胡 義

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

西氣東輸項(xiàng)目既關(guān)系到國家的能源戰(zhàn)略安全，又是一項(xiàng)惠民工程，其電驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用的是大容量、超高轉(zhuǎn)速的防爆變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)。目前該類電機(jī)依靠進(jìn)口，是Siemens、ABB、Coverteam、GE、TMEIC等少數(shù)跨國巨頭的壟斷領(lǐng)域，具有較高的技術(shù)壁壘和產(chǎn)品附加值，該電機(jī)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化對國家和企業(yè)都有非常重要的意義，是國內(nèi)電機(jī)制造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。但從絕緣技術(shù)來看，蘊(yùn)涵了較高的難度和一定的風(fēng)險(xiǎn)。

定子繞組絕緣技術(shù)難點(diǎn)：線圈采用槽部換位的半組式結(jié)構(gòu)，包括槽部換位節(jié)距、換位角度、股線編織、熱壓成形、主絕緣結(jié)構(gòu)、防暈結(jié)構(gòu)、絕緣包扎、嵌線、端部間隙、端部焊接、VPI浸漬、旋轉(zhuǎn)烘焙固化和中間過程耐壓試驗(yàn)、絕緣質(zhì)量控制等。

針對20 MW 9 350 V F級變頻同步電動(dòng)機(jī)的絕緣技術(shù)特征要求，完成了四個(gè)方面的研究內(nèi)容。

絕緣結(jié)構(gòu)試驗(yàn)：通過槽部換位的半組式線圈主絕緣和防暈結(jié)構(gòu)的VPI浸漬6895絕緣漆的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，確定其絕緣結(jié)構(gòu)。

電加工絕緣技術(shù)：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，添加必須的工裝和模具，結(jié)合現(xiàn)有電加工工藝水平，開展定子線圈成形加工專項(xiàng)研究，確定合理的技術(shù)途徑；確保定子線圈加工中對絕緣沒有任何損傷，無股間、排間短路和對地耐壓擊穿，絕緣加工后尺寸符合圖紙要求。

模擬繞組試驗(yàn)：通過假定子鐵心繞組的模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證編織換位方式、嵌線、端部間隙、端部焊接、絕緣包扎等工藝，VPI浸漆后測試?yán)@組的電氣性能，為樣機(jī)的制造積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

樣機(jī)制造和絕緣特性：在定子制造中嚴(yán)格執(zhí)行絕緣規(guī)范、試驗(yàn)規(guī)范和工藝文件要求，加強(qiáng)中間過程絕緣質(zhì)量管控，主定子VPI浸漆時(shí)采用電容測量裝置監(jiān)測浸漬效果，固化后的絕緣特性測試結(jié)果與設(shè)計(jì)吻合，達(dá)到了國外同行的先進(jìn)水平。

1 絕緣結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

為了減少電機(jī)定子槽內(nèi)的渦流損耗和附加損耗，定子線圈采用股線360°換位技術(shù)。單個(gè)線圈由兩根半組式條式線棒組成，嵌線后再進(jìn)行端部焊接、絕緣包扎、整個(gè)繞組VPI處理。提高繞組的整體性、散熱性及耐候性，降低繞組的局部放電量和介質(zhì)損耗。

股線絕緣：采用滌玻燒結(jié)扁銅線DSBESJB-20/155，特點(diǎn)是絕緣層薄，附著黏結(jié)力強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨損。

換位絕緣：采用0.20 NMN復(fù)合箔6640，該材料具備良好的柔軟性和耐剪切性能。

排間絕緣：采用B階的多膠粉云母板740-1，該材料在高溫時(shí)能夠釋放出大量樹脂，高的塑性壓縮量，使所有的股線形成整體。

主絕緣：采用玻璃布補(bǔ)強(qiáng)的中膠粉云母帶449-1和薄膜補(bǔ)強(qiáng)的中膠粉云母帶446-1A混包的絕緣結(jié)構(gòu)，單面絕緣厚度為2.64 mm。該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于上電公司10 kV大型高壓交流電機(jī)，已有超過30年的使用和電機(jī)的可靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

