張 文

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240；2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司， 上海 200240)

增安型防爆電機(jī)防電暈絕緣結(jié)構(gòu)探討

張 文1,2

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240；2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司， 上海 200240)

介紹了高壓電機(jī)電暈產(chǎn)生原因、危害及防治措施，列舉了增安型防爆電機(jī)的電暈試驗(yàn)及脈沖試驗(yàn)的特殊要求。依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求及電機(jī)生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，提出了增安型電機(jī)防電暈的兩種絕緣結(jié)構(gòu)方案。通過(guò)對(duì)增安型防爆電機(jī)防止電暈產(chǎn)生的兩種絕緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，闡述了每種絕緣結(jié)構(gòu)防電暈的原理及優(yōu)劣，結(jié)合每種方案的樣機(jī)試制及試驗(yàn)情況，探討了其實(shí)際可行性并分別進(jìn)行驗(yàn)證?？偨Y(jié)提煉出適用于產(chǎn)品批量生產(chǎn)的一種增安型電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)，為增安型電機(jī)防電暈絕緣結(jié)構(gòu)的研究提供參考。

防爆電機(jī)；增安型；電暈；絕緣結(jié)構(gòu)

0 引言

高壓電機(jī)定子繞組在通風(fēng)槽口及直線出槽口處及繞組端部等處電場(chǎng)集中，當(dāng)局部場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，氣體發(fā)生局部電離，在電離處出現(xiàn)藍(lán)色熒光，這就是電暈現(xiàn)象。電暈產(chǎn)生熱效應(yīng)和臭氧及氮氧化物，使線圈內(nèi)局部溫度升高，導(dǎo)致膠粘劑變質(zhì)、碳化，股線絕緣和云母帶變白，進(jìn)而使線圈松散、短路，絕緣老化。這些對(duì)電機(jī)絕緣都是極其有害的。另外由于熱固性，絕緣表面與定子槽內(nèi)壁接觸不良或不穩(wěn)定時(shí)，在電磁振動(dòng)的作用下將引起槽內(nèi)間隙火花放電。這種火花放電造成的局部溫升將使絕緣表面受到嚴(yán)重侵蝕。

這一切都將對(duì)電機(jī)絕緣造成極大的損害。電暈發(fā)生，除了有暈光，還有吱吱的放電聲音。電暈電流是一個(gè)斷斷續(xù)續(xù)的高頻脈沖電流，引起有功損耗和無(wú)線電通信干擾，產(chǎn)生臭氧和氮氧化物污染環(huán)境。為了有效地消除這種電暈現(xiàn)象，正確地確定防暈結(jié)構(gòu)及選用良好的防暈材料是十分重要的。

針對(duì)增安型防爆電機(jī)的上述電暈要求，提出了兩套方案——等電位絕緣結(jié)構(gòu)方案和大間隙絕緣結(jié)構(gòu)方案。分別用樣機(jī)進(jìn)行了試制和試驗(yàn)分析，以驗(yàn)證方案的可行性。下面結(jié)合兩套方案機(jī)試制和試驗(yàn)情況展開(kāi)討論。

1 等電位絕緣結(jié)構(gòu)

1.1 方案概述

將線圈的直線部分、端部及引線頭部均用低阻帶包扎，電纜線進(jìn)行防暈處理。線圈各部位表面等同于同定子鐵心直接連接，電位均為零電位接地。線圈之間不存在電位差，從而防止電暈的產(chǎn)生。

該方案優(yōu)點(diǎn)是定子線圈間距離(端部間隙)不用刻意放大。電機(jī)的設(shè)計(jì)可按常規(guī)電機(jī)來(lái)進(jìn)行。電機(jī)制造完成后的后續(xù)電暈處理簡(jiǎn)單，只需對(duì)起暈點(diǎn)涂刷低阻漆處理即可。缺點(diǎn)是整臺(tái)電機(jī)線圈表面均涂覆有低阻材料，所有線圈表面均需按對(duì)地絕緣進(jìn)行考核。這對(duì)電機(jī)整機(jī)耐壓試驗(yàn)是個(gè)考驗(yàn)，且電機(jī)的整機(jī)效率、溫升等性能影響也還有待驗(yàn)證。

