利茲繞組線研制及應用探索研究

胡 義，周曉晟

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

Litz漆包繞組線是指以一定導體根數的漆包圓線按不同的絞向和絞合節距絞合形成的圓形或壓成矩形的絞合導線。其換位方式通常采用偶數換位，并用玻璃絲、聚酯薄膜、聚酰亞胺薄膜、云母帶等絕緣材料進行最外層繞包的繞組線。

導體匝內換位的主要目的是均流，降低電流的“趨膚效應”，減少功率損耗；同時均勻表面電場分布，降低電場集中和電場突變，提高成型繞組結構的長期耐電壽命。目前，在自補償高頻脈沖發電機、超導電機、直線電機、船用電機、逆變器等領域得到了廣泛使用。

近年來，隨著航天、軍工、超導電機等特殊用途的變頻電機、自補償高頻脈沖發電機的快速發展，對類似利茲線的匝內換位導線的設計、選用頗為急切。在高壓交流電機定子繞組絕緣結構的設計、選用時，需要對利茲線制造時換位處的損傷、潤滑方式，試驗考核和排間、股間絕緣及氣隙填充，導體表面掛漆量及與對地絕緣結構體系的相容性試驗，絕緣結構的常規電氣性能試驗、長期耐電壽命試驗、熱老化試驗，整機繞組固化后的電氣性能測試驗證。本文對線圈繞制及過程絕緣性能評估等內容進行相關的探索研究。

1 Litz繞組線主要技術及驗收要求

1.1 主要技術要求

Litz繞組線中的導體表面應無油污、金屬粉末及其他雜質，絕緣繞包層應連續、緊密適度、均勻平服地繞在線芯上，絕緣層不允許有起皺、開裂、疊包不均勻及任何雜質。Litz繞組線采用H級漆包圓線制造，漆膜厚度為1級漆膜絕緣。Litz繞組線采用的漆包圓線在生產過程中不允許有焊接點。Litz繞組線線芯不允許有影響性能的任何缺陷。Litz繞組線的換位節距、換位方向等換位要求按供貨圖。Litz繞組線繞包絕緣采用在換位后成束的Litz線外面再搭接2 mm包、半疊包等方式進行絕緣包軋，材料為H級少膠粉云母帶，云母含量大于50%，與環氧酸酐漆的相容性良好。繞包層應連續、緊密適度、均勻平服，不允許有起皺或開裂現象。Litz繞組線須滿足每次訂貨圖中的導體規格、尺寸、線匝數、絕緣厚度及其他技術要求。Litz繞組線出廠前須進行短路點測試：采用萬用表的電阻“Ω”端的×1或×10檔，將測量桿依次測量，直至全部漆包圓繞組線測量完畢，測試結果不允許有短路現象。工頻擊穿試驗：截取5段1 m長換位導體，用鋁箔包繞中間部位800 mm，鋁箔邊緣距離端頭100 mm，鋁箔表面用布帶纏繞。除去換位線一端的各單股線的絕緣，并用金屬絲將各單股線連接，然后按500 V/s施加電壓，直到試樣擊穿。

額定電壓6 kV級Litz繞組線，擊穿電壓≥5 000 V；額定電壓10 kV級Litz繞組線，擊穿電壓≥6 500 V。

1.2 驗收要求

外觀檢查，繞組線表面無油污、粉塵及其他機械雜質，絕緣繞包層連續、緊密，外包裝無破損，符合要求。導體規格、線匝數、換位節距、總導體數、漆膜厚度、成束的截面尺寸、絕緣繞包方式及最終的絕緣尺寸符合要求。短路點試驗，成盤Litz繞組線首尾全部進行短路點測試，無短路。工頻擊穿試驗，截取5段1 m長換位導體分別進行短時交流耐壓試驗，擊穿電壓值均大于8 500 V。

2 實驗驗證過程

2.1 試樣制備

試驗線棒將連續換位導線束裁取為750 mm長短料，每4段匯成一根試樣。高度方向雙面貼合匝間膠化材料2340-D，并在熱壓模上進行線棒膠化，然后混合半疊包玻璃布補強少膠粉云母帶5452-1和聚酰亞胺薄膜補強少膠粉云母帶5452-1P各4層，共8層，最后在居中250 mm范圍內半疊包一層0.08 mm×25 mm低阻防暈帶SD2644。

上模擬鐵心夾板后，21根試樣真空壓力浸漬F級少膠浸漆樹脂SD1145一次，21根試樣真空壓力浸漬H級少膠浸漆樹脂SD1150一次，烘焙固化后進行絕緣電氣性能測試試驗。

