高導熱少膠整浸絕緣結構環境試驗研究*

杜協和,張敬龍,王鍵 ,陳瑤

(1湖南電氣職業技術學院,湖南湘潭411101;2湖南湘電動力有限公司,湖南湘潭411101;3國網湖南電力有限公司婁底供電分公司,湖南婁底417000)

0 引言

高功率密度化是電機設計發展趨勢之一,高功率密度高壓電機具有同規格條件下功率大、結構緊湊、性價比高的優點,電機的高功率密度化意味著單位體積內的熱損耗增加,進而使電機的工作溫度增加,而電機溫升是影響電性能的關鍵因素,較高的運行溫度還會導致電機運行可靠性的降低,嚴重時會引發故障產生。電機絕緣技術及散熱技術是制約電機高功率密度化的瓶頸,根據短板效應,構成電機繞組絕緣的有機高分子材料是電機部件中耐熱性最差的材料,而電機定子槽內的繞組本體又剛好是電機溫升最高,散熱最差的區域。因此,解決材料屬性束縛,優化繞組結構,改善溫升是目前電機技術領域的一個世界性工程難題[1～4]。

高導熱技術在電機制造領域是新興技術,在電機絕緣技術方面,一般通過提高絕緣材料的導熱系數以改善繞組的散熱效果。根據計算,6kV級中型電機定子繞組絕緣導熱系數如從現在的0.20W/ m·k提升到0.30W/ m·k,定子溫升可降低10K左右[5～7]。

目前高導熱絕緣材料在電機上的應用,主要體現在繞組主絕緣采用高導熱少膠粉云母帶(以下簡稱高導熱少膠帶),進而提升整體絕緣結構的導熱系數。電機高導熱絕緣除具備良好的導熱性能外,還需具有良好的可靠性,需滿足電機20～30年使用壽命設計要求,有些電機還需在鹽霧、濕熱,溫度交變的環境中運行,這就要求研制的高導熱少膠整浸絕緣結構不僅具有可靠的電、熱老化性能,還需具有優良的環境適應性。基于上述原因,本文對高導熱少膠云母帶整浸絕緣結構的電氣性能和環境可靠性進行試驗研究。

1 試驗

1.1 主要材料

高導熱玻璃絲補強少膠云母帶5452-1DH(國產a公司)、T5452-1R(國產b公司)、SamicaporHTC(瑞士c公司);H級無溶劑VPI 浸漬樹脂,雙雙玻璃絲包FCR膜燒結扁銅線電磁線,聚四氟乙烯帶、3240玻璃布板、硅脂等。

1.2 云母帶試樣的制作

云母帶試樣用于云母帶導熱系數測定試驗。把云母片裁成尺寸為Φ50mm的圓形,每個試樣由20個圓形云母片疊成。將疊好后的試樣安裝上浸漆模具,安裝前模具表面涂脫模劑,試樣與試驗之間采用聚四氟乙烯薄膜進行隔斷。然后將試樣進行VPI絕緣處理,絕緣樹脂采用H級無溶劑絕緣浸漬樹脂[8],待樹脂完全固化后,經打磨至厚度為3mm左右的試樣,正反兩面噴導電石墨,干燥備用。

1.3 線圈試樣的制作

線圈試樣是用于工頻電老化和環境適應能力試驗,其結構與電機產品一致,可代表其采用的絕緣結構性能。采用雙玻璃絲包FCR膜燒結扁銅線進行繞線,單根單排,10匝,線圈的直線邊橫截面為13.1mm×29.3mm,線圈的鐵心長為250mm,總長度為600mm,兩條直線邊的跨距為150mm,圖1為線圈示意圖。

圖1 線圈試樣示意圖

線圈直線邊平包聚四氟乙烯帶后,安裝3240玻璃布夾板并固定,然后做VPI絕緣處理,待絕緣樹脂完全固化后,拆除夾板和聚四氟乙烯帶。

2 結果與討論

2.1 高導熱少膠帶的常規性能對比

瑞士c公司是較早研制高導熱少膠帶的企業,2001年將HTC絕緣分別應用到250 MVA、350 MVA氫冷機組上,已有成熟的工程化引用技術經驗。國內云母帶廠商還未有少膠高導熱云母帶工程化應用經驗。從技術上看,優先用c公司云母帶是最可靠的,但c公司云母帶價格高昂,且不提供小批量樣品,基于自主經濟原則,預選了a、b種國產云母帶,以瑞士c公司云母帶作為樣板從常規性能進行比較,優選合適的國產高導熱少膠帶,具體性能指標見表1。