防暈：采用進(jìn)口高、低阻防暈帶215.55和217.31，槽部為低阻帶，端部為高阻帶。該結(jié)構(gòu)在10 kV定子線圈經(jīng)過多次驗(yàn)證試驗(yàn)，起暈電壓水平始終保持在28 kV以上。

1.1 半組式線圈結(jié)構(gòu)性能

1.1.1 室溫介質(zhì)損耗試驗(yàn)，測試結(jié)果見表1。

1.1.2 起暈電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

線棒起暈電壓大于30 kV，均可用于海拔5 km高原電機(jī)的繞組防暈。

1.1.3 交流工頻擊穿試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 成型半組式線圈起暈電壓試驗(yàn)觀察結(jié)果

式中：H1為電機(jī)試驗(yàn)地海拔高度km；H2為電機(jī)實(shí)際運(yùn)行地海拔高度km。

表3 成型半組式線圈交流工頻擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 產(chǎn)品線圈結(jié)構(gòu)性能

根據(jù)試驗(yàn)大綱要求，對6根產(chǎn)品線棒進(jìn)行下列試驗(yàn)項(xiàng)目測試。

1.2.1 室溫介質(zhì)損耗試驗(yàn)，測試結(jié)果見表4。

表4 產(chǎn)品線圈室溫介質(zhì)損耗測試數(shù)據(jù)

1.2.2 主絕緣耐雷電沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：JB/T 10098—2000交流電機(jī)定子成型線圈耐沖擊電壓水平(idt IEC 60034-15)Up=4UN+5 kV(Up為規(guī)定雷電沖擊電壓峰值；UN為額定電壓)。

雷電沖擊波的視在波前時(shí)間1.2 μs，視在半峰值時(shí)間50 μs，電壓峰值為45 kV，沖擊波次數(shù)為5次/秒(GB/T 16927.1)。

試驗(yàn)結(jié)果：全部通過。

1.2.3 工頻耐電壓試驗(yàn)

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：JB/T 10098—2000交流電機(jī)定子成型線圈耐沖擊電壓水平(idt IEC 60034-15)。

在線圈引出端和地之間施加(2UN+1 kV)，即21 kV的工頻電壓，耐壓時(shí)間為1 min，接著以1 kV/s的速率升高電壓至2(2UN+1 kV)，即42 kV，然后立即以至少1 kV/s的速率降低電壓到零值，過程不發(fā)生擊穿。

試驗(yàn)結(jié)果：全部通過。

1.2.4 交流工頻擊穿試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

產(chǎn)品線圈性能數(shù)據(jù)達(dá)到JB/T 56085—96大型交流高壓電機(jī)線圈質(zhì)量分等標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.5 電老化試驗(yàn)

試樣為電磁線線棒，結(jié)構(gòu)16匝2排，總長度1 350 mm，電磁線線規(guī)為1.6 mm×6.3 mm，2S20-F；絕緣結(jié)構(gòu)為混合半疊包玻璃布補(bǔ)強(qiáng)的中膠粉云母帶449-1和薄膜補(bǔ)強(qiáng)的中膠粉云母帶446-1A，單面絕緣厚度為2.64 mm；匝間膠化采用740-1；主絕緣包扎后搭接2 mm包一層0.085 mm×25 mm低阻帶215.55，包扎長度為居中500 mm。低阻帶兩邊搭接25 mm半疊包一層0.25 mm×20 mm高阻帶217.31，長度150 mm；VPI浸漆、烘焙固化。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 產(chǎn)品線圈交流工頻擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 線棒電老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

電老化考核要求為施加于電磁線線棒樣品的長期電壓為2.5UN，電老化擊穿后的中值時(shí)間不低于800 h。從試驗(yàn)結(jié)果看，電老化時(shí)間數(shù)據(jù)理想，能滿足項(xiàng)目實(shí)際需求。

