劉冠芳 ，劉 嬿 ，鄭瑞娟 ，李斌寅 ，郭大鵬

（1.中車永濟電機有限公司，山西 永濟 044502；2.軌道交通牽引電機山西省重點實驗室，山西 永濟 044502）

0 引言

介質(zhì)損耗是指電介質(zhì)在交變電場作用下，由于介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應，在其內(nèi)部引起的能量損耗[1-2]。介質(zhì)損耗因數(shù)測試是大型電機定子線圈和繞組絕緣性能檢測中應用最廣泛且較容易檢驗絕緣狀態(tài)的一種試驗方法[3]，通常在0.2UN～1.0UN的特定電壓范圍內(nèi)每間隔0.2UN的試驗電壓下測量介質(zhì)損耗因數(shù)[4]。多項研究表明，介質(zhì)損耗因數(shù)的起始值、增量以及最大值可以作為電機定子線圈絕緣質(zhì)量分等和繞組絕緣狀態(tài)評估的依據(jù)[5-7]。而在低壓電機中，介質(zhì)損耗因數(shù)通常用作絕緣加速老化試驗中評價絕緣狀態(tài)的重要指標之一[8-9]。近年來，隨著變頻電機的應用越來越廣泛，制造缺陷導致的絕緣故障不斷增多，在低壓電機制造過程進行介質(zhì)損耗因數(shù)檢測，對提升低壓電機的制造工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品絕緣性能具有重要意義。

本文研究低壓電機制造過程的鐵心不齊、油漬污染、絕緣受潮、絕緣漆流失4種因素對電機定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，驗證采取不同處置措施后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化規(guī)律，分析電機在制造過程中介質(zhì)損耗因數(shù)異常的原因并提出改進措施。

1 影響介質(zhì)損耗因數(shù)的工藝因素

低壓電機定子常用的制造工序為，首先將鐵心疊壓和焊接加工后形成定子鐵心，然后將制作好的線圈嵌入鐵心槽，端部連線后浸漬絕緣漆，最后進行介質(zhì)損耗因數(shù)測試。因此，在電機定子制造過程中，與絕緣性能密切相關的、且對介質(zhì)損耗因數(shù)產(chǎn)生影響的制造工藝包括鐵心疊壓、鐵心加工、線圈制作、浸漆等。

1.1 鐵心疊壓

鐵心疊壓工藝一般包括疊壓、壓裝、焊接和退模，而退模后保持定子鐵心層間壓力的方法主要有焊接法、鉚接法和扣片法[10]，這些方法都會使鐵心產(chǎn)生應力，出現(xiàn)鐵心不齊度較大，并有凸片現(xiàn)象[11]。介質(zhì)損耗因數(shù)測試時凸片附近電場強度較大，容易產(chǎn)生局部放電，導致定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

1.2 鐵心加工

機座加工中拉銷加工具有高負載和高產(chǎn)熱的特點，要求加工過程必須加入切削液，起潤滑冷卻的作用[12]。由于蓖麻油冷卻液具有冷卻效率高、兼容性強、環(huán)保性能好的特點，已廣泛應用于電機機座加工過程[13]。機座加工后冷卻液會殘留在機座和鐵心表面，如果清洗不徹底，嵌線后油污會滲入絕緣層污染線圈，影響定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)。

1.3 線圈制作

絕緣材料或經(jīng)絕緣包扎后的線圈在存放過程中容易受潮，且浸漆前的烘潮和真空干燥過程未能完全將潮氣排出，則會導致浸漆后水分和絕緣漆混合，從而影響定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)。

1.4 浸漆

定子鐵心線圈的浸漆過程采用自動化設備控制，對于工藝成熟的浸漆過程通常不會對介質(zhì)損耗因數(shù)產(chǎn)生大的影響，但如果浸漆完成后的出罐時間較長或烘箱升溫時間較長，則會導致槽口部位的絕緣漆流失比較多，使絕緣層與鐵心之間產(chǎn)生空隙，從而影響定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)。