為驗(yàn)證該方案的可行性，先后試制了3只定子嵌線。經(jīng)過(guò)多次修復(fù)驗(yàn)證，結(jié)果仍不甚理想。以下是樣機(jī)試制和試驗(yàn)情況。

1.2 設(shè)計(jì)范例

試制投入的第一臺(tái)定子嵌線樣機(jī)規(guī)格為：YAKS500-4 3 150 kW 6 kV。該樣機(jī)定子沖片外、內(nèi)徑分別為980 mm及645 mm，鐵心長(zhǎng)894 mm，電磁線采用3M43-F云母導(dǎo)線，定子沖片槽寬齒距之比為0.509(該參數(shù)影響定子繞組端部間隙，其值越小則沖片槽寬相較沖片齒部越窄，端部間隙隨之增大)。后續(xù)試制的兩臺(tái)樣機(jī)，在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，減小槽寬、縮短鐵心、拉長(zhǎng)端部、加大間隙。

線圈引線絕緣半疊包四層粉云母帶，外面再半疊包一層熱收縮聚脂薄膜帶。直線部分半疊包五層粉云母帶，線圈端部半疊包四層粉云母帶。在包扎端部絕緣前，將滌綸氈墊于引出線分離部位與端部之間。在包最后一層云母帶之前，用滌綸氈折成“U”形墊在引線與端部分離部位，然后包扎最后一層云母帶。包好端部絕緣后，在直線部、轉(zhuǎn)角部、端部和鼻部包一層熱收縮薄膜帶。

端部及鼻部固定采用彈性聚酯膨體玻纖繩及PG綁扎帶F10。彈性聚酯膨體玻纖繩直徑大小依實(shí)際調(diào)整，要求填滿端部間隙?？拷咦鑾┒说慕壴K用PG帶。線圈之間用滌綸氈包裹熱膨脹氈填入(確保端部間填實(shí)綁緊)，用PG帶或彈性膨體玻纖繩綁扎。線圈和端箍之間用彈性聚酯膨體玻纖繩墊入調(diào)節(jié)及綁扎。

1.3 防暈包法

線圈直線部分最外層包一層低阻帶，低阻帶包扎長(zhǎng)度每端伸出鐵心最少35 mm。包扎低阻帶時(shí)剪成斜邊使其兩端邊緣齊平。在線圈轉(zhuǎn)角部位半疊包一層整浸高阻帶S2641-3，高阻帶與低阻帶搭接，高阻帶包扎長(zhǎng)度不少于60 mm。最外層再半疊包一層熱收縮薄膜帶，每邊長(zhǎng)出高阻帶一定距離。

1.4 試制情況

低阻帶包扎結(jié)尾處伸出線圈轉(zhuǎn)角部(R切點(diǎn))適當(dāng)長(zhǎng)度，即低阻帶每邊需伸出鐵心長(zhǎng)一定長(zhǎng)度。線圈端部綁扎采用面線3道PG帶+滌綸氈+熱膨脹氈，底線1道+玻纖繩軟端箍的方式(見(jiàn)圖1)。極間連接線的綁扎采用PG帶+滌綸氈+環(huán)氧板3240的方式，確保端部間隙綁緊填實(shí)。

圖1 端部綁扎

為了防止測(cè)溫元件引線與高阻帶部分產(chǎn)生電暈，測(cè)溫線直接由定子鐵心最外側(cè)的通風(fēng)道引出，通過(guò)壓圈上的若干孔綁扎固定于壓圈外側(cè)的圓鋼上(測(cè)溫元件引線引出見(jiàn)圖2)。

圖2 測(cè)溫元件引線引出

該樣機(jī)端部間隙設(shè)計(jì)值為同相線圈4.5 mm，異相線圈8.5 mm。連接線之間、連接線與線圈引出線之間均保證大于11 mm，且連接線的綁扎高度不低于面線引出線的高度。

