王 杰， 鄒強(qiáng)龍， 龔天明，2

(1.南車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲 412001;2.北方交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

使用磁性槽楔可有效降低電機(jī)鐵損、提高電機(jī)運(yùn)行效率及改善電機(jī)的起動(dòng)性能;但磁性槽楔也存在易脫落、使電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降等缺點(diǎn)。本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能要求，通過磁性槽楔的性能檢測(cè)、試驗(yàn)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫升試驗(yàn)，闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用磁性槽楔的注意事項(xiàng)。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能要求

1.1 生命周期長(zhǎng)、高可靠性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各組件(葉片、塔筒、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、控制系統(tǒng)等)成本高、風(fēng)電機(jī)組一次性投入較大;且近幾年隨著中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)價(jià)格持續(xù)走低，風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主為保證企業(yè)效益，對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行周期提出了較高的要求。因此，風(fēng)電機(jī)組對(duì)其核心部件——風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性及運(yùn)行周期也提出了較高的要求。目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電業(yè)界對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行年限一般要求為20～25年。

1.2 維護(hù)方便、檢修簡(jiǎn)單

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝運(yùn)行在高空，其安裝、維護(hù)成本較高。因此，綜合考慮發(fā)電機(jī)安裝運(yùn)行后的維護(hù)成本和檢修工人的工作量，要求發(fā)電機(jī)運(yùn)行后維護(hù)方便、檢修簡(jiǎn)單。隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)已滿足免維護(hù)的性能要求。

1.3 其他性能要求

近年來(lái)，隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)在風(fēng)電方面相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也日趨完善，在國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 755《電機(jī)定額與性能》的基礎(chǔ)上相繼制定了一系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，如雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)、直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及性能應(yīng)滿足相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

除上述兩點(diǎn)外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)同其他類型的電機(jī)一樣應(yīng)滿足國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 755《電機(jī) 定額與性能》的要求或滿足用戶提出的特殊要求。因本文主要討論磁性槽楔在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，其他性能要求不予贅述。

2 磁性槽楔的特性

2.1 磁性槽楔可顯著改善電機(jī)性能

磁性槽楔代替非磁性槽楔應(yīng)用到電機(jī)中可顯著改善電機(jī)性能、節(jié)省能源。國(guó)內(nèi)在此方面已經(jīng)做了大量的理論分析及應(yīng)用研究，文獻(xiàn)［1-3］就電機(jī)中使用磁性槽楔可帶來(lái)的電機(jī)鐵耗降低、提高電機(jī)運(yùn)行效率、降低電機(jī)溫升、改善電機(jī)功率因數(shù)等進(jìn)行了討論與研究。為驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用非磁性槽楔的溫升改善效果，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為選兩臺(tái)同型號(hào)、同功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中一臺(tái)使用磁性槽楔，另一臺(tái)使用非磁性槽楔;分別對(duì)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)(將發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定功率下，待發(fā)電機(jī)定子繞組溫升穩(wěn)定后記錄發(fā)電機(jī)的繞組溫升值)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 溫升試驗(yàn)結(jié)果

從溫升試驗(yàn)結(jié)果可以看出，同一型號(hào)、同功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用非磁性槽楔后發(fā)電機(jī)定子繞組溫升下降了18.8 K(溫升下降值受電機(jī)功率、防護(hù)等級(jí)等因素影響，不可一概而論)。

2.2 磁性槽楔的固有特性造成的易脫落

2.2.1 原因分析

文獻(xiàn)［4］從磁性槽楔的固有特性、工藝原因等方面，并結(jié)合具體案例，分析了磁性槽楔易脫落的原因并給出了防范措施。為進(jìn)一步驗(yàn)證磁性脫落的其他原因，將國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的磁性槽楔進(jìn)行了在不同溫度下的性能檢測(cè)，表2為部分檢測(cè)結(jié)果。

從表2檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，磁性槽楔的機(jī)械性能受溫度影響較大:當(dāng)溫度高于160℃時(shí)，部分機(jī)械性能急劇下降。目前國(guó)內(nèi)大部分的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣等級(jí)為H級(jí)，即發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)可靠運(yùn)行允許的最高溫度為180℃，在風(fēng)況良好的情況下，風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主為獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，一般會(huì)讓發(fā)電機(jī)運(yùn)行在超過額定功率狀態(tài)下，此時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度一般處在絕緣系統(tǒng)所允許的最高溫度左右。磁性槽楔在此種工況下運(yùn)行時(shí)，其按照表2的檢測(cè)結(jié)果，其機(jī)械性能會(huì)顯著降低;加上磁性槽楔由于其本身含有的鐵磁物質(zhì)在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中會(huì)受到旋轉(zhuǎn)電磁力的作用，由此可得出磁性槽楔高溫工況下機(jī)械性能差也有可能造成磁性槽楔的脫落。

