80 MW變頻調速同步電動機絕緣系統研究及應用

2019-09-27 09:34:20祁世發

上海大中型電機 2019年3期

祁世發，劉洋，吉超

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

FL-62風洞主驅動壓縮機系統電機是我公司和中國航空工業集團公司沈陽空氣動力研究所合作項目，項目研制成功不僅為國家航天事業做出貢獻，而且增強我公司的技術實力，提高公司的市場競爭力。

FL-62風洞主驅動壓縮機系統電機，額定電壓為11 kV，變頻調速(調速范圍100～500 r/min，對應頻率10～50 Hz(恒轉矩)；500～860 r/min對應頻率50～86 Hz(恒功率))，額定功率為80 MW，定子繞組采用條式線棒少膠VPI絕緣結構。11 kV、變頻、80 MW條式線棒少膠絕緣結構我公司還是首次設計，其絕緣考核電壓為13.8 kV。為此對絕緣材料的開發、研制、改進和絕緣結構設計、試驗及工藝探索等進行了研究。

1 絕緣材料的選用

1.1 繞組銅線

FL-62風洞主驅動壓縮機系統電機定子繞組由條式線棒組成，而條式線棒由多股并聯的絕緣股線組成。選擇絕緣厚度薄、耐熱性高、電性能優良、附著性好的滌綸玻璃絲包燒結線。

我公司之前設計的11 kV、變頻、大容量電機繞組多采用圈式結構。同一電壓等級下圈式線圈有匝間絕緣，相當于增強了主絕緣厚度；而條式線棒無匝間絕緣，因此對股線絕緣和主絕緣電氣性能要求更高。為了不增加股線絕緣厚度，又能提高股線電氣性能，公司與電磁線廠家聯合開發了一種薄型滌綸玻璃絲包燒結漆包銅扁線(HPC8671)，其擊穿電壓和傳統線棒使用雙滌綸玻璃絲燒結線(DSBEB-20/155)的擊穿電壓對比見表1。

從表1中數據可以看出，同等絕緣厚度情況下，HPC8671的電氣性能要遠遠高于DSBEB-20/155。

1.2 少膠云母帶

少膠云母帶是少膠VPI絕緣的基礎材料，它的性能對線棒絕緣有重要影響。我們篩選了兩種含有促進劑的云母帶，即無堿玻璃纖維布單面補強少膠云母帶(HEC5442-1A)和聚酯薄膜單面補強少膠云母帶(HEC5442-1B)。

少膠云母帶的性能指標及實測值見表2。

從表2可見，少膠云母帶的性能滿足技術指標的要求。

1.3 環氧無溶劑浸漬樹脂

無溶劑浸漬樹脂是VPI絕緣的關鍵材料，直接影響電機絕緣的性能和應用工藝性，它除了應具有優良的機、電、理化綜合性能外，還受到膠化時間、貯存期、黏度、烘焙流失等因素制約。經過充分的論證和試驗研究，采用環保型T-H1169低黏度環氧浸漬樹脂作為我公司長期使用的浸漬樹脂。T-H1169是由進口高純度環氧樹脂通過改性，加特種潛伏性固化劑配制而成的單組份無溶劑低黏度環氧浸漬樹脂。該樹脂和少膠云母帶兼容性好，固化后機械電氣、耐濕熱、耐鹽霧、防潮抗水、耐氟利昂等綜合性能優異，貯存穩定性好，能夠滿足高壓電機絕緣技術要求。