電機(jī)嵌線前對(duì)整臺(tái)電機(jī)鐵心槽內(nèi)均勻噴涂低阻漆，烘焙幾小時(shí)后進(jìn)行VPI浸漆。為防止單相加壓試驗(yàn)時(shí)，與電纜接觸部位產(chǎn)生電暈，試驗(yàn)前用3240環(huán)板制作了電纜線夾以固定電纜線(電纜線夾見(jiàn)圖3)。

圖3 電纜線夾

采用等電位絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，所有線圈直線、端部、引線、相內(nèi)連接線、極間連接線及電纜線均需進(jìn)行耐壓試驗(yàn)考核。而線圈直線部分外的其它部位都是手工包扎絕緣，在線圈拐彎處尤其是引線、連接線處絕緣不易包平整。做直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，直流泄露電流即超標(biāo)，絕緣薄弱點(diǎn)被擊穿(絕緣薄弱點(diǎn)擊穿見(jiàn)圖4)。

圖4 絕緣薄弱點(diǎn)擊穿

1.5 試驗(yàn)分析

電機(jī)浸漆修復(fù)完成后，在暗室進(jìn)行了電暈試驗(yàn)。試驗(yàn)電壓為9 kV時(shí)，線圈端部未見(jiàn)電暈，但多個(gè)線圈的相內(nèi)連接線處有電暈。試驗(yàn)電壓為11 kV時(shí)電暈現(xiàn)象突出。對(duì)上述部位噴低阻漆處理，干燥后試驗(yàn)結(jié)果顯示并無(wú)改善。找到所有絕緣薄弱點(diǎn)，并一一處理修復(fù)后，仍發(fā)現(xiàn)有些點(diǎn)有放電。后續(xù)試制的兩臺(tái)樣機(jī)，雖然拉長(zhǎng)端部、加大間隙，但情況并未徹底好轉(zhuǎn)。且經(jīng)過(guò)多次修復(fù)、反復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)后，仍然有電暈產(chǎn)生?？紤]到電機(jī)批量生產(chǎn)時(shí)，不可能投入如此大的人力且效果也不能保證，只能放棄該方案。

2 大間隙絕緣結(jié)構(gòu)

2.1 方案概述

加大繞組線圈的間隙，主要是繞組端部間隙，防止相鄰線圈及其它部位間由于電位差引起的電暈。端部間隙包括上下層間隙，圓周方向線圈之間間隙，線圈鼻部和相鄰線圈引線之間的間隙，相內(nèi)連接線間隙，極間連接線間隙，以及并流環(huán)之間距離和引出電纜之間間隙。前期進(jìn)行了一些研究，如采用模擬線圈以確定合適的線圈間隙值，并用小線圈進(jìn)行了氫氣爆炸性試驗(yàn)。

2.2 設(shè)計(jì)范例

試制的定子嵌線樣機(jī)規(guī)格型號(hào)為：YAK710-43 150 kW 6 kV。其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)：定子沖片外、內(nèi)徑分別為1 180 mm及760 mm，鐵心長(zhǎng)800 mm，定子沖片槽寬齒距之比為0.455(偏小的槽寬齒距比值以保證線圈端部間隙足夠大)。

電磁線采用云母導(dǎo)線3M43-F，繞制時(shí)線圈引線頭用聚酯薄膜粘帶固定，防止云母帶松散。匝間膠化材料采用預(yù)浸處理紙，在直線部分墊一張。線圈引線絕緣采用少膠薄膜粉云母帶半疊包八層及半疊包一層熱收縮聚酯薄膜帶。直線部分和端部絕緣采用少膠薄膜粉云母帶，半疊包八層。在包扎端部絕緣前，將滌綸氈墊于引出線分離部位與端部之間。在包最后一層云母帶之前，用滌綸氈折成“U”形墊在引線與端部分離部位，然后包扎最后一層云母帶。包好端部絕緣后，在直線部、轉(zhuǎn)角部、端部和鼻部包一層熱收縮薄膜帶。

