劉鳳娟 李金勇 李銘 任志學 田永平

（北京北重汽輪電機有限責任公司，北京 100040）

1 引言

Q97/330MW合作型發(fā)電機是出口印度機組，印度方堅持要求采用無刷勵磁機與之配套。我公司在此前一直從法國ALSTOM購買配套勵磁機，沒有生產(chǎn)業(yè)績。為了滿足用戶需求，擺在我公司面前只有2條路：①繼續(xù)從法國購買勵磁機；②自主試制配套勵磁機。第一條路的購買成本為800萬元/臺以上，并且受制于人；選擇自主研制，生產(chǎn)成本僅200萬元/臺，經(jīng)濟效益顯著，而且可以提高公司的設(shè)計能力和制造工藝水平。因此公司于2006年10月底決定自主試制QL72交流勵磁機。

該機配套勵磁機（QL72）保留了法國原設(shè)計的先進性，電磁參數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，頻率250Hz。對定子、轉(zhuǎn)子線圈的熱、電和機械性能，要求很高?，F(xiàn)役機組，基本上都是因絕緣“過熱”老化，導(dǎo)致“接地”惡性事故停機，損失巨大。因此定子線圈、轉(zhuǎn)子線圈的絕緣材料要根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)的需求，選擇耐熱等級F級以上的，并盡量選擇H級絕緣。通過課題研究，確定滿足設(shè)計和機組運行要求的F級和H級繞組絕緣結(jié)構(gòu)。

2 絕緣材料選擇

2.1 定子磁極線圈匝間絕緣選材試驗

定子磁極線圈平繞結(jié)構(gòu)擬采用邊繞邊墊匝間絕緣的工藝路線，然后熱壓固化成型。匝間絕緣的選取原則：

（1）厚度薄，為0.13－0.14mm，電氣、機械和耐熱各項綜合性能良好。

（2）工藝性能良好、盤狀通長材料予浸高溫高強膠，常溫干爽便于邊繞邊墊。

（3）與銅線粘結(jié)性能良好，線圈熱固化后整體性好，不易匝間短路。

國內(nèi)外傳統(tǒng)的磁極匝間絕緣一般使用環(huán)氧玻璃坯布和上膠NOMEX紙，選取兩種材料進行性能對比試驗，結(jié)果如表1。

表1

經(jīng)過繞制樣品線圈對比試驗，上膠玻璃坯布熱壓固化后，與銅線粘結(jié)良好。但由于單層墊放，在其底材玻璃布的編織孔中殘留氣泡和針孔，使得局部粘接不良，留下“隱患”；在熱壓過程中，玻璃布外緣的玻璃絲隨著膠一起被擠出，會影響磁極線圈的散熱及外觀。而上膠NOMEX紙熱壓固化后與銅線粘結(jié)力強，由于底材N紙經(jīng)“軋制”，非常致密，因此具有較高的電氣、機械和耐熱性能，厚度均勻并且壓縮率低，使得磁極線圈尺寸穩(wěn)定性好。

綜合比較后，決定選用上DDS環(huán)氧膠的NOMEX紙作為定子磁極線圈的匝間絕緣。

圖1

2.2 轉(zhuǎn)子電樞線圈的股線絕緣和主絕緣選材試驗

（1）電磁線的選擇：電樞線圈為半組式波繞組線圈，槽內(nèi)360°換位。電磁線為含銀軟銅扁線，H級超薄絕緣，絕緣雙面絕緣厚度0.2mm。與國內(nèi)電磁線制造廠經(jīng)過多次協(xié)商，研制的超薄型H級燒結(jié)滌玻含銀電磁扁銅線，含銀量 0.08%～0.12%，填補了含銀電磁線的國內(nèi)空白。

（2）電樞線圈主絕緣選材試驗

電樞UN=542V，屬低壓電機，但因設(shè)計參數(shù)高，因此電樞線圈主絕緣由槽襯和導(dǎo)電桿絕緣組成，如圖2所示。主絕緣的選擇必須滿足以下要求：

1）主絕緣材料的電氣、機械和耐熱性能都必須優(yōu)良。成品線圈交流耐電壓試驗高達10200V。嵌線裝配序間要進行7次交流耐電壓試驗，對主絕緣材料的電氣、機械性能是嚴峻的考驗。

