沙漠应用电机绝缘结构的研究与实践

张平泽， 张雨迪

(1. 常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164；2. 南京工业大学 测绘学院，江苏 南京 211800)

沙漠应用电机绝缘结构的研究与实践

张平泽1， 张雨迪2

(1. 常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164；2. 南京工业大学 测绘学院，江苏 南京 211800)

沙漠环境恶劣，对电机绝缘要求更苛刻。虽在沙漠腹地工作的电机有种种防沙装置，但电机绕组绝缘仍难免会遇到沙漠中的沙尘威胁，且沙漠中高低温差大，有凝露结霜及沙漠运输过程的颠簸振动等恶劣环境，影响电机的正常运行和寿命。就沙漠环境对绝缘的影响引起绝缘恶化因素的分析及绝缘结构的相应对策，并对如电磁线、对地绝缘材料等逐一做了深入探讨，给出了初步的提升方案。

沙漠应用电机; 绝缘结构; 匝间绝缘； 对地绝缘

2. College of Surveying and Mapping, Nanjing University of Technology, Nanjing 211800, China)

0 引 言

电气设备的可靠性很大程度地依赖于绝缘，即绝缘材料和绝缘配合——绝缘结构的运行性能和可靠性[1]。据有关统计表明,电力系统事故中50%以上是由于绝缘故障引起的，因此采用能在各种环境中确保高度可靠性的绝缘结构是相当重要的。在绝缘结构设计、制造中，需慎重选择合适的绝缘材料，设计组合相融的结构并采用先进的绝缘工艺。

沙漠环境恶劣，对绝缘要求较严，虽然在沙漠腹地工作的电机有封闭型的，或有防沙装置的，但电机绕组绝缘仍难免遇到沙漠中的沙尘、高低温差变化大、有凝露等恶劣环境影响，所以沙漠中使用的电机绝缘结构应尽可能加强抗高温耐低温、抗大温差、耐风沙、耐酸碱水、耐潮、耐振动及冷热机械应力等的能力。

1 沙漠环境对电机绝缘结构影响的老化因素

1.1 热老化

沙漠，尤其是如塔里木盆地、塔克拉玛干沙漠油田处，夏季最高气温可达52℃，地面温度有时最高达74℃，一日温差一般为10～20K，最大约达 60K，而冬季最低温度为-29℃，这样恶劣的高温和温差对长期承载负荷的电机，特别是低压电机绝缘主要起了热老化作用，使高分子聚合物热降解、热氧化等。再加上电机的频繁起动及负载变动、冷热循环老化，使绝缘变脆、变质，又由于铜线和绝缘的热膨胀系数和导热系数不一样，导线与绝缘在反复多次热胀冷缩的情况下会产生热变形、蠕动和位移，使绝缘龟裂和起泡，潮气或尘埃又会乘虚而入，更加剧了绝缘的老化，使绝缘最终丧失功能而破坏。所以要考虑和选用绝缘和铜线附着力较好的电磁线，以及耐高温且耐冷冻的绝缘结构[2]。

1.2 湿度影响

通常认为沙漠是个干旱地方，其实由于早晚温差大，却会发生凝露现象。如夏季白天温度是52℃，相对湿度为10%，而到半夜温度降到17℃，此时的相对湿度突然会增加到接近100%，所有设备也就包括电机表面会突然出现凝露和雾气，水、气的出现或者侵入绝缘，将会降低绝缘性能。如果灰尘中含有一些有吸水性的矿物质，则会引起短路打火，更加剧电气绝缘性能下降。为此，需考虑将电机绝缘结构设计成三防型的耐湿热电机。

1.3 风沙问题和电老化

沙漠空气中含尘量高，地表层流沙厚，塔克拉玛干沙漠细腻，如同玉米粉面一样，200μm筛余量才37%，遇到风季被暴风刮起的粉尘悬浮在空中5～7天沉降不下来，即使有很好的防尘、防沙装置，空气中的沙尘粉也会钻进电机。现场实测沙尘pH值约为6.5(10g沙在100mL蒸馏水溶液中)。侵入电机的沙尘粉在凝露作用下，形成酸性溶液，这更会对绝缘造成危害。

有时空气中沙粒的相对摩擦产生的“沙暴静电”会高达3000V，对人、对低压电机绝缘都存有危害因素隐患。所以在绝缘结构中，首先考虑的是沙漠电机为封闭的结实整体，可以防沙、防酸碱等，并在其绕组端部或外部包上一层弹性体绝缘以保证质量。

1.4 机械应力影响

恶劣的沙漠地形运输对电机绝缘会产生不良的机械振动和应力，而在负荷起动时或突然短路等异常运行时的电磁力造成铁心振动、绕组振动，而机械应力的变化会造成绝缘层松散、裂纹，加剧了风沙尘埃及有害物质(如导电物、腐蚀物质)的侵入，破坏绝缘的整体性，最终导致电机被破坏。

1.5 其他老化因子

正常的长期工作电压的电老化、电化学作用等，也是引起绝缘老化的其他因素，造成了绕组绝缘破坏而寿终。

所以要设计、制造出可靠的、有一定机电强度的沙漠电机绝缘结构，必须要仔细考虑对付上述这些沙漠环境的负面影响因素。

2 沙漠电机绝缘结构设计探讨

鉴于上述分析，沙漠电机绝缘耐热等级是应首先考虑的，确定为H级绝缘，并参考应用引进的GE752绝缘技术。

2.1 匝间绝缘提升工艺

选用H级聚酰亚胺薄膜涂上一层氟乙烯丙烯树脂的带子包在铜线上(单层2/3叠或双层1/2叠包)然后经烧结而成，绝缘厚度仅为0.20～0.36mm，而介电、机械性能很好。国产烧结薄膜导线性能如表1所示。由于性能好而绝缘度高，可以大大提高电机的出力。