2.2 常態介質損耗測試

11根F級試驗線棒和11根H級試驗線棒，分別測試常態介質損耗。

2.3 熱態介質損耗測試

常態介質損耗測試后的5根F級試驗線棒和5根H級試驗線棒，分別測試其熱態介質損耗。

2.4 瞬時工頻擊穿試驗

熱態介質損耗測試后的5根F級試驗線棒和5根H級試驗線棒，分別在室溫變壓器油中進行短時工頻交流電壓擊穿試驗。

2.5 電老化試驗

常態介質損耗測試后的6根F級試驗線棒和6根H級試驗線棒，分兩組進行室溫電老化試驗，試驗施加的工頻交流電壓值為2.5UN，即25 000 V。

2.6 定溫熱老化

10根F級試驗線棒放置在恒溫200 ℃的鼓風熱烘箱中，10根H級試驗線棒放置在恒溫220 ℃的鼓風熱烘箱中，分別進行定溫熱老化試驗。經歷40天、80天熱老化試驗后，各取出5根試樣再進行短時工頻擊穿試驗。

3 試驗測試數據

3.1 F級少膠絕緣系統SD1145

3.1.1 常態、熱態介質損耗測試和瞬時工頻擊穿電壓試驗數據見表1。

表1 常態、熱態介質損耗測試和瞬時工頻擊穿電壓試驗值

數據分析：介損及介損增量符合要求，但熱態介損偏高，可能是漆包線與VPI浸漬樹脂的相容性及換位處間隙樹脂未完全填充所致。

3.1.2 交流擊穿試驗

線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗在變壓器油中進行，結果見表2。

表2 線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗數據

數據分析：5根線棒的短時工頻交流電壓擊穿平均值為88.57 kV，按10 kV電壓等級絕緣結構考核，裕度系數大于7倍，滿足設計要求。

3.1.3 定溫熱老化試驗數據

試驗線棒放置在200 ℃恒溫鼓風熱烘箱中，老化40天、80天后分別取出5根線棒，在變壓器油中進行短時工頻交流電壓擊穿試驗，結果見表3。

表3 定溫熱老化后線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗數據

數據分析：定溫熱老化40天、80天后的5根線棒的短時工頻交流擊穿電壓值下降率為30%左右，且熱老化40天后的擊穿電壓下降率趨于穩定，80天熱老化后與40天相比較，基本無變化，說明該絕緣結構足以滿足F級絕緣耐熱壽命要求。

3.1.4 電老化試驗

在室溫條件下，對6根試驗線棒長期施加25 kV工頻交流電壓，直至擊穿；要求線棒的電老化試驗時間中值大于800 h。

試驗結果：電老化試驗超過1 200 h，仍無擊穿；滿足要求，試驗結束。

3.2 H級少膠絕緣系統SD1150

3.2.1 常態、熱態介質損耗測試和瞬時工頻擊穿電壓試驗數據見表4。

表4 常態、熱態介質損耗測試和瞬時工頻擊穿電壓試驗值

數據分析：介損及介損增量符合要求，但熱態介損偏高，可能是漆包線與VPI浸漬樹脂的相容性及換位處間隙樹脂未完全填充所致。

3.2.2 交流擊穿試驗

線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗在變壓器油中進行，結果見表5。

表5 線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗數據

數據分析：5根線棒的短時工頻交流電壓擊穿平均值為85.26 kV，按10 kV電壓等級絕緣結構考核，裕度系數大于7倍，滿足設計要求。

3.2.3 定溫熱老化試驗數據

試驗線棒放置在220 ℃恒溫鼓風熱烘箱中，老化40天、80天后分別取出5根線棒，在變壓器油中進行短時工頻交流電壓擊穿試驗，結果見表6。

表6 定溫熱老化后線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗數據

數據分析：定溫熱老化40天、80天后的5根線棒的短時工頻交流擊穿電壓值下降率均小于30%左右，且熱老化40天后的擊穿電壓下降率趨于穩定，說明該絕緣結構足以滿足H級絕緣耐熱壽命要求。

3.2.4 電老化試驗

在室溫條件下，對6根試驗線棒長期施加25 kV工頻交流電壓，直至擊穿；要求線棒的電老化試驗時間中值大于800 h。

試驗結果：電老化試驗超過1 400 h，仍無擊穿；滿足要求，試驗結束。

4 結論

4.1 試制的Litz導線的導體漆膜厚度、線匝數、換位節距、截面尺寸、絕緣包扎、絕緣厚度等滿足設計要求，經短路點試驗和工頻電壓擊穿試驗驗證，可用作交流高壓電機繞組線使用。

4.2 Litz導線與少膠粉云母帶、VPI樹脂組成的絕緣結構，由于換位處的間隙不易被VPI浸漬的樹脂完全填滿，因而結構的介質損耗因素要略高于常規銅扁線，特別是熱態損耗大。這對其在高頻或變頻電機領域應用要引起足夠的重視。

4.3 Litz導線的連續換位結構，可以有效改善線圈內的導體表面電位，使其分布更均勻，減少繞組棱邊處的電場集中和電場突變，提高整個繞組的長期耐電壽命，從而有利于減薄主絕緣厚度。

4.4 通過絕緣結構的常規電氣性能試驗和線棒的定溫熱老化試驗、室溫電老化試驗驗證，Litz導線可應用于我公司額定電壓為10 kV級、F級少膠絕緣系統SD1145及H級少膠絕緣系統SD1150電機繞組的生產制造。