圖2

2）線棒主絕緣厚度薄，只有0.7mm。為保證線棒半疊包層數(shù)，主絕緣材料必須很薄。

3）耐熱等級F級以上，最好達到H級。

4）手工包扎，主絕緣的工藝性要好。

5）電樞繞組必須經(jīng)整機真空壓力浸漬，電樞線棒主絕緣冷壓后嵌線，因此主絕緣材料在常溫下必須儲存期長，不能出現(xiàn)“腫脹”。

經(jīng)過多次試驗，慎重考慮，能滿足上述要求的絕緣材料耐高溫熱固壓敏型聚酰亞胺薄膜粘帶是優(yōu)選。

我們選擇了4個生產(chǎn)廠家，對提供樣品，進行了機械強度和電氣強度對比試驗，材料性能試驗結(jié)果如表2所示。

（3）樣品線棒上包扎應(yīng)用對比試驗

對選用的4家亞胺薄膜粘帶進行手工包扎工藝性對比試驗，包扎層數(shù)同產(chǎn)品，直線段1/2迭包5層，端部1/2迭包6層。工藝性和擊穿性能如表3所示。

表2

表3

從表3數(shù)據(jù)看，J公司特種膠粘帶公司生產(chǎn)的H級膠（美國道康寧膠粘劑）亞胺薄膜粘帶無論電氣、機械性能還是包扎工藝性能以及成本均優(yōu)于國內(nèi)其他廠家的產(chǎn)品。

從包扎工藝性和擊穿試驗數(shù)據(jù)看，國產(chǎn)材料與國外公司的產(chǎn)品擊穿水平相當，而J公司的亞胺薄膜粘帶的性價比較高。在工藝性試驗時，發(fā)現(xiàn)亞胺薄膜粘帶的寬度窄些，線棒轉(zhuǎn)角易包扎服帖（15mm寬好于20mm和25mm寬的），因此選定國產(chǎn)J公司生產(chǎn)的耐電暈型H級有機硅亞胺薄膜熱固性粘帶作為產(chǎn)品電樞線圈主絕緣。

圖3

2.3 電樞繞組VPI整浸

由于電樞線棒絕緣采用亞胺薄膜壓敏自粘帶，冷壓后，浸漬漆無法再滲入絕緣內(nèi)，整浸的目的是填滿電樞線棒絕緣和槽絕緣間的氣隙，使線棒和鐵芯固定成一體，滿足轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的需求。

浸漬留漆量試驗：樣品線棒的端部，主絕緣層間放置白坯無堿玻璃絲帶，整浸后解剖，觀察無堿玻璃絲帶沒有浸漬漆，仍為白色，說明VPI浸漬浸不到亞胺薄膜粘帶層間，薄膜層間粘合好，無滲透縫隙。

槽內(nèi)浸漆情況試驗：按照產(chǎn)品槽型尺寸，用鋼板制做了“U”形假電樞嵌線槽，將樣品線棒嵌入假槽內(nèi)，整浸。結(jié)果是槽內(nèi)留漆較多，縫隙基本填滿，效果滿意。

3 絕緣結(jié)構(gòu)電、熱老化壽命試驗

電機在長期運行過程中，絕緣受到電、熱、機械應(yīng)力和環(huán)境因子的聯(lián)合作用，逐漸老化，其機械和電氣性能逐漸變壞，擊穿電壓降低，最終導(dǎo)致絕緣失效。通過電氣性能參數(shù)及其變化趨勢來評估絕緣狀態(tài)，以及推算絕緣結(jié)構(gòu)的使用壽命。我們采用了測量介質(zhì)損耗tanδ變化量來評估老化試驗對該絕緣結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)絕緣材料篩選結(jié)果，我們選定絕緣結(jié)構(gòu)并進行結(jié)構(gòu)試驗。

膠化好的導(dǎo)電桿刷桐馬原膠1層，然后1/2迭包亞胺薄膜粘帶5層，外包浸膠玻璃絲帶1層。進行VPI浸漬，浸漬漆為哈絕9110。

3.1 試驗1

（1）試驗點選取理由，由于國內(nèi)同行廠家沒有進行過亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)的老化試驗研究，沒有標準可循和經(jīng)驗借鑒。老化點的選取原則根據(jù)亞胺薄膜材料在電熱聯(lián)合老化、電老化、熱老化條件下的tanδ—電壓的特性曲線。在未進行老化試驗前，對該絕緣結(jié)構(gòu)的樣棒進行了tanδ測試，2300V時樣棒的介損出現(xiàn)突變。因此電老化的電壓選為2300V。

（2）試驗過程，試樣先后進行3次老化，老化樣本容量是2個，1#、2#線棒。

第1次老化是電-熱聯(lián)合老化：工頻電壓2300V，18h，溫度為150℃；

第2次老化為電老化：工頻電壓2300 V，24h；

第3次老化為熱老化：溫度200℃，24h。

在每一次老化試驗前后均測試樣品線圈的介質(zhì)損耗和電容值。

（3）測試數(shù)據(jù)及分析

圖4 不同老化條件下2#試驗樣棒的tanδ—電壓的特性曲線

從圖4分析可得出如下結(jié)果：

1）未老化試驗的 tanδ曲線在測試電壓達到局部放電起始放電電壓以后變化比較平緩。

2）在 2000V 以上介損增加較大，主要原因是出現(xiàn)了局部放電。

當測試電壓達到2300V 以后，?tanδ（?tanδ=tanδ2.5kV-tanδ2.0kV）的大小依次是電老化、熱老化、電熱老化。特別是電老化后的介損增加最明顯，老化較嚴重。