2 電加工絕緣技術(shù)

2.1 定子線圈

定子線圈結(jié)構(gòu)為半組式槽部360°換位線棒，換位節(jié)距短為37 mm，一匝線圈股線根數(shù)為36根電磁線，電磁線采用滌玻燒結(jié)扁銅線DSBESJB-20/155，線規(guī)為1.8 mm×6.3 mm，銅線厚度和絕緣厚度較薄，加工中360°換位處的換位絕緣容易移位、脫落，直線與端部R處、端部與引線R處成形時(shí)電磁線的疊片等會損傷絕緣，特別是換位處和端部S彎處，導(dǎo)致線圈排間膠化后的股間、排間短路。

2.1.1 工裝、模具

線圈成形、膠化模采用二模合一、端部凹模的結(jié)構(gòu)，槽部360°換位處采用定制換位節(jié)距板、S彎壓模、換位模工裝等。通過模具直線截面膠化墊條材質(zhì)、尺寸，冷壓、熱壓不變形，確保線圈直線膠化時(shí)受壓均勻，排間膠化后尺寸符合設(shè)計(jì)要求。調(diào)節(jié)直線與端部接口接縫處間隙(不能完全閉合，加熱要膨脹)，保障定子線圈膠化后直線與端部過渡處平滑、無凸縫，減少凸縫修整時(shí)對絕緣的損傷，確保下道工序進(jìn)口包帶機(jī)包扎對地絕緣的質(zhì)量。

2.1.2 加工工藝

定子線圈成形后排間膠化前：直線360°換位高度上、下兩端處先墊適形材料和多膠云母板740-1，然后平包一層0.1 mm×25 mm滌綸絲帶，1/4疊包一層0.05 mm聚四氟乙烯薄膜，1/2疊包二層0.03 mm聚酯薄膜。端部疏包一層0.1 mm×25 mm滌綸絲帶，1/4疊包一層0.05 mm聚四氟乙烯薄膜，1/2疊包二層0.03 mm聚酯薄膜。

定子線圈排間膠化加熱、加壓采用分段、分檔控制，即通電加熱后以全壓的1/3壓力對直線部分進(jìn)行初壓，當(dāng)直線溫度控制在150 ℃左右時(shí)，對線圈直線部分的上面、側(cè)面加全壓。注意全壓時(shí)應(yīng)反復(fù)對線圈直線上面、側(cè)面施壓直至模具側(cè)面板與墊條完全合攏，然后再對二個(gè)端部加全壓，操作秩序必須先從線圈直線轉(zhuǎn)角處開始，上面、側(cè)面施壓，然后依次向引線方向逐步加至模具側(cè)面板與墊條完全合攏為止。

對地絕緣包扎在進(jìn)口機(jī)器人包帶機(jī)上進(jìn)行，通過調(diào)節(jié)包扎張力和包扎視角，確保對地絕緣包扎后的線圈尺寸符合圖紙要求。整個(gè)端部絕緣外面再半疊包一層單面透氣保護(hù)帶，防止繞組VPI浸漬后烘培固化時(shí)，端部樹脂的流失，使端部繞組絕緣表面平整、光滑，提高絕緣層內(nèi)部的致密性和起暈電壓。

3 模擬繞組試驗(yàn)

按產(chǎn)品圖紙，用層壓板作為支撐件，內(nèi)襯鋼板，制作模擬定子鐵心槽，加工產(chǎn)品定子線圈，進(jìn)行嵌線、端部間隙及綁扎固定、端部焊接、連接處絕緣包扎、VPI浸漬處理和絕緣性能測試，驗(yàn)證電加工工藝性和繞組成型后的絕緣品質(zhì)。結(jié)構(gòu)見圖1，圖2。

