風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)可靠性研究

王亞飛，程 浩，李 洋

應(yīng)用研究

風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)可靠性研究

王亞飛1, 2，程 浩1, 2，李 洋1, 2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北武漢，430064；2.湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司，湖北黃岡 438000）

為了驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境的可靠性，采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)VPI浸漬兩種絕緣樹(shù)脂制作樣件，分別在高溫高頻脈沖方波電壓以及冷熱沖擊、鹽霧循環(huán)條件下條件下進(jìn)行脈沖老化和環(huán)境試驗(yàn)，研究在高溫高頻脈沖電壓和冷熱沖擊、鹽霧環(huán)境下的絕緣性能變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：在一定電壓、頻率、dV/dt條件下的高頻脈沖老化試驗(yàn)?zāi)軌蛴行гu(píng)估絕緣結(jié)構(gòu)的耐脈沖老化性能；在熱應(yīng)力和電應(yīng)力協(xié)同作用下，定子樣件的介質(zhì)損耗因數(shù)先降低后升高，脈沖電暈起始電壓逐步下降；采用7122-6浸漬的定子樣件的耐脈沖老化性能更優(yōu)，絕緣結(jié)構(gòu)可靠性更優(yōu)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī) 脈沖老化 絕緣結(jié)構(gòu) 可靠性

0 引言

當(dāng)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)不斷地朝著高功率密度、高電壓、高可靠性方向發(fā)展，性能優(yōu)異、可靠的絕緣結(jié)構(gòu)是提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性和高功率密度的重要基礎(chǔ)。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)通常采用玻璃布或薄膜補(bǔ)強(qiáng)少膠粉云母帶繞包，通過(guò)真空壓力浸漬（VPI）絕緣樹(shù)脂[1]并高溫固化而成[2]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有獨(dú)特的高頻率、高d/d的脈沖電壓，絕緣結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到高頻、高d/d脈沖電壓的沖擊，加上鹽霧、冷熱沖擊等多重影響，在電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的協(xié)同作用下，隨著老化時(shí)間的增加，絕緣破壞產(chǎn)生的缺陷會(huì)越來(lái)越多，缺陷的產(chǎn)生會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致局部放電增多，加速絕緣老化，直至絕緣劣化擊穿[3]。因此，研究高頻脈沖電壓、鹽霧、冷熱沖擊條件下絕緣結(jié)構(gòu)的性能變化[4-6]，對(duì)絕緣材料的選擇以及電機(jī)的運(yùn)行壽命、可靠性評(píng)估具有至關(guān)重要的意義。

本研究在頻率為10 kHz、峰峰電壓為11.5 kV的雙極性方波脈沖電壓及155℃條件下，對(duì)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子樣件進(jìn)行高溫高頻脈沖老化試驗(yàn)，同時(shí)研究了冷熱沖擊、鹽霧等極端環(huán)境對(duì)定子樣件的絕緣性能的影響，考察風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境下的可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品制作及儀器設(shè)備

7122-6 F-H級(jí)環(huán)保型無(wú)溶劑絕緣樹(shù)脂（以下簡(jiǎn)稱(chēng)7122-6），湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司；同類(lèi)型環(huán)保絕緣漆A，國(guó)外某公司。

介質(zhì)損耗測(cè)定儀，QS37a，上海楊高電器有限公司；

高頻脈沖老化試驗(yàn)平臺(tái)：西安兆福電子有限公司；

鹽霧試驗(yàn)箱：南京環(huán)科試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

按某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)制作模擬線(xiàn)棒，試樣直線(xiàn)部分取200 mm嵌槽，并分別浸漬7122-6和絕緣漆A。分別測(cè)試各試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)和高頻電暈起始電壓。

1.2.1 高溫高頻脈沖老化試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)線(xiàn)棒進(jìn)行加速脈沖老化試驗(yàn)。脈沖老化條件為：試驗(yàn)溫度為155 ℃，dV/dt=13 kV/μs，Vp-p=11500 V，頻率為10 kHz。每隔48 h測(cè)試介質(zhì)損耗因數(shù)和高頻電暈起始電壓。

圖1 高頻脈沖老化試驗(yàn)電極引線(xiàn)示意圖

1.2.2 環(huán)境試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)線(xiàn)棒進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。

