牽引電機(jī)聚酯亞胺絕緣系統(tǒng)研究

王有川，李強(qiáng)軍，趙安然，張俊杰

（1.中車株洲電力機(jī)車研究所，湖南 株洲 412001；2.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著近年來絕緣系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的研究越來越深入，有機(jī)硅、環(huán)氧酸酐及聚酯亞胺三大軌道交通牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)的性能及應(yīng)用特點(diǎn)越來越清晰。有機(jī)硅絕緣系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是耐熱等級高，一般為220級（R）以上，但其抗振、防潮性略差。環(huán)氧酸酐絕緣系統(tǒng)具有優(yōu)異的力學(xué)性能，抗振性較好，但是環(huán)氧酸酐樹脂的貯存穩(wěn)定性略差，耐熱等級一般為180級（H），近年來應(yīng)用受到一定限制。聚酯亞胺絕緣系統(tǒng)的力學(xué)性能、電氣性能適中，粘結(jié)強(qiáng)度較高，耐熱等級達(dá)到200級（N），綜合性能突出[1]。西門子、GE、湘潭電機(jī)、成都電機(jī)等電機(jī)廠家都開發(fā)出了軌道交通牽引電機(jī)用聚酯亞胺絕緣系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、橫斷面小、曲線通過性能好等優(yōu)點(diǎn)的軌道交通牽引電機(jī)在地鐵、磁懸浮列車等軌道交通領(lǐng)域得到應(yīng)用[2]，例如廣州地鐵4、5、6號線，長沙、清遠(yuǎn)、北京S1等磁懸浮線[3]。該類牽引電機(jī)在實(shí)際中長期超負(fù)載運(yùn)行，使得電機(jī)溫升較高，同時在運(yùn)行中振動大，此外線圈端部外露，受到砂石、粉塵、鐵屑等外物的威脅。因此為適應(yīng)該牽引電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)和超負(fù)載運(yùn)行工況，對于其絕緣系統(tǒng)，除了需要更加重視電氣性能以外，對耐熱性、抗振性、防護(hù)性、可靠性、工藝性等也提出了更高的要求。本文基于聚酯亞胺樹脂和三合一云母帶開展?fàn)恳姍C(jī)聚酯亞胺絕緣系統(tǒng)性能及可靠性研究。

1 試驗(yàn)

1.1 聚酯亞胺樹脂

1.1.1 熱失重分析

在平底鋁盒中放置10 g聚酯亞胺樹脂置于烘箱中烘焙固化，升溫程序?yàn)椋?40℃/1 h+170℃/10 h。取8～10 mg固化漆餅試樣放入同步熱分析儀（德國耐馳STA449F5型）在空氣氛圍中以5℃/min的升溫速率升溫至600℃，得到熱失重曲線。

1.1.2 黏溫曲線

使用上海平軒科學(xué)儀器有限公司NDJ-1S型數(shù)字式黏度計在恒溫浴中采用合適的轉(zhuǎn)子進(jìn)行黏度測試，記錄不同溫度下的黏度值，繪制黏溫曲線。

1.2 模擬絕緣結(jié)構(gòu)

1.2.1 試樣制備

線圈繞制、漲型后采用云母帶、玻璃絲帶等進(jìn)行絕緣包扎，線圈直線部分最外層包一層四氟乙烯薄膜帶，包扎絕緣后的線圈采用VPI工藝浸漬聚酯亞胺樹脂，按155℃/5 h+170℃/7 h的固化工藝烘焙固化，最后拆除線圈外層四氟乙烯薄膜帶，在線圈直線部分包覆金屬箔（金屬箔兩端距線圈拐角處30～50 mm），保證金屬箔電極與線圈直線部分充分接觸，得到如圖1所示試樣。

