高壓交流電機VPI絕緣系統定子繞組固定技術

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

電機繞組固定是絕緣結構設計的重要組成部分之一。因為電機繞組在運行中長期受到機械、電氣、溫度及環境因素等的影響而產生振動、位移、磨損、斷裂等現象，易造成電機絕緣擊穿而停機事故。這些事故多數是由于繞組固定不合理而造成的。特別是在電機啟動時或定子繞組突然短路時而發生的電磁力引起強烈沖擊力，更容易引起電機繞組的破壞。為此，加強繞組固定尤為重要，繞組固定結構的合理性，直接關系到電機的運行安全和使用壽命。

本文將重點介紹了高壓交流電機VPI絕緣系統定子繞組槽部、端部和引出電纜等固定結構形式。

1 定子繞組固定的基本要求

繞組的固定通常需滿足下列要求

(1)繞組在槽內固定牢靠，不發生位移磨損現象；

(2)在電機允許的任何條件下，繞組端部的位移量不大于2mm。例如：Micalastic絕緣固定的端部最大徑向位移量(用激光測)不大于1.7mm；Micadur-Compact絕緣固定的高壓電動機不大于1.2mm。

(3)繞組固定后，必須使其固有振動頻率避開雙倍工頻，以免發生共振。

(4)連接線和電纜引出線固定牢固，不發生松動、磨損、接頭開焊或銅線疲勞斷裂等現象。

(5)繞組固定后須保證滿足電氣間隙、爬電距離和間距的尺寸要求，防止爬電和放電的現象發生。

(6)繞組固定是定子嵌線過程中重要的環節之一，其工作量約占定子嵌線工作量的60%以上。只有嚴格工藝過程，才能保證繞組固定的最終性能和質量。

2 定子繞組固定的理論依據與計算

繞組固定應以試驗為基礎，以理論計算為依據，設計出合理最佳的各種不同的固定結構，應用于各種不同類型的電機上。

關于定子繞組固定的理論依據與計算內容由于篇幅較大，不詳細介紹。其包含以下方面：(1)起動過程中的電磁力；(2)振動力；(3)突然短路的沖擊電磁力；(4)熱應力引起的形變；(5)外力作用；(6) 定子繞組端部間距；(7)結構設計計算。

3 VPI絕緣系統定子繞組固定結構

3.1 槽部固定

高壓交流電機VPI絕緣系統定子繞組槽內固定相比大容量發電機的槽內固定較簡便，如圖1所示。在VPI絕緣系統中楔下墊條采用層壓板，層間和槽底墊條采用熱膨脹型玻璃纖維氈，經VPI浸漬處理后，達到槽內固定的目的。

圖1 槽內固定結構

這種槽內固定結構的特點：一是使槽內繞組固定牢固；二是槽內線圈與鐵心間接觸良好，減少了槽內氣隙放電現象。

3.2 端部固定

高壓交流電機VPI絕緣系統定子繞組端部固定結構已從原來只采用滌玻繩和斜邊墊塊的固定方式，發展到多種類型不同結構方式的固定結構。

一些公司都已各自建立了一整套定子繞組端部固定結構。以某公司為例，繞組端部固定環(端箍)分為多種，充分考慮到定子繞組在運行中的徑向和軸向電磁力作用。在端部上、下層線圈斜邊間固定方式多樣，充分保證電機運行時的可靠性。三菱公司的連接線和引出線電纜固定較為先進合理。

繞組端部固定結構主要包括：槽口、線圈斜邊、極間連接線和相間連接線、固定環(端箍)及引出線等固定方式。下面以圖2為例，解析各部位固定結構及采用材料、方式和綁扎。

圖2 典型端部固定結構示意圖

3.2.1 槽口固定

定子繞組線圈出槽口直線部分之間固定，其結構形式如下

(1)采用熱膨脹型玻璃氈按圖3固定，為更好地夾緊，熱漲型玻璃氈須在徑向超出端部側5mm(hc以5mm為整數級)。

圖3 槽口固定“三明治式布置”草圖

(2) 采用層壓板制成楔塊塞緊，再用滌玻繩或定向纖維帶對角線綁扎和橫向綁扎固定。

(3) 采用滌玻繩以對角綁扎和橫向綁扎固定線圈出槽口直線部分。

3.2.2 線圈斜邊固定

定子繞組線圈斜邊固定方式分切向固定(見圖2)和對角線固定(見圖4)。對角線固定僅用于上層邊間隔為X=4槽節距。

圖4 線圈斜邊對角線固定示意圖

(1)繞組線圈斜邊墊塊采用熱漲型玻璃氈，分別按順序塞緊在線圈上層邊間隙和下層邊間隙間。墊塊高度須分別超出線圈絕緣高度。經VPI浸漬處理，塞在線圈斜邊的墊塊因受熱膨脹而呈啞鈴狀，固定在線圈上。其線圈斜邊固定經VPI處理后效果圖見圖5。