端部綁扎采用面線3道、底線1道+絕緣支架+無(wú)緯帶硬端箍的方式(端部綁扎見(jiàn)圖5)。端部及鼻部固定采用PG綁扎帶F10。相鄰線圈之間用云母帶包裹熱膨脹氈填入(確保端部間能填實(shí)綁緊)，然后用PG帶綁扎。線圈和端箍之間用彈性聚酯膨體玻纖繩墊入調(diào)節(jié)及綁扎。線圈之間及線圈和端箍的綁扎不許綁在高阻帶范圍內(nèi)，第一道綁扎距離高阻帶末端一定距離。測(cè)溫元件引線直接由定子鐵心最外側(cè)的通風(fēng)道引出，同等定位方案類(lèi)似。

圖5 端部綁扎

定子線圈采用三維設(shè)計(jì)復(fù)形(見(jiàn)圖6)，并與線圈計(jì)算程序的參數(shù)相互校正。

圖6 線圈三維圖形

端部間隙三維復(fù)形后理論分析不少于10 mm(端部間隙理論值見(jiàn)圖7)。實(shí)物尺寸也基本達(dá)到了10 mm。

圖7 端部間隙理論值

2.3 防暈包法

線圈直線部分最外層半疊包一層進(jìn)口低阻帶，低阻帶包扎長(zhǎng)度每端伸出鐵心一定距離。包扎低阻帶時(shí)剪成斜邊使其兩端邊緣齊平。在線圈直線部和端部的轉(zhuǎn)角部位半疊包一層進(jìn)口高阻帶。高阻帶與低阻帶搭接，高阻帶包扎長(zhǎng)度不少于100 mm。最后最外層再半疊包一層熱收縮薄膜帶，每邊長(zhǎng)出高阻帶適當(dāng)距離(防暈層包法見(jiàn)圖8)。

圖8 防暈層包法

2.4 試制情況

線圈引出線與相鄰線圈鼻部間是線圈間距離最小的地方。為了解決線圈引線與相鄰線圈鼻部距離過(guò)小的問(wèn)題，線圈繞線時(shí)采用引線反引出的方式，即引線從鼻子內(nèi)側(cè)引出(見(jiàn)圖9)。有效保證了線圈引線不在兩個(gè)鼻子之間影響兩線圈間的距離，線圈間距離明顯增大(見(jiàn)圖10)。

圖9 引線從鼻子內(nèi)側(cè)引出

圖10 引線從鼻子內(nèi)側(cè)引出后端部距離

線圈端部包扎時(shí)，由于采用手工包扎在受力后會(huì)有變形，為此設(shè)計(jì)了一套復(fù)形模。嵌線前對(duì)線圈進(jìn)行復(fù)形(見(jiàn)圖11)，以保證線圈端部形狀的一致性。嵌線前對(duì)鐵心槽口整槽倒角，并對(duì)鐵心槽內(nèi)噴低阻漆處理。為保證異相線圈間的實(shí)物距離尺寸，浸漆前在異相線圈間塞入7 mm的聚四氟乙烯板(見(jiàn)圖12)。接好連接線，塞入聚四氟乙烯板后，進(jìn)行VPI浸漆處理。整個(gè)定子VPI浸漆時(shí)采用旋轉(zhuǎn)烘焙，保證絕緣飽滿且能有效減少漆瘤的產(chǎn)生。浸漆結(jié)束后，拆掉聚四氟乙烯板。線夾相較等電位方案，采用了絕緣性能更優(yōu)良的3242層壓板制成，防止線夾與電纜線起暈。