3）亞胺薄膜材料不耐電暈，雖然我們選用美國道康寧公司生產(chǎn)的耐電暈?zāi)z作為膠粘劑，但從曲線可知，電老化對該絕緣結(jié)構(gòu)影響最大。

4）在試樣的熱老化過程中，原來殘存在絕緣結(jié)構(gòu)中的水分、溶劑等不斷揮發(fā)，相應(yīng)地降低了絕緣內(nèi)部低分子數(shù)量和離子在電流中的遷移率，導(dǎo)致熱老化曲線下降。

（4）老化試驗后進行擊穿測試（見表4）

表4

擊穿電壓沒有因為各個老化過程而發(fā)生大幅下降。

3.2 試驗2

（1）試驗點選取原則

從試驗1的數(shù)據(jù)分析可知，電老化因子對亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)影響最大，又由于亞胺薄膜耐熱等級H級以上，允許在200℃長期使用，因此熱老化對材料和結(jié)構(gòu)的影響遠不如電老化大。因此下一步選取沒整浸的亞胺薄膜的試驗線棒，經(jīng)過熱烘處理170℃/6h，進行 100h，2700V（5倍額定電壓），50Hz的電老化試驗。老化樣本容量3個：3#、4#、5#。

（2）測試數(shù)據(jù)及分析

在熱烘后、老化前后測試線棒的介質(zhì)損耗和電容值。測試曲線如圖5所示。

圖5 不同線棒電老化前后的tanδ—電壓的特性曲線

從測試曲線可知：電老化后tanδ曲線都下移，說明2700V，100h老化試驗后絕緣材料性能沒有劣化，并且介質(zhì)損耗降低，主絕緣在進一步固化。

（3）電老化后的擊穿電壓（見表5）

表5

擊穿電壓沒有下降。

3.3 試驗3

（1）試驗點選取原則：按照1mm加10,000V的電老化試驗標準進行，試驗線棒主絕緣厚0.6mm，試驗電壓為6000V，50Hz，時間100h。老化樣本容量：2個包亞胺薄膜粘帶線棒為6#、7#。整浸后，考慮到該試驗電壓下可能會出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，因此線棒表面進行了防電暈刷漆處理。

（2）測試數(shù)據(jù)及分析

亞胺薄膜粘帶線棒電老化前后的介質(zhì)損耗從測試曲線可知：電老化后tanδ曲線都下移，說明6000V，100h老化試驗后絕緣材料性能沒有劣化。介質(zhì)損耗降低，主絕緣在進一步固化。但與 2700V電壓下的介損數(shù)據(jù)相比，曲線有所上升。

圖6

（3）電老化后的擊穿電壓（見表6）

表6

擊穿電壓沒有下降。由試驗可知，亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)通過了耐電熱老化、200℃熱老化、6000V以下的電老化試驗，總體的電氣性能優(yōu)異。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過本項課題研究，我們選定了出口印度機組 QL72勵磁機的定轉(zhuǎn)子線圈的主絕緣材料，及優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)。并在正式產(chǎn)品上成功的應(yīng)用，首臺樣機各項型式試驗性能合格，圓滿地完成了科研任務(wù)，為QL72勵磁機的順利完成提供了技術(shù)支持。

（2）對選定的電樞線圈亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)，進行了電、熱老化試驗，打開了國內(nèi)對亞胺薄膜絕緣結(jié)構(gòu)研究的先河。結(jié)果表明，亞胺薄膜耐熱性能非常優(yōu)秀。試驗電壓低于2500V時亞胺薄膜對電應(yīng)力很穩(wěn)定，無老化現(xiàn)象，因此能保證勵磁機組長期可靠運行。

（3）通過對電樞繞組的VPI整浸，使我們對VPI浸漆的工藝參數(shù)和防護要點有了了解，為研發(fā)需要整浸的新產(chǎn)品積累了寶貴的經(jīng)驗。

[1]IBF R27451A.采用TKJ、RK和RYK 勵磁方式的電樞繞組執(zhí)行的電氣試驗.

[2]何景彥,吳廣寧等.采用介質(zhì)損耗表征聚酰亞胺薄膜老化特征的研究[J].絕緣材料,2007(1):69-71.