發(fā)電機(jī)定子線圈低溫絕緣性能研究

胡 波，周 進(jìn)，謝志輝，楊 帥，左 瑞，程 圣

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

隨著我國水火電資源的逐漸開發(fā)利用，業(yè)內(nèi)對(duì)我國青海、西藏、四川等高原地區(qū)發(fā)電機(jī)組的開發(fā)提出了要求，特別是高原地區(qū)氣候特點(diǎn)(空氣壓力和空氣密度低、戶外溫度低、晝夜溫差大等)對(duì)發(fā)電機(jī)組定子繞組絕緣性能具有較大的影響。近年來隨著國家“一帶一路”政策逐漸深入亞歐洲地區(qū)，國內(nèi)發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)也隨之開展中亞、北歐等高寒地區(qū)發(fā)電機(jī)裝機(jī)、維修、改造等項(xiàng)目，長期低溫貯存和安裝對(duì)發(fā)電機(jī)組定子繞組絕緣性能也提出了新要求[1-2]。

數(shù)十年來業(yè)內(nèi)對(duì)大中型高壓電機(jī)絕緣系統(tǒng)(包括絕緣結(jié)構(gòu)、絕緣材料、防暈材料等)的熱壽命、熱-機(jī)械壽命、電-熱壽命等方面關(guān)注較多，而用于特殊場合的中小電機(jī)則對(duì)包括低溫性能等方面更為關(guān)注。

針對(duì)高原地區(qū)和高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，公司對(duì)高壓電機(jī)定子線圈主絕緣低溫絕緣性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，比較了定子線圈絕緣分別在低溫-室溫循環(huán)試驗(yàn)和低溫老化試驗(yàn)中的實(shí)測結(jié)果差異，驗(yàn)證了高壓電機(jī)定子線圈絕緣耐低溫性能。

1 高原和高寒地區(qū)氣候特點(diǎn)

1.1 高原地區(qū)氣候特點(diǎn)及影響

高原地區(qū)具有以下一系列氣候特點(diǎn)，其中對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組在安裝、貯存和運(yùn)輸時(shí)可能產(chǎn)生影響的主要因素是空氣溫度低和戶外晝夜溫差變化大。

(1)空氣壓力或空氣密度低

實(shí)驗(yàn)室研究和電力設(shè)備實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均表明：海拔升高，空氣壓力下降、密度降低，帶電粒子無碰撞通過的自由平均路程越大，在電場方向移動(dòng)時(shí)得到加速而獲得的動(dòng)能越大，帶電粒子在兩次碰撞間所積累的動(dòng)能也就越大，更易產(chǎn)生撞擊游離使空氣擊穿而形成電暈。因此，海拔升高，空氣的擊穿場強(qiáng)下降。

(2)空氣溫度低

高海拔地區(qū)的空氣溫度低將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣承受低溫，可能影響定子繞組的絕緣和防暈性能。

(3)戶外晝夜溫差變化大

發(fā)電機(jī)在該地區(qū)安裝、貯存和運(yùn)輸時(shí)，可能承受晝夜溫差沖擊，進(jìn)而影響定子繞組的絕緣和防暈性能。

(4)空氣濕度小

一般認(rèn)為，空氣濕度小保證了發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組絕緣表面的干燥、減少了絕緣表面的受潮程度，有利于高電壓絕緣試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

(5)太陽輻照強(qiáng)

一般認(rèn)為，發(fā)電機(jī)在該地區(qū)安裝、貯存和運(yùn)輸時(shí)，有專用安裝間或庫房等。因此，發(fā)電機(jī)將不會(huì)直接受到太陽輻照。

1.2 高寒地區(qū)氣候特點(diǎn)及影響

高寒地區(qū)主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為寒冷且凍期長，可能對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組在安裝、貯存和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生影響。

2 試驗(yàn)方案

對(duì)于發(fā)電設(shè)備制造商來說，耐環(huán)境應(yīng)力因素技術(shù)方案中最經(jīng)濟(jì)、高效、快速的方案為成熟絕緣系統(tǒng)的耐環(huán)境性能的實(shí)際驗(yàn)證。因此，針對(duì)空氣溫度低、戶外晝夜溫差變化大且凍期長等氣候特點(diǎn)，本文結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)提出了低溫老化試驗(yàn)和低溫循環(huán)試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方案。

