劉 洋，張東林

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

20 MW超高速防爆高壓變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)為西氣東輸項(xiàng)目所用電動(dòng)機(jī)。電機(jī)采用能啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)、軸流式風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)。電機(jī)額定電壓為10 kV、頻率為52～82 Hz、容量為20 MW、轉(zhuǎn)速為4 800 r/min。由于電機(jī)的容量大、高電壓變頻、超高速和防爆因素都直接關(guān)系到電機(jī)絕緣的使用壽命和安全性，所以在電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮到各因素設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)，合理選用絕緣材料，采用適當(dāng)?shù)墓に?，以提高電機(jī)絕緣性能。

1 定子絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)電機(jī)技術(shù)條件及使用要求確定最佳的結(jié)構(gòu)型式，選用最合適的絕緣材料，采用最合適的絕緣工藝，使所建立的絕緣系統(tǒng)達(dá)到技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、運(yùn)行中可靠和效果最佳。

1.1 主導(dǎo)因素

一般電機(jī)絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從機(jī)、電、熱、材料、工藝、環(huán)境等方面進(jìn)行全面考慮，并以耐電強(qiáng)度和機(jī)械為主要考慮因素。但對(duì)于西氣東輸項(xiàng)目的電機(jī)還應(yīng)考慮以下幾個(gè)主導(dǎo)因素。

1)高壓加變頻

對(duì)于高電壓電機(jī)的絕緣老化電的因素是起主導(dǎo)作用的，再加上變頻對(duì)絕緣系統(tǒng)的影響，將使絕緣壽命大大地下降，為此需加強(qiáng)電氣強(qiáng)度，提高安全系數(shù)。

2)大容量

電機(jī)為2極，定子電流1 186 A。圈式定子線圈已不能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝的要求，需采用條式定子線圈。

3)超高轉(zhuǎn)速

電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 800 r/min，對(duì)電機(jī)絕緣系統(tǒng)引起機(jī)械應(yīng)力和電磁力增大，需增加絕緣系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度，加強(qiáng)固定和綁扎，提高整體性。

4)防爆

定子繞組需采用加強(qiáng)防暈結(jié)構(gòu)和防暈材料。

5)外型尺寸的限制

定子絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣需減薄，以滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

1.2 條式定子線圈

大型汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和部分高速大容量電動(dòng)機(jī)的定子繞組均用條式線圈，又稱為半組式線圈。

1.2.1 分類

條式定子線圈的分類如圖1所示。

1.2.2 換位的意義

條式定子線圈進(jìn)行換位是為減少漏磁在導(dǎo)線中的附加損耗。附加損耗可分為擠流附加損耗(又稱渦流損耗)和循環(huán)電流所引起的附加損耗。

圖1 條式定子線圈的分類

通常條式定子線圈均采用直線360°或540°換位。這兩種換位均能全部抵消由于槽漏磁在線圈直線部分產(chǎn)生的環(huán)流電勢(shì)，但并不能抵消或只能抵消一部分端部漏磁產(chǎn)生的環(huán)流電勢(shì)。所以在條式線圈股線中產(chǎn)生循環(huán)電流、引起附加損耗是不可避免的。

為有效減少條式線圈端部漏磁的影響，減小循環(huán)電流，改善股線間的溫度，對(duì)于540°換位采取以槽部橫向漏磁補(bǔ)償?shù)拇胧?，抵消端部橫向自感磁場(chǎng)的作用。對(duì)于360°換位采取360°槽部加空換位段、不足360°換位及360°延長(zhǎng)換位的措施。通過(guò)計(jì)算得到合適的換位參數(shù)，有效減少端部漏磁的影響，減少股線回路環(huán)流、降低最高銅溫。這樣不但能減少電機(jī)的附加銅耗，也能延長(zhǎng)電機(jī)絕緣的使用壽命，提高電機(jī)的效率。

傳統(tǒng)定子條式線圈每匝均為偶數(shù)股線并聯(lián)而成。近些年來(lái)又引入了奇數(shù)股線換位法，又稱單根換位技術(shù)。這樣每匝同樣高度的股數(shù)比偶數(shù)股線多一根，提高了槽利用率。

西氣東輸項(xiàng)目用電機(jī)定子條式線圈由于鐵心長(zhǎng)度比汽輪發(fā)電機(jī)鐵心短很多，所以采用不足360°換位線圈。

1.3 主絕緣

線圈繞組線選用雙滌綸玻璃纖維繞包線。主絕緣材料選用玻璃纖維布單面補(bǔ)強(qiáng)和薄膜單面補(bǔ)強(qiáng)的兩種少膠粉云母帶，采用高定量鱗片粉云母紙，其性能見表1。云母帶具有云母含量高、抗切通性優(yōu)、膠含量低、滲透性強(qiáng)，有足夠的抗張強(qiáng)度，有利于機(jī)包、不分層不飛粉不污染環(huán)境等特點(diǎn)。

線圈主絕緣采取混合或連續(xù)繞包型式，根據(jù)部位的不同，結(jié)構(gòu)型式也各不相同。

定子繞組采取軟線圈(又稱白坯線圈)嵌線，整體VPI。繞組槽部主絕緣的雙面厚度比同類同電壓模壓結(jié)構(gòu)的線圈主絕緣厚度減少了1.3 mm。電機(jī)絕緣工作場(chǎng)強(qiáng)達(dá)2.86 kV/mm，比模壓結(jié)構(gòu)的2.66 kV/mm有所提高。

表1 云母帶的性能指標(biāo)

