利兹绕组线研制及应用探索研究

胡 义，周晓晟

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

Litz漆包绕组线是指以一定导体根数的漆包圆线按不同的绞向和绞合节距绞合形成的圆形或压成矩形的绞合导线。其换位方式通常采用偶数换位，并用玻璃丝、聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、云母带等绝缘材料进行最外层绕包的绕组线。

导体匝内换位的主要目的是均流，降低电流的“趋肤效应”，减少功率损耗；同时均匀表面电场分布，降低电场集中和电场突变，提高成型绕组结构的长期耐电寿命。目前，在自补偿高频脉冲发电机、超导电机、直线电机、船用电机、逆变器等领域得到了广泛使用。

近年来，随着航天、军工、超导电机等特殊用途的变频电机、自补偿高频脉冲发电机的快速发展，对类似利兹线的匝内换位导线的设计、选用颇为急切。在高压交流电机定子绕组绝缘结构的设计、选用时，需要对利兹线制造时换位处的损伤、润滑方式，试验考核和排间、股间绝缘及气隙填充，导体表面挂漆量及与对地绝缘结构体系的相容性试验，绝缘结构的常规电气性能试验、长期耐电寿命试验、热老化试验，整机绕组固化后的电气性能测试验证。本文对线圈绕制及过程绝缘性能评估等内容进行相关的探索研究。

1 Litz绕组线主要技术及验收要求

1.1 主要技术要求

Litz绕组线中的导体表面应无油污、金属粉末及其他杂质，绝缘绕包层应连续、紧密适度、均匀平服地绕在线芯上，绝缘层不允许有起皱、开裂、叠包不均匀及任何杂质。Litz绕组线采用H级漆包圆线制造，漆膜厚度为1级漆膜绝缘。Litz绕组线采用的漆包圆线在生产过程中不允许有焊接点。Litz绕组线线芯不允许有影响性能的任何缺陷。Litz绕组线的换位节距、换位方向等换位要求按供货图。Litz绕组线绕包绝缘采用在换位后成束的Litz线外面再搭接2 mm包、半叠包等方式进行绝缘包轧，材料为H级少胶粉云母带，云母含量大于50%，与环氧酸酐漆的相容性良好。绕包层应连续、紧密适度、均匀平服，不允许有起皱或开裂现象。Litz绕组线须满足每次订货图中的导体规格、尺寸、线匝数、绝缘厚度及其他技术要求。Litz绕组线出厂前须进行短路点测试：采用万用表的电阻“Ω”端的×1或×10档，将测量杆依次测量，直至全部漆包圆绕组线测量完毕，测试结果不允许有短路现象。工频击穿试验：截取5段1 m长换位导体，用铝箔包绕中间部位800 mm，铝箔边缘距离端头100 mm，铝箔表面用布带缠绕。除去换位线一端的各单股线的绝缘，并用金属丝将各单股线连接，然后按500 V/s施加电压，直到试样击穿。

额定电压6 kV级Litz绕组线，击穿电压≥5 000 V；额定电压10 kV级Litz绕组线，击穿电压≥6 500 V。

1.2 验收要求

外观检查，绕组线表面无油污、粉尘及其他机械杂质，绝缘绕包层连续、紧密，外包装无破损，符合要求。导体规格、线匝数、换位节距、总导体数、漆膜厚度、成束的截面尺寸、绝缘绕包方式及最终的绝缘尺寸符合要求。短路点试验，成盘Litz绕组线首尾全部进行短路点测试，无短路。工频击穿试验，截取5段1 m长换位导体分别进行短时交流耐压试验，击穿电压值均大于8 500 V。

2 实验验证过程

2.1 试样制备

试验线棒将连续换位导线束裁取为750 mm长短料，每4段汇成一根试样。高度方向双面贴合匝间胶化材料2340-D，并在热压模上进行线棒胶化，然后混合半叠包玻璃布补强少胶粉云母带5452-1和聚酰亚胺薄膜补强少胶粉云母带5452-1P各4层，共8层，最后在居中250 mm范围内半叠包一层0.08 mm×25 mm低阻防晕带SD2644。

上模拟铁心夹板后，21根试样真空压力浸渍F级少胶浸漆树脂SD1145一次，21根试样真空压力浸渍H级少胶浸漆树脂SD1150一次，烘焙固化后进行绝缘电气性能测试试验。

