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        10 kV高壓電機(jī)定子少膠VPI減薄絕緣結(jié)構(gòu)研究

        2022-10-13 11:43:54洋,吉超,徐
        上海大中型電機(jī) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        劉 洋,吉 超,徐 娜

        (哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司,哈爾濱 150040)

        0 引言

        絕緣是高壓異步電機(jī)的核心技術(shù),高壓電機(jī)絕緣系統(tǒng)需承受電應(yīng)力、機(jī)械力、熱應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力的影響,惡劣工作環(huán)境對(duì)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、使用壽命提出了更高的要求。目前,高壓電機(jī)定子繞組絕緣的發(fā)展方向是減薄絕緣厚度、增強(qiáng)絕緣安全可靠性并延長(zhǎng)使用壽命。因此,研究絕緣厚度的減薄具有十分重要的意義[1]。

        自從高壓交流電機(jī)定子繞組整體VPI絕緣體系在國(guó)內(nèi)應(yīng)用以來(lái),線圈絕緣厚度在逐漸減薄。以我公司10 kV級(jí)電機(jī)為例,定子線圈雙面主絕緣厚度已經(jīng)歷了5.7 mm、4.5 mm、3.9 mm三個(gè)階段。本文將10 kV級(jí)電機(jī)定子線圈主絕緣厚度(雙面厚度)擬由3.9 mm減薄至3.4 mm。

        1 減薄結(jié)構(gòu)使用的絕緣材料

        1.1 繞組線

        繞組線是電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必需材料之一。電機(jī)絕緣的減薄不能單純減薄主絕緣厚度,而繞組線股線絕緣也需相應(yīng)減薄,實(shí)現(xiàn)電機(jī)整體性絕緣的減薄。

        繞組線股線絕緣由于在線圈制造過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到遠(yuǎn)高于主絕緣的機(jī)械力(如彎曲、扭轉(zhuǎn)、敲擊等)沖擊,再加上電機(jī)運(yùn)行中經(jīng)常受到?jīng)_擊電壓(過(guò)電壓)的侵襲,因此股線絕緣所處的工作條件是苛刻的,事故發(fā)生頻率高,嚴(yán)重威脅電機(jī)的運(yùn)行安全。

        為此,我們與國(guó)內(nèi)絕緣材料廠家共同研發(fā)能夠滿(mǎn)足減薄絕緣結(jié)構(gòu)的繞組線。經(jīng)過(guò)多方篩選,最后選定用含Nomex纖維的云母帶繞包線。該繞組線絕緣厚度薄、云母含量高、含Nomex纖維,VPI浸漬后介電強(qiáng)度高、耐電暈性好(浸透性好),其基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

        表1 云母帶繞包銅扁線性能指標(biāo)

        1.2 少膠云母帶

        少膠云母帶是少膠VPI絕緣的基礎(chǔ)材料,對(duì)線圈絕緣有重要影響。少膠云母帶種類(lèi)不少,我們與材料廠家合作開(kāi)發(fā)了含Nomex纖維的玻璃纖維單面補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶和聚酯薄膜單面補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶。這種少膠帶的優(yōu)越性在于:(1)單面補(bǔ)強(qiáng),減小了云母帶中補(bǔ)強(qiáng)材料含量,提高云母含量,有利于改善絕緣的長(zhǎng)期耐電壓特性;(2)采用定量較高的鱗片粉云母紙,提高云母帶的抗切通性能;(3)膠含量小,改善云母帶的滲透性能,增強(qiáng)電機(jī)繞組的整體性;(4)含Nomex纖維,有足夠的抗張強(qiáng)度,不分層不飛粉,有利于線圈主絕緣的包繞,不污染環(huán)境;(5)云母帶中含少量促進(jìn)劑,利于繞組浸漬后固化[2]。其性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

        表2 少膠云母帶性能指標(biāo)

        1.3 防暈帶

        VPI絕緣用的防暈帶與模壓絕緣用的防暈帶相比,主要不同之處在于:(1)VPI絕緣用低阻防暈帶的阻值較低,浸漬時(shí)會(huì)有浸漬樹(shù)脂進(jìn)入低阻防暈帶中的導(dǎo)電物質(zhì)中間,使電阻變大;(2)VPI絕緣用防暈帶與浸漬樹(shù)脂相容,不會(huì)污染浸漬樹(shù)脂;(3)VPI絕緣用低阻防暈帶有一定的透氣性,不影響繞組絕緣在真空壓力浸漬時(shí)的浸漬效果。

