薛長志，劉濟林，李燕琴

（中車株洲電機有限公司 電氣絕緣技術湖南省重點實驗室，湖南 株洲 412000）

0 引言

為適應風力發(fā)電機大功率化、結構簡單、高效率和易維護等需求，采用開啟式冷卻結構的風力發(fā)電機已逐漸被業(yè)內認可和推廣。采用開啟式冷卻結構的風力發(fā)電機通過直接吸入空氣的方式實現對電機的冷卻，致使絕緣系統(tǒng)面臨復雜環(huán)境因子的侵蝕，尤其當機艙內未配套加熱去濕功能組件時，對發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的耐環(huán)境性能提出了更加苛刻的要求[1-3]。因此，開展風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的耐特殊環(huán)境試驗驗證，對評估風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的長期可靠性具有重要意義。

目前國內風力發(fā)電機的額定電壓以中低壓占主流，其絕緣系統(tǒng)的浸漬樹脂體系大體分為3類：①環(huán)氧-酸酐體系；②聚酯亞胺體系；③環(huán)氧改性不飽和聚酯體系。3類浸漬樹脂在性能上各具優(yōu)勢，并在風力發(fā)電機領域都有著廣泛的應用[4-8]。本研究以基于環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬體系的絕緣結構為試驗對象，結合開啟式風力發(fā)電機在運行過程中所面臨的濕熱、高寒、冰雪等特殊環(huán)境，對絕緣結構開展多周期的“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冰凍-加熱”的特殊環(huán)境適應性試驗及評估，以研究該絕緣結構的特殊環(huán)境適應性。

1 試驗

1.1 模型結構試樣

以某典型開啟式結構的直驅風力發(fā)電機（Un=690 V）為基礎設計模型結構。模型結構由模擬線圈、模擬鐵心夾具、槽部絕緣及固定用槽楔構成，具體如圖1所示。

模擬線圈采用FMFYB-50/155型電磁線繞制而成，對地絕緣先采用厚度為0.14 mm的玻璃布補強云母帶半疊包1次，再用厚度為0.1 mm的滌玻保護帶半疊包1次，槽絕緣為厚度為0.24 mm的NMN復合箔。

圖1 模型結構實物圖Fig.1 Physical drawing of model structure

模型結構裝配后整體用環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬樹脂真空壓力浸漬(VPI)工藝處理兩次。試驗共制備A、B、C 3組模型結構，其中A組模型作為對比試樣，B組模型進行“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境試驗，C組模型進行“浸水-冰凍-加熱”環(huán)境試驗。

1.2 主要儀器及設備

VPI真空壓力浸漬設備，沈陽維科真空設備有限公司；TS2Z432-55W型高低溫沖擊試驗箱，武漢克萊美特環(huán)境設備有限公司；FLUCK 1550C型絕緣電阻測試儀，美國FLUCK公司；5 kV介損自動測試儀、150 kV微機控制全自動交流擊穿耐壓試驗儀，上海浦東申高電容器有限公司。

1.3 環(huán)境試驗方法

1.3.1 冷熱沖擊-浸水-加熱試驗

冷熱沖擊-浸水-加熱試驗是模擬電機在極端低溫下的電機反復啟停及運行中絕緣結構遭遇水浸泡的工況，具體試驗流程如圖2所示，在每個試驗周期后診斷模型結構的工頻耐壓、常態(tài)絕緣電阻及介質損耗，18個試驗周期后，檢測模型結構的剩余擊穿電壓。

圖2 冷熱沖擊-浸水-加熱試驗流程及要求Fig.2 Hot and cold shock-immersion-heating test process and requirements

1.3.2 浸水-冰凍-加熱試驗

浸水-冰凍-加熱試驗是模擬電機在雨雪冰凍環(huán)境下的啟動、運行工況，具體試驗過程如圖3所示，在每個試驗周期后診斷模型結構的工頻耐壓、常態(tài)絕緣電阻及介質損耗，18個試驗周期后，檢測模型結構的剩余擊穿電壓。

圖3 浸水-冰凍-加熱試驗流程及要求Fig.3 Immersion-freezing-heating test procedures and requirements

1.4 診斷測試

測試前，模型結構均在恒溫恒濕環(huán)境下靜置6 h，以消除環(huán)境溫、濕度對測試結果的影響。試驗前后及每個試驗周期后均診斷模型結構的工頻耐壓、絕緣電阻及常態(tài)介質損耗因數。模型結構的工頻耐壓值為3 000 V，持續(xù)時間為1 min；常態(tài)絕緣電阻和吸收比在1 kV直流電壓下測量；常態(tài)介質損耗因數在0.5～3.0 kV，以0.5 kV為間距測量；擊穿電壓在空氣環(huán)境下（未浸入油槽中）測試，升壓速率為500 V/s。

2 結果與討論

2.1 環(huán)境試驗對模型結構絕緣電阻的影響

模型A試品以及參與環(huán)境試驗的模型B、C試品的絕緣電阻及吸收比R60s/R15s如表1所示。

表1 模型結構的絕緣電阻Tab.1 Insulation resistance of model structures

從表1可以看出，模型A試品及模型B、C試品試驗前的60 s絕緣電阻值均在200 GΩ左右，三者水平基本相當。模型B試品經歷18周期的“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境試驗和模型C試品經歷18周期的“浸水-冷凍-高溫”環(huán)境試驗后，兩者的60 s絕緣電阻都有一定程度的下降，但絕緣電阻最低值仍在70 GΩ以上，吸收比大于2，表明模型B、C試品在經歷環(huán)境試驗后的絕緣電阻仍處于較高水平。