2 不同因素對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響分析

采用武漢森德電力科技有限公司的SD2002型介質(zhì)損耗因數(shù)測試儀，按照GB/T 34665—2017[4]測試介質(zhì)損耗因數(shù)，由于低壓電機在0.6UN（UN為額定電壓）下的介質(zhì)損耗因數(shù)與0.2UN下的數(shù)值相差非常小，本研究使用1.0UN下的介質(zhì)損耗因數(shù)減去0.2UN下的數(shù)值作為介質(zhì)損耗因數(shù)增量。

目前低壓電機的介質(zhì)損耗因數(shù)及增量的數(shù)值無標準規(guī)定，現(xiàn)有的研究通常根據(jù)50臺以上的統(tǒng)計數(shù)據(jù)制定標準值。本研究中的電機定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)標準要求為≤1.5%，介質(zhì)損耗因數(shù)增量≤1.0%。

通過對鐵心疊壓、鐵心加工、線圈制作以及浸漆過程中，由于工藝異常造成鐵心不齊、油污污染、絕緣受潮以及絕緣漆流失的電機定子絕緣進行介質(zhì)損耗因數(shù)測試，與同批次符合標準要求的電機定子進行對比，分析不同制造工藝因素對電機定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的影響。

2.1 鐵心不齊

鐵心疊壓后存在不齊度為0.10～0.13 mm的凸片（設計要求槽形不齊度不大于0.10 mm）時，電機定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)隨測試電壓的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 鐵心不齊對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.1 Influence of core irregularity on the dielectric loss factor

從圖1可以看出，在低測試電壓（0.2UN～0.6UN）時，鐵心有凸片的電機定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)與正常電機（鐵芯無凸片）基本一致且都比較小，隨著測試電壓的升高，其介質(zhì)損耗因數(shù)的增幅比較大。這是由于鐵心疊壓不齊，會造成鐵心與絕緣層接觸不好，局部產(chǎn)生空隙或存在尖端，測試電壓升高后氣隙或尖端發(fā)生放電，造成介質(zhì)損耗因數(shù)增量的增大，導致局部放電起始電壓和熄滅電壓降低，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 局部放電起始電壓和熄滅電壓測試數(shù)據(jù)Tab.1 PDIV and PDEV test data

對介質(zhì)損耗因數(shù)異常的電機進行二次浸漆處理，得到二次浸漆處理前后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖2所示。從圖2可以看出，浸漆后介質(zhì)損耗因數(shù)略有減小，通過測量電容發(fā)現(xiàn)，定子繞組電容僅從23.79 nF增加至23.88 nF，說明絕緣漆固化后再次浸漬時，絕緣漆只能進入少部分有浸漆通道的空隙中，使介質(zhì)損耗因數(shù)減小和電容增加，但是不能使介質(zhì)損耗因數(shù)恢復達到正常，因此必須在鐵心疊壓工序上控制疊壓質(zhì)量。

圖2 二次浸漆前、后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化Fig.2 The change of dielectric loss factor before and after the second impregnation

2.2 油污污染

由于蓖麻油具有較強的滲透性，定子嵌線后油污會不斷滲入絕緣材料，從槽楔表面可以看出明顯的油漬。正常電機定子和經(jīng)油漬污染后的3臺電機定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。3臺電機定子污染槽數(shù)不同，1#、2#、3#污染的槽數(shù)分別占總槽數(shù)的1/15、1/3、1/2。從圖3可以看出，低測試電壓（0.2UN～0.6UN）時，經(jīng)油漬污染后的電機定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)較正常電機定子的介質(zhì)損耗因數(shù)大，且隨著測試電壓的升高介質(zhì)損耗因數(shù)的增幅進一步增大，污染的槽數(shù)越多，介質(zhì)損耗因數(shù)及其增量越大。這主要是因為殘留的蓖麻油冷卻液是一種極性電介質(zhì)，其介質(zhì)損耗因數(shù)比常用的云母等絕緣材料大，在高電壓作用下電導損耗比較大，導致電機定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

圖3 油污對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.3 Influence of greasy dirt on the dielectric loss factor

另外，由于蓖麻油冷卻液已經(jīng)進入絕緣層，與包繞的絕緣層融為一體，而蓖麻油冷卻液的揮發(fā)溫度在280℃以上，遠高于絕緣材料的耐熱等級，因此不能通過正常生產(chǎn)的高溫烘焙工藝來減小定子的介質(zhì)損耗因數(shù)，須對鐵心進行清洗和高溫烘焙后，介質(zhì)損耗因數(shù)才可恢復正常。