表1 云母帶的常規性能

表1為兩種國產高導熱少膠帶和瑞士進口高導熱少膠帶的性能對比,三家企業所制高導熱少膠帶在電氣性能和機械性能上沒有明顯的差異,b公司帶子拉伸強度稍差點,可通過采用更高強度玻璃布予以改進。在導熱性能上可以看出,帶子的導熱系數隨著帶子厚度增加而增加,在云母帶其他組分配比相似情況下,可以推斷,導熱填料越多,帶子越厚,導熱系數越高。從技術性能上看,兩種云母帶均能滿足預選要求。

2.2 云母帶浸漬絕緣漆固化后的導熱系數對比

隨著定子繞組絕緣導熱系數值的增加,定子繞組的溫度會逐漸下降,根據電機設計要求,要保證電機的溫升的要求,云母帶導熱系數不能小于0.35W/ m·k,因此,我們選用的是熱流計法測定云母帶導熱系數,云母帶的導熱系數測定結果見表2。

表2 各云母帶的導熱系數

從表2中可看出,a公司和b公司生產的高導熱少膠帶浸漬H級無溶劑VPI 浸漬樹脂后的絕緣結構,兩者均滿足導熱系數不小于0.35 W/ m·k目標要求。

因此選擇a公司和b公司生產的膠高導熱少膠帶制作線圈試樣,制作方法見1.3,線圈試樣結構及數量見表3。(A、B結構為高導熱結構,C結構為普通結構作為參比例)

表3 霉菌試驗外觀影響評定

表3 試樣絕緣結構及數量

2.3 線圈試樣質量保證試驗

匝間耐壓和對地耐壓都是非破壞性的試驗,常被作為檢驗線圈匝間和對地絕緣質量的質量保證試驗。按照試驗標準對全部線圈試樣進行檢測,均通過試驗,判定合格。可進行后續的電氣耐久性試驗和環境試驗。

2.4 電氣耐久性試驗

每組選用5只線圈試樣進行電氣耐久性試驗,15只線圈試樣在室溫條件下,試驗電壓選擇22kV,在經過了長達400h的老化時間后,線圈試樣均未擊穿,按照JB/T 12685—2016《高壓電機定子線圈 技術條件》中相關要求可以判定,該組線圈試樣和其所采用的絕緣結構滿足高壓電機定子線圈的絕緣要求。

2.5 環境試驗

2.5.1 濕熱試驗

按照GB755—2008進行濕熱試驗后的性能測試,定子繞組對機殼絕緣電阻及繞組間的絕緣電阻不小于500MΩ(常溫,標準大氣條件下測量)。在循環試驗過程中,每個循環結束后檢測樣品絕緣電阻;待恢復階段完成后,對樣品進行交流耐壓試驗,耐壓值為13kV,耐壓時間1min。

A、B、C三種絕緣結構每5個線圈為一組,濕熱試驗如圖2所示,三種絕緣結構絕緣電阻平均值分布如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 濕熱試驗

圖3 A結構濕熱診斷試驗結果

圖4 B結構濕熱診斷試驗結果

圖5 C結構濕熱診斷試驗結果

從圖3、圖4、圖5所述濕熱試驗過程監測的絕緣電阻可知,A、B、C三種結構濕熱試驗后的絕緣電阻均在175GΩ以上,遠高于GB755中規定的定子繞組對機殼絕緣電阻及繞組間的絕緣電阻不小于規定的500MΩ要求,濕熱試驗后,三種結構所有試樣均通過了13kV,1min工頻耐壓試驗。

2.5.2 鹽霧試驗

鹽霧試驗后,A、B、C三種結構樣品絕緣表面未有腐蝕現象,且均通過13kV,1min耐壓試驗,無擊穿,閃絡現象,無銹蝕,滿足考核要求,具體試驗數據如圖6所示。

圖6 鹽霧試驗后診斷試驗結果

2.5.3 霉菌試驗

試驗樣品材料上霉菌的生長程度判定等級為表3中規定1級以上說明霉菌對試驗樣品性能或使用無影響,判定為合格。

A、B、C三種結構霉菌試驗前后,外觀照片如圖7、圖8所示,長霉等級均為1級,滿足設計要求。

圖7 霉菌試驗

圖8 霉菌試驗后對比

3 結語

(1)在現有VPI絕緣體系下,針對額定電壓為6kV的絕緣結構,所選用國內生產的高導熱少膠帶電氣性能、機械性能和導熱性能均能夠滿足使用要求。

(2)電壓等級為6kV的絕緣結構,在通過濕熱、鹽霧、霉菌試驗一系列環境試驗后仍具有良好的電氣性能,說明所設計的兩種高導熱絕緣結構具有相當的良好環境適應能力。