雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張道朋

(弗蘭德傳動系統(tǒng)有限公司海泰分公司，天津 300384)

0 引 言

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(DFIG)轉(zhuǎn)子由變頻器供電[1]，變頻器在系統(tǒng)中會產(chǎn)生高頻脈沖電壓，在這種高頻脈沖電壓作用下DFIG轉(zhuǎn)子繞組絕緣表面和絕緣內(nèi)部微小氣隙會產(chǎn)生局部放電，絕緣系統(tǒng)將承受更嚴酷的電、熱應(yīng)力，造成絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)的損害[2-3]，導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)過早失效[4]。

風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)有2種:(1)以耐電暈聚酰亞胺薄膜為主要耐電暈材料，復(fù)合云母為輔，這種結(jié)構(gòu)具有機械強度較高、厚度薄的優(yōu)點，但缺點是導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)熱性能差，成本較高；(2)以云母為主要耐電暈材料，這種絕緣結(jié)構(gòu)與前者相比具有導(dǎo)熱系數(shù)高、成本低的優(yōu)點，但絕緣較厚[5]。

針對DFIG轉(zhuǎn)子的特殊要求，通過電場仿真分析和轉(zhuǎn)子模擬線圈試驗，探索普通絕緣材料應(yīng)用于轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)的可行性，對開展風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究具有重要意義。

1 電場仿真分析

1.1 二維建模

轉(zhuǎn)子繞組雙邊絕緣厚度約為1.8 mm，嵌線間隙為0.5 mm。假設(shè)繞組浸漆之后，嵌線間隙被浸漬漆全部填滿，由此畫出單個槽內(nèi)的繞組截面二維簡化模型并計算，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子二維簡化模型

1.2 分析計算

DFIG轉(zhuǎn)子的開口電壓一般約為2 kV，但是由于轉(zhuǎn)子是變頻供電，轉(zhuǎn)子繞組絕緣結(jié)構(gòu)需要承受對地脈沖電壓,如圖2所示，轉(zhuǎn)子需要承受對地峰值電壓Upk為2.0 kV。轉(zhuǎn)子繞組絕緣按照繞組承受對地峰值電壓為設(shè)計輸入依據(jù)，而實際絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計和測試過程中，考慮脈沖電壓對繞組絕緣的電沖擊烈度比較高，一般采用等值的工頻相電壓UP代替脈沖電壓對地峰值電壓Upk。

圖2 轉(zhuǎn)子繞組在1個開關(guān)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)承受對地脈沖電壓

在此使用Ansys Maxwell軟件仿真時，設(shè)定繞組每處的絕緣結(jié)構(gòu)相對介電常數(shù)為3.8，對轉(zhuǎn)子繞組施加相電壓設(shè)定為2.0 kV，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3為槽內(nèi)絕緣系統(tǒng)電場強度分布圖。從圖3中可以看出,槽內(nèi)最大電場強度在銅排的R角位置，其電場強度約為2.2 kV/mm，槽內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)對地平均電場強度約為1.8 kV/mm。

圖3 槽內(nèi)絕緣系統(tǒng)電場強度分布

圖4為槽口絕緣系統(tǒng)電場強度分布圖。從圖中可以看出,絕緣結(jié)構(gòu)的最大電場強度出現(xiàn)在槽口位置;絕緣材料中最大電場強度約為3.8 kV/mm;空氣在槽口位置的最大電場強度約為4.3 kV/mm。

繞組的單邊絕緣厚度長期承受的電場強度為3～4 kV/mm[6]，而仿真結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)的最大電場強度為3.8 kV/mm。因此，從理論上轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)可以使用普通云母帶作為主絕緣結(jié)構(gòu)。但是需要驗證槽口是否存在電暈放電問題。

空氣的擊穿電壓一般約為3 kV/mm，但是根據(jù)巴申定律，空氣的擊穿電壓與氣壓和間距有關(guān)，槽口位置繞組與鐵心的間距距離較小，不能直接判斷其是否會起暈。因此槽口位置的空氣是否起暈放電需要測試絕緣結(jié)構(gòu)的起暈電壓。