將線(xiàn)棒放入155 ℃烘箱中加熱3 h，然后5 min內(nèi)放入常溫水中，浸泡1h后拿出，5 min內(nèi)重復(fù)上一動(dòng)作，將線(xiàn)棒放入155 ℃烘箱中，記一個(gè)周期，重復(fù)4個(gè)周期后進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)：按GB/T 2423.17-2008進(jìn)行。試驗(yàn)條件：NaCl溶液濃度：5％，pH值：3.2，試驗(yàn)時(shí)間：168 h。

環(huán)境試驗(yàn)共進(jìn)行4個(gè)大周期，每個(gè)周期后進(jìn)行介質(zhì)損耗因數(shù)和耐電壓試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 絕緣結(jié)構(gòu)絕緣性能

7122-6的固化揮發(fā)份低，能夠大大減少電機(jī)電器在浸漬固化時(shí)所產(chǎn)生氣隙，從而減少絕緣薄弱環(huán)節(jié)，提高絕緣性能。表1為采用7122-6與絕緣漆A的模擬線(xiàn)棒絕緣性能，可以看出，7122-6浸漬的模擬線(xiàn)棒155 ℃介質(zhì)損耗因數(shù)更低，高頻脈沖起始電壓略高，絕緣性能優(yōu)異。

表1 模擬線(xiàn)棒的絕緣性能

2.2 耐脈沖老化性能

2.2.1介質(zhì)損耗因數(shù)

各樣件不同老化時(shí)間的介質(zhì)損耗因數(shù)如圖2所示。

圖2 不同脈沖老化時(shí)間后模擬線(xiàn)棒的介質(zhì)損耗因數(shù)

從圖2可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，介質(zhì)損耗因數(shù)先降低，然后再升高。在高頻率、高d/d的脈沖電壓條件下，集膚效應(yīng)使得電阻增大，銅耗隨之增大，導(dǎo)致發(fā)熱量增加，在較高的溫度下主絕緣可能會(huì)進(jìn)一步固化，絕緣樹(shù)脂的分子量增大，極性基團(tuán)隨電壓變化的運(yùn)動(dòng)能力減弱，使得介質(zhì)損耗因數(shù)降低。隨著高溫時(shí)間的延長(zhǎng)，絕緣材料逐漸呈現(xiàn)熱老化，另一方面，脈沖電壓從正到負(fù)或從負(fù)到正時(shí)，絕緣會(huì)承受尖峰電壓兩倍的電壓和極高的d/d變化率，匝間會(huì)產(chǎn)生局部放電，腐蝕絕緣層，帶電質(zhì)子可能破壞絕緣樹(shù)脂的化學(xué)鍵，降低分子量，其極性基團(tuán)隨電壓變化的能力增強(qiáng)，介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸升高，造成絕緣劣化。采用7122-6浸漬的模擬線(xiàn)棒介質(zhì)損耗因數(shù)小，在高頻脈沖條件下放熱量更低，介質(zhì)損耗因數(shù)的變化率更小。

2.2.2 高頻電暈起始電壓

在脈沖老化過(guò)程中，絕緣結(jié)構(gòu)不斷受到高頻脈沖電壓的沖擊，脈沖電壓的極性從正到負(fù)或從負(fù)到正時(shí)，絕緣結(jié)構(gòu)承受著一個(gè)二倍于尖峰電壓值的全幅電壓，繞組匝間會(huì)產(chǎn)生局部放電甚至產(chǎn)生電暈，產(chǎn)生的能量可能破壞分子鍵，生成小分子物質(zhì)，逐漸腐蝕絕緣層。

環(huán)保型絕緣樹(shù)脂具有極低的固化揮發(fā)份，有助于減少烘焙固化過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷和氣隙，但受制于絕緣結(jié)構(gòu)整體的復(fù)雜性，不可避免地產(chǎn)生絕緣薄弱點(diǎn)。由于電離作用，在絕緣的氣隙、缺陷等薄弱點(diǎn)中又會(huì)產(chǎn)生空間電荷，形成一個(gè)與外加電場(chǎng)反向的感應(yīng)電場(chǎng)。當(dāng)電壓極性改變時(shí)，這個(gè)反向電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向一致，其峰值可達(dá)電壓額定值的2～5倍，它會(huì)導(dǎo)致電暈的數(shù)量增加，造成絕緣劣化甚至失效。