18周期的環(huán)境試驗過程中模型B、C試品的絕緣電阻變化趨勢如圖4所示。從圖4可以看出，在“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冰凍-加熱”試驗過程中，隨著試驗周期的增加，模型B、C試品的絕緣電阻整體呈下降趨勢，但在部分周期出現小幅回升，這是因為絕緣材料具有一定的吸水性，在經歷反復受潮、受熱的過程中，絕緣結構也經歷著“吸濕-飽和-恢復”反復交替的過程，表現為絕緣電阻值的波動；在“冷熱沖擊-浸水-加熱”試驗過程中，模型B試品的絕緣電阻波動范圍略大，表明“冷熱沖擊-浸水-加熱”對絕緣結構的影響程度更大。

圖4 環(huán)境試驗過程模型結構的絕緣電阻變化Fig.4 Changes of insulation resistance of model structures during environmental test

2.2 環(huán)境試驗對模型結構介質損耗的影響

模型A試品以及參與環(huán)境試驗的模型B、C試品的常態(tài)介質損耗因數均值如表2所示。

表2 模型結構的常態(tài)介質損耗因數均值（單位：%）Tab.2 Dielectric loss factor at room temperature of model structure

從表2可以看出，模型A試品及模型B、C試品試驗前的常態(tài)介質損耗水平相當。經歷18周期“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境試驗后的模型B試品介質損耗因數變化明顯，經歷18周期“浸水-冷凍-高溫”環(huán)境試驗后的模型C試品介質損耗因數增幅較小。

18周期的環(huán)境試驗過程中模型結構的常態(tài)介質損耗因數變化趨勢如圖5所示。從圖5可以看出，在環(huán)境試驗過程中，隨著試驗周期的增加，模型結構的介質損耗因數整體呈上升趨勢，表明冷熱沖擊、浸水、冰凍等環(huán)境因子造成絕緣結構輕微劣化，隨著“冷熱沖擊-浸水-加熱”試驗周期數的增加，模型B試品的常態(tài)介質損耗因數增大明顯，表明“冷熱沖擊”環(huán)境應力對絕緣結構的影響較大。隨著“浸水-冷凍-加熱”試驗周期數的增加，模型C試品的常態(tài)介質損耗因數有一定增大，但增幅不明顯，表明“冷凍”環(huán)境應力對絕緣結構的影響程度輕微。

圖5 環(huán)境試驗過程模型結構的介質損耗因數變化趨勢Fig.5 Changes of dielectric loss factor of model structures during environmental test

2.3 環(huán)境試驗對模型結構擊穿電壓的影響

模型A試品的擊穿電壓以及參與環(huán)境試驗的模型B、C試品的擊穿電壓測試結果如表3所示。

表3 模樣結構試樣的擊穿電壓 （單位：kV）Tab.3 Breakdown voltages of model structure samples

從表3可以看出，經過18個周期的“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冰凍-加熱”試驗后，模型B、C試品的剩余擊穿電壓較未經歷環(huán)境試驗的模型A試品均有所下降，但均大于20 kV，其中經歷18周期“冷熱沖擊-浸水-加熱”試驗的模型B試品平均擊穿電壓保持率大于70%，而經歷18周期“浸水-冰凍-加熱”試驗的模型C試品平均擊穿電壓保持率大于85%。

環(huán)境試驗結束后，模型結構線圈表面漆膜未見開裂現象，槽楔無松動，線圈剖面各絕緣材料無分層，模擬鐵芯槽內無銹蝕情況，綜合絕緣電阻、介質損耗及擊穿電壓的測試數據，表明環(huán)境試驗后，基于環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬體系的絕緣結構絕緣性能保持較高水平，絕緣結構呈現出良好的耐“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冷凍-加熱”環(huán)境試驗的能力。

3 結論

在實驗室條件下，對基于環(huán)氧改性不飽和聚酯體系的模型結構進行了開啟式風力發(fā)電機典型運行工況模擬環(huán)境因子試驗，主要得到以下結論：

（1）絕緣結構在經過18周期“冷熱沖擊-浸水-加熱”、“浸水-冷凍-加熱”試驗后，絕緣電阻仍在70 GΩ以上，對地工頻擊穿電壓大于20 kV，其電氣絕緣性能滿足風力發(fā)電機的設計要求。

（2）以環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬體系為基礎的絕緣結構具備耐受“冷熱沖擊-浸水-加熱”和“浸水-冷凍-加熱”環(huán)境試驗的能力。

（3）18周期環(huán)境試驗后絕緣結構試品的剩余擊穿電壓以及介質損耗的變化程度表明，“冷熱沖擊”環(huán)境應力對絕緣結構的影響較“冷凍”環(huán)境應力更大。

（4）VPI絕緣系統(tǒng)在耐受“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境試驗后，介質損耗、擊穿電壓等性能下降程度相對“浸水-冷凍-加熱”較大，說明絕緣系統(tǒng)本身防水性能較好，但絕緣材料在經過反復的熱脹冷縮后，結構容易受水汽的侵蝕。因此，在絕緣結構的設計中，需針對“冷熱沖擊-浸水-加熱”環(huán)境的影響采取措施，一方面確保絕緣結構的長期致密性，另一方面，在滿足運行要求的前提下，提升發(fā)電機運行溫升，保證發(fā)電機本身具備運行去潮能力，以避免發(fā)電機絕緣在潮濕工況環(huán)境下的長期運行。