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1 低溫老化試驗(yàn)

綜合分析，目前與未來發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)面向中亞、北歐、東北亞等高緯度地區(qū)面臨著老舊機(jī)組改造的市場需求，需開展機(jī)組低溫(約-40 ℃)絕緣試驗(yàn)研究。

低溫老化試驗(yàn)主要是模擬發(fā)電機(jī)定子繞組在運(yùn)輸和存貯過程中由于外界極端環(huán)境(如持續(xù)低溫冷凍環(huán)境下)對(duì)定子繞組主絕緣造成的低溫老化影響。實(shí)施方案為對(duì)比低溫長期老化處理后的定子線圈絕緣性能與處理前的定子線圈絕緣性能，從而判斷低溫長期老化對(duì)絕緣性能的影響。

2.1.2 低溫循環(huán)試驗(yàn)

低溫循環(huán)試驗(yàn)主要是模擬發(fā)電機(jī)定子繞組在運(yùn)輸和存貯過程中由于外界極端環(huán)境變化(如戶外晝夜溫度變化或局部區(qū)域溫度變化)對(duì)主絕緣造成的高低溫沖擊的影響。實(shí)施方案為對(duì)比低溫循環(huán)前后的定子線圈絕緣性能，從而判斷低溫循環(huán)對(duì)絕緣性能的影響程度。

根據(jù)發(fā)電設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)自身在高低溫沖擊下的內(nèi)應(yīng)力釋放，絕緣材料和金屬材料在高低溫作用下因線膨脹系數(shù)有差異而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等因素，結(jié)合T/CEEIA 252-2016《大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子線棒冷熱循環(huán)試驗(yàn)方法》的40～155 ℃中溫度變化范圍，補(bǔ)充開展機(jī)組低溫循環(huán)(-40～40 ℃)絕緣試驗(yàn)研究。

2.2 試驗(yàn)程序

(1)低溫老化試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 2423.1—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A：低溫》，本試驗(yàn)將試驗(yàn)樣品放置在高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱中進(jìn)行低溫處理試驗(yàn)，低溫長期老化處理溫度選取-40 ℃(目前為止大型發(fā)電機(jī)所需承受的最低環(huán)境溫度)，低溫每個(gè)低溫老化周期為14 d、間隔為1 d，共持續(xù)4個(gè)周期，具體溫度-時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1 低溫老化試驗(yàn)程序示意圖

(2)低溫循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 2423.22—2012《環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)N：溫度變化》，本試驗(yàn)將試驗(yàn)樣品放置在高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱中進(jìn)行低溫循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)溫度為-40～40 ℃，升降溫速度約為1.6 ℃/min，保溫時(shí)間為10 min。具體溫度-時(shí)間曲線如圖2所示，共計(jì)500次循環(huán)。

圖2 低溫循環(huán)試驗(yàn)程序示意圖

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

使用ATEC程控式濕熱交變循環(huán)試驗(yàn)箱，如圖3所示。

2.4 試驗(yàn)樣品

發(fā)電機(jī)真機(jī)定子VPI線圈，額定電壓Un為13.8 kV。

3 結(jié)果與討論

針對(duì)空氣溫度低、戶外晝夜溫差變化大且凍期長等氣候特點(diǎn)，開展了低溫老化試驗(yàn)和低溫循環(huán)試驗(yàn)兩種試驗(yàn)。

3.1 低溫老化試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 線圈截面尺寸檢測

線圈低溫老化前后尺寸實(shí)測結(jié)果表明，線圈高度方向尺寸最大變化量為0.06 mm，最大變化率為0.12%，寬度方向尺寸最大變化量為0.08 mm，最大變化率為0.47%。因此，線圈尺寸未出現(xiàn)明顯變化。

3.1.2 線圈主絕緣整體性試驗(yàn)