圖1 線圈絕緣結(jié)構(gòu)試樣Fig.1 Coil insulation structure sample

1.2.2 介電性能測試

采用揚(yáng)州攀峰電氣公司2840型高精度介質(zhì)損耗測量儀測試模擬結(jié)構(gòu)在不同電壓下的介質(zhì)損耗因數(shù)。采用日本日置IR3455-30型便攜式交直流絕緣電阻表測試1 000 V電壓下的絕緣電阻。采用上海申發(fā)檢測儀器有限公司JTKZ-5 50 kV型工頻耐壓試驗(yàn)儀測試擊穿電壓，升壓速率為500 V/s。

1.3 可靠性試驗(yàn)

1.3.1 模卡結(jié)構(gòu)制備

選取直線電機(jī)定子鐵心，在鐵心內(nèi)嵌入5把完整線圈，然后浸漬聚酯亞胺樹脂，烘焙固化后得到圖2所示的模卡絕緣結(jié)構(gòu)。

圖2 模卡絕緣結(jié)構(gòu)試樣Fig.2 Simulated insulation structure sample

1.3.2 加速熱老化

模卡絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查無缺陷，在2UN電壓下持續(xù)進(jìn)行10 min的對地工頻耐壓初始診斷后，在260℃下以3天為一個周期進(jìn)行6個周期的加速熱老化試驗(yàn)，每周期老化試驗(yàn)后進(jìn)行2UN持續(xù)10 min對地工頻耐壓試驗(yàn)。

1.3.3 三點(diǎn)熱老化

熱分級試驗(yàn)流程見圖3。試樣初始診斷后進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，每個熱老化周期后，將進(jìn)行振動、潮濕以及耐壓等試驗(yàn)，以測試試樣熱老化后的性能。

圖3 老化試驗(yàn)流程Fig.3 Ageing test process

采用愛斯佩克SEG-041H型老化烘箱進(jìn)行三點(diǎn)熱老化試驗(yàn)[4]，老化溫度、時間參數(shù)如下：低溫點(diǎn)230℃一個周期為28～30天；中溫點(diǎn)250℃一個周期為7～10天；高溫點(diǎn)270℃一個周期為2～5天。每個溫度點(diǎn)進(jìn)行周期老化后，進(jìn)行振動試驗(yàn)、受潮處理、耐壓試驗(yàn)。

振動試驗(yàn)：采用蘇州蘇試試驗(yàn)股份有限公司DC-600-6型電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，振幅為峰-峰0.2 mm，頻率為60 Hz，加速度為150 m/s2，持續(xù)時間為1 h。

受潮處理：每個老化周期后，試樣在產(chǎn)生可見凝露、濕度大于95%的潮濕試驗(yàn)箱中暴露2天。

耐壓試驗(yàn)：采用工頻耐壓試驗(yàn)儀對試樣進(jìn)行對地工頻耐壓試驗(yàn)，電壓為2UN，持續(xù)10 min。

2 聚酯亞胺樹脂性能分析

2.1 常規(guī)性能

牽引電機(jī)浸漬樹脂的黏度、揮發(fā)性、粘結(jié)強(qiáng)度、介質(zhì)損耗因數(shù)、電氣強(qiáng)度以及儲存穩(wěn)定性等是重要的性能指標(biāo)。聚酯亞胺樹脂與原牽引電機(jī)采用的環(huán)氧酸酐樹脂的性能如表1所示。

表1 樹脂性能對比Tab.1 The performance comparison of resins

從表1可以看出，相比于原牽引電機(jī)采用的環(huán)氧酸酐樹脂，聚酯亞胺樹脂黏度較低，有利于充分滲透絕緣材料和填充絕緣系統(tǒng)內(nèi)部空隙；粘結(jié)強(qiáng)度突出，可提高絕緣系統(tǒng)力學(xué)性能和防護(hù)性；體積電阻率、電氣強(qiáng)度較高，可保證絕緣系統(tǒng)電氣絕緣性能；儲存穩(wěn)定性好，具有較好的工藝性；介質(zhì)損耗較低；揮發(fā)物含量低，環(huán)境友好；但是凝膠時間較長，不利于快速固化保證掛漆量。因此，聚酯亞胺樹脂雖然具有低黏度、高強(qiáng)度、高絕緣、儲存穩(wěn)定、環(huán)保、良好的工藝性等優(yōu)點(diǎn)，但是低黏度、長凝膠時間也對電機(jī)的掛漆量、填充密實(shí)性產(chǎn)生不利影響，需要優(yōu)化浸漆工藝，確保填充密實(shí)性和掛漆量。

