宋宏 孟永奇 喬俊麗 曹維軍

（1. 海軍裝備部，太原 030027；2. 中船重工電機科技股份有限公司，太原 030027）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟，艦船電力推進技術(shù)在國內(nèi)的應用也得以迅速推廣。在艦船電力推進系統(tǒng)中，發(fā)電機的負載多為變頻負載，基于變頻負載的特殊性對電機的絕緣設計提出了新的課題。目前帶變頻負載的發(fā)電機一般采用耐電暈聚酰亞胺薄膜云母帶作為電機的主要絕緣材料，其中多數(shù)電機采用杜邦公司的KaptonCR薄膜制成的云母帶，或直接采用國外公司的少膠VPI絕緣體系，如Isola、ABB、Simens等。這些絕緣材料價格昂貴、供貨周期長，且貨源受制于人，不利于在重要項目上應用。本文分析比較了杜邦公司和國產(chǎn)的耐電暈聚酰亞胺（PI）薄膜以及不同薄膜制成的云母帶的電氣性能，同時匹配不同的浸漬漆制成線棒做了大量的試驗，提出了國產(chǎn)耐電暈PI薄膜云母帶的應用解決方案。

2 電力推進用發(fā)電機的運行狀況及對絕緣的影響

2.1 電力推進發(fā)電機的運行狀況

電力推進用發(fā)電機是艦船綜合電力系統(tǒng)中的一個子模塊，其主要功能是為推進系統(tǒng)提供電源，大功率推進變頻器是其主要的負載。由于大功率變頻器的使用給艦船電力系統(tǒng)造成諧波污染，對線路中的電力推進電機、通信導航設備、儀器儀表等造成諸多不利影響。主要為以下幾方面：

1）產(chǎn)生附加損耗和過熱。由于諧波頻率高，集膚效應顯著，使繞組中諧波電流分布不均勻，電機繞組的有效面積減小，同樣功率密度下發(fā)熱比普通電機嚴重。另外，諧波電流在定、轉(zhuǎn)子鐵心表面、齒部、軛部、阻尼繞組及機械結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生附加損耗也使電機的溫升增大[1]。

2）產(chǎn)生機械振動和噪聲。電機繞組中流過正序和負序諧波電流時會產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩，引起電機一定倍頻的機械振動和噪聲，如果該頻率接近電機的固有頻率，會引起電機的強烈振動和嘯叫。

3）諧波會引起電力推進系統(tǒng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，使諧波放大，進一步增加了上述危害。

2.2 變頻負載對發(fā)電機絕緣的影響

由于電力推進用發(fā)電機負載多為變頻負載，變頻器內(nèi)部PWM逆變器的IGBT開關(guān)元件工作頻率高達20 kHz或以上，且具有很大的du/dt值，即在非常短的時間內(nèi)定子繞組承受很高的電壓，通常380 V電壓等級的IGBT變頻器其du/dt值可達幾千 V/μs。如此高的 du/dt值使絕緣內(nèi)部電應力增加而發(fā)生局部放電，發(fā)電機的絕緣材料發(fā)熱嚴重甚至碳化，最終使發(fā)電機的絕緣壽命終結(jié)，這就使得電力推進用發(fā)電機絕緣的耐高頻脈沖性能成為關(guān)鍵指標。另外變頻負載易引起過熱，絕緣設計時必須選擇耐高溫的絕緣材料。因此采用耐電暈和耐高溫的絕緣材料是提高絕緣結(jié)構(gòu)耐高頻脈沖性能的主要技術(shù)措施。

3 目前采用較多的絕緣方案

3.1 電力推進電機絕緣結(jié)構(gòu)介紹

以690 V低壓同步發(fā)電機為例，電力推進用發(fā)電機定子槽內(nèi)的絕緣結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 發(fā)電機定子槽內(nèi)的絕緣結(jié)構(gòu)示意圖

與普通相同電壓等級的同步發(fā)電機主要不同之處在于：

①電機對地絕緣與槽之間采用半導體防電暈材料，即圖示中的低阻紙。

②對地絕緣的云母帶采用CR薄膜玻璃粉云母帶。

③若線圈為多匝線圈結(jié)構(gòu)，則線圈的匝間絕緣也需選用耐電暈材料，電磁線通常采用CR薄膜燒結(jié)電磁線或CR薄膜玻璃粉云母帶繞包電磁線，利用電磁線的自帶絕緣作為線圈的匝間絕緣。

④浸漬漆采用揮發(fā)劑小于 10%的無溶劑樹脂。

槽內(nèi)對地絕緣與鐵心之間采用半導體防電暈材料是為了保證槽內(nèi)線圈與鐵心同電位，使發(fā)電機在運行過程中線圈表面不產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。

3.2 耐電暈薄膜及耐電暈云母帶的組成

PI薄膜是目前耐熱性最好的薄膜，可在555℃短期內(nèi)保持其物理性能，長期使用溫度達200℃以上，但PI薄膜由于是有機高聚物耐電暈性不高。杜邦公司采用50～500 nm的氣相氧化鋁填充PI薄膜，使該薄膜的耐電暈性能提高10倍以上。我國通過幾十年的研究，通過在PI薄膜中添加一定量的無機納米材料如Al2O3、SiO2、TiO2以及層狀硅酸鹽等制成了耐電暈的PI薄膜。其耐電暈性能的提高主要有幾方面的原因：