圖4 槽口絕緣系統(tǒng)電場強度分布

2 轉(zhuǎn)子繞組試樣制備

本試驗的轉(zhuǎn)子繞組試樣絕緣結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子繞組試樣絕緣結(jié)構(gòu)

浸漬絕緣漆之后的轉(zhuǎn)子繞組試樣模型如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)子繞組試樣模型

3 討論與分析

3.1 轉(zhuǎn)子繞組試樣介質(zhì)損耗因數(shù)分析

中型高壓電機少膠整浸線圈質(zhì)量的優(yōu)等品要求為0.6UN測試電壓時,在常溫下，介質(zhì)損耗因數(shù)小于1.5%；在155 ℃下，高溫介質(zhì)損耗因數(shù)小于8%[7]。

圖6為工頻電壓測試轉(zhuǎn)子繞組試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)，從圖6中可以看出,在常溫、2.0 kV測試電壓下，模擬繞組的常溫介質(zhì)損耗因數(shù)增量較小，3種試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)值均不超過1.5%；在155 ℃、2.0 kV測試電壓下，3種試樣的高溫介質(zhì)損耗因數(shù)也均未超過8%。

圖6 轉(zhuǎn)子繞組試樣常溫介損和熱態(tài)介損數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果顯示3種試樣均達到了優(yōu)等品標準。與此同時，試樣3的常溫和高溫介質(zhì)損耗因數(shù)小于其他2種絕緣結(jié)構(gòu)。試樣1和試樣2介質(zhì)損耗因數(shù)高的一個重要原因是浸漆烘焙時，浸漬漆容易從聚脂薄膜補強少膠云母帶中薄膜一側(cè)流失，在繞組絕緣層中留下微孔，使聚脂薄膜補強云母帶結(jié)構(gòu)介質(zhì)損耗因數(shù)較大。

3.2 局部放電分析

變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機比工頻供電的電機絕緣結(jié)構(gòu)更容易局部放電[8]。本次設(shè)計的轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)有2種不存在耐電暈材料，如發(fā)生局部放電，則可使這2種絕緣迅速失效。因此，測量繞組絕緣結(jié)構(gòu)放電水平可作為評價本次絕緣結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵指標。

3種轉(zhuǎn)子試樣進行了局部放電測試，測試結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，3種結(jié)構(gòu)的局部放電性能從高到低依次為試樣3、試樣2、試樣1。相比薄膜補強少膠云母帶，玻璃布補強少膠云母帶的透氣性能更好，浸漬漆可充分填充其層間的孔隙，進而減少絕緣結(jié)構(gòu)中的缺陷，從而提高繞組結(jié)緣結(jié)構(gòu)的局部放電起始電壓。

圖7 轉(zhuǎn)子局部放電測試結(jié)果

試樣2和試樣3在50 pC放電量時，起始電壓均超過2.0 kV，可滿足轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)電氣性能要求。

3.3 起暈電壓

在暗室中，對試樣2和試驗3進行起暈電壓測試，其起暈電壓均超過2.5 kV。絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真中空氣在槽口的最大電場強度較高，但是由于間隙距離較小，絕緣結(jié)構(gòu)在承受2 kV電壓時，空氣在槽口位置不會發(fā)生電暈放電，兩種試驗結(jié)構(gòu)滿足轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

3.4 擊穿電壓分析

表2為轉(zhuǎn)子繞組試樣的擊穿電壓測試數(shù)據(jù)。從表2中可以看出3種絕緣結(jié)構(gòu)的爬電擊穿均不低于24.3 kV，滿足轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

表2 轉(zhuǎn)子繞組試樣擊穿電壓

4 結(jié) 語

綜合有限元分析和模擬繞組試驗，可得如下結(jié)論：

(1) 單面玻璃絲布補強少膠云母帶有助于提高絕緣結(jié)構(gòu)一體性，減小繞組結(jié)構(gòu)中的氣隙缺陷，從而有利于提高絕緣結(jié)構(gòu)的局部放電起始電壓，降低介質(zhì)損耗因數(shù)。

(2) 單面玻璃絲布補強云母帶可以單獨使用或配合聚酯薄膜補強云母帶使用，2種絕緣結(jié)構(gòu)電氣性能均良好，完全能夠滿足風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子工作要求。