國產耐電暈云母帶在電力推進用發電機上的應用

宋宏 孟永奇 喬俊麗 曹維軍

（1. 海軍裝備部，太原 030027；2. 中船重工電機科技股份有限公司，太原 030027）

1 引言

隨著電力電子技術的迅速發展，大功率交流電機的變頻調速技術日益成熟，艦船電力推進技術在國內的應用也得以迅速推廣。在艦船電力推進系統中，發電機的負載多為變頻負載，基于變頻負載的特殊性對電機的絕緣設計提出了新的課題。目前帶變頻負載的發電機一般采用耐電暈聚酰亞胺薄膜云母帶作為電機的主要絕緣材料，其中多數電機采用杜邦公司的KaptonCR薄膜制成的云母帶，或直接采用國外公司的少膠VPI絕緣體系，如Isola、ABB、Simens等。這些絕緣材料價格昂貴、供貨周期長，且貨源受制于人，不利于在重要項目上應用。本文分析比較了杜邦公司和國產的耐電暈聚酰亞胺（PI）薄膜以及不同薄膜制成的云母帶的電氣性能，同時匹配不同的浸漬漆制成線棒做了大量的試驗，提出了國產耐電暈PI薄膜云母帶的應用解決方案。

2 電力推進用發電機的運行狀況及對絕緣的影響

2.1 電力推進發電機的運行狀況

電力推進用發電機是艦船綜合電力系統中的一個子模塊，其主要功能是為推進系統提供電源，大功率推進變頻器是其主要的負載。由于大功率變頻器的使用給艦船電力系統造成諧波污染，對線路中的電力推進電機、通信導航設備、儀器儀表等造成諸多不利影響。主要為以下幾方面：

1）產生附加損耗和過熱。由于諧波頻率高，集膚效應顯著，使繞組中諧波電流分布不均勻，電機繞組的有效面積減小，同樣功率密度下發熱比普通電機嚴重。另外，諧波電流在定、轉子鐵心表面、齒部、軛部、阻尼繞組及機械結構件中產生附加損耗也使電機的溫升增大[1]。

2）產生機械振動和噪聲。電機繞組中流過正序和負序諧波電流時會產生諧波轉矩，引起電機一定倍頻的機械振動和噪聲，如果該頻率接近電機的固有頻率，會引起電機的強烈振動和嘯叫。

3）諧波會引起電力推進系統中局部的并聯諧振和串聯諧振，使諧波放大，進一步增加了上述危害。

2.2 變頻負載對發電機絕緣的影響

由于電力推進用發電機負載多為變頻負載，變頻器內部PWM逆變器的IGBT開關元件工作頻率高達20 kHz或以上，且具有很大的du/dt值，即在非常短的時間內定子繞組承受很高的電壓，通常380 V電壓等級的IGBT變頻器其du/dt值可達幾千 V/μs。如此高的 du/dt值使絕緣內部電應力增加而發生局部放電，發電機的絕緣材料發熱嚴重甚至碳化，最終使發電機的絕緣壽命終結，這就使得電力推進用發電機絕緣的耐高頻脈沖性能成為關鍵指標。另外變頻負載易引起過熱，絕緣設計時必須選擇耐高溫的絕緣材料。因此采用耐電暈和耐高溫的絕緣材料是提高絕緣結構耐高頻脈沖性能的主要技術措施。

3 目前采用較多的絕緣方案

3.1 電力推進電機絕緣結構介紹

以690 V低壓同步發電機為例，電力推進用發電機定子槽內的絕緣結構如圖1所示：

圖1 發電機定子槽內的絕緣結構示意圖

與普通相同電壓等級的同步發電機主要不同之處在于：

①電機對地絕緣與槽之間采用半導體防電暈材料，即圖示中的低阻紙。

②對地絕緣的云母帶采用CR薄膜玻璃粉云母帶。

③若線圈為多匝線圈結構，則線圈的匝間絕緣也需選用耐電暈材料，電磁線通常采用CR薄膜燒結電磁線或CR薄膜玻璃粉云母帶繞包電磁線，利用電磁線的自帶絕緣作為線圈的匝間絕緣。

④浸漬漆采用揮發劑小于 10%的無溶劑樹脂。

槽內對地絕緣與鐵心之間采用半導體防電暈材料是為了保證槽內線圈與鐵心同電位，使發電機在運行過程中線圈表面不產生電暈現象。

3.2 耐電暈薄膜及耐電暈云母帶的組成

PI薄膜是目前耐熱性最好的薄膜，可在555℃短期內保持其物理性能，長期使用溫度達200℃以上，但PI薄膜由于是有機高聚物耐電暈性不高。杜邦公司采用50～500 nm的氣相氧化鋁填充PI薄膜，使該薄膜的耐電暈性能提高10倍以上。我國通過幾十年的研究，通過在PI薄膜中添加一定量的無機納米材料如Al2O3、SiO2、TiO2以及層狀硅酸鹽等制成了耐電暈的PI薄膜。其耐電暈性能的提高主要有幾方面的原因：

