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        風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)可靠性研究

        2022-10-20 06:49:24王亞飛
        船電技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:老化試驗(yàn)樣件因數(shù)

        王亞飛,程 浩,李 洋

        應(yīng)用研究

        風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)可靠性研究

        王亞飛1, 2,程 浩1, 2,李 洋1, 2

        (1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,湖北武漢,430064;2.湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司,湖北黃岡 438000)

        為了驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境的可靠性,采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)VPI浸漬兩種絕緣樹(shù)脂制作樣件,分別在高溫高頻脈沖方波電壓以及冷熱沖擊、鹽霧循環(huán)條件下條件下進(jìn)行脈沖老化和環(huán)境試驗(yàn),研究在高溫高頻脈沖電壓和冷熱沖擊、鹽霧環(huán)境下的絕緣性能變化。試驗(yàn)結(jié)果表明:在一定電壓、頻率、dV/dt條件下的高頻脈沖老化試驗(yàn)?zāi)軌蛴行гu(píng)估絕緣結(jié)構(gòu)的耐脈沖老化性能;在熱應(yīng)力和電應(yīng)力協(xié)同作用下,定子樣件的介質(zhì)損耗因數(shù)先降低后升高,脈沖電暈起始電壓逐步下降;采用7122-6浸漬的定子樣件的耐脈沖老化性能更優(yōu),絕緣結(jié)構(gòu)可靠性更優(yōu)。

        風(fēng)力發(fā)電機(jī) 脈沖老化 絕緣結(jié)構(gòu) 可靠性

        0 引言

        當(dāng)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)不斷地朝著高功率密度、高電壓、高可靠性方向發(fā)展,性能優(yōu)異、可靠的絕緣結(jié)構(gòu)是提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性和高功率密度的重要基礎(chǔ)。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)通常采用玻璃布或薄膜補(bǔ)強(qiáng)少膠粉云母帶繞包,通過(guò)真空壓力浸漬(VPI)絕緣樹(shù)脂[1]并高溫固化而成[2]。

        風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有獨(dú)特的高頻率、高d/d的脈沖電壓,絕緣結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到高頻、高d/d脈沖電壓的沖擊,加上鹽霧、冷熱沖擊等多重影響,在電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的協(xié)同作用下,隨著老化時(shí)間的增加,絕緣破壞產(chǎn)生的缺陷會(huì)越來(lái)越多,缺陷的產(chǎn)生會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致局部放電增多,加速絕緣老化,直至絕緣劣化擊穿[3]。因此,研究高頻脈沖電壓、鹽霧、冷熱沖擊條件下絕緣結(jié)構(gòu)的性能變化[4-6],對(duì)絕緣材料的選擇以及電機(jī)的運(yùn)行壽命、可靠性評(píng)估具有至關(guān)重要的意義。

        本研究在頻率為10 kHz、峰峰電壓為11.5 kV的雙極性方波脈沖電壓及155℃條件下,對(duì)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子樣件進(jìn)行高溫高頻脈沖老化試驗(yàn),同時(shí)研究了冷熱沖擊、鹽霧等極端環(huán)境對(duì)定子樣件的絕緣性能的影響,考察風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境下的可靠性。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)樣品制作及儀器設(shè)備

        7122-6 F-H級(jí)環(huán)保型無(wú)溶劑絕緣樹(shù)脂(以下簡(jiǎn)稱7122-6),湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司;同類型環(huán)保絕緣漆A,國(guó)外某公司。

        介質(zhì)損耗測(cè)定儀,QS37a,上海楊高電器有限公司;

        高頻脈沖老化試驗(yàn)平臺(tái):西安兆福電子有限公司;

        鹽霧試驗(yàn)箱:南京環(huán)科試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

        1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

        按某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)制作模擬線棒,試樣直線部分取200 mm嵌槽,并分別浸漬7122-6和絕緣漆A。分別測(cè)試各試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)和高頻電暈起始電壓。

        1.2.1 高溫高頻脈沖老化試驗(yàn)

        對(duì)試驗(yàn)線棒進(jìn)行加速脈沖老化試驗(yàn)。脈沖老化條件為:試驗(yàn)溫度為155 ℃,dV/dt=13 kV/μs,Vp-p=11500 V,頻率為10 kHz。每隔48 h測(cè)試介質(zhì)損耗因數(shù)和高頻電暈起始電壓。

        圖1 高頻脈沖老化試驗(yàn)電極引線示意圖

        1.2.2 環(huán)境試驗(yàn)