        通常VPI絕緣用防暈帶為全固化防暈帶[3]。全固化整浸防暈帶的特點(diǎn)如下:(1)低電阻半導(dǎo)體帶的電阻值符合規(guī)定,且均勻性好。低電阻半導(dǎo)體帶厚度薄,具有良好的滲透性并與ET884-1環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹(shù)脂相容性好等;(2)高電阻半導(dǎo)體帶具有良好的非線性特性,與ET884-1環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹(shù)脂相容性好。防暈結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

        圖1 防暈結(jié)構(gòu)圖

        1.4 浸漬樹(shù)脂

        浸漬樹(shù)脂直接關(guān)系到電機(jī)絕緣的性能和應(yīng)用工藝性及電機(jī)繞組的整體性。浸漬樹(shù)脂除了應(yīng)具有優(yōu)異的機(jī)、電、耐熱性外,還要具有下列要求:黏度低,以便能有效地浸漬;飽和蒸汽壓力低,使之能夠在低真空下操作;適宜溫度下膠化時(shí)間短,烘焙時(shí)減小流膠;環(huán)保毒性小,閃點(diǎn)高;固化不受金屬等物質(zhì)的影響,即使受到催化劑的作用,仍有較長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存期;成本低。

        無(wú)溶劑環(huán)氧浸漬樹(shù)脂利于絕緣材料的浸透,適合主絕緣相對(duì)較厚的10 kV高壓電機(jī)的VPI工藝。本文采用的ET884-1浸漬樹(shù)脂屬于無(wú)溶劑高純度環(huán)氧浸漬樹(shù)脂,這與本文所選用的以環(huán)氧膠黏劑為粘合劑的少膠云母帶有良好的相容性,所以在實(shí)際生產(chǎn)中取得了很好的效果。

        2 主絕緣厚度的減薄

        定子線圈主絕緣厚度是絕緣水平先進(jìn)的標(biāo)志之一。電機(jī)定子線圈主絕緣厚度的減薄須在確保滿(mǎn)足電機(jī)產(chǎn)品技術(shù)條件和安全可靠運(yùn)行要求的基礎(chǔ)上,并主要考慮如下三方面來(lái)確定主絕緣厚度尺寸。

        (1) 主絕緣應(yīng)能承受制造和運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的電壓(電流)和過(guò)電壓,應(yīng)具有一定的擊穿電壓儲(chǔ)備量,又稱(chēng)安全系數(shù),以保證電機(jī)絕緣在長(zhǎng)期運(yùn)行后具有足夠的耐電強(qiáng)度。

        (3) 應(yīng)使主絕緣在運(yùn)行年限內(nèi),始終保持使電機(jī)能安全運(yùn)行的耐電強(qiáng)度[3]。

        目前我公司10 kV級(jí)電機(jī)定子線圈常用絕緣結(jié)構(gòu)雙面主絕緣厚度為4.8 mm和3.9 mm(不包括防暈層)。我們?cè)诖私^緣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了新的減薄主絕緣結(jié)構(gòu),將定子線圈雙面主絕緣厚度減薄至3.4 mm(不包括防暈層),減薄絕緣結(jié)構(gòu)(見(jiàn)表3),并按此絕緣結(jié)構(gòu)制作多批次試驗(yàn)線圈模擬件(見(jiàn)圖2)進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性。

        表3 主絕緣減薄結(jié)構(gòu)

        圖2 介損試驗(yàn)

        3 整體真空壓力浸漬(VPI)

        真空壓力浸漬技術(shù)是目前最先進(jìn)的絕緣處理技術(shù),已在電機(jī)行業(yè)廣泛使用。真空壓力浸漬技術(shù)可以制造無(wú)氣隙絕緣,使線圈絕緣性能好,槽滿(mǎn)率高、防潮性能優(yōu)異,很大程度提高了電機(jī)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行可靠性。真空壓力浸漬技術(shù)提高了電機(jī)的機(jī)械電氣性能和導(dǎo)熱性能,而且生產(chǎn)效率高,適合制造10 kV級(jí)高壓電機(jī)[4]。

