胡 波，周 進(jìn)，謝志輝，楊 帥，左 瑞，程 圣

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000)

0 引言

隨著我國(guó)水火電資源的逐漸開(kāi)發(fā)利用，業(yè)內(nèi)對(duì)我國(guó)青海、西藏、四川等高原地區(qū)發(fā)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)提出了要求，特別是高原地區(qū)氣候特點(diǎn)(空氣壓力和空氣密度低、戶外溫度低、晝夜溫差大等)對(duì)發(fā)電機(jī)組定子繞組絕緣性能具有較大的影響。近年來(lái)隨著國(guó)家“一帶一路”政策逐漸深入亞歐洲地區(qū)，國(guó)內(nèi)發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)也隨之開(kāi)展中亞、北歐等高寒地區(qū)發(fā)電機(jī)裝機(jī)、維修、改造等項(xiàng)目，長(zhǎng)期低溫貯存和安裝對(duì)發(fā)電機(jī)組定子繞組絕緣性能也提出了新要求[1-2]。

數(shù)十年來(lái)業(yè)內(nèi)對(duì)大中型高壓電機(jī)絕緣系統(tǒng)(包括絕緣結(jié)構(gòu)、絕緣材料、防暈材料等)的熱壽命、熱-機(jī)械壽命、電-熱壽命等方面關(guān)注較多，而用于特殊場(chǎng)合的中小電機(jī)則對(duì)包括低溫性能等方面更為關(guān)注。

針對(duì)高原地區(qū)和高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，公司對(duì)高壓電機(jī)定子線圈主絕緣低溫絕緣性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，比較了定子線圈絕緣分別在低溫-室溫循環(huán)試驗(yàn)和低溫老化試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)結(jié)果差異，驗(yàn)證了高壓電機(jī)定子線圈絕緣耐低溫性能。

1 高原和高寒地區(qū)氣候特點(diǎn)

1.1 高原地區(qū)氣候特點(diǎn)及影響

高原地區(qū)具有以下一系列氣候特點(diǎn)，其中對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組在安裝、貯存和運(yùn)輸時(shí)可能產(chǎn)生影響的主要因素是空氣溫度低和戶外晝夜溫差變化大。

(1)空氣壓力或空氣密度低

實(shí)驗(yàn)室研究和電力設(shè)備實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均表明：海拔升高，空氣壓力下降、密度降低，帶電粒子無(wú)碰撞通過(guò)的自由平均路程越大，在電場(chǎng)方向移動(dòng)時(shí)得到加速而獲得的動(dòng)能越大，帶電粒子在兩次碰撞間所積累的動(dòng)能也就越大，更易產(chǎn)生撞擊游離使空氣擊穿而形成電暈。因此，海拔升高，空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。

(2)空氣溫度低

高海拔地區(qū)的空氣溫度低將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣承受低溫，可能影響定子繞組的絕緣和防暈性能。

(3)戶外晝夜溫差變化大

發(fā)電機(jī)在該地區(qū)安裝、貯存和運(yùn)輸時(shí)，可能承受晝夜溫差沖擊，進(jìn)而影響定子繞組的絕緣和防暈性能。

(4)空氣濕度小

一般認(rèn)為，空氣濕度小保證了發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組絕緣表面的干燥、減少了絕緣表面的受潮程度，有利于高電壓絕緣試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

(5)太陽(yáng)輻照強(qiáng)

一般認(rèn)為，發(fā)電機(jī)在該地區(qū)安裝、貯存和運(yùn)輸時(shí)，有專用安裝間或庫(kù)房等。因此，發(fā)電機(jī)將不會(huì)直接受到太陽(yáng)輻照。

1.2 高寒地區(qū)氣候特點(diǎn)及影響

高寒地區(qū)主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為寒冷且凍期長(zhǎng)，可能對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組在安裝、貯存和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生影響。

2 試驗(yàn)方案

對(duì)于發(fā)電設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，耐環(huán)境應(yīng)力因素技術(shù)方案中最經(jīng)濟(jì)、高效、快速的方案為成熟絕緣系統(tǒng)的耐環(huán)境性能的實(shí)際驗(yàn)證。因此，針對(duì)空氣溫度低、戶外晝夜溫差變化大且凍期長(zhǎng)等氣候特點(diǎn)，本文結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提出了低溫老化試驗(yàn)和低溫循環(huán)試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方案。

