10kV級高壓電機定子繞組絕緣技術的探討

張東東，陳 健，王洪波，任勝偉

（北京三一電機系統有限責任公司，北京 102206）

10kV級高壓電機定子繞組絕緣技術的探討

張東東，陳 健，王洪波，任勝偉

（北京三一電機系統有限責任公司，北京 102206）

減薄主絕緣厚度、提高導熱能力、增強絕緣安全可靠性是現代電機絕緣技術的發展方向。本文從絕緣材料、絕緣結構及相關工藝特點方面，對10kV級高壓電機定子繞組絕緣進行了討論，為10kV級高壓電機產品的設計提供依據。

絕緣系統；高壓電機；定子繞組

1 前言

絕緣是高壓電機的核心技術，高壓電機絕緣系統需承受高的電應力、機械應力、熱應力和環境應力，惡劣的工作環境對電機運行穩定性、使用壽命提出更高要求[1]。

目前，高壓電機定子繞組主絕緣系統的發展方向是減薄主絕緣厚度、提高電壓等級、增加導熱能力、增強絕緣安全可靠性并延長其使用壽命。研制具有更高的電氣、機械強度和耐濕熱等性能的絕緣材料，設計更加科學的絕緣系統，成為了企業和科研單位的共同目標[2]。本文從絕緣材料、絕緣結構等方面，并根據相關工藝特點，對10kV級高壓電機定子繞組絕緣進行了討論。

2 絕緣材料及工藝

2.1 電磁線

電磁線包括漆包線和繞包線兩種類型。漆包線是由銅線外涂覆絕緣漆，經烘干固化而成，其中銅線一般為圓銅線。漆包線具有表面光滑，易于布線的特點，較多使用在中小型低壓電機。F、H 級及以上耐熱漆包線的品種主要是改性聚酯、聚酯酰亞胺、聚酯酰胺酰亞胺、聚酰胺酰亞胺、聚酰亞胺、芳香聚酰亞胺以及相關的復合漆包線。這類線涂層結構復雜，材料和制造成本高，應用不多[3]。

繞包線是指用薄膜、云母帶、玻璃絲等對銅線進行繞包而成的電磁線，絕緣厚度較厚，多用于大中型電機。為提高槽滿率，繞包線一般采用截面為矩形的銅扁線。常用的繞包薄膜及絕緣帶有聚酯薄膜、Q薄膜、聚酰亞胺薄膜、聚酰胺酰亞胺薄膜、芳香聚酰胺纖維帶(Nomex紙)、各種云母帶及復合帶等。其中，聚酰亞胺-F46薄膜燒結線絕緣層十分實密，絕緣厚度薄，機械彎曲性能好，電氣性能優良，適用于 10kV級中小型高壓電機。它是在聚酰亞胺薄膜表面上均勻涂覆一層可熔性氟樹脂F46（四氟乙烯-六氟丙烯共聚物），繞包后進行高溫紅外烘烤，氟樹脂F46熔融與銅線粘結。但由于表面附有氟樹脂 F46，電磁線與后續繞包的主絕緣之間的粘接性能不好，應用時須注意。

2.2 主絕緣用云母帶

云母帶是主絕緣的重要材料之一，主要由三種材料組成：介電材料、補強材料、膠粘劑，其中介電材料主要采用云母。云母帶按膠粘劑含量可分為多膠帶和少膠帶。少膠帶與浸漬樹脂的相容性在V.P.I工藝中占據重要地位。加入促進劑的少膠帶能使浸漬樹脂很快膠化，固化時間和固化溫度也得以縮短，總體性能比不含促進劑的少膠帶好。純環氧酸酐體系用的少膠帶含的促進劑為環烷酸鋅，如Isola公司的Samicapor 366. 55 – 3[4]。

高導熱絕緣材料已成為現代電機技術研究的重點方向之一，主要有無機非金屬導熱絕緣材料和聚合物基導熱絕緣材料。對于填充型導熱絕緣材料，導熱填料本身的熱導率、純度等都會影響填充后的聚合物絕緣材料的導熱性，因此研究具有高導熱的新型導熱填料，并對填料進行表面處理，使其能夠更均勻地分散在基體樹脂中，將有效地提高導熱絕緣材料的導熱性能。日本東芝公司和瑞士依索拉(Isola)公司合作，在VPI (Vacuum Pressure Impregnated ，真空壓力浸漬)少膠云母帶的膠中添加無機高導熱材料 BN，制備出高導熱主絕緣材料，降低了發電機定子鐵心、繞組銅導線的絕緣溫差，使溫度均勻分布[5]。

2.3 絕緣浸漬漆

隨著電器設備的小型化、高容量化，以及人們對環保的要求，無溶劑漆成為絕緣浸漬漆的主要發展方向。目前，耐高溫無溶劑絕緣浸漬漆主要類型包括有機硅類、二苯醚類、聚酰亞胺類、聚酯酰亞胺類、環氧樹脂類以及不飽和聚酯類[6]。

環氧酸酐無溶劑浸漬漆解決環氧樹脂無溶劑漆原有的粘度大的缺點，利于絕緣材料的浸透，適合主絕緣較厚的10kV級中小型高壓電機的VPI工藝。Isola公司的 SB3407樹脂和西門子 Micalastic絕緣系統ET884浸漬樹脂[7]屬于純環氧酸酐浸漬系統，在實際生產中取得了很好的效果。