1.3.1 T-H1169環氧無溶劑浸漬樹脂性能

T-H1169環氧無溶劑浸漬樹脂性能見表3。

表1 HPC8671與DSBEB-20/155擊穿電壓對比

表2 云母帶的性能指標

表3 T-H1169環氧無溶劑浸漬樹脂性能

*項目7、8、9漆餅固化條件：140±1 ℃/2 h，170±1 ℃/10 h。

1.3.2 溫度對樹脂黏度的影響

黏度是決定浸漬樹脂流動性和滲透性的主要因素。圖1為T-H1169樹脂和東芝TVB2711K樹脂的黏度溫度關系曲線。

由圖1可以看出，T-H1169在室溫下的黏度比TVB2711K更低，滿足電機繞組的浸漬要求，具有良好的溫度黏度特性，樹脂的滲透性填充性十分優異；而且與國外傳統VPI浸漬樹脂相比，T-H1169的室溫黏度大幅下降，在室溫條件下就完全滿足電機電氣設備的絕緣浸漬，避免了重復加熱樹脂而導致樹脂儲存穩定性差的情況，節約了大量能源，縮短了生產周期，提高了經濟效益。

圖1 T-H1169與東芝TVB2711K浸漬樹脂黏度溫度關系

1.3.3 儲存穩定性

T-H1169環氧浸漬樹脂采用新型固化體系，克服了傳統單組份環氧固化劑易吸潮的缺點，因此具有優異的儲存穩定性，該浸漬樹脂已在我公司使用三年多的時間，圖2為T-H1169在使用期間室溫黏度變化情況。

圖2 T-H1169在使用期間的室溫黏度變化情況

從圖2可以看出，T-H1169環氧浸漬樹脂在三年多的使用期間內室溫黏度始終保持在30～60 s(涂-4黏度計，23±1 ℃)的區間內，黏度增長十分平緩，儲存穩定性優異，可以滿足長期使用的要求。

1.4 防暈材料

VPI絕緣用的防暈帶與模壓絕緣用的防暈帶相比，主要不同之處在于：一是VPI絕緣用低阻防暈帶的阻值較低，這是因為浸漬時會有浸漬樹脂進入低阻防暈帶中的導電物質中間，使電阻變大；二是VPI絕緣用防暈帶與浸漬樹脂相容，不會污染浸漬樹脂；三是VPI絕緣用低阻防暈帶應有一定的透氣性，以不影響繞組絕緣在真空壓力浸漬時的浸漬效果。通常VPI絕緣用防暈帶為全固化防暈帶。

全固化整浸防暈帶的性能指標見表4。

表4 全固化整浸防暈帶的性能指標

目前產品上用全固化整浸防暈帶各項性能完全達標，并滿足了絕緣結構設計和工藝要求。

2 定子絕緣結構設計研究

高壓交流電機定子繞組絕緣在運行中受到電、熱、機械和環境因素等的作用。電機在運行時或過電壓下，電應力會引起絕緣內氣隙和絕緣外邊界處局部放電，腐蝕絕緣；熱應力會加速絕緣老化裂解；電動機運行和頻繁起動，由此引起的繞組振動和各種電磁力會對絕緣產生很大的機械應力，造成機械損傷；絕緣還會受到潮氣、灰塵、油污等的污染，影響絕緣性能。

少膠VPI絕緣在應對上述作用和影響方面有著顯著的優點。首先VPI絕緣采用少膠云母帶包繞線圈，提高絕緣中的云母含量，從而改善絕緣的長期耐電性能。其次，用真空壓力浸漬環氧無溶劑浸漬樹脂，能獲得無氣隙絕緣，絕緣電氣性能好，可減薄絕緣厚度。同時，采用定子繞組與鐵心一起整浸的工藝，繞組絕緣與鐵心黏結成整體，整體性好，既有利于繞組固定，改善了繞組散熱效果，抗機械應力和電磁力性能增強，還提高了繞組絕緣耐環境因素的能力。這些都極大地提高了電機絕緣性能和可靠性。

2.1 定子線棒主絕緣結構

在參照和借鑒國外先進國家電機業的少膠VPI絕緣技術同時，借鑒我公司圈式線圈絕緣結構設計的經驗，提出以兩種單面補強的少膠云母帶交替包繞定子線圈絕緣結構方案。經過大量工藝試驗和常規的電氣性能試驗驗證，證明了該少膠VPI繞組絕緣整體性良好、電氣性能優良。

2.2 定子線棒絕緣性能

2.2.1 常規電氣性能試驗

試驗線棒浸漬固化后電氣性能試驗見表5、圖3。