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1 低溫老化試驗(yàn)

綜合分析，目前與未來(lái)發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)面向中亞、北歐、東北亞等高緯度地區(qū)面臨著老舊機(jī)組改造的市場(chǎng)需求，需開(kāi)展機(jī)組低溫(約-40 ℃)絕緣試驗(yàn)研究。

低溫老化試驗(yàn)主要是模擬發(fā)電機(jī)定子繞組在運(yùn)輸和存貯過(guò)程中由于外界極端環(huán)境(如持續(xù)低溫冷凍環(huán)境下)對(duì)定子繞組主絕緣造成的低溫老化影響。實(shí)施方案為對(duì)比低溫長(zhǎng)期老化處理后的定子線圈絕緣性能與處理前的定子線圈絕緣性能，從而判斷低溫長(zhǎng)期老化對(duì)絕緣性能的影響。

2.1.2 低溫循環(huán)試驗(yàn)

低溫循環(huán)試驗(yàn)主要是模擬發(fā)電機(jī)定子繞組在運(yùn)輸和存貯過(guò)程中由于外界極端環(huán)境變化(如戶外晝夜溫度變化或局部區(qū)域溫度變化)對(duì)主絕緣造成的高低溫沖擊的影響。實(shí)施方案為對(duì)比低溫循環(huán)前后的定子線圈絕緣性能，從而判斷低溫循環(huán)對(duì)絕緣性能的影響程度。

根據(jù)發(fā)電設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)自身在高低溫沖擊下的內(nèi)應(yīng)力釋放，絕緣材料和金屬材料在高低溫作用下因線膨脹系數(shù)有差異而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等因素，結(jié)合T/CEEIA 252-2016《大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子線棒冷熱循環(huán)試驗(yàn)方法》的40～155 ℃中溫度變化范圍，補(bǔ)充開(kāi)展機(jī)組低溫循環(huán)(-40～40 ℃)絕緣試驗(yàn)研究。

2.2 試驗(yàn)程序

(1)低溫老化試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 2423.1—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A：低溫》，本試驗(yàn)將試驗(yàn)樣品放置在高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱中進(jìn)行低溫處理試驗(yàn)，低溫長(zhǎng)期老化處理溫度選取-40 ℃(目前為止大型發(fā)電機(jī)所需承受的最低環(huán)境溫度)，低溫每個(gè)低溫老化周期為14 d、間隔為1 d，共持續(xù)4個(gè)周期，具體溫度-時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1 低溫老化試驗(yàn)程序示意圖

(2)低溫循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 2423.22—2012《環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)N：溫度變化》，本試驗(yàn)將試驗(yàn)樣品放置在高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱中進(jìn)行低溫循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)溫度為-40～40 ℃，升降溫速度約為1.6 ℃/min，保溫時(shí)間為10 min。具體溫度-時(shí)間曲線如圖2所示，共計(jì)500次循環(huán)。

圖2 低溫循環(huán)試驗(yàn)程序示意圖

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

使用ATEC程控式濕熱交變循環(huán)試驗(yàn)箱，如圖3所示。

2.4 試驗(yàn)樣品

發(fā)電機(jī)真機(jī)定子VPI線圈，額定電壓Un為13.8 kV。

3 結(jié)果與討論

針對(duì)空氣溫度低、戶外晝夜溫差變化大且凍期長(zhǎng)等氣候特點(diǎn)，開(kāi)展了低溫老化試驗(yàn)和低溫循環(huán)試驗(yàn)兩種試驗(yàn)。

3.1 低溫老化試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 線圈截面尺寸檢測(cè)

線圈低溫老化前后尺寸實(shí)測(cè)結(jié)果表明，線圈高度方向尺寸最大變化量為0.06 mm，最大變化率為0.12%，寬度方向尺寸最大變化量為0.08 mm，最大變化率為0.47%。因此，線圈尺寸未出現(xiàn)明顯變化。

3.1.2 線圈主絕緣整體性試驗(yàn)

使用小銅錘均勻的敲擊線圈直線部位絕緣，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈主絕緣整體性良好，未出現(xiàn)發(fā)空現(xiàn)象。

3.1.3 線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)

