国外无刷励磁机国产化绝缘结构的研究

刘凤娟 李金勇 李铭 任志学 田永平

（北京北重汽轮电机有限责任公司，北京 100040）

1 引言

Q97/330MW合作型发电机是出口印度机组，印度方坚持要求采用无刷励磁机与之配套。我公司在此前一直从法国ALSTOM购买配套励磁机，没有生产业绩。为了满足用户需求，摆在我公司面前只有2条路：①继续从法国购买励磁机；②自主试制配套励磁机。第一条路的购买成本为800万元/台以上，并且受制于人；选择自主研制，生产成本仅200万元/台，经济效益显著，而且可以提高公司的设计能力和制造工艺水平。因此公司于2006年10月底决定自主试制QL72交流励磁机。

该机配套励磁机（QL72）保留了法国原设计的先进性，电磁参数高，结构紧凑，体积小，频率250Hz。对定子、转子线圈的热、电和机械性能，要求很高。现役机组，基本上都是因绝缘“过热”老化，导致“接地”恶性事故停机，损失巨大。因此定子线圈、转子线圈的绝缘材料要根据设计结构的需求，选择耐热等级F级以上的，并尽量选择H级绝缘。通过课题研究，确定满足设计和机组运行要求的F级和H级绕组绝缘结构。

2 绝缘材料选择

2.1 定子磁极线圈匝间绝缘选材试验

定子磁极线圈平绕结构拟采用边绕边垫匝间绝缘的工艺路线，然后热压固化成型。匝间绝缘的选取原则：

（1）厚度薄，为0.13－0.14mm，电气、机械和耐热各项综合性能良好。

（2）工艺性能良好、盘状通长材料予浸高温高强胶，常温干爽便于边绕边垫。

（3）与铜线粘结性能良好，线圈热固化后整体性好，不易匝间短路。

国内外传统的磁极匝间绝缘一般使用环氧玻璃坯布和上胶NOMEX纸，选取两种材料进行性能对比试验，结果如表1。

表1

经过绕制样品线圈对比试验，上胶玻璃坯布热压固化后，与铜线粘结良好。但由于单层垫放，在其底材玻璃布的编织孔中残留气泡和针孔，使得局部粘接不良，留下“隐患”；在热压过程中，玻璃布外缘的玻璃丝随着胶一起被挤出，会影响磁极线圈的散热及外观。而上胶NOMEX纸热压固化后与铜线粘结力强，由于底材N纸经“轧制”，非常致密，因此具有较高的电气、机械和耐热性能，厚度均匀并且压缩率低，使得磁极线圈尺寸稳定性好。

综合比较后，决定选用上DDS环氧胶的NOMEX纸作为定子磁极线圈的匝间绝缘。

图1

2.2 转子电枢线圈的股线绝缘和主绝缘选材试验

（1）电磁线的选择：电枢线圈为半组式波绕组线圈，槽内360°换位。电磁线为含银软铜扁线，H级超薄绝缘，绝缘双面绝缘厚度0.2mm。与国内电磁线制造厂经过多次协商，研制的超薄型H级烧结涤玻含银电磁扁铜线，含银量 0.08%～0.12%，填补了含银电磁线的国内空白。

（2）电枢线圈主绝缘选材试验

电枢UN=542V，属低压电机，但因设计参数高，因此电枢线圈主绝缘由槽衬和导电杆绝缘组成，如图2所示。主绝缘的选择必须满足以下要求：

1）主绝缘材料的电气、机械和耐热性能都必须优良。成品线圈交流耐电压试验高达10200V。嵌线装配序间要进行7次交流耐电压试验，对主绝缘材料的电气、机械性能是严峻的考验。