使用小銅錘均勻的敲擊線圈直線部位絕緣，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈主絕緣整體性良好，未出現(xiàn)發(fā)空現(xiàn)象。

3.1.3 線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)

使用三電極法測試線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)及增量差異很小。

3.1.4 線圈工頻交流耐電壓試驗(yàn)

對(duì)線圈施加(2.75Un+6.5)kV工頻交流電壓并保持1 min，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈均通過工頻交流耐電壓試驗(yàn)。

3.1.5 線圈耐電暈試驗(yàn)

在黑暗環(huán)境中對(duì)線圈施加1.5Un工頻交流電壓，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

注：tanδ1為0.6Un與0.2Un電壓下介損之差，tanδ2為每0.2Un電壓間隔下介損之差的最大值。

表3 線圈絕緣工頻交流耐電壓試驗(yàn)結(jié)果

表4 線圈耐電暈試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈均通過耐電暈試驗(yàn)。

3.1.6 線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)

在絕緣油中對(duì)線圈連續(xù)施加工頻交流電壓直至線圈絕緣擊穿，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿電壓差異較小。

3.1.7 線圈絕緣差示掃描量熱試驗(yàn)(DSC)

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 線圈主絕緣試樣DSC試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同測試條件下，定子線圈低溫老化前后主絕緣玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)分別為125.71 ℃和130.76 ℃。

3.1.8 小結(jié)

定子線圈低溫老化前后，其截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小。

3.2 低溫循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 線圈截面尺寸檢測

線圈低溫循環(huán)前后尺寸實(shí)測結(jié)果表明，線圈高度方向尺寸最大變化量為0.09 mm，最大變化率為0.17%，寬度方向尺寸最大變化量為0.10 mm，最大變化率為0.58%。因此，線圈尺寸未出現(xiàn)明顯變化。

3.2.2 線圈主絕緣整體性試驗(yàn)

使用小銅錘均勻的敲擊線圈直線部位絕緣，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 試驗(yàn)線圈發(fā)空檢查結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈主絕緣整體性良好，未出現(xiàn)發(fā)空現(xiàn)象。

3.2.3 線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)

使用三電極法測試線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

注：tanδ1為0.6Un與0.2Un電壓下介損之差，tanδ2為每0.2Un電壓間隔下介損之差的最大值。

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)及增量差異很小。

3.2.4 線圈工頻交流耐電壓試驗(yàn)

對(duì)線圈施加(2.75Un+6.5)kV工頻交流電壓并保持1 min，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 線圈絕緣工頻交流耐電壓試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈均通過工頻交流耐電壓試驗(yàn)。

3.2.5 線圈耐電暈試驗(yàn)

在黑暗環(huán)境中對(duì)線圈施加1.5Un工頻交流電壓，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 線圈耐電暈試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈均通過耐電暈試驗(yàn)。

3.2.6 線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)

在絕緣油中對(duì)線圈連續(xù)施加工頻交流電壓直至線圈絕緣擊穿，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿電壓差異較小。

3.2.7 線圈絕緣差示掃描量熱試驗(yàn)(DSC)

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同測試條件下，定子線圈低溫老化前后主絕緣玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)分別為125.71 ℃和121.09 ℃。

3.2.8 小結(jié)

定子線圈低溫循環(huán)前后，其截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小。

3.3 結(jié)果分析

試驗(yàn)線圈在-40 ℃低溫下老化2個(gè)月后或在-40～40 ℃低溫循環(huán)21 d后，截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小，從外觀上也未發(fā)現(xiàn)任何劣化現(xiàn)象。同時(shí)老化后線圈絕緣性能處在正常的考核指標(biāo)范圍內(nèi)，沒有達(dá)到絕緣破壞或喪失功能的程度，表現(xiàn)出良好的耐低溫老化與耐低溫循環(huán)性能。

圖5 線圈主絕緣試樣DSC試驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

(1)參照電工電子產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)制訂了高壓電機(jī)定子線棒低溫絕緣性能試驗(yàn)方案。

(2)定子線圈在-40 ℃低溫下老化2個(gè)月后，其截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小。

(3)定子線圈-40～40 ℃低溫循環(huán)21天后，其截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小。