①硅、鋁等無機物材料有優異的熱傳導性，可以及時傳導電暈過程中產生的熱量。

②硅、鋁等無機物材料的存在有利于載流子的傳輸，使內電場均勻化，等效消除了空間電荷聚集引起的電場集中，從而提高了絕緣材料的耐電暈壽命。

③ S i - O、Al-O的鍵能均大于C-N的鍵能，具有較高的抗氧化性和熱穩定性，在電暈過程中，表面層的 PI受到電暈老化降解為小分子的物質離開表面，無機納米粒子留在薄膜表面形成一層保護層[2]。

電力推進用發電機中使用的耐電暈 PI薄膜云母帶即為耐電暈PI薄膜替代純PI薄膜作為補強材料制成的云母帶，可以根據具體的絕緣結構設計制成單面補強或雙面補強的云母帶，其中膠粘劑的選擇除需考慮與浸漬漆的相容性外，還需考慮膠粘劑本身的耐高頻脈沖性能，避免膠粘劑本身在高頻脈沖的作用下發生過熱燒損絕緣。

4 國產耐電暈云母帶的應用分析

4.1 國產與進口耐電暈薄膜性能比較見表1。

表1 耐電暈薄膜檢測值

從表1可見，在試驗電壓下國產和進口薄膜的耐電暈性能接近。需要說明的是有資料顯示國產耐電暈薄膜與進口耐電暈薄膜在 1.5～2 kV范圍內測試時，耐高頻脈沖壽命無明顯差別，但在更高電壓下檢測時有較明顯差別，一般國產耐電暈薄膜的耐高頻脈沖壽命為進口耐電暈薄膜的50%～70%。

4.2 國產與進口耐電暈云母帶性能比較見表2

表2 耐電暈云母帶檢測值

從表2可見，國產和進口薄膜復合成云母帶后耐電暈性能接近，為電力推進用發電機耐電暈云母帶的國產化奠定了基礎。

4.3 某產品兩種云母帶的絕緣結構試驗分析

為進一步比較國產和進口耐電暈薄膜云母帶的絕緣性能和工藝性，用兩種云母帶浸不同的浸漬漆后制成線棒進行測試，分別選取四個廠家的云母帶制樣。表3、表4為試樣浸不同浸漬漆后的常態介損值，表5、表6為試樣浸不同浸漬漆后的熱態介損值，表中所列值為多個線棒所求平均值。表中A、B、C、D分別為四個廠家的代號，J表示使用進口耐電暈薄膜云母帶，G表示國產耐電暈薄膜云母帶。

表3 浸1#浸漬漆試樣的常態介損值( % )

絕緣結構的介質損耗越小，表明該絕緣結構的相容性和整體性能越好，缺陷越少。從表3和表4可看出，試驗電壓小于1000 V時，國產帶試樣與進口帶試樣的常態介質值基本相同，試驗電壓大于1000 V時，不同廠家各有差異。由于電力推進電機的額定電壓只有幾百伏，但絕緣表4 浸2#承受的諧波電壓峰峰值均很高，因此更應看重絕緣結構在高壓和熱態下的表現，從表3和表4還可看出 3000 V時所有廠家的不同試樣性能基本在同一水平，其中B廠家的國產帶性能最好。從表5和表6可看出，國產帶試樣與進口帶試樣相比其熱態介損值均較低，說明國產耐電暈云母帶與選用的絕緣結構的相容性和工藝性均略好于進口耐電暈云母帶。當然這些數據是在現有的試驗條件下測得的，與絕緣結構在電機實際運行時的表現會有差異，但根據試驗數據可以推論，實際運行時國產云母帶與進口云母帶的性能相當。

表4 浸漬漆試樣的常態介損值( % )

表5 浸1#浸漬漆試樣的熱態介損值( % )

表6 浸2#浸漬漆試樣的熱態介損值( % )

5 結論

國產耐電暈 PI薄膜云母帶與進口耐電暈 PI薄膜云母帶的耐高頻脈沖壽命接近，與選用的絕緣結構的相容性良好，工藝性好，可以替代進口耐電暈 PI薄膜云母帶應用于電力推進用發電機上。

[1]張宗桐. 變頻器應用與配套技術[M]. 北京： 中國電力出版社, 2008.

[2]梁鳳芝, 陳磊, 陳昊, 范勇. 納米硅/鋁氧化物雜化聚酰亞胺薄膜的制備與電性能研究[J]. 絕緣材料,2011, 44(1)： 1-5.