H級高壓電機絕緣結構研究

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(哈爾濱電氣動力裝備有限公司 ，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

隨著社會的進步，電機逐漸朝高電壓、大容量、高溫、高頻率方向發展，而H級電機由于耐熱性好，使用壽命長，運行可靠性高，能適應嚴苛的技術要求等特征，在軍工、核電、風電等領域對H級電機的需求量越來越大。據了解，我國H級低壓電機應用較早，而H級高壓電機受主絕緣材料和浸漬樹脂的限制，研究開發廠家較少。本文介紹了我公司新產品4kV、6.3kV 電機 H級絕緣結構。

1 H級絕緣材料的篩選和確定

1.1 繞組線

H級繞組線的種類較多，有漆包銅扁線、玻璃絲繞包銅扁線、薄膜繞包銅扁線、薄膜燒結線、云母繞包線等。對繞組線的性能要求是：適合編織成型，機械強度好，電氣性能高，銅導體與股線絕緣具有良好的粘結性能。

經繞組線性能測試及工藝試驗，篩選出180℃級的單玻雙聚酰亞胺-氟46復合薄膜繞包銅扁線在4kV電動機上應用；0.065mm聚酰亞胺薄膜補強的云母帶繞包線在6.3kV發電機上應用。其性能完全滿足技術要求，性能指標分別見表1、表2。

1.2 云母帶

本絕緣系統設計中的主絕緣全部選用少膠粉云母帶，少膠粉云母帶的性能決定了電機線圈絕緣的絕緣質量。少膠云母帶是主絕緣的基礎材料，在一定程度上它的性能好壞決定了主絕緣的水平。少膠云母帶種類不少，但既要保證線圈的電氣強度又要減薄絕緣厚度，難度較大。我們與生產廠家重點在云母帶組成成分與成分含量方面進行了研究，開發研制新型少膠云母帶，新型少膠云母帶的優越性在于：(1) 單面補強，以便減小云母帶中補強材料含量，提高云母含量；(2) 采用定量較高的鱗片粉云母紙，提高云母帶的抗切通性；(3) 以較高的鱗片粉云母紙為基材，可以提高電氣性能和機械性能；(4) 膠含量小，以改善云母帶的滲透性能，增強電機繞組的整體性；(5) 有足夠的抗張強度，不分層不飛粉，有利于線圈主絕緣的包繞，不污染環境。

因此，與國內相關絕緣材料廠家合作研究，開發了兩種新型的H級少膠云母帶，其技術要求見表3。

表1 單玻雙聚酰亞胺-氟46復合薄膜繞包銅扁線基本性能指標

表2 云母帶繞包銅扁線性能指標

表3 新型H級云母帶主要性能指標

1.3 浸漬樹脂

在VPI絕緣系統中，浸漬樹脂的選擇是VPI絕緣的關鍵之一，浸漬樹脂直接關系到電機絕緣的性能和應用工藝性及電機繞組的整體性。浸漬樹脂除了應具有優異的機、電、耐熱性外，還要具有下列要求：粘度低，以便能有效地浸漬；飽和蒸汽壓力低，使之能夠在低真空下操作；在適宜的溫度下膠化時間短，烘焙時減小流膠；環保，毒性小，閃點高；固化不受金屬等物質的影響，即使受到催化劑的作用，仍有較長時間的儲存期；成本低。

經試驗篩選，選用了H級環氧樹脂改性可自聚低分子不飽和單體浸漬樹脂。該浸漬樹脂耐溫等級≥180℃。

2 定子繞組絕緣

定子繞組是電機的核心部件，被稱為電機的心臟，而匝間絕緣和對地絕緣就是構成心臟的最關鍵部分。

2.1 匝間絕緣

高壓交流電機由于電機電磁設計時需達到一定的安匝數，線圈設計通常為多匝結構。在線圈制造過程中，匝間絕緣所受的機械力(彎曲、扭轉、敲擊等)遠高于主絕緣，再加上電機運行中經常受到的沖擊電壓的侵襲，因此匝間絕緣所處的工作條件是苛刻的。