图2

2）线棒主绝缘厚度薄，只有0.7mm。为保证线棒半叠包层数，主绝缘材料必须很薄。

3）耐热等级F级以上，最好达到H级。

4）手工包扎，主绝缘的工艺性要好。

5）电枢绕组必须经整机真空压力浸渍，电枢线棒主绝缘冷压后嵌线，因此主绝缘材料在常温下必须储存期长，不能出现“肿胀”。

经过多次试验，慎重考虑，能满足上述要求的绝缘材料耐高温热固压敏型聚酰亚胺薄膜粘带是优选。

我们选择了4个生产厂家，对提供样品，进行了机械强度和电气强度对比试验，材料性能试验结果如表2所示。

（3）样品线棒上包扎应用对比试验

对选用的4家亚胺薄膜粘带进行手工包扎工艺性对比试验，包扎层数同产品，直线段1/2迭包5层，端部1/2迭包6层。工艺性和击穿性能如表3所示。

表2

表3

从表3数据看，J公司特种胶粘带公司生产的H级胶（美国道康宁胶粘剂）亚胺薄膜粘带无论电气、机械性能还是包扎工艺性能以及成本均优于国内其他厂家的产品。

从包扎工艺性和击穿试验数据看，国产材料与国外公司的产品击穿水平相当，而J公司的亚胺薄膜粘带的性价比较高。在工艺性试验时，发现亚胺薄膜粘带的宽度窄些，线棒转角易包扎服帖（15mm宽好于20mm和25mm宽的），因此选定国产J公司生产的耐电晕型H级有机硅亚胺薄膜热固性粘带作为产品电枢线圈主绝缘。

图3

2.3 电枢绕组VPI整浸

由于电枢线棒绝缘采用亚胺薄膜压敏自粘带，冷压后，浸渍漆无法再渗入绝缘内，整浸的目的是填满电枢线棒绝缘和槽绝缘间的气隙，使线棒和铁芯固定成一体，满足转子高速旋转的需求。

浸渍留漆量试验：样品线棒的端部，主绝缘层间放置白坯无碱玻璃丝带，整浸后解剖，观察无碱玻璃丝带没有浸渍漆，仍为白色，说明VPI浸渍浸不到亚胺薄膜粘带层间，薄膜层间粘合好，无渗透缝隙。

槽内浸漆情况试验：按照产品槽型尺寸，用钢板制做了“U”形假电枢嵌线槽，将样品线棒嵌入假槽内，整浸。结果是槽内留漆较多，缝隙基本填满，效果满意。

3 绝缘结构电、热老化寿命试验

电机在长期运行过程中，绝缘受到电、热、机械应力和环境因子的联合作用，逐渐老化，其机械和电气性能逐渐变坏，击穿电压降低，最终导致绝缘失效。通过电气性能参数及其变化趋势来评估绝缘状态，以及推算绝缘结构的使用寿命。我们采用了测量介质损耗tanδ变化量来评估老化试验对该绝缘结构的影响。

根据绝缘材料筛选结果，我们选定绝缘结构并进行结构试验。

胶化好的导电杆刷桐马原胶1层，然后1/2迭包亚胺薄膜粘带5层，外包浸胶玻璃丝带1层。进行VPI浸渍，浸渍漆为哈绝9110。

3.1 试验1

（1）试验点选取理由，由于国内同行厂家没有进行过亚胺薄膜绝缘结构的老化试验研究，没有标准可循和经验借鉴。老化点的选取原则根据亚胺薄膜材料在电热联合老化、电老化、热老化条件下的tanδ—电压的特性曲线。在未进行老化试验前，对该绝缘结构的样棒进行了tanδ测试，2300V时样棒的介损出现突变。因此电老化的电压选为2300V。

（2）试验过程，试样先后进行3次老化，老化样本容量是2个，1#、2#线棒。

第1次老化是电-热联合老化：工频电压2300V，18h，温度为150℃；

第2次老化为电老化：工频电压2300 V，24h；

第3次老化为热老化：温度200℃，24h。

在每一次老化试验前后均测试样品线圈的介质损耗和电容值。

（3）测试数据及分析

图4 不同老化条件下2#试验样棒的tanδ—电压的特性曲线

从图4分析可得出如下结果：

1）未老化试验的 tanδ曲线在测试电压达到局部放电起始放电电压以后变化比较平缓。

2）在 2000V 以上介损增加较大，主要原因是出现了局部放电。

当测试电压达到2300V 以后，∆tanδ（∆tanδ=tanδ2.5kV-tanδ2.0kV）的大小依次是电老化、热老化、电热老化。特别是电老化后的介损增加最明显，老化较严重。