圖5 線圈斜邊固定經VPI處理后效果圖

(2)有的電機需對線圈斜邊固定加強，則采用熱漲型玻璃氈墊塊或用滌綸氈包層壓玻璃布板墊塊塞緊，再用定向纖維帶十字交叉綁扎方式固定(見圖2)。這種固定方式的墊塊高度略小于線圈絕緣高度。

(3)線圈斜邊僅采用滌玻繩以十字交叉綁扎和橫向綁扎的方式固定。

3.2.3 線圈鼻部固定

線圈鼻部固定一般不采用，如果需要采用時可用鼻部間隔墊塊和定向纖維帶綁扎固定。

3.2.4 線圈層間固定

定子繞組端部線圈層間固定采用滌玻填充管填充在每個繞組端部的上、下邊線圈間，墊成一個環。經VPI浸漬固化后，形成一個有剛性的玻璃鋼環。(見圖2中層間填充管)。

3.2.5 端箍固定

(1)端箍

端箍又稱繞組端部外圓固定環，其材質一般分為三種：a.非磁性鋼環；b.聚酯(或環氧)無緯玻璃纖維繞制經固化加工而成的玻璃鋼環；c.可浸漬的絕緣端箍(又稱絕緣軟端箍)，在繞組端部線圈的外圓纏繞成環，經VPI浸漬固化后形成一個有剛性的玻璃鋼端箍。

非磁性鋼環易產生漏磁、渦流等因素對電機性能有一定的影響。而可浸漬的絕緣端箍在VPI處理前具有很高的抗拉強度和一定的柔軟度，適形性好，VPI處理后其強度和剛性可以與非磁性鋼環相媲美。

(2)端箍的支撐和固定

端箍固定環的支撐方式

固定環分為單環和雙環結構，其支撐方式可分為

單環：沒有支撐；帶軸向支撐；帶有軸向和徑向支撐

雙環：沒有支撐；帶軸向支撐；僅外環帶有軸向支撐和徑向支撐；外環帶徑向，雙環皆帶軸向支撐；雙環皆帶軸向和徑向支撐。

(3)端箍與繞組的綁扎

所有的下層線圈端部必須合理地處于端箍內圓上。

綁扎采用滌玻繩等材料固定。

3.2.6 相內連接線固定

(1) 硬連接方式

每個組內的線圈連接后，在焊接處周圍范圍內用熱漲型玻璃氈墊塊或層壓玻璃布板墊塊以不超過連接線尺寸填充，再用定向纖維帶十字綁扎固定(見圖2中引線端綁扎)。

(2) 軟連接方式

相內連接線絕緣處理完成后，采用絕緣編織繩或絕緣軟端箍貼緊相內連接線內圓繞一周，并用滌玻繩以十字式綁扎固定(見圖6)。經VPI浸漬固化后，形成一個具有一定剛性的玻璃環。繞組相內連接線固定經VPI處理后效果圖(見圖7)。

圖6 相內軟連接示意圖

圖7 繞組相內連接線經VPI處理后效果圖

3.2.7 極間連接線與相位環固定

(1)極間連接線部位固定采用滌玻纖維套管十字綁扎若干匝固定?；蛘卟捎脽釢q型玻璃氈墊塊填充間隙，再采用滌玻纖維套管橫向綁扎固定，綁扎匝數見圖8，綁扎間距見表1。

(2)相位環固定

相位環采用銅環結構，銅環固定在定子繞組前端(引線端)的支臂上，支臂與定子壓板焊在一起。其結構及滌玻纖維套管的綁扎固定見圖11所示。

相位環部位的綁扎(見圖9)和相位跨接部位的綁扎(見圖10)均采用滌玻纖維套管以橫向或十字綁扎型式綁扎固定，其綁扎間距見表1。

表1 極間連接線、相位環綁扎間距

圖8 極間連接線綁扎固定

圖9 相位環綁扎固定

圖10 跨接處綁扎固定

圖11 相位環支臂綁扎固定

3.3 電機引接線電纜引出固定

采用電機引接線電纜引出方式的電機定子通常是在定子繞組VPI浸漬處理完成后再接電機引接線。電纜接好并絕緣處理后，將定子出線口以內的電纜在極間連接線外圓部繞0.5～1周之后在綁扎固定。

此固定方式可防止由于受到電磁力和振動力的作用而造成的接頭開焊和絕緣磨損開裂。

4 結語

電機定子繞組固定結構設計是電機定子繞組絕緣結構設計的一部分，定子繞組固定結構設計的合理性直接關系到電機運行時的安全性和可靠性。

本文綜合各電機制造公司和我公司的先進技術，列舉了高壓交流電機VPI絕緣系統定子繞組固定的典型結構，這是幾代人通過研究、試驗、設計和經過實踐考驗的結晶。但隨著電機制造業的發展仍有改進和完善的空間。