁虊好粜途埘啺繁∧ふ硯莾?yōu)選。

我們選擇了4個生產(chǎn)廠家，對提供樣品，進(jìn)行了機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度對比試驗(yàn)，材料性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

（3）樣品線棒上包扎應(yīng)用對比試驗(yàn)

對選用的4家亞胺薄膜粘帶進(jìn)行手工包扎工藝性對比試驗(yàn)，包扎層數(shù)同產(chǎn)品，直線段1/2迭包5層，端部1/2迭包6層。工藝性和擊穿性能如表3所示。

表2

表3

從表3數(shù)據(jù)看，J公司特種膠粘帶公司生產(chǎn)的H級膠（美國道康寧膠粘劑）亞胺薄膜粘帶無論電氣、機(jī)械性能還是包扎工藝性能以及成本均優(yōu)于國內(nèi)其他廠家的產(chǎn)品。

從包扎工藝性和擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，國產(chǎn)材料與國外公司的產(chǎn)品擊穿水平相當(dāng)，而J公司的亞胺薄膜粘帶的性價比較高。在工藝性試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)亞胺薄膜粘帶的寬度窄些，線棒轉(zhuǎn)角易包扎服帖（15mm寬好于20mm和25mm寬的），因此選定國產(chǎn)J公司生產(chǎn)的耐電暈型H級有機(jī)硅亞胺薄膜熱固性粘帶作為產(chǎn)品電樞線圈主絕緣。

圖3

2.3 電樞繞組VPI整浸

由于電樞線棒絕緣采用亞胺薄膜壓敏自粘帶，冷壓后，浸漬漆無法再滲入絕緣內(nèi)，整浸的目的是填滿電樞線棒絕緣和槽絕緣間的氣隙，使線棒和鐵芯固定成一體，滿足轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的需求。

浸漬留漆量試驗(yàn)：樣品線棒的端部，主絕緣層間放置白坯無堿玻璃絲帶，整浸后解剖，觀察無堿玻璃絲帶沒有浸漬漆，仍為白色，說明VPI浸漬浸不到亞胺薄膜粘帶層間，薄膜層間粘合好，無滲透縫隙。

槽內(nèi)浸漆情況試驗(yàn)：按照產(chǎn)品槽型尺寸，用鋼板制做了“U”形假電樞嵌線槽，將樣品線棒嵌入假槽內(nèi)，整浸。結(jié)果是槽內(nèi)留漆較多，縫隙基本填滿，效果滿意。

3 絕緣結(jié)構(gòu)電、熱老化壽命試驗(yàn)

電機(jī)在長期運(yùn)行過程中，絕緣受到電、熱、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境因子的聯(lián)合作用，逐漸老化，其機(jī)械和電氣性能逐漸變壞，擊穿電壓降低，最終導(dǎo)致絕緣失效。通過電氣性能參數(shù)及其變化趨勢來評估絕緣狀態(tài)，以及推算絕緣結(jié)構(gòu)的使用壽命。我們采用了測量介質(zhì)損耗tanδ變化量來評估老化試驗(yàn)對該絕緣結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)絕緣材料篩選結(jié)果，我們選定絕緣結(jié)構(gòu)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

膠化好的導(dǎo)電桿刷桐馬原膠1層，然后1/2迭包亞胺薄膜粘帶5層，外包浸膠玻璃絲帶1層。進(jìn)行VPI浸漬，浸漬漆為哈絕9110。

3.1 試驗(yàn)1

（1）試驗(yàn)點(diǎn)選取理由，由于國內(nèi)同行廠家沒有進(jìn)行過亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)的老化試驗(yàn)研究，沒有標(biāo)準(zhǔn)可循和經(jīng)驗(yàn)借鑒。老化點(diǎn)的選取原則根據(jù)亞胺薄膜材料在電熱聯(lián)合老化、電老化、熱老化條件下的tanδ—電壓的特性曲線。在未進(jìn)行老化試驗(yàn)前，對該絕緣結(jié)構(gòu)的樣棒進(jìn)行了tanδ測試，2300V時樣棒的介損出現(xiàn)突變。因此電老化的電壓選為2300V。

（2）試驗(yàn)過程，試樣先后進(jìn)行3次老化，老化樣本容量是2個，1#、2#線棒。

第1次老化是電-熱聯(lián)合老化：工頻電壓2300V，18h，溫度為150℃；

第2次老化為電老化：工頻電壓2300 V，24h；

第3次老化為熱老化：溫度200℃，24h。

在每一次老化試驗(yàn)前后均測試樣品線圈的介質(zhì)損耗和電容值。

（3）測試數(shù)據(jù)及分析

圖4 不同老化條件下2#試驗(yàn)樣棒的tanδ—電壓的特性曲線

從圖4分析可得出如下結(jié)果：

1）未老化試驗(yàn)的 tanδ曲線在測試電壓達(dá)到局部放電起始放電電壓以后變化比較平緩。

2）在 2000V 以上介損增加較大，主要原因是出現(xiàn)了局部放電。

當(dāng)測試電壓達(dá)到2300V 以后，?tanδ（?tanδ=tanδ2.5kV-tanδ2.0kV）的大小依次是電老化、熱老化、電熱老化。特別是電老化后的介損增加最明顯，老化較嚴(yán)重。