        對(duì)試驗(yàn)線棒進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。

        將線棒放入155 ℃烘箱中加熱3 h,然后5 min內(nèi)放入常溫水中,浸泡1h后拿出,5 min內(nèi)重復(fù)上一動(dòng)作,將線棒放入155 ℃烘箱中,記一個(gè)周期,重復(fù)4個(gè)周期后進(jìn)行鹽霧試驗(yàn):按GB/T 2423.17-2008進(jìn)行。試驗(yàn)條件:NaCl溶液濃度:5%,pH值:3.2,試驗(yàn)時(shí)間:168 h。

        環(huán)境試驗(yàn)共進(jìn)行4個(gè)大周期,每個(gè)周期后進(jìn)行介質(zhì)損耗因數(shù)和耐電壓試驗(yàn)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 絕緣結(jié)構(gòu)絕緣性能

        7122-6的固化揮發(fā)份低,能夠大大減少電機(jī)電器在浸漬固化時(shí)所產(chǎn)生氣隙,從而減少絕緣薄弱環(huán)節(jié),提高絕緣性能。表1為采用7122-6與絕緣漆A的模擬線棒絕緣性能,可以看出,7122-6浸漬的模擬線棒155 ℃介質(zhì)損耗因數(shù)更低,高頻脈沖起始電壓略高,絕緣性能優(yōu)異。

        表1 模擬線棒的絕緣性能

        2.2 耐脈沖老化性能

        2.2.1介質(zhì)損耗因數(shù)

        各樣件不同老化時(shí)間的介質(zhì)損耗因數(shù)如圖2所示。

        圖2 不同脈沖老化時(shí)間后模擬線棒的介質(zhì)損耗因數(shù)

        從圖2可以看出,隨著老化時(shí)間的增加,介質(zhì)損耗因數(shù)先降低,然后再升高。在高頻率、高d/d的脈沖電壓條件下,集膚效應(yīng)使得電阻增大,銅耗隨之增大,導(dǎo)致發(fā)熱量增加,在較高的溫度下主絕緣可能會(huì)進(jìn)一步固化,絕緣樹(shù)脂的分子量增大,極性基團(tuán)隨電壓變化的運(yùn)動(dòng)能力減弱,使得介質(zhì)損耗因數(shù)降低。隨著高溫時(shí)間的延長(zhǎng),絕緣材料逐漸呈現(xiàn)熱老化,另一方面,脈沖電壓從正到負(fù)或從負(fù)到正時(shí),絕緣會(huì)承受尖峰電壓兩倍的電壓和極高的d/d變化率,匝間會(huì)產(chǎn)生局部放電,腐蝕絕緣層,帶電質(zhì)子可能破壞絕緣樹(shù)脂的化學(xué)鍵,降低分子量,其極性基團(tuán)隨電壓變化的能力增強(qiáng),介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸升高,造成絕緣劣化。采用7122-6浸漬的模擬線棒介質(zhì)損耗因數(shù)小,在高頻脈沖條件下放熱量更低,介質(zhì)損耗因數(shù)的變化率更小。

        2.2.2 高頻電暈起始電壓

        在脈沖老化過(guò)程中,絕緣結(jié)構(gòu)不斷受到高頻脈沖電壓的沖擊,脈沖電壓的極性從正到負(fù)或從負(fù)到正時(shí),絕緣結(jié)構(gòu)承受著一個(gè)二倍于尖峰電壓值的全幅電壓,繞組匝間會(huì)產(chǎn)生局部放電甚至產(chǎn)生電暈,產(chǎn)生的能量可能破壞分子鍵,生成小分子物質(zhì),逐漸腐蝕絕緣層。

        環(huán)保型絕緣樹(shù)脂具有極低的固化揮發(fā)份,有助于減少烘焙固化過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷和氣隙,但受制于絕緣結(jié)構(gòu)整體的復(fù)雜性,不可避免地產(chǎn)生絕緣薄弱點(diǎn)。由于電離作用,在絕緣的氣隙、缺陷等薄弱點(diǎn)中又會(huì)產(chǎn)生空間電荷,形成一個(gè)與外加電場(chǎng)反向的感應(yīng)電場(chǎng)。當(dāng)電壓極性改變時(shí),這個(gè)反向電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向一致,其峰值可達(dá)電壓額定值的2~5倍,它會(huì)導(dǎo)致電暈的數(shù)量增加,造成絕緣劣化甚至失效。