从表1可见，用这种烧结薄膜导线作匝间绝缘是很可靠的。

2.2 对地绝缘

(1) 整体性绝缘封闭线圈。不论是交流电机的定子、转子线圈，还是直流电机的电枢、主极换向极线圈等，考虑将对地绝缘基本都包在线圈上，再适当选用较薄型保护性质的槽绝缘，这样有利于使绝缘封闭，整体性、可靠性好。

绝缘材料选用以聚芳酰胺纤维纸(N)或聚酰胺纤维纸(S)和聚酰亚胺薄膜(H)单面或双面复合制品(NHN,NH或SHS)。在绕组上半叠包2～3层聚酰亚胺薄膜带(6050)，外层半叠包一层聚芳纤维纸聚酰亚胺单面复合上胶带(NH)，槽绝缘用双面聚芳纤维纸和聚酰亚胺薄膜复合材料(6650-NHN)来用它作其他衬垫、隔相、层间等绝缘之用。

这些材料耐热性高，长期工作温度在200℃左右，其介电性能好，机械强度高，化学稳定性好，耐酸、碱，耐辐射、阻燃，并能与大多数绝缘剂、漆相容性良好。受潮后性能无大变化，而且使用这些材料绝缘厚度可以减薄。具体材料性能如表2所示。

表1 国产烧结薄膜导线性能

表2 材料具体性能

(2) 电机线圈端部及主极、换向极线圈外部绝缘。由于暴露在外部，绕组端部最接近电机端盖及通风口，最易被风沙尘粉侵害或其他尘埃污染，为此选择在绕组线圈端部及一些线圈如主极、换向极线圈外层加包一层有弹性的硅橡胶三角带以提高抗风沙、耐腐蚀能力，其特性如表3所示。

将1×25mm自粘性硅橡胶三角带半叠包一层在聚酰亚胺薄双玻璃丝包线外，经真空压力浸漆后的击穿为37、27、33kV，这个数值很可观。

(3) 固化成整体转子线圈。转子线圈端部绑扎用树脂浸渍玻璃纤维无纬绑扎带。其有绝缘性能，且耐腐蚀，固化成整体后，抗张强度达915～1100MPa。

(4) 其他部位绝缘。如槽楔、垫条、换向器端支架绝缘等，因通风致冷及在电机部位不同可选用价格稍便宜的F级或H级绝缘材料，而最终组合配合成的绝缘结构经试验表明仍为H级。

表3 加一层硅橡胶三角带特性

2.3 绝缘浸漆处理工艺

电机绝缘的最后工序是绝缘处理。决定用真空压力浸漆(Vacuum Pressure Impregnating, VPI)来进行处理，就是先用 0.4～0.6真空度方法将绝缘中的水分、溶剂、低分子物等排除掉，然后用合适的绝缘漆加压力(0.6～0.7MPa)0.5～1h，使它填充到绝缘的所有空隙，最后加热固化使绝缘成为一个结实的整体结构，从而提高绝缘抗恶劣环境、抗机械震动等的能力。

选用的浸渍性能对比试验如表4所示。

2.4 绝缘结构的性能试验

要评价绝缘结构的合理性，衡量它的可靠性及预期寿命，必须通过试验来考验，或者以一个典型的有长期使用经验的老绝缘结构作为考核参照来评价。参照美国GE752绝缘系统来设计和制造，并做了部分试验工作。表5是一些绝缘结构的试验数据。

表4 浸渍性能对比

从表5可见这些绝缘结构性能是可行的，硅橡胶三角带的密封性是可靠的。

3 结 语

为某工程项目研制沙漠电机，经过调研、分析、实地考察和试验验证，吸收GE752引进技术，设计了耐热老化、防沙、防湿热、有高介电性能、机械强度的全封闭型电机绝缘结构。它以聚酰亚胺薄膜涂F46的烧结薄膜导线作匝间绝缘，以聚酰亚胺薄膜、聚芳或聚芳酰胺纤维纸及其复合材料为主的对地绝缘，配以有弹性的硅橡胶三角带包裹端部外层，采用专用真空压力浸漆工艺的H级绝缘结构，经实践证明此研制方案是可行的，经得起沙漠环境的考验。这为我国在沙漠地区的专用

表5 绝缘结构试验数据

电机生产领域填补了空白。

[1] 凌敏，饶保林，李静静，等.高压电机纳米复合主绝缘的研究进展[J].绝缘材料，2014,47(1)： 1-5.

[2] 唐卫平，赵晓洋.高导热绝缘漆的研制及其在低压电机上的应用[J].绝缘材料，2014，47(4)： 37-40.

Research and Practice on Insulation Structure of Application of Motor in Desert*

ZHANGPingze1,ZHANGYudi2

(1. Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China;

The desert environment is poor, and the insulation of the motor is more severe. Although in the hinterland of the desert sand work motor device various, but still the insulation of the motor windings will inevitably encounter the desert dust in the high and low temperature difference, the normal operation and the service life of the motor effects of condensation frosting and desert transport process bump and shake the bad environment. The desert environment on the impact of insulation deterioration caused by the response factor analysis and insulation structure, and the electromagnetic line, the insulation material and so on one by one to do the in-depth study, a preliminary scheme to improve was given.

desert application motor; insulation structure; turn to turn insulation; ground insulation

江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015C238)

张平泽(1967—),男，教授，高级工程师，研究方向为供配电自动化及通信技术。

TM 303.4

A

1673- 6540(2016)12- 0064- 04

2016-03-21