2.2 常态介质损耗测试

11根F级试验线棒和11根H级试验线棒，分别测试常态介质损耗。

2.3 热态介质损耗测试

常态介质损耗测试后的5根F级试验线棒和5根H级试验线棒，分别测试其热态介质损耗。

2.4 瞬时工频击穿试验

热态介质损耗测试后的5根F级试验线棒和5根H级试验线棒，分别在室温变压器油中进行短时工频交流电压击穿试验。

2.5 电老化试验

常态介质损耗测试后的6根F级试验线棒和6根H级试验线棒，分两组进行室温电老化试验，试验施加的工频交流电压值为2.5UN，即25 000 V。

2.6 定温热老化

10根F级试验线棒放置在恒温200 ℃的鼓风热烘箱中，10根H级试验线棒放置在恒温220 ℃的鼓风热烘箱中，分别进行定温热老化试验。经历40天、80天热老化试验后，各取出5根试样再进行短时工频击穿试验。

3 试验测试数据

3.1 F级少胶绝缘系统SD1145

3.1.1 常态、热态介质损耗测试和瞬时工频击穿电压试验数据见表1。

表1 常态、热态介质损耗测试和瞬时工频击穿电压试验值

数据分析：介损及介损增量符合要求，但热态介损偏高，可能是漆包线与VPI浸渍树脂的相容性及换位处间隙树脂未完全填充所致。

3.1.2 交流击穿试验

线棒的短时工频交流电压击穿试验在变压器油中进行，结果见表2。

表2 线棒的短时工频交流电压击穿试验数据

数据分析：5根线棒的短时工频交流电压击穿平均值为88.57 kV，按10 kV电压等级绝缘结构考核，裕度系数大于7倍，满足设计要求。

3.1.3 定温热老化试验数据

试验线棒放置在200 ℃恒温鼓风热烘箱中，老化40天、80天后分别取出5根线棒，在变压器油中进行短时工频交流电压击穿试验，结果见表3。

表3 定温热老化后线棒的短时工频交流电压击穿试验数据

数据分析：定温热老化40天、80天后的5根线棒的短时工频交流击穿电压值下降率为30%左右，且热老化40天后的击穿电压下降率趋于稳定，80天热老化后与40天相比较，基本无变化，说明该绝缘结构足以满足F级绝缘耐热寿命要求。

3.1.4 电老化试验

在室温条件下，对6根试验线棒长期施加25 kV工频交流电压，直至击穿；要求线棒的电老化试验时间中值大于800 h。

试验结果：电老化试验超过1 200 h，仍无击穿；满足要求，试验结束。

3.2 H级少胶绝缘系统SD1150

3.2.1 常态、热态介质损耗测试和瞬时工频击穿电压试验数据见表4。

表4 常态、热态介质损耗测试和瞬时工频击穿电压试验值

数据分析：介损及介损增量符合要求，但热态介损偏高，可能是漆包线与VPI浸渍树脂的相容性及换位处间隙树脂未完全填充所致。

3.2.2 交流击穿试验

线棒的短时工频交流电压击穿试验在变压器油中进行，结果见表5。

表5 线棒的短时工频交流电压击穿试验数据

数据分析：5根线棒的短时工频交流电压击穿平均值为85.26 kV，按10 kV电压等级绝缘结构考核，裕度系数大于7倍，满足设计要求。

3.2.3 定温热老化试验数据

试验线棒放置在220 ℃恒温鼓风热烘箱中，老化40天、80天后分别取出5根线棒，在变压器油中进行短时工频交流电压击穿试验，结果见表6。

表6 定温热老化后线棒的短时工频交流电压击穿试验数据

数据分析：定温热老化40天、80天后的5根线棒的短时工频交流击穿电压值下降率均小于30%左右，且热老化40天后的击穿电压下降率趋于稳定，说明该绝缘结构足以满足H级绝缘耐热寿命要求。

3.2.4 电老化试验

在室温条件下，对6根试验线棒长期施加25 kV工频交流电压，直至击穿；要求线棒的电老化试验时间中值大于800 h。

试验结果：电老化试验超过1 400 h，仍无击穿；满足要求，试验结束。

4 结论

4.1 试制的Litz导线的导体漆膜厚度、线匝数、换位节距、截面尺寸、绝缘包扎、绝缘厚度等满足设计要求，经短路点试验和工频电压击穿试验验证，可用作交流高压电机绕组线使用。

4.2 Litz导线与少胶粉云母带、VPI树脂组成的绝缘结构，由于换位处的间隙不易被VPI浸渍的树脂完全填满，因而结构的介质损耗因素要略高于常规铜扁线，特别是热态损耗大。这对其在高频或变频电机领域应用要引起足够的重视。

4.3 Litz导线的连续换位结构，可以有效改善线圈内的导体表面电位，使其分布更均匀，减少绕组棱边处的电场集中和电场突变，提高整个绕组的长期耐电寿命，从而有利于减薄主绝缘厚度。

4.4 通过绝缘结构的常规电气性能试验和线棒的定温热老化试验、室温电老化试验验证，Litz导线可应用于我公司额定电压为10 kV级、F级少胶绝缘系统SD1145及H级少胶绝缘系统SD1150电机绕组的生产制造。