使用三電極法測(cè)試線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)及增量差異很小。

3.1.4 線圈工頻交流耐電壓試驗(yàn)

對(duì)線圈施加(2.75Un+6.5)kV工頻交流電壓并保持1 min，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈均通過(guò)工頻交流耐電壓試驗(yàn)。

3.1.5 線圈耐電暈試驗(yàn)

在黑暗環(huán)境中對(duì)線圈施加1.5Un工頻交流電壓，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

注：tanδ1為0.6Un與0.2Un電壓下介損之差，tanδ2為每0.2Un電壓間隔下介損之差的最大值。

表3 線圈絕緣工頻交流耐電壓試驗(yàn)結(jié)果

表4 線圈耐電暈試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈均通過(guò)耐電暈試驗(yàn)。

3.1.6 線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)

在絕緣油中對(duì)線圈連續(xù)施加工頻交流電壓直至線圈絕緣擊穿，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫老化前后，線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿電壓差異較小。

3.1.7 線圈絕緣差示掃描量熱試驗(yàn)(DSC)

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 線圈主絕緣試樣DSC試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同測(cè)試條件下，定子線圈低溫老化前后主絕緣玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)分別為125.71 ℃和130.76 ℃。

3.1.8 小結(jié)

定子線圈低溫老化前后，其截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小。

3.2 低溫循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 線圈截面尺寸檢測(cè)

線圈低溫循環(huán)前后尺寸實(shí)測(cè)結(jié)果表明，線圈高度方向尺寸最大變化量為0.09 mm，最大變化率為0.17%，寬度方向尺寸最大變化量為0.10 mm，最大變化率為0.58%。因此，線圈尺寸未出現(xiàn)明顯變化。

3.2.2 線圈主絕緣整體性試驗(yàn)

使用小銅錘均勻的敲擊線圈直線部位絕緣，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 試驗(yàn)線圈發(fā)空檢查結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈主絕緣整體性良好，未出現(xiàn)發(fā)空現(xiàn)象。

3.2.3 線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)

使用三電極法測(cè)試線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

注：tanδ1為0.6Un與0.2Un電壓下介損之差，tanδ2為每0.2Un電壓間隔下介損之差的最大值。

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)及增量差異很小。

3.2.4 線圈工頻交流耐電壓試驗(yàn)

對(duì)線圈施加(2.75Un+6.5)kV工頻交流電壓并保持1 min，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 線圈絕緣工頻交流耐電壓試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈均通過(guò)工頻交流耐電壓試驗(yàn)。

3.2.5 線圈耐電暈試驗(yàn)

在黑暗環(huán)境中對(duì)線圈施加1.5Un工頻交流電壓，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 線圈耐電暈試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈均通過(guò)耐電暈試驗(yàn)。

3.2.6 線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)

在絕緣油中對(duì)線圈連續(xù)施加工頻交流電壓直至線圈絕緣擊穿，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，定子線圈低溫循環(huán)前后，線圈絕緣工頻瞬時(shí)擊穿電壓差異較小。

3.2.7 線圈絕緣差示掃描量熱試驗(yàn)(DSC)

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同測(cè)試條件下，定子線圈低溫老化前后主絕緣玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)分別為125.71 ℃和121.09 ℃。

3.2.8 小結(jié)

定子線圈低溫循環(huán)前后，其截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小。

3.3 結(jié)果分析

試驗(yàn)線圈在-40 ℃低溫下老化2個(gè)月后或在-40～40 ℃低溫循環(huán)21 d后，截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小，從外觀上也未發(fā)現(xiàn)任何劣化現(xiàn)象。同時(shí)老化后線圈絕緣性能處在正常的考核指標(biāo)范圍內(nèi)，沒(méi)有達(dá)到絕緣破壞或喪失功能的程度，表現(xiàn)出良好的耐低溫老化與耐低溫循環(huán)性能。

圖5 線圈主絕緣試樣DSC試驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

(1)參照電工電子產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制訂了高壓電機(jī)定子線棒低溫絕緣性能試驗(yàn)方案。

(2)定子線圈在-40 ℃低溫下老化2個(gè)月后，其截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小。

(3)定子線圈-40～40 ℃低溫循環(huán)21天后，其截面尺寸、整體性、電氣性能、物化性能等方面均變化很小。