1.4 防暈結(jié)構(gòu)

條式定子線圈防暈結(jié)構(gòu)采取三級(jí)防暈(如圖2所示)。防暈材料選用具有一定透氣性的、不污染浸漬樹脂的全固化防暈帶，其性能如表2所示。

圖2 條式定子線圈防暈結(jié)構(gòu)示意圖

表2 全固化整浸防暈帶的性能

1.5 整體VPI

電機(jī)定子繞組采用整體VPI浸漬ET884-1無(wú)溶劑環(huán)氧酸酐浸漬樹脂。此浸漬樹脂具有粘度低、飽和蒸汽壓小、不易揮發(fā)、環(huán)?；具_(dá)到“零”污染等特點(diǎn)。固化后具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能和耐熱性。其性能指標(biāo)如表3所示。

表3 ET884-1無(wú)溶劑環(huán)氧酸酐浸漬樹脂性能

定子繞組整體VPI簡(jiǎn)化了線圈制造工藝、便于嵌線;繞組云母含量增大，可獲得無(wú)氣隙絕緣，提高了繞組絕緣的電氣性能;繞組整體性好，有利于繞組固定增強(qiáng)了抗機(jī)械應(yīng)力和電磁力的性能;繞組絕緣均勻與鐵心接觸緊密，可提高熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性;并可以減薄絕緣厚度，提高絕緣的耐環(huán)境能力，降低成本等。從而使電機(jī)在運(yùn)行時(shí)更可靠、更安全。定子端部綁扎固定及整體VPI烘焙后的效果圖如圖3所示。

圖3 定子浸漬后的效果圖

2 條式定子線圈制造工藝

制造工藝是保證絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能要求和產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求。本電機(jī)線圈制造工藝比普通的制造工藝有很大的變化和改進(jìn)。定子線圈換位選用不足360°換位方式。在制造過(guò)程中基本采取機(jī)械化，主絕緣少膠粉云母帶包繞采取機(jī)包。工藝流程如圖4所示。

圖4 定子線圈制造工藝流程

嚴(yán)格的工藝過(guò)程，才能保證電機(jī)產(chǎn)品的最終性能和質(zhì)量。這里值得一提的是股線膠化工序，這將直接影響股線絕緣和主絕緣的電氣強(qiáng)度。膠化后的條式線圈清理不可忽略。如清理不好，將嚴(yán)重?fù)p傷內(nèi)層主絕緣。

圖5 真機(jī)模擬試驗(yàn)條式線圈

3 真機(jī)條式定子線圈的性能測(cè)試

隨機(jī)浸漬的真機(jī)模擬試驗(yàn)線圈如圖5所示。

3.1 常規(guī)電氣性能試驗(yàn)

真機(jī)模擬定子試驗(yàn)線圈浸漬固化后電氣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4、圖6所示。

圖6 線圈常態(tài)介質(zhì)損耗角正切曲線

表4 電氣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4、圖6可知:條式定子線圈的電氣性能測(cè)試值均達(dá)到優(yōu)等品的要求指標(biāo)。其電機(jī)絕緣的電氣安全系數(shù)達(dá)9～10倍;電擊穿值的分散性很小，上限分散度為2.35%，下限分散度為3.9%。

3.2 耐電暈試驗(yàn)

按條式定子線圈耐電暈標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:線圈耐電暈的起暈電壓應(yīng)不低于1.5倍的額定電壓值。

對(duì)四支10 kV模擬真機(jī)條式定子線圈做耐電暈試驗(yàn):起暈電壓均大于24 kV，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

4 電機(jī)產(chǎn)品出廠前電氣絕緣試驗(yàn)

4.1 絕緣電阻測(cè)試

用2 500 V兆歐表測(cè)試定子繞組的單相及整機(jī)的對(duì)地絕緣電阻，換算至40℃值。

整機(jī)繞組對(duì)地絕緣電阻值應(yīng)不低于100 MΩ，實(shí)測(cè)為3.55 GΩ。

4.2 極化指數(shù)PI

用2 500 V兆歐表測(cè)試定子繞組對(duì)地絕緣電阻值，計(jì)算10 min的值與1 min的值之商，即極化指數(shù)PI=R10/R1≥2.0，實(shí)測(cè)為 4.5。

4.3 直流耐電壓試驗(yàn)及泄漏電流測(cè)量

1)直流耐電壓:3.5 UN，直流1 min;通過(guò)。

2)泄漏電流測(cè)量:2.5 UN直流試驗(yàn)電壓下，最大通過(guò)泄漏電流在20 μA以下;通過(guò)。

4.4 定子繞組對(duì)地耐電試驗(yàn)

(2 UN+3)kV 50 Hz1 min;通過(guò)。

5 結(jié)語(yǔ)

絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，周密地研究了電機(jī)的技術(shù)條件和使用要求，考慮了電機(jī)運(yùn)用時(shí)的大容量、超高速、高電壓、變頻調(diào)速、防爆和尺寸限制等幾個(gè)影響絕緣性能的因素。設(shè)計(jì)了不足360°換位的條式定子線圈少膠軟線圈嵌線的絕緣結(jié)構(gòu)和防暈結(jié)構(gòu)，采用整體VPI環(huán)氧酸酐浸漬樹脂的絕緣處理工藝，從而減薄了絕緣厚度。電機(jī)絕緣工作場(chǎng)強(qiáng)為2.86 kV/mm，安全系數(shù)達(dá)9～10倍，足以保障電機(jī)運(yùn)行的可性和安全性。