表2 磁性槽楔性能檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 磁性槽楔脫落后對(duì)電機(jī)的影響

一方面，磁性槽楔脫落后掉在電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙中，一般情況下由于電機(jī)氣隙較小，槽楔落到其中后首先會(huì)造成槽楔與電機(jī)定、轉(zhuǎn)子相摩擦，此時(shí)根據(jù)電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同會(huì)造成不同的結(jié)果。如若電機(jī)轉(zhuǎn)子為籠型，轉(zhuǎn)子外圓為機(jī)械強(qiáng)度較高的沖片，脫落的槽楔會(huì)被摩擦為粉末后受冷卻風(fēng)吹出氣隙散落到電機(jī)內(nèi)部其他部位;若為表貼式永磁轉(zhuǎn)子，脫落的槽楔會(huì)導(dǎo)致永磁體的固定裝置損壞導(dǎo)致嚴(yán)重的后果(永磁體脫落等)。

另一方面，槽楔還在電機(jī)的定子繞組中起固定線圈的作用。槽楔脫落后，定子繞組線圈會(huì)在電磁力的作用下松動(dòng)后與定子槽相摩擦最終導(dǎo)致定子線圈的絕緣破損，發(fā)生定子繞組接地的嚴(yán)重后果。

2.3 磁性槽楔對(duì)電機(jī)繞組絕緣影響

2.3.1 原因分析

為增強(qiáng)磁性槽楔的導(dǎo)磁性能，在磁性槽楔的原材料中會(huì)添加導(dǎo)磁成分，目前國(guó)內(nèi)大多磁性槽楔廠家在磁性槽楔材料中添加鐵粉或鐵顆粒。但添加導(dǎo)磁性能較好的鐵質(zhì)材料后，磁性槽楔會(huì)影響電機(jī)繞組的絕緣性能。因?yàn)殡姍C(jī)在運(yùn)行過程中，電機(jī)繞組線圈中由于存在等于額定電壓的電勢(shì)，而槽楔本身沒有電勢(shì)，電機(jī)定子繞組線圈中的電勢(shì)發(fā)生波動(dòng)達(dá)到一定值后，會(huì)對(duì)處于低電勢(shì)的槽楔放電而導(dǎo)致定子繞組接地。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中常會(huì)受到短時(shí)大風(fēng)的影響，定子繞組電壓波動(dòng)較大，因此有必要研究電機(jī)定子繞組電壓較大情況下，磁性槽楔對(duì)定子繞組絕緣強(qiáng)度的影響。

2.3.2 磁性槽楔對(duì)電機(jī)繞組絕緣影響試驗(yàn)

為驗(yàn)證磁性槽楔對(duì)電機(jī)繞組絕緣強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了磁性槽楔對(duì)電機(jī)繞組絕緣強(qiáng)度影響試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法為選兩臺(tái)同型號(hào)的定子鐵心并采用同樣的定子線圈嵌線，嵌線完成后一臺(tái)安裝磁性槽楔，另一臺(tái)安裝非磁性槽楔。槽楔安裝完成后分別對(duì)兩臺(tái)的定子線圈施加足夠高的工頻交流電壓直至線圈擊穿，記錄擊穿電壓和耐壓時(shí)間。試驗(yàn)完成通過擊穿電壓和耐壓時(shí)間的對(duì)比，則可看出磁性槽楔對(duì)繞組的絕緣強(qiáng)度的影響程度。

(1)試驗(yàn)一使用非磁性槽楔定子進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，待試驗(yàn)的定子如圖1所示。

圖1 使用非磁性槽楔的待試驗(yàn)定子

試驗(yàn)設(shè)備為ZPT-30T型工頻交流耐壓機(jī)(見圖2)，最高輸出交流工頻電壓為30 kV，輸出電壓可以100 V步進(jìn)增高。

試驗(yàn)選5槽線圈進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

(2)試驗(yàn)二使用磁性槽楔定子進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，待試驗(yàn)的定子如圖3所示。

與試驗(yàn)一使用同一臺(tái)耐壓設(shè)備。選5槽線圈進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖2 ZPT-30T型耐壓機(jī)