3）亚胺薄膜材料不耐电晕，虽然我们选用美国道康宁公司生产的耐电晕胶作为胶粘剂，但从曲线可知，电老化对该绝缘结构影响最大。

4）在试样的热老化过程中，原来残存在绝缘结构中的水分、溶剂等不断挥发，相应地降低了绝缘内部低分子数量和离子在电流中的迁移率，导致热老化曲线下降。

（4）老化试验后进行击穿测试（见表4）

表4

击穿电压没有因为各个老化过程而发生大幅下降。

3.2 试验2

（1）试验点选取原则

从试验1的数据分析可知，电老化因子对亚胺薄膜绝缘结构影响最大，又由于亚胺薄膜耐热等级H级以上，允许在200℃长期使用，因此热老化对材料和结构的影响远不如电老化大。因此下一步选取没整浸的亚胺薄膜的试验线棒，经过热烘处理170℃/6h，进行 100h，2700V（5倍额定电压），50Hz的电老化试验。老化样本容量3个：3#、4#、5#。

（2）测试数据及分析

在热烘后、老化前后测试线棒的介质损耗和电容值。测试曲线如图5所示。

图5 不同线棒电老化前后的tanδ—电压的特性曲线

从测试曲线可知：电老化后tanδ曲线都下移，说明2700V，100h老化试验后绝缘材料性能没有劣化，并且介质损耗降低，主绝缘在进一步固化。

（3）电老化后的击穿电压（见表5）

表5

击穿电压没有下降。

3.3 试验3

（1）试验点选取原则：按照1mm加10,000V的电老化试验标准进行，试验线棒主绝缘厚0.6mm，试验电压为6000V，50Hz，时间100h。老化样本容量：2个包亚胺薄膜粘带线棒为6#、7#。整浸后，考虑到该试验电压下可能会出现电晕现象，因此线棒表面进行了防电晕刷漆处理。

（2）测试数据及分析

亚胺薄膜粘带线棒电老化前后的介质损耗从测试曲线可知：电老化后tanδ曲线都下移，说明6000V，100h老化试验后绝缘材料性能没有劣化。介质损耗降低，主绝缘在进一步固化。但与 2700V电压下的介损数据相比，曲线有所上升。

图6

（3）电老化后的击穿电压（见表6）

表6

击穿电压没有下降。由试验可知，亚胺薄膜绝缘结构通过了耐电热老化、200℃热老化、6000V以下的电老化试验，总体的电气性能优异。

4 结论

（1）经过本项课题研究，我们选定了出口印度机组 QL72励磁机的定转子线圈的主绝缘材料，及优化绝缘结构。并在正式产品上成功的应用，首台样机各项型式试验性能合格，圆满地完成了科研任务，为QL72励磁机的顺利完成提供了技术支持。

（2）对选定的电枢线圈亚胺薄膜绝缘结构，进行了电、热老化试验，打开了国内对亚胺薄膜绝缘结构研究的先河。结果表明，亚胺薄膜耐热性能非常优秀。试验电压低于2500V时亚胺薄膜对电应力很稳定，无老化现象，因此能保证励磁机组长期可靠运行。

（3）通过对电枢绕组的VPI整浸，使我们对VPI浸漆的工艺参数和防护要点有了了解，为研发需要整浸的新产品积累了宝贵的经验。

[1]IBF R27451A.采用TKJ、RK和RYK 励磁方式的电枢绕组执行的电气试验.

[2]何景彦,吴广宁等.采用介质损耗表征聚酰亚胺薄膜老化特征的研究[J].绝缘材料,2007(1):69-71.