高導熱少膠云母帶在H級高壓交流電機上的應用研究

楊 松 ，王 健 ，宋桂霞 ，張敬龍 ，朱勇穗

（1.海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411101；2.湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

0 引言

H級高壓交流電機具有耐熱性能好、運行可靠性高的特點，能夠在嚴酷的環境條件下長期穩定地運行，因此被廣泛地應用于核泵電機、風力電機、牽引電機、礦用電機、推進電機等領域，具有廣闊的市場前景。然而，隨著電機制造技術的發展，要求電機具有更高功率的同時，還要求結構緊湊，導致電機在運行時產生更高的熱量，進而使電機線圈的絕緣結構溫升過高，直接導致電機的功效降低，使用壽命大幅縮短，還可能誘發多種事故，即便是H級電機也同樣面臨這一問題[1-2]。

為了解決上述問題，可以從3個方面考慮：①提升絕緣結構自身耐熱等級，使其可以在更高的溫度條件下正常運行，該方法從本質上提高了絕緣結構的耐熱水平，但更高等級的絕緣結構勢必會帶來更高的制造成本；②通過優化冷卻水路、風扇、風機設計等，提升電機線圈的散熱能力，但對于小體積電機此方法提升空間十分有限；③通過減薄絕緣結構或采用高導熱絕緣材料，提高絕緣結構的導熱能力，使線圈繞組產生的熱量可以更快地傳導到外界。

國外從20世紀80年代就開始了高導熱絕緣材料（high thermal conductive,HTC）的研究，從公開的樣機案例來看，采用真空壓力浸漬（VPI）高導熱絕緣材料的高壓電機，相對目前同型號的少膠整浸高壓電機，溫升可降低10℃。國內20世紀還未開始研究高導熱主絕緣材料，主要研究高導熱多膠絕緣材料，西安交大與南陽防爆集團一起研制過高導熱少膠整浸絕緣材料，研制出導熱系數為0.3 W/(m·K)的H級絕緣結構并投入應用[3-4]。采用高導熱絕緣結構，可以改變電機熱場的溫度分布，從而提升電機繞組整體絕緣結構的導熱系數，降低電機繞組溫升，有效地解決電機的散熱冷卻問題，提高電機的產品質量，保證其安全可靠運行[5-7]。該方法可操作性強，并且提高導熱性能的效果明顯。

本研究從電機的絕緣結構入手，以H級6 kV高壓電機的絕緣系統為基礎，將高導熱絕緣材料應用于電機繞組主絕緣中。并對該絕緣結構線圈試樣的各項常規電性能進行檢測研究，通過電壓耐久性試驗（電老化）和熱評定試驗（熱老化），驗證高導熱絕緣結構能夠滿足H級高壓交流電機的長期使用要求。

1 試驗

1.1 原材料

高導熱玻璃絲補強少膠粉云母帶5452-1DH、普通玻璃絲補強少膠粉云母帶5442-1、H級無溶劑VPI浸漬樹脂，蘇州太湖電工新材料股份有限公司；雙玻璃絲包耐電暈聚酰亞胺薄膜燒結銅扁線（SBE‐MYFCRB-35/200-N），金杯電工電磁線有限公司；聚四氟乙烯帶；3240玻璃布板；金屬模擬槽。

1.2 云母帶導熱系數測試試樣制備

將5種200 mm×200 mm的云母帶試樣，裁剪成直徑為50 mm的圓片，20片一組疊成一個試樣，然后將試樣裝入夾板中，裝前需在模具及拉緊螺桿表面涂覆潤滑硅脂，夾板與試樣用厚度為0.06 mm的聚四氟乙烯帶隔開，以便脫模。將裝夾板的試樣采用真空壓力浸漬H級無溶劑漆處理[8]，具體浸漆工藝如下：浸漬前，試樣在120℃預烘2 h，冷卻至高于室溫不高于45℃時浸入漆罐，抽真空至100 Pa以下1 h，輸漆，加壓至0.5～0.6 MPa并保壓2 h，回漆、滴漆。固化條件為165℃烘焙8 h。VPI處理試樣兩次，第一次VPI后可半干處理，即165℃烘焙4 h，待烘焙固化后，取出試樣打磨修整，制成厚度約3 mm的5組試樣，最后在兩面噴導電石墨，晾干后備用。

1.3 線圈試樣的制作

采用2.20 mm×9.95 mm雙玻璃絲包耐電暈聚酰亞胺薄膜燒結銅扁線進行繞線，單根單排結構，9匝，匝間膠化后，半疊包高導熱單面玻璃布補強少膠粉云母帶5452-1DH，并做防電暈處理，線圈直線部分絕緣的截面尺寸為12.5 mm×25.15 mm，線圈直線長度為300 mm，總長度為580 mm，跨距為126 mm，線圈示意圖如圖1所示。