3）亞胺薄膜材料不耐電暈，雖然我們選用美國道康寧公司生產(chǎn)的耐電暈?zāi)z作為膠粘劑，但從曲線可知，電老化對該絕緣結(jié)構(gòu)影響最大。

4）在試樣的熱老化過程中，原來殘存在絕緣結(jié)構(gòu)中的水分、溶劑等不斷揮發(fā)，相應(yīng)地降低了絕緣內(nèi)部低分子數(shù)量和離子在電流中的遷移率，導(dǎo)致熱老化曲線下降。

（4）老化試驗(yàn)后進(jìn)行擊穿測試（見表4）

表4

擊穿電壓沒有因?yàn)楦鱾€老化過程而發(fā)生大幅下降。

3.2 試驗(yàn)2

（1）試驗(yàn)點(diǎn)選取原則

從試驗(yàn)1的數(shù)據(jù)分析可知，電老化因子對亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)影響最大，又由于亞胺薄膜耐熱等級H級以上，允許在200℃長期使用，因此熱老化對材料和結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)不如電老化大。因此下一步選取沒整浸的亞胺薄膜的試驗(yàn)線棒，經(jīng)過熱烘處理170℃/6h，進(jìn)行 100h，2700V（5倍額定電壓），50Hz的電老化試驗(yàn)。老化樣本容量3個：3#、4#、5#。

（2）測試數(shù)據(jù)及分析

在熱烘后、老化前后測試線棒的介質(zhì)損耗和電容值。測試曲線如圖5所示。

圖5 不同線棒電老化前后的tanδ—電壓的特性曲線

從測試曲線可知：電老化后tanδ曲線都下移，說明2700V，100h老化試驗(yàn)后絕緣材料性能沒有劣化，并且介質(zhì)損耗降低，主絕緣在進(jìn)一步固化。

（3）電老化后的擊穿電壓（見表5）

表5

擊穿電壓沒有下降。

3.3 試驗(yàn)3

（1）試驗(yàn)點(diǎn)選取原則：按照1mm加10,000V的電老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)線棒主絕緣厚0.6mm，試驗(yàn)電壓為6000V，50Hz，時間100h。老化樣本容量：2個包亞胺薄膜粘帶線棒為6#、7#。整浸后，考慮到該試驗(yàn)電壓下可能會出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，因此線棒表面進(jìn)行了防電暈刷漆處理。

（2）測試數(shù)據(jù)及分析

亞胺薄膜粘帶線棒電老化前后的介質(zhì)損耗從測試曲線可知：電老化后tanδ曲線都下移，說明6000V，100h老化試驗(yàn)后絕緣材料性能沒有劣化。介質(zhì)損耗降低，主絕緣在進(jìn)一步固化。但與 2700V電壓下的介損數(shù)據(jù)相比，曲線有所上升。

圖6

（3）電老化后的擊穿電壓（見表6）

表6

擊穿電壓沒有下降。由試驗(yàn)可知，亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)通過了耐電熱老化、200℃熱老化、6000V以下的電老化試驗(yàn)，總體的電氣性能優(yōu)異。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過本項(xiàng)課題研究，我們選定了出口印度機(jī)組 QL72勵磁機(jī)的定轉(zhuǎn)子線圈的主絕緣材料，及優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)。并在正式產(chǎn)品上成功的應(yīng)用，首臺樣機(jī)各項(xiàng)型式試驗(yàn)性能合格，圓滿地完成了科研任務(wù)，為QL72勵磁機(jī)的順利完成提供了技術(shù)支持。

（2）對選定的電樞線圈亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了電、熱老化試驗(yàn)，打開了國內(nèi)對亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)研究的先河。結(jié)果表明，亞胺薄膜耐熱性能非常優(yōu)秀。試驗(yàn)電壓低于2500V時亞胺薄膜對電應(yīng)力很穩(wěn)定，無老化現(xiàn)象，因此能保證勵磁機(jī)組長期可靠運(yùn)行。

（3）通過對電樞繞組的VPI整浸，使我們對VPI浸漆的工藝參數(shù)和防護(hù)要點(diǎn)有了了解，為研發(fā)需要整浸的新產(chǎn)品積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]IBF R27451A.采用TKJ、RK和RYK 勵磁方式的電樞繞組執(zhí)行的電氣試驗(yàn).

[2]何景彥,吳廣寧等.采用介質(zhì)損耗表征聚酰亞胺薄膜老化特征的研究[J].絕緣材料,2007(1):69-71.