2.3 絕緣受潮

一般情況下定子線圈制作后放置時間在5天以內(nèi)，但實際生產(chǎn)過程由于后工序的影響，部分線圈的放置時間會比較長。本研究對在溫度為（23±2）℃、相對濕度為55%～65%的環(huán)境下存放不同時間的電機定子浸漆后絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)進行測試，并與符合要求的電機定子對比。絕緣受潮后的電機定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖4所示，其中電機定子線圈 1#、2#、3#的存放時間分別為11、16、23天。

圖4 絕緣受潮對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.4 Influence of insulation moisture on the dielectric loss factor

從圖4可以看出，受潮電機定子的介質(zhì)損耗因數(shù)比未受潮電機定子要大，且在0.2UN電壓下介質(zhì)損耗因數(shù)已經(jīng)大很多，并隨著放置時間的增加而增大，這主要因為水分子是極性分子，絕緣吸潮后，其電導損耗和松馳極化損耗增加[14-15]，從而使介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

對介質(zhì)損耗因數(shù)異常的電機定子在浸漆后進行二次烘焙處理，得到烘焙后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖5所示。從圖5可以看出，二次烘焙后介質(zhì)損耗因數(shù)基本保持不變，說明絕緣漆固化后將水分封存在絕緣層中，高溫烘焙無法使水分排出。因此在浸漆前須對線圈或者定子鐵心線圈通過烘焙或真空干燥完全將潮氣排出后，絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)才能恢復正常。

圖5 二次烘焙后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化Fig.5 Change of dielectric loss factor after secondary baking

2.4 絕緣漆流失

在浸漬漆固化工藝中絕緣漆流失和正常的電機定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖6所示。從圖6可以看出，低測試電壓（0.2UN～0.4UN）時，絕緣漆流失的電機定子介質(zhì)損耗因數(shù)與正常電機的基本相同。但隨著測試電壓的升高，介質(zhì)損耗因數(shù)增量顯著增大，這主要是槽口絕緣漆流失后，絕緣與鐵心之間產(chǎn)生氣隙，氣隙面積的增大使氣-固交界面的突出物增多，提高了氣隙內(nèi)放電通道形成的概率，使起始放電電壓降低[16]，因此測試電壓升高后氣隙放電增強，導致介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

圖6 絕緣漆流失對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.6 Influence of insulation paint loss on the dielectric loss factor

對介質(zhì)損耗因數(shù)增大的電機進行二次浸漆處理，以填充槽口的空隙，經(jīng)二次浸漆填充后介質(zhì)損耗因數(shù)的變化如圖7所示。從圖7可以看出，二次浸漆后介質(zhì)損耗因數(shù)明顯減小，與正常電機的介質(zhì)損耗因數(shù)相當（圖6），且測得定子繞組電容從25.88 nF增加至27.53 nF，電容值增加了6.37%，說明二次浸漬處理后絕緣漆填充了鐵心與絕緣之間的空隙，分別使介質(zhì)損耗因數(shù)減小和電容增加。因此，絕緣漆流失導致的介質(zhì)損耗因數(shù)增大可以通過再次浸漆使其恢復正常。

圖7 二次浸漆對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.7 Influence of insulation paint filling on the dielectric loss factor

3 結(jié)論

通過對比試驗和分析4種制造工藝對電機定子絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）低壓電機受工藝因素影響產(chǎn)生的鐵心不齊、油漬污染、絕緣受潮和絕緣漆流失均會導致介質(zhì)損耗因數(shù)增大，其中絕緣受潮后電機定子絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)在0.2UN電壓下明顯增大。

（2）鐵心不齊、油漬污染和絕緣受潮對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，通過再次浸漆或烘焙無法對介質(zhì)損耗因數(shù)的減小產(chǎn)生明顯作用。

（3）絕緣漆流失對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，通過再次浸漆可以填充鐵心與絕緣之間的空隙，使電機定子絕緣的電容增加、介質(zhì)損耗因數(shù)減小。