風力發電機定子絕緣結構耐齒輪箱潤滑油試驗研究

蘭健,蔣芝,武傳剛,李燕琴

(中車株洲電機有限公司,湖南株洲 412001)

0 引言

近些年來,為解決我國能源短缺、環境污染等問題,在“碳中和、碳達峰”政策影響下,綠色、清潔的風電成為我國重點發展的領域,國內風力發電機[1、2]行業快速發展。隨著風電機組裝機數量和類型不斷增加,有關機組安全運行的問題越來越多,尤其是風電機組漏油的問題,包括齒輪箱油、潤滑油、潤滑脂、液壓油等,一直得不到徹底解決[3]。油品泄漏后不但會使風電機組的齒輪箱、主軸或液壓系統受到損害,而且對發電機和環境會造成嚴重的污染,輕則損壞設備部件,重則引起火災等。本文以齒輪箱潤滑油噴濺到某型號半直驅風力發電機定子繞組為例,開展風力發電機在用的環保型環氧改性不飽和聚酯絕緣結構[4、5]耐油性試驗研究,討論齒輪箱潤滑油對定子絕緣結構的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗用齒輪箱潤滑油

采用以PAO(聚a烯烴)為基礎油的某品牌齒輪箱潤滑油。

1.2 試驗樣品制備

1.2.1 浸漬漆漆餅

采用環氧改性不飽和聚酯浸漬漆制作漆餅,直徑100mm,厚度1mm,制作10片。

1.2.2 模型結構

為評估齒輪箱潤滑油(以下簡稱齒輪箱油)對風力發電機定子絕緣結構的影響,采用和產品定子絕緣結構一致的模型結構,制作的模型結構構成明細如表1所示,模型結構如圖1所示。

表1 模型結構構成明細表

表2 擊穿場強

圖1 模型結構

1.3 耐油試驗

1.3.1 浸漬漆耐油試驗

將漆餅在干燥器中放置24h后,取5片在齒輪箱油中浸泡168h,記錄外觀變化,并進行全部漆餅的擊穿電壓測試,測試環境:常溫,變壓器油中,升壓速率500V/s。

1.3.2 模型結構耐油試驗

1.3.2.1 初始診斷

(1)外觀檢查:檢查模型結構外觀,線圈應無明顯缺陷,表面漆膜均勻光亮,無開裂、起泡。

(2)絕緣電阻測試:對模型結構進行120℃、4h烘潮處理,降至室溫后,測試其15s、60s的絕緣電阻值,測試電壓DC1000V。

(3)常態介損檢測:檢測室溫下1.5kV、2.5kV電壓下的介質損耗因數tgδ。

(4)起始局放電壓(PDIV)測試。

1.3.2.2 浸油試驗

經初始診斷后,將B、C模型進行150℃、4h加熱處理后,在熱態時(不低于135℃)放入裝有齒輪箱油的容器中,油淹沒線圈至少5cm。共進行4個周期浸油試驗,每周期持續時間168h,每個周期結束后,將模型從齒輪箱油中取出,用抹布擦干表面油污,進行性能測試,測試內容包括絕緣電阻、常態介質損耗因數和起始局放電壓。

1.3.2.3 擊穿試驗

4個周期浸油試驗后,將全部模型結構進行擊穿試驗,測試環境:常溫,變壓器油中,升壓速率500V/s。

2 結果與討論

2.1 浸漬漆漆餅耐油試驗結果

2.1.1 外觀

浸油試驗前后漆餅外觀如圖2所示。觀察浸油后漆餅外觀,與未浸油漆餅相比,浸油后漆餅外觀無明顯變化。

圖2 浸油前后漆餅外觀

2.1.2 擊穿場強

在齒輪箱油中浸泡168h后,漆餅剩余擊穿場強均大于24kV/mm,平均保持率達99%。

2.2 模型結構耐油試驗結果

2.2.1 外觀

對完成4個周期浸油試驗后的B、C兩組模型進行外觀檢查,線圈無明顯缺陷,表面漆膜均勻光亮,無開裂、起泡,試驗后各模型結構外觀如圖3所示。

2.2.2 絕緣電阻

B、C兩組模型完成4個周期的浸油試驗后,絕緣電阻仍保持較高水平,且與未參與試驗的基準結構A相當,相對而言,噴涂了表面磁漆的B結構表現更優,詳細如表3所示。

表3 各試驗周期絕緣電阻(均值)

表4 各試驗周期起始局放電壓(均值)

2.2.3 起始局放電壓

起始局放電壓測試結果如表5所示,試驗前三組模型結構起始局放電壓在同一水平;浸油試驗期間B、C兩組模型起始局放電壓均呈現下降趨勢。

表5 各試驗周期常態介質損耗因數

本試驗研究用的是以PAO為基礎油的齒輪箱潤滑油,其體積電阻率為8.3G Ω·m,擊穿電壓為40～50kV,具有較好的電氣絕緣性能和熱穩定性,即便滲入樣品內部也不會顯著劣化整個結構的絕緣性能。同時該齒輪箱油含有少量親水的極性添加劑(如擠壓抗磨劑:ZDDP二烷基二硫代磷酸鋅;防銹劑:環烷酸鋅等),浸油試驗過程中油會吸收了空氣中的水分,對油品的絕緣性能造成不利影響。周期試驗過程中起始局放電壓下降,與吸附在模型結構表面的潤滑油逐步吸潮相關。

2.2.4 常態介損因數

B、C兩組模型在1.5kV、2.5kV電壓下的常態介質損耗因數tgδ均在一定范圍內波動,未發生突變,檢測結果如表5所示。

2.2.5 擊穿電壓試驗

三組模型結構擊穿電壓測試結果如表6所示,擊穿電壓處于同一水平。

表6 各結構擊穿電壓

2.3 小結

采用和產品定子絕緣結構一致的模型結構,分周期進行浸泡齒輪箱油試驗,浸油后B、C模型與未浸油的基準結構A擊穿電壓處于同一水平;表面磁漆有助于降低因表面吸附受潮后的齒輪箱油對模型結構絕緣電阻的影響。

3 結語

發電機運行過程中實際工況為齒輪箱潤滑系統排氣過程中潤滑油噴濺到絕緣結構表面。本次驗證采用齒輪箱潤滑油浸泡的加速考核方式,較實際工況更為苛刻,基于本次試驗考核,得到以下結論:定子模型結構浸泡以PAO為基礎油的齒輪箱潤滑油672h后,與試驗前絕緣結構的電氣絕緣水平相當。通過耐油性試驗評估,認為基于環氧改性不飽和聚酯絕緣浸漬漆及其絕緣結構是具有足夠耐齒輪箱油能力的,表面進行氟碳磁漆處理后效果會更好。