        4 模擬線圈性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

        模擬線圈性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)(平均值)見(jiàn)表4。介損試驗(yàn)按照J(rèn)B/T 7608—2006相關(guān)要求考核,常態(tài)介損初始值≤3,每0.2UN測(cè)量間距Δtanδ≤0.6,高溫介損tanδ155 ℃ 0.6UN≤10。由表4中數(shù)據(jù)可以看出,3只線圈初始值均小于3,并且滿(mǎn)足JB/T 7608—2006考核要求。因此,減薄絕緣結(jié)構(gòu)線圈的常態(tài)介損和高溫介損均滿(mǎn)足要求。

        (1) 從表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知:雙面絕緣厚度3.4 mm減薄絕緣結(jié)構(gòu)常態(tài)介損初始值≤1.5、每0.2UN測(cè)量間距Δtanδ≤0.5、高溫介損tanδ155 ℃ 0.6UN≤8,符合JB/T 12685—2016標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定。

        (2) 從圖3可見(jiàn)雙面絕緣厚度3.4 mm減薄絕緣結(jié)構(gòu)的常態(tài)損耗曲線比較平緩,數(shù)值略低于其它兩種結(jié)構(gòu)。

        圖3 線圈常態(tài)介質(zhì)損耗正切曲線

        (3) 從表4中減薄結(jié)構(gòu)(雙面絕緣厚度3.4 mm結(jié)構(gòu))電氣性能平均值可知:模擬線圈的瞬時(shí)工頻擊穿電壓≥70 kV,瞬時(shí)工頻電氣強(qiáng)度≥30 MV/m,符合JB/T 12685—2016標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定。

        表4 模擬線圈電氣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)(平均值)

        (4) 從圖4可見(jiàn)減薄結(jié)構(gòu)線圈的擊穿電壓值略低于其它兩種結(jié)構(gòu),但電氣強(qiáng)度卻高于其他兩種結(jié)構(gòu)。

        圖4 線圈擊穿電壓與電氣強(qiáng)度示圖

        從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出,采用10 kV減薄結(jié)構(gòu)制作的模擬線圈電氣性能通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,可以應(yīng)用于產(chǎn)品。

        5 經(jīng)濟(jì)效益分析

        根據(jù)設(shè)計(jì)部門(mén)提供的3 550 kW、4極、10 kV交流電機(jī)數(shù)據(jù)。雙面絕緣3.4 mm和雙面絕緣厚度3.9 mm兩種絕緣系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

        (1) 采用減薄絕緣結(jié)構(gòu),電機(jī)中心高由710降低到630,降低了一個(gè)機(jī)座號(hào)。

        (2) 磁密相對(duì)合理,最主要的是電機(jī)的總重降低了很多。

        (3) 材料節(jié)約,硅鋼片重量減少了94 kg,節(jié)約了2.3%;銅線重量減少了329.6 kg,節(jié)約了38.5%;銅條重量減少了174.07 kg,節(jié)約了33.4%;每臺(tái)可節(jié)省16萬(wàn)元~19萬(wàn)元。按每生產(chǎn)典型10 kV交流電機(jī)100臺(tái)計(jì)算可至少節(jié)省1 612萬(wàn)元。

        6 結(jié)論

        (1) 10 kV級(jí)雙面絕緣厚度3.4 mm減薄結(jié)構(gòu),與我公司現(xiàn)行的10 kV主絕緣結(jié)構(gòu)(雙面絕緣厚度3.9 mm)相比,減薄了0.5 mm,在國(guó)內(nèi)屬于先進(jìn)水平。

        (2) 通過(guò)試驗(yàn)論證,減薄結(jié)構(gòu)不僅減薄了絕緣厚度,而且定子模擬線圈電氣絕緣性能優(yōu)良,試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足JB/T 12685—2016標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。

        (3) 減薄絕緣結(jié)構(gòu)可以縮小電機(jī)外型尺寸、增大電機(jī)的輸出功率、降低電機(jī)的重量,因此其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益巨大。

        綜上所述,10 kV主絕緣減薄結(jié)構(gòu)研發(fā)成功,豐富了公司電機(jī)的絕緣產(chǎn)品結(jié)構(gòu),提高了公司絕緣技術(shù)水平,增強(qiáng)了公司市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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