        圖3 不同脈沖老化時(shí)間后模擬線棒的高頻電暈起始電壓

        從圖3可以看出,隨著脈沖老化時(shí)間的延長(zhǎng),絕緣結(jié)構(gòu)的高頻電暈起始電壓不斷降低,絕緣性能劣化明顯。

        2.2.3 脈沖老化壽命

        在高頻脈沖電壓條件下,熱老化和電老化會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用,隨著老化時(shí)間的增加,絕緣破壞產(chǎn)生的缺陷會(huì)越來(lái)越多,缺陷的產(chǎn)生會(huì)進(jìn)一步使介質(zhì)損耗因數(shù)增大,局部放電和電暈增多,加速絕緣的熱老化與電老化,直至絕緣劣化擊穿。

        從圖4可以看出,7122-6浸漬的定子樣件在高頻率、高dV/dt的脈沖電壓條件下壽命比絕緣漆A浸漬的模擬線棒壽命更長(zhǎng)。

        圖4 模擬線棒的脈沖老化壽命

        2.2.4 外觀分析

        分別在脈沖老化前后的樣件槽口處沿絕緣材料的表層向內(nèi)層用刀片逐層剝離,取得1層絕緣結(jié)構(gòu)的薄片,進(jìn)行顯微鏡對(duì)比觀測(cè)。老化前后的外觀和薄片顯微鏡照片如圖5、圖6所示。

        圖5 脈沖老化試驗(yàn)前后的樣件

        圖6 脈沖老化試驗(yàn)前后槽口處薄片

        可以看出,老化前絕緣結(jié)構(gòu)的整體性較好,老化后出現(xiàn)明顯的孔隙,絕緣樹(shù)脂被燒蝕,云母脫落,槽口處老化前后差異明顯,這是由于槽口處局部放電嚴(yán)重,絕緣老化速度快。

        2.2.4 環(huán)境試驗(yàn)

        風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常需要在鹽霧、濕熱等極端環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行,因此,采用冷熱沖擊浸水—鹽霧循環(huán)的環(huán)境試驗(yàn)有助于評(píng)估絕緣結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境下的可靠性。通過(guò)表2可以看出,兩種絕緣結(jié)構(gòu)均通過(guò)了環(huán)境試驗(yàn),介質(zhì)損耗因數(shù)隨循環(huán)周期的延長(zhǎng)逐漸增大,但未在耐電壓試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生閃絡(luò)和擊穿,剩余擊穿電壓大于9 kV,仍有較高的電氣裕度,可以滿足在極端環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

        表2 模擬線棒的絕緣性能

        3 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子樣件進(jìn)行高頻脈沖老化試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn),測(cè)試定子樣件在高頻脈沖老化試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)過(guò)程中的絕緣性能并分析其變化規(guī)律,得出以下結(jié)論:

        1)在一定電壓、頻率、d/d條件下的高頻脈沖老化試驗(yàn)?zāi)軌蛴行гu(píng)估絕緣結(jié)構(gòu)的耐脈沖老化性能,為絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

        2)在熱應(yīng)力和電應(yīng)力協(xié)同作用下,定子樣件的介質(zhì)損耗因數(shù)先降低后升高。

        3)采用7122-6和絕緣漆A浸漬的定子樣件在極端環(huán)境下均有較好的可靠性。

        4)采用7122-6浸漬的定子樣件的耐脈沖老化性能更優(yōu),絕緣結(jié)構(gòu)可靠性更優(yōu)。

        [1] 馬紅亮, 張曉強(qiáng), 郭大鵬,等. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)用環(huán)保型絕緣漆的應(yīng)用研究[J]. 絕緣材料, 2021, 54(9): 5.

        [2] 張卓凡, 薛長(zhǎng)志, 袁春龍, 等. TJ1169環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬樹(shù)脂在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用研究[J]. 絕緣材料, 2017, 50(6): 7-11.

        [3] Fabiani D , Montanari G C , Contin A . Aging acceleration of insulating materials for electrical machine windings supplied by PWM in the presence and in the absence of partial discharges[C]// 2001.

        [4] 郭琪, 劉冠芳. 變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)老化試驗(yàn)方法的研究進(jìn)展[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2017, 44(5): 4.

        [5] 任文娥, 于欽學(xué), 鐘力生,等. 變頻牽引電機(jī)線圈絕緣電老化規(guī)律的研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 46(12): 4.

        [6] 雷平振, 樊潔心, 劉冠芳,等. 變頻牽引電機(jī)定子繞組絕緣老化特性研究[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2020, 47(6): 5.

        Research on Reliability of Wind Turbine Stator Insulation Structure

        Wang Yafei1, 2, Cheng Hao1, 2, Li Yang1, 2

        (1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China;2. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd., Huanggang 438000, Hubei, China)

        TM611

        A

        1003-4862(2022)10-0036-04

        2022-07-31

        王亞飛(1990-),男,工程師。研究方向:絕緣化工材料。E-mail:465400187@qq.com

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