①硅、鋁等無機物材料有優(yōu)異的熱傳導性，可以及時傳導電暈過程中產(chǎn)生的熱量。

②硅、鋁等無機物材料的存在有利于載流子的傳輸，使內(nèi)電場均勻化，等效消除了空間電荷聚集引起的電場集中，從而提高了絕緣材料的耐電暈壽命。

③ S i - O、Al-O的鍵能均大于C-N的鍵能，具有較高的抗氧化性和熱穩(wěn)定性，在電暈過程中，表面層的 PI受到電暈老化降解為小分子的物質(zhì)離開表面，無機納米粒子留在薄膜表面形成一層保護層[2]。

電力推進用發(fā)電機中使用的耐電暈 PI薄膜云母帶即為耐電暈PI薄膜替代純PI薄膜作為補強材料制成的云母帶，可以根據(jù)具體的絕緣結(jié)構(gòu)設計制成單面補強或雙面補強的云母帶，其中膠粘劑的選擇除需考慮與浸漬漆的相容性外，還需考慮膠粘劑本身的耐高頻脈沖性能，避免膠粘劑本身在高頻脈沖的作用下發(fā)生過熱燒損絕緣。

4 國產(chǎn)耐電暈云母帶的應用分析

4.1 國產(chǎn)與進口耐電暈薄膜性能比較見表1。

表1 耐電暈薄膜檢測值

從表1可見，在試驗電壓下國產(chǎn)和進口薄膜的耐電暈性能接近。需要說明的是有資料顯示國產(chǎn)耐電暈薄膜與進口耐電暈薄膜在 1.5～2 kV范圍內(nèi)測試時，耐高頻脈沖壽命無明顯差別，但在更高電壓下檢測時有較明顯差別，一般國產(chǎn)耐電暈薄膜的耐高頻脈沖壽命為進口耐電暈薄膜的50%～70%。

4.2 國產(chǎn)與進口耐電暈云母帶性能比較見表2

表2 耐電暈云母帶檢測值

從表2可見，國產(chǎn)和進口薄膜復合成云母帶后耐電暈性能接近，為電力推進用發(fā)電機耐電暈云母帶的國產(chǎn)化奠定了基礎。

4.3 某產(chǎn)品兩種云母帶的絕緣結(jié)構(gòu)試驗分析

為進一步比較國產(chǎn)和進口耐電暈薄膜云母帶的絕緣性能和工藝性，用兩種云母帶浸不同的浸漬漆后制成線棒進行測試，分別選取四個廠家的云母帶制樣。表3、表4為試樣浸不同浸漬漆后的常態(tài)介損值，表5、表6為試樣浸不同浸漬漆后的熱態(tài)介損值，表中所列值為多個線棒所求平均值。表中A、B、C、D分別為四個廠家的代號，J表示使用進口耐電暈薄膜云母帶，G表示國產(chǎn)耐電暈薄膜云母帶。

表3 浸1#浸漬漆試樣的常態(tài)介損值( % )

絕緣結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗越小，表明該絕緣結(jié)構(gòu)的相容性和整體性能越好，缺陷越少。從表3和表4可看出，試驗電壓小于1000 V時，國產(chǎn)帶試樣與進口帶試樣的常態(tài)介質(zhì)值基本相同，試驗電壓大于1000 V時，不同廠家各有差異。由于電力推進電機的額定電壓只有幾百伏，但絕緣表4 浸2#承受的諧波電壓峰峰值均很高，因此更應看重絕緣結(jié)構(gòu)在高壓和熱態(tài)下的表現(xiàn)，從表3和表4還可看出 3000 V時所有廠家的不同試樣性能基本在同一水平，其中B廠家的國產(chǎn)帶性能最好。從表5和表6可看出，國產(chǎn)帶試樣與進口帶試樣相比其熱態(tài)介損值均較低，說明國產(chǎn)耐電暈云母帶與選用的絕緣結(jié)構(gòu)的相容性和工藝性均略好于進口耐電暈云母帶。當然這些數(shù)據(jù)是在現(xiàn)有的試驗條件下測得的，與絕緣結(jié)構(gòu)在電機實際運行時的表現(xiàn)會有差異，但根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以推論，實際運行時國產(chǎn)云母帶與進口云母帶的性能相當。

表4 浸漬漆試樣的常態(tài)介損值( % )

表5 浸1#浸漬漆試樣的熱態(tài)介損值( % )

表6 浸2#浸漬漆試樣的熱態(tài)介損值( % )

5 結(jié)論

國產(chǎn)耐電暈 PI薄膜云母帶與進口耐電暈 PI薄膜云母帶的耐高頻脈沖壽命接近，與選用的絕緣結(jié)構(gòu)的相容性良好，工藝性好，可以替代進口耐電暈 PI薄膜云母帶應用于電力推進用發(fā)電機上。

[1]張宗桐. 變頻器應用與配套技術(shù)[M]. 北京： 中國電力出版社, 2008.

[2]梁鳳芝, 陳磊, 陳昊, 范勇. 納米硅/鋁氧化物雜化聚酰亞胺薄膜的制備與電性能研究[J]. 絕緣材料,2011, 44(1)： 1-5.