圖3 不同脈沖老化時(shí)間后模擬線(xiàn)棒的高頻電暈起始電壓

從圖3可以看出，隨著脈沖老化時(shí)間的延長(zhǎng)，絕緣結(jié)構(gòu)的高頻電暈起始電壓不斷降低，絕緣性能劣化明顯。

2.2.3 脈沖老化壽命

在高頻脈沖電壓條件下，熱老化和電老化會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用，隨著老化時(shí)間的增加，絕緣破壞產(chǎn)生的缺陷會(huì)越來(lái)越多，缺陷的產(chǎn)生會(huì)進(jìn)一步使介質(zhì)損耗因數(shù)增大，局部放電和電暈增多，加速絕緣的熱老化與電老化，直至絕緣劣化擊穿。

從圖4可以看出，7122-6浸漬的定子樣件在高頻率、高dV/dt的脈沖電壓條件下壽命比絕緣漆A浸漬的模擬線(xiàn)棒壽命更長(zhǎng)。

圖4 模擬線(xiàn)棒的脈沖老化壽命

2.2.4 外觀分析

分別在脈沖老化前后的樣件槽口處沿絕緣材料的表層向內(nèi)層用刀片逐層剝離，取得1層絕緣結(jié)構(gòu)的薄片，進(jìn)行顯微鏡對(duì)比觀測(cè)。老化前后的外觀和薄片顯微鏡照片如圖5、圖6所示。

圖5 脈沖老化試驗(yàn)前后的樣件

圖6 脈沖老化試驗(yàn)前后槽口處薄片

可以看出，老化前絕緣結(jié)構(gòu)的整體性較好，老化后出現(xiàn)明顯的孔隙，絕緣樹(shù)脂被燒蝕，云母脫落，槽口處老化前后差異明顯，這是由于槽口處局部放電嚴(yán)重，絕緣老化速度快。

2.2.4 環(huán)境試驗(yàn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常需要在鹽霧、濕熱等極端環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，因此，采用冷熱沖擊浸水—鹽霧循環(huán)的環(huán)境試驗(yàn)有助于評(píng)估絕緣結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境下的可靠性。通過(guò)表2可以看出，兩種絕緣結(jié)構(gòu)均通過(guò)了環(huán)境試驗(yàn)，介質(zhì)損耗因數(shù)隨循環(huán)周期的延長(zhǎng)逐漸增大，但未在耐電壓試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生閃絡(luò)和擊穿，剩余擊穿電壓大于9 kV，仍有較高的電氣裕度，可以滿(mǎn)足在極端環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

表2 模擬線(xiàn)棒的絕緣性能

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子樣件進(jìn)行高頻脈沖老化試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)，測(cè)試定子樣件在高頻脈沖老化試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)過(guò)程中的絕緣性能并分析其變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）在一定電壓、頻率、d/d條件下的高頻脈沖老化試驗(yàn)?zāi)軌蛴行гu(píng)估絕緣結(jié)構(gòu)的耐脈沖老化性能，為絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

2）在熱應(yīng)力和電應(yīng)力協(xié)同作用下，定子樣件的介質(zhì)損耗因數(shù)先降低后升高。

3）采用7122-6和絕緣漆A浸漬的定子樣件在極端環(huán)境下均有較好的可靠性。

4）采用7122-6浸漬的定子樣件的耐脈沖老化性能更優(yōu)，絕緣結(jié)構(gòu)可靠性更優(yōu)。

[1] 馬紅亮, 張曉強(qiáng), 郭大鵬,等. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)用環(huán)保型絕緣漆的應(yīng)用研究[J]. 絕緣材料, 2021, 54(9): 5.

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Research on Reliability of Wind Turbine Stator Insulation Structure

Wang Yafei1, 2, Cheng Hao1, 2, Li Yang1, 2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd., Huanggang 438000, Hubei, China)

TM611

A

1003-4862（2022）10-0036-04

2022-07-31

王亞飛（1990-），男，工程師。研究方向：絕緣化工材料。E-mail：465400187@qq.com