表3 使用非磁性槽楔定子耐壓試驗(yàn)結(jié)果

圖3 使用磁性槽楔的待試驗(yàn)定子

表4 使用非磁性槽楔定子耐壓試驗(yàn)結(jié)果

(3)試驗(yàn)結(jié)果分析。根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用非磁性槽楔的定子線圈擊穿電壓為11 500～13 000 V，平均擊穿電壓為12 200 V，到達(dá)擊穿電壓后的耐壓時(shí)間均≥40 s;根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用磁性槽楔的定子線圈擊穿電壓為7 400～9 000 V之間，平均擊穿電壓為8 400 V，到達(dá)擊穿電壓后的耐壓時(shí)間均≤40 s。對(duì)比兩次試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)使用磁性槽楔的定子線圈在擊穿電壓值及耐壓時(shí)間上均有不同程度的下降，其中擊穿電壓平均值下降了約30%。

由此可得出，磁性槽楔對(duì)電機(jī)繞組絕緣影響較大:磁性槽楔的使用會(huì)顯著降低定子繞組絕緣強(qiáng)度。

在進(jìn)行試驗(yàn)二時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓升至一定值后(7 000 V以上)，可以明顯看出有線圈對(duì)磁性槽楔尖角放電現(xiàn)象，然后線圈在幾秒時(shí)間內(nèi)被擊穿。

磁性槽楔導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣強(qiáng)度降低原因分析如下:

①磁性槽楔材料中含有鐵磁物質(zhì)成分使得磁性槽楔本身的電阻很小，處于高電位的定子線圈容易通過絕緣層的薄弱點(diǎn)向處于零電位導(dǎo)電物質(zhì)磁性槽楔放電導(dǎo)致絕緣層的擊穿。

②磁性槽楔制造過程中由于工藝不完善導(dǎo)致其中的顆粒狀鐵磁物質(zhì)分布在槽楔邊緣形成尖角，當(dāng)定子線圈施加高電壓時(shí)，槽楔產(chǎn)生尖角放電，將定子線圈的絕緣層擊穿。

3 磁性槽楔的改進(jìn)

鑒于磁性槽楔可改善電機(jī)性能的優(yōu)良特性及易脫落、降低電機(jī)絕緣強(qiáng)度的缺點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外槽楔廠商、電機(jī)廠等都在從磁性槽楔的原材料、制造成型工藝等方面進(jìn)行研究，以期提高磁性槽楔的強(qiáng)度及耐熱等級(jí)。如磁性槽楔的制造從以前的引拔及模壓制造發(fā)展到現(xiàn)在普遍使用層壓制造。其中，層壓玻璃布板磁性槽楔由以前的經(jīng)向改為現(xiàn)在的經(jīng)緯向，其機(jī)械強(qiáng)度得到了一定強(qiáng)度的提高;同時(shí)由于原材料的改進(jìn)，磁性槽楔的耐熱強(qiáng)度也得到了顯著的提高。

目前，國(guó)內(nèi)已成功開發(fā)出耐熱等級(jí)H級(jí)(180℃)、導(dǎo)磁性能良好的層壓式磁性槽楔，并在國(guó)內(nèi)各大電機(jī)廠的民用、工業(yè)用電機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。但沒有案例表明改進(jìn)后的磁性槽楔在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中得到應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過本文上述討論內(nèi)容，可得出以下結(jié)論:

(1)雖然磁性槽楔具有改善電機(jī)性能(提高效率、降低溫升、改善起動(dòng)性能等)的良好優(yōu)點(diǎn)，但其也有易脫落、導(dǎo)致電機(jī)絕緣強(qiáng)度降低等缺陷，不符合風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期長(zhǎng)、高可靠性、維護(hù)簡(jiǎn)單等性能要求。

(2)經(jīng)原材料及成型工藝改進(jìn)后的磁性槽楔在機(jī)械性能及耐熱性能上都有一定的提高，但在其高可靠性、長(zhǎng)生命周期得到充分驗(yàn)證之前，不推薦將磁性槽楔應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

［1］陳潔.磁性槽楔在異步電機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2010(10):53-55.

［2］李軍麗，胡春雷.磁性槽楔在電機(jī)節(jié)能技術(shù)中的應(yīng)用［J］.中小型電機(jī)，2005，32(2):57-59.

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［4］仇明，張俊珍.電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中磁性槽楔脫落原因分析和預(yù)防措施［J］.華北電力技術(shù)，2006(11):36-38.