圖1 線圈試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of coil sample

其中10只線圈直線邊平包扎聚四氟乙烯帶后，上玻璃布夾板并固定；其余21只線圈分別安裝到3件熱評定專用金屬模擬槽內，每件只用5只完整的線圈用于試驗。然后一同做真空壓力浸漬H級無溶劑漆處理，浸漆工藝同1.2。浸漆烘焙固化后，將10只線圈試樣的夾板和聚四氟乙烯帶拆除，直線部分用鋁箔包扎作為測試電極，并在測試電極兩端包扎寬度不小于10 mm的保護電極，保護電極與測試電極的間隙均勻且在2～4 mm。其中編號1-1～1-5的試樣進行介質損耗因數的測試和擊穿電壓的檢測；編號2-1～2-5的試樣進行介質損耗因數和電壓耐久性試驗。安裝金屬模擬槽的試驗線圈編號3-1～3-15，用于電機結構熱評定及分級試驗。

2 云母帶的性能測定

5種云母帶試樣（A、B、C、D、E）由國內3家云母帶廠家（甲、乙、丙）提供，其中試樣E為普通云母帶，作為參比試樣。

2.1 云母帶基本性能測定

云母帶基本性能的測定，參照GB/T 5019.12—2017《以云母為基的絕緣材料第12部分：高透氣性玻璃布補強環氧少膠云母帶》的相關要求進行[9]。得到高導熱少膠粉云母帶的基本性能如表1所示。

表1 高導熱少膠粉云母帶基本性能Tab.1 Basic property of high thermal conductive dry mica tape

用于高壓電機的少膠粉云母帶由粉云母紙、補強材料和膠黏劑復合而成，膠黏劑的導熱系數是云母帶構成材料中最低的[10]。因此高導熱少膠粉云母帶采用含納米級導熱填料的膠黏劑，以提高云母帶的導熱性能。從表1可以看出，高導熱少膠粉云母帶與普通云母帶的基本性能沒有明顯差異。

2.2 云母帶導熱系數測定

導熱系數的測定方法主要有防護熱板法、防護熱流計法、熱流計法、熱線法、紅外法等。其中，熱板法及熱流計法屬于穩態法，而熱線法和紅外法屬于瞬態法。穩態法主要用于低導熱材料和絕緣保溫材料熱傳遞性能的測定；瞬態法主要用于研究高導熱材料的熱傳遞性能，或者在高溫條件下對試件進行測量。云母帶導熱系數的測定選用熱流計法，采用日本英弘精機株式會社（EKO）的HC-074-200型熱導率儀，分別按照GB/T 10295—2008《絕緣材料穩態熱阻及有關特性的測定熱流計法》和GB/T 29313—2012《電氣絕緣材料熱傳導性能試驗方法》中的相關要求進行[11-12]。云母帶的導熱系數測定結果見表2。

表2 云母帶的導熱系數Tab.2 Thermal conductivity of mica tape

從表2可以看出，試樣E測得的導熱系數明顯小于其他幾組試樣，說明高導熱少膠粉云母帶比普通云母帶具有更好的熱傳導性能；在高導熱少膠粉云母帶試樣中，試樣B與試樣D的導熱系數相對較高，但其生產廠家提供的成餅云母帶試樣存在質地較硬和掉粉現象，暫時不適用于線圈批量制造，有待后續工藝改進。綜合考慮，選擇高導熱少膠粉云母帶試樣A應用于線圈試樣制造。

3 線圈常規電性能試驗

3.1 匝間沖擊和對地耐壓試驗

匝間沖擊和對地耐壓試驗為非破壞性試驗，是檢驗電機線圈匝間絕緣和對地絕緣質量的有效手段，常被作為質量保證試驗。匝間沖擊試驗是對單根或一束導體的多匝線圈匝間絕緣的診斷試驗。采用哈爾濱金宏高壓設備有限公司的ZJ-45型電機線圈匝間絕緣試驗儀，根據GB/T 22715—2016《旋轉交流電機定子成型線圈耐沖擊電壓水平》中4.2的試驗要求[13]，在線圈試樣的引線兩端施加一個陡波前沖擊電壓，電壓幅值（峰值）根據式（1）計算。

式（1）中：U′p為沖擊電壓幅值；UN為額定電壓。沖擊次數不少于5次，波形一致即為通過。采用武漢美侖電力技術有限公司的MLTC-30/100型工頻耐壓儀，根據GB/T 22715—2016中4.4的試驗要求，使用工頻試驗，在線圈和測試電極之間施加（2UN+1 kV）即13 kV的電壓，耐壓1 min即為通過。

經上述試驗檢測，編號1-1～1-5、2-1～2-5、3-1～3-15線圈試樣全部通過試驗，絕緣性能滿足GB/T 22715—2016中6 kV電機線圈匝間絕緣和對地絕緣的技術要求。