2.2 熱失重分析

樹脂固化物在空氣下的熱分解曲線可反應(yīng)出固化物的耐熱性。聚酯亞胺樹脂的熱失重曲線如圖4所示。

圖4 熱失重曲線Fig.4 Thermogravimetric curve

從圖4可以看出，樹脂分解過程在300～425℃，初始分解溫度（T5%）在300℃左右，具有較好的耐熱性。

2.3 黏溫曲線

為使聚酯亞胺浸漬樹脂在浸漬過程中對絕緣系統(tǒng)具有良好的滲透性，需選擇合適的浸漬溫度使浸漬漆具有較低的黏度，同時又能保證均勻的漆膜厚度和良好的掛漆量。圖5是聚酯亞胺樹脂的黏溫曲線。從圖5可以看出，聚酯亞胺樹脂的黏度上限曲線和管理黏度曲線隨溫度的升高快速下降，而黏度下限曲線隨溫度升高下降平緩。實(shí)際應(yīng)用中，樹脂加熱至35～40℃，黏度降至500～750 mPa·s時，具有良好的滲透性，能充分填充線圈內(nèi)部絕緣氣隙，確保絕緣系統(tǒng)電氣性能，適宜的黏度可保證足夠的掛漆量，形成厚度均勻的漆膜，使絕緣系統(tǒng)具有良好的整體性。

圖5 聚酯亞胺樹脂黏溫曲線Fig.5 Viscosity-temperature curves of polyesterimide resin

3 三合一云母帶

對于牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)，需兼顧絕緣及強(qiáng)度防護(hù)，因此基于聚酯亞胺樹脂的牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)，采用聚酯亞胺薄膜、玻璃絲帶、云母紙復(fù)合而成的三合一云母帶，云母帶采用與聚酯亞胺樹脂相容性良好的膠黏劑體系，確保絕緣系統(tǒng)良好的相容性。表2為三合一云母帶性能指標(biāo)。

表2 三合一云母帶與玻璃布補(bǔ)強(qiáng)云母帶性能對比Tab.2 Performance comparison between three-in-one mica tape and glass cloth reinforced mica tape

從表2可以看出，三合一云母帶與玻璃布補(bǔ)強(qiáng)云母帶相比，由于采用聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)，三合一云母帶的擊穿電壓明顯較高，0.12 mm厚的云母帶擊穿電壓達(dá)7.0 kV以上，同時云母、薄膜合二為一，提高了絕緣包扎工藝性。

4 模擬絕緣結(jié)構(gòu)

4.1 介質(zhì)損耗

介質(zhì)損耗的高低與浸漆工藝及絕緣系統(tǒng)本身材料構(gòu)成有關(guān)。室溫下浸漬聚酯亞胺樹脂的模擬線圈絕緣結(jié)構(gòu)試樣常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)如表3所示，其中額定電壓UN為1 800 V。從表3可以看出，常態(tài)下，浸漬聚酯亞胺樹脂的線圈試樣介質(zhì)損耗因數(shù)為1.0%～2.0%，滿足不大于3.0%的要求，同時電壓從0.2UN升至1.2UN時，介質(zhì)損耗因數(shù)僅增加0.5%左右，變化很小，因此在1 800 V額定電壓下，絕緣系統(tǒng)介質(zhì)損耗因數(shù)變化很小，對電機(jī)溫升影響較小。在相同電壓下，4組試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)波動也不大，說明模擬線圈絕緣結(jié)構(gòu)試樣浸漆充分，一致性較好，也說明了樹脂的滲透性好，使絕緣系統(tǒng)具有良好的整體性。

表3 線圈絕緣結(jié)構(gòu)常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)Tab.3 The normal dielectric dissipation factor of coil insulation structure sample