2.4 定子整體浸漬工藝

當前，高壓電機主絕緣分為“多膠-模壓”和“少膠-整浸”兩種體系。“少膠-整浸”體系通過真空壓力浸漆（VPI）工藝可使浸漬樹脂滲透到電機絕緣結構中的各個部位，充分填充絕緣層內所有細微空間，經烘焙固化后形成一個致密絕緣層，克服了“多膠-模壓”體系不能徹底驅除絕緣中殘存氣體的缺點，理論上這將大大減少局部放電現象，更能承受變頻時的瞬間脈沖電壓，使絕緣的整體性大幅提高[8]。

真空壓力浸漆技術作為當今世界上最先進的絕緣處理技術，被國內外的許多公司廣泛應用。采用它可以制造無氣隙絕緣，使線圈絕緣各部件連續性和導熱性佳，槽滿率高、防潮性能優異，從而提高電機的技術經濟指標和運行可靠性。真空壓力浸漆技術提高了整個定子的機械性能和導熱能力，而且生產效率也比較高，適用于制造高可靠性的10kV級高壓電機。

3 定子繞組絕緣結構

3.1 對地絕緣結構

定子線圈主絕緣厚度是絕緣水平先進的標志之一。目前，10kV H級電機定子絕緣單邊厚度約為2.4～2.7mm，大都采用少膠VPI技術，主絕緣厚度較薄，典型的10kV級電機主絕緣結構如表1所示。

表1 10kV級電機主絕緣系統結構

3.2 防暈結構

在生產中，線圈槽部寬度尺寸一般比鐵心槽寬度小0.3mm 以上。當電機額定電壓在6kV 及以上時，氣隙中最高場強高于空氣中不均勻電場下的起暈場強而產生電暈，形成電腐蝕，損傷主絕緣。因此，高壓電機定子繞組線圈端部表面必須進行防暈處理[9]。

防暈的原理是使線圈槽部外表面和鐵心槽壁之間的氣隙短路，使槽口外線圈端部表面電位梯度盡量均勻。其方法有內屏法、線性電阻調節法和非線性電阻調節法，目前國內外均廣泛采用[10]。

線圈槽部表面低電阻防暈層，目前有涂刷型和一次成型兩種。一次成型結構是用低電阻防暈帶包在主絕緣外，與主絕緣一起熱壓成型，典型的防暈結構如圖1和表2所示，這種槽部防暈結構一般用在額定電壓高于10.5kV的電機繞組上。低電阻防暈帶分為全固化低電阻防暈帶和半固化低電阻防暈帶。全固化防暈帶適用于少膠絕緣體系，半固化防暈帶適用多膠絕緣體系。

圖1 定子線圈防暈結構

表2 定子線圈防暈結構參數

4 結論

減薄主絕緣厚度、提高導熱能力、增強絕緣安全可靠性是現代電機絕緣技術的核心任務。研發可靠、經濟、環保的絕緣材料，設計科學、合理的絕緣結構，應用低耗能、高可靠的工藝方法，為10kV級高壓電機產品的設計提供依據。

[1] 孫景力. 簡述大電機絕緣的現代化[J]. 電器工業,2009, (12) : 63-65.

[2] 邢文杰. 高電壓大電機絕緣系統的現代化[J]. 電器工業, 2010, (7) : 59-61.

[3] 隋銀德. 高壓電機絕緣系統的研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱理工大學, 2004.

[4] 伍尚華,吳學明,韓勇,等. 環氧- 酸酐型主絕緣VPI配套材料國產化探索[C]. 第十屆絕緣材料與絕緣技術學術會議論文集, 2008. 9: 161-166.

[5] 董阜敏, 黃祖洪, 周鍵. 國內外高導熱主絕緣材料的現狀及發展動向[J]. 電氣技術, 2009, (1):5-8.

[6] 董月云, 高壓電機用環氧絕緣浸漬漆的研究[D].上海: 上海交通大學, 2007.

[7] 陳宗旻, 田建輝. 環氧樹脂在電機絕緣中應用[J].上海大中型電機, 2010, (3):44-47.

[8] 周鍵,祝晚華,黃孫息. 國內外大中型高壓電機真空壓力浸漬樹脂的研究現狀及發展趨勢[J]. 絕緣材料, 2010 ,43(5) :30-34.

[9] 羅紅. 高壓定子線圈的防暈處理[J]. 東方電機,2002, 30(3) : 234-236.

[10] 盧春蓮. 高壓電機定子線圈防暈材料及防暈結構發展現狀[J]. 絕緣材料2010, 43 (4): 27-37.

審稿人：滿宇光

Discussion of Insulation System of Stator Coils for 10 kV Electric Machine

ZHANG Dongdong, CHEN Jian, WANG Hongbo, REN Shengwei
(Beijing Sany Electric Motor & System CO., Ltd, Beijing 102206, China)

Reducing the thickness of the main insulation, increasing the heat capacity, enhancing insulation safety and reliability is the developing tendency of modern electric machine insulation. This paper discusses 10kV high voltage stator winding insulation in terms of insulation materials, structure and process characteristics, providing the basis for the design of 10kV high-voltage electric machine products.

insulation system; HV electric machine; stator coils

TM303

A

1000-3983(2014)03-0041-03

2013-10-12

張東東（1987-），2011年畢業于北京科技大學材料學專業，碩士，現任職于北京三一電機系統有限責任公司研究院，主要從事風力發電機絕緣技術的研究工作。