為提高匝間絕緣的可靠性和減薄絕緣厚度，從電機設計、制造和運行等方面綜合考慮，采取如下技術措施。

(1)匝間絕緣厚度對槽利用(槽滿)率的影響很大，采用較薄絕緣的結構。

(2)有良好的耐熱性，與電機耐熱等級相匹配，因為匝間絕緣直接與導體相接觸，處在熱的最嚴酷條件下運行。

(3)有長期承受各種沖擊過電壓的能力，高的介電強度，保證長期運行的耐熱性。

(4)具有良好的耐電暈性，以防繞組內部電腐蝕。

(5)具有足夠的機械強度，在線圈制造過程中匝間絕緣承受機械力(彎曲、扭轉和敲擊等)作用時，其性能不應下降過多，匝間絕緣處理后，線匝應粘合密實且有一定強度。

(6)與主絕緣相容性好，而且制造工藝應簡單實用。

總之，要求匝間絕緣在電機予期的壽命期間，保持必要的絕緣水平。

2.2 對地絕緣

對地絕緣必須具有良好的耐電、熱、機械和環境等各種應力的能力。

定子對地絕緣又稱為電機的主絕緣，對定子線圈的導體和定子鐵心起電氣隔離的作用。鑒于繞組的核心作用，在模擬試驗線圈上需進行一系列嚴格的試驗。常規試驗項目如介質損耗因數、局部放電量測試、絕緣電阻測試、直流耐電壓試驗、交流耐電壓試驗、起暈電壓試驗、工頻瞬時擊穿電壓試驗和老化試驗等。通過這些檢測試驗可以確定電機定子繞組的絕緣性能，絕緣性能又可以綜合地反映出所用絕緣材料、絕緣結構和絕緣工藝的配合狀態。

在試驗過程中對不同絕緣結構的試驗線圈進行了絕緣性能試驗，確定了絕緣結構。模擬線圈各項性能測試和試驗均滿足設計要求。模擬線圈見圖1。常態介損見圖2。其熱態介損180℃0.6UN下平均為8.5%；擊穿電壓值平均為60kV。從測試結果可知，定子線圈的電氣測試值均合格，且分散性較小。

按NB/T 42004—2013及NB/T 42005—2013標準對6.3kV級試驗線圈進行了電老化和電熱老化試驗。其結果為電老化：12.6kV電壓下通過了1200h;電熱老化：155℃ 13.7kV電壓下通過了400h。

圖1 試驗線圈

圖2 試驗線圈介損曲線

3 VPI整體浸漬工藝參數的確定

高壓電機繞組絕緣整體進行VPI浸漬，可以使電機繞組絕緣無氣隙或少氣隙，增加繞組絕緣導熱性，提高槽填充率和繞組的防潮性能，同時繞組固定的更牢靠，電氣性能更優異。以此保證電機運行可靠性和使用壽命等。

經過工藝試驗和性能試驗，確定了最佳的VPI工藝參數，制定VPI工藝守則，保證了H級高壓電機的制造質量。其主要參數為真空度20Pa 6h；分階段加壓最終0.5MPa 4h；烘焙160℃±5℃ 15h。

4 應用

該成果已成功應用在電機產品中，4kV電機已在某鋼廠中運行了4年，某6.3kV發電機已運行了2年，目前運行狀況良好。

5 結語

(1)通過模擬線圈試驗驗證，絕緣材料及浸漬樹脂等材料選材正確，絕緣結構設計合理，工藝可靠。

(2)H級絕緣系統的模擬試驗線圈各項性能指標優良，電老化和電熱老化均達到標準要求。滿足H級電機的技術要求和產品設計要求。

(3)研究并應用成功的H級6.3kV級絕緣系統具有一定的推廣價值，也會對H級高壓電機絕緣系統的提升，發展和新開發有一定的指導意義。