3.2 介質損耗因數與擊穿電壓試驗

線圈的介質損耗因數（tanδ）測試是檢驗絕緣結構內部是否存在缺陷的有效手段，擊穿電壓值可以直觀反映出線圈絕緣結構的電氣強度，兩者均為判定高壓交流電機定子絕緣性能優劣的重要指標。采用Doble Lemke公司的TD-SMART型數字式介質損耗因數及電容測試系統，按照JB/T 7608—2006《測量高壓交流電機線圈介質損耗角正切試驗方法及限值》的試驗要求[14]，測量線圈試樣的介質損耗因數，常態條件，測試電壓為1.2、2.4、3.6、4.8、6.0 kV；熱態（180℃）條件，測試電壓為3.6 kV；采用上海杰智電工科技有限公司的JTGN-150型擊穿電壓測試儀，按照JB/T 12685—2016《高壓電機定子線圈技術條件》和GB/T 1408.1—2016《絕緣材料電氣強度試驗方法第1部分：工頻下試驗》的試驗要求[15-16]，測定線圈試樣的擊穿電壓值。線圈試樣的介質損耗因數及擊穿電壓測試結果如表3所示。

表3 介質損耗因數及擊穿電壓Tab.3 The tanδ index and breakdown voltage

從表3可以看出，所有線圈試樣的常態介質損耗因數 tanδ0.2UN均小于1.50%，增量 Δtanδ均小于0.25%，180℃熱態介質損耗因數tanδ0.6UN均小于8.00%。由此可以說明線圈試樣滿足高壓電機定子線圈技術條件的相關要求。

4 電壓耐久性試驗（電老化）

線圈試樣的電老化試驗，采用上海杰智電工科技有限公司的30 kV工頻耐壓及電老化成套系統，按照JB/T 12685—2016和NB/T 42004—2013《高壓交流電機定子線圈對地絕緣電老化試驗方法》試驗方法進行[15,17]。室溫條件下，在線圈試樣的引線與測試電極之間施加2.17UN（13 kV）試驗電壓，絕緣失效時間最小值不少于400 h。線圈試樣電氣耐久性能試驗結果如表4所示。從表4可以看出，5只線圈試樣電老化時間達到400 h后均未發生絕緣擊穿，根據JB/T 12685—2016中5.8.3可以判定，該組線圈試樣滿足6 kV高壓電機定子線圈的試驗要求。

表4 線圈電老化試驗結果Tab.4 Electrical ageing test results of the coil sample

5 熱評定試驗（熱老化）

電機絕緣結構熱老化試驗，按照GB/T 17948.3—2017《旋轉電機絕緣結構功能性評定成型繞組試驗規程旋轉電機絕緣結構熱評定及分級》和GB/T 11026.1—2016《電氣絕緣材料耐熱性第1部分：老化程序和試驗結果的評定》中的試驗方法進行[18-19]。分別在3個溫度點下進行熱老化試驗，每個溫度點取5個線圈試樣。老化溫度和熱老化分周期的選擇原則：為使得高溫點下的老化壽命中值≥100 h，低溫點下的老化壽命中值≥5 000 h，相鄰兩個老化溫度的間隔為20℃，每個老化溫度下約有10個周期的平均壽命。各溫度下熱老化分周期如下：①低溫點：200℃，30天；②中溫點：220℃，8天；③高溫點：240℃，2天。

熱老化分周期后，每個線圈試樣都要經受振動試驗、潮濕試驗、耐壓試驗。

振動試驗：將試樣置于振動臺上進行，振幅為峰-峰0.3 mm，頻率為50 Hz，該量值對應大約15 m/s2的加速度，持續1 h。

潮濕試驗：試樣在可見凝露的環境中曝露48 h，溫度控制在15～35℃。

耐壓試驗：在潮濕試驗完成后立即進行，試樣保持潮濕且接近室溫。對地工頻電壓試驗的試驗電壓為2UN，持續10 min，試驗時不發生擊穿或閃絡為合格，試樣任一形式連續兩個周期擊穿即記錄為失效。

電機線圈絕緣結構的失效時間與熱力學溫度符合阿倫尼烏斯方程（回歸線方程），如式（2）所示。

式（2）中：τ為壽命，h；T為熱力學溫度，K；A為常數；B為斜率。將熱老化試驗結果進行阿倫尼烏斯坐標（壽命的對數-絕對溫度的倒數）的線性回歸分析，根據常數A、斜率B和相關系數R，可畫出熱壽命圖，如圖2所示。在回歸線上求出20 000 h對應的溫度，得到絕緣結構的熱壽命方程及溫度指數如表5所示。從圖2及表5可知，線圈試樣絕緣結構的溫度指數為181℃，長期運行壽命為27.27年。

圖2 熱壽命曲線圖Fig.2 The thermal lifetime curve

表5 絕緣結構熱壽命方程及溫度指數Tab.5 The thermal lifetime equation and temperature index

6 結論

（1）高導熱絕緣結構的導熱系數優于普通絕緣結構，高導熱少膠粉云母帶的應用提升了電機定子線圈的導熱能力，有助于提高電機的散熱能力，能夠達到降低溫升、減小體積、節材增效的目的。

（2）高導熱少膠粉云母帶作為H級6 kV高壓交流電動機主絕緣時，其各項電氣性能指標按JB/T 12685—2016考核，其常態介質損耗因數、熱態介質損耗因數、擊穿電壓、電壓耐久性均達到標準技術要求。

（3）該高導熱絕緣結構的溫度指數達到181℃，長期運行壽命為27.27年，滿足H級高壓交流電動機的使用要求。