圖1 模擬定子鐵心槽圖

圖2 VPI浸漬后帶定子線圈的模擬鐵心圖

3.1 絕緣電阻：2.9×103MΩ

3.2 介質(zhì)損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

電壓/kV24681012tgδ/%1.181.682.203.184.04.58

3.3 局部放電量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)電壓/kV46810放電量/pc4008001 0502 900

3.4 直流泄漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)

直流電壓/kV253035泄漏電流/μA3.08.217.2

3.5 電暈試驗(yàn)

在黑暗條件下觀看，13 kV無電暈現(xiàn)象。

3.6 交流耐壓試驗(yàn)

試驗(yàn)電壓：21 kV；耐壓時(shí)間：1 min；無耐壓擊穿。

結(jié)論：試驗(yàn)結(jié)果表明定子線圈電加工工藝技術(shù)途徑合理，成型后繞組絕緣品質(zhì)優(yōu)良，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，滿足電機(jī)絕緣特性要求，可進(jìn)行產(chǎn)品樣機(jī)投產(chǎn)。

4 樣機(jī)制造和絕緣特性

4.1 樣機(jī)制造

主定子嵌線見圖3，VPI浸漬烘焙固化后見圖4。

圖3 主定子線圈端部間隙圖

圖4 主定子VPI浸漬、烘焙固化后圖

4.2 主定子絕緣特性

4.2.1 定子繞組介質(zhì)損耗

測試結(jié)果：tan δ0=1.63%、tan δE=4.40%(日本三菱、TMEIC公司和我司內(nèi)控指標(biāo)為：tan δ0≤2%、tan δE≤6%，tan δ0指電壓為2 000時(shí)的損耗值、tan δE指電壓為額定電壓時(shí)的損耗值)。

4.2.2 定子繞組局部放電

4.2.3 定子繞組極化指數(shù)

由定子繞組的整機(jī)極化指數(shù)曲線測試結(jié)果：PI=7.1(PI=R10 min/R1 min，R1=4 580 MΩ，R10=32 500 MΩ。內(nèi)控指標(biāo)要求在10 000 V直流電壓下極化指數(shù)大于等于3)。

4.2.4 定子繞組泄漏電流試驗(yàn)

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50150電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；試驗(yàn)施加的最高直流電壓值為定子繞組額定電壓的3倍。

試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)的每一個(gè)電壓值梯度下，泄露電流值不隨時(shí)間的延長而增大，三相泄露電流平衡。在2.5UN直流電壓時(shí)，三相中最大泄漏電流為18 μA，符合標(biāo)準(zhǔn)中考核值(最大值小于20 μA)要求。

4.2.5 定子繞組起暈電壓試驗(yàn)

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：JB 8439高壓電機(jī)使用于高海拔地區(qū)的防電暈技術(shù)要求；規(guī)定定子繞組整機(jī)在1.3UN時(shí)，無電暈。

試驗(yàn)結(jié)果：裝配前，對定子繞組施加13 kV的50 Hz工頻交流電壓，在黑暗中觀察無電暈，說明整機(jī)繞組起暈電壓大于13 kV，符合標(biāo)準(zhǔn)中考核值要求。

4.2.6 定子繞組交流電壓試驗(yàn)

定子：19 700 V/50 Hz，60 s；

試驗(yàn)結(jié)果：全部通過。

5 結(jié)論

5.1 試驗(yàn)線圈、產(chǎn)品線圈的測試數(shù)據(jù)說明絕緣結(jié)構(gòu)的電氣絕緣性能完全滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用要求。

5.2 模擬定子繞組、產(chǎn)品定子繞組固化后的絕緣特性測試數(shù)據(jù)說明電加工工藝技術(shù)成熟，絕緣體系的整體性能良好。

5.3 樣機(jī)型式試驗(yàn)、交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果說明為該類同步電機(jī)提供了先進(jìn)的絕緣技術(shù)、可靠的絕緣品質(zhì)。