4.2 絕緣電阻

測試結(jié)果表明，室溫下模擬線圈絕緣結(jié)構(gòu)試樣對地絕緣電阻均不低于2 000 MΩ，超出檢測設(shè)備量程，說明絕緣體系相容性良好，滲透充分，樹脂的高粘結(jié)性使絕緣系統(tǒng)的整體性較好，表現(xiàn)出良好的絕緣性能。

4.3 擊穿電壓

模擬線圈試樣對地?fù)舸╇妷簻y試結(jié)果顯示，5組線圈試樣的擊穿電壓分別為16.46、17.99、19.78、16.45、17.71 kV，平均值為17.68 kV遠(yuǎn)高于7UN（12.6 kV）設(shè)計要求。可以看出，模擬線圈試樣擊穿電壓在16～20 kV，波動較小，一致性較好，也說明了樹脂的滲透性良好，填充充分，與三合一云母帶的相容性良好。

5 絕緣系統(tǒng)可靠性

5.1 加速熱老化

模卡試樣加速熱老化試驗(yàn)后的殘余擊穿電壓測試結(jié)果顯示：5組模卡絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行6周期的加速熱老化后，殘余擊穿電壓分別為14.5、10.7、15.0、16.1、14.6 kV，平均殘余擊穿電壓為14.2 kV。與對地?fù)舸╇妷簻y試結(jié)果相比，加速熱老化后平均擊穿電壓降低了3.48 kV，降幅約為20%，下降較少，說明基于聚酯亞胺樹脂的絕緣系統(tǒng)耐熱老化性能良好。

5.2 三點(diǎn)熱老化

5.2.1 初始診斷

模卡結(jié)構(gòu)初始診斷結(jié)果如表4所示。

表4 模卡絕緣結(jié)構(gòu)初始診斷測試結(jié)果Tab.4 Initial diagnostic test results of simulated insulation structure

從表4可以看出，模卡結(jié)構(gòu)初始診斷結(jié)果良好，滿足老化試驗(yàn)要求。初始試樣局部放電起始電壓為2.0～3.0 kV，接近電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時的最高電壓范圍，說明實(shí)際運(yùn)行中，線圈內(nèi)部會存在局部放電，所以采用耐電暈電磁線是有必要的。在3.0 kV下的介質(zhì)損耗因數(shù)低于2.0%，滿足要求，但是不同線圈間存在較大的波動，這與模卡結(jié)構(gòu)浸漆后靜止烘焙有關(guān)，其浸漆質(zhì)量與實(shí)際電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)烘焙相比略差。

5.2.2 溫度指數(shù)

將3個溫度點(diǎn)的熱老化壽命根據(jù)式（1）進(jìn)行阿侖尼烏斯坐標(biāo)的線性回歸分析，得到熱壽命方程，畫出熱壽命圖，并在回歸線上標(biāo)出20 000 h對應(yīng)的溫度，得到溫度指數(shù)（TI），結(jié)果如表5所示。

表5 熱壽命方程及溫度指數(shù)Tab.5 Thermal life equation and temperature index.

式（1）中：A、B為常數(shù)；T為溫度，K；τ為絕緣壽命，h。

由表5可知，基于聚酯亞胺樹脂的牽引電機(jī)聚酯亞胺絕緣系統(tǒng)耐熱指數(shù)達(dá)到215，耐熱等級達(dá)到200級（N）。

6 結(jié)論

（1）所選聚酯亞胺樹脂具有高粘結(jié)強(qiáng)度、高電氣強(qiáng)度、低黏度和良好儲存穩(wěn)定性。

（2）所選聚酯亞胺樹脂和所選三合一云母帶構(gòu)成的牽引電機(jī)聚酯亞胺絕緣系統(tǒng)具有良好的相容性。

（3）構(gòu)建的聚酯亞胺絕緣系統(tǒng)常態(tài)擊穿電壓達(dá)到16 kV，老化后殘余電壓達(dá)到14 kV，耐熱指數(shù)達(dá)到215，具有突出的電氣強(qiáng)度、耐老化性能及耐熱性。