圖11 線圈復(fù)形

圖12 塞入聚四氟乙烯板保證異相線圈間距離

2.5 試驗(yàn)分析

樣機(jī)在暗室進(jìn)行電暈試驗(yàn)。試驗(yàn)電壓為11 kV時(shí)，鐵心槽內(nèi)聲音很小，槽口未發(fā)現(xiàn)電暈，線圈端部?jī)?nèi)圓未發(fā)現(xiàn)電暈。但并流環(huán)與絕緣支架接觸部位有電暈。采取涂抹高阻漆處理后，效果良好(見(jiàn)圖13)。

圖13 并流環(huán)與支架間涂抹高阻漆防止起暈

樣機(jī)送南陽(yáng)國(guó)家防爆電氣研究所檢驗(yàn)前，在廠內(nèi)進(jìn)行了H2爆炸性試驗(yàn)。電機(jī)置于一塑料袋中，充入H2。每相分別施加9 kV電壓，保持3 min(見(jiàn)圖14)，未發(fā)生爆炸。后續(xù)依次加壓至10，11，12，13，15 kV，每個(gè)電壓等級(jí)均保持3 min，均未發(fā)生爆炸。電壓升至19.7 kV時(shí)發(fā)生爆炸。

圖14 廠內(nèi)H2爆炸性試驗(yàn)

電機(jī)裝箱發(fā)送南陽(yáng)國(guó)家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(CQST)進(jìn)行電暈試驗(yàn)(見(jiàn)圖15)。9 kV下3 min和15 kV下3 min試驗(yàn)均順利通過(guò)，意味著我公司增安型防爆電機(jī)的6 kV和10 kV額定電壓等級(jí)的定子電暈試驗(yàn)成功通過(guò)，電機(jī)脈沖試驗(yàn)后續(xù)也順利通過(guò)。

圖15 南陽(yáng)國(guó)家防爆電氣研究所電暈試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)增安型防爆電機(jī)防電暈絕緣結(jié)構(gòu)和樣機(jī)試制、試驗(yàn)情況的介紹和分析，對(duì)今后增安型電機(jī)防電暈絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)提供了一些思路。

·信息點(diǎn)滴·

美國(guó)能源部投入6 700萬(wàn)美元加強(qiáng)核能技術(shù)研究

[據(jù)美國(guó)能源部網(wǎng)站2014年8月20日?qǐng)?bào)道]基于奧巴馬總統(tǒng)的“氣候行動(dòng)計(jì)劃”和政府努力擴(kuò)大清潔能源創(chuàng)新，能源部今天宣布在核能研究和基礎(chǔ)設(shè)施改進(jìn)方面投入6 700萬(wàn)美元。根據(jù)在國(guó)家能源安全和降低溫室氣體排放方面科學(xué)突破的潛力，全國(guó)有83個(gè)項(xiàng)目入選。

作為公告內(nèi)容的一部分，能源部通過(guò)核能研究計(jì)劃(NEUP)投入超過(guò)3 000萬(wàn)美元支持44個(gè)由大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的核能研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新技術(shù)和解決方案。這些項(xiàng)目由24個(gè)州的30所美國(guó)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)。此外，提供大約400萬(wàn)美元用于19所大學(xué)的研究堆和基礎(chǔ)設(shè)施改進(jìn)。

能源部還向5個(gè) “綜合研究項(xiàng)目(IRP)”投入2 000萬(wàn)美元，它們將為高優(yōu)先級(jí)的核能研究挑戰(zhàn)提供解決方案。相關(guān)挑戰(zhàn)包括：涉及乏燃料真空干法貯存的系統(tǒng)與儀器、氟化高溫反應(yīng)堆一體化技術(shù)的開(kāi)發(fā)和支持瞬態(tài)測(cè)試的先進(jìn)儀器。

此外，12個(gè)由美國(guó)大學(xué)、能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和核能應(yīng)用交叉技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃(NEET CTD)支持的工業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目獲得了1 100萬(wàn)美元，以解決核能交叉挑戰(zhàn)。能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)的2個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施增強(qiáng)項(xiàng)目獲得了超過(guò)100萬(wàn)美元，以進(jìn)一步進(jìn)行反應(yīng)堆材料和儀器儀表的研究。

20140405