磁性槽楔在風(fēng)力發(fā)電機中的應(yīng)用

王 杰， 鄒強龍， 龔天明，2

(1.南車株洲電機有限公司，湖南株洲 412001;2.北方交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

使用磁性槽楔可有效降低電機鐵損、提高電機運行效率及改善電機的起動性能;但磁性槽楔也存在易脫落、使電機轉(zhuǎn)矩下降等缺點。本文針對風(fēng)力發(fā)電機的性能要求，通過磁性槽楔的性能檢測、試驗和風(fēng)力發(fā)電機的溫升試驗，闡述了風(fēng)力發(fā)電機使用磁性槽楔的注意事項。

1 風(fēng)力發(fā)電機的性能要求

1.1 生命周期長、高可靠性

風(fēng)力發(fā)電機組各組件(葉片、塔筒、發(fā)電機、齒輪箱、控制系統(tǒng)等)成本高、風(fēng)電機組一次性投入較大;且近幾年隨著中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)價格持續(xù)走低，風(fēng)電場業(yè)主為保證企業(yè)效益，對整個發(fā)電機組的運行周期提出了較高的要求。因此，風(fēng)電機組對其核心部件——風(fēng)力發(fā)電機的可靠性及運行周期也提出了較高的要求。目前，國內(nèi)風(fēng)電業(yè)界對風(fēng)力發(fā)電機的可靠運行年限一般要求為20～25年。

1.2 維護(hù)方便、檢修簡單

由于風(fēng)力發(fā)電機安裝運行在高空，其安裝、維護(hù)成本較高。因此，綜合考慮發(fā)電機安裝運行后的維護(hù)成本和檢修工人的工作量，要求發(fā)電機運行后維護(hù)方便、檢修簡單。隨著國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機已滿足免維護(hù)的性能要求。

1.3 其他性能要求

近年來，隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國在風(fēng)電方面相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也日趨完善，在國家強制性標(biāo)準(zhǔn)GB 755《電機定額與性能》的基礎(chǔ)上相繼制定了一系列風(fēng)力發(fā)電機專項標(biāo)準(zhǔn)，如雙饋式風(fēng)力發(fā)電機、直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電機國家標(biāo)準(zhǔn)等。風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計及性能應(yīng)滿足相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

除上述兩點外，風(fēng)力發(fā)電機同其他類型的電機一樣應(yīng)滿足國家強制性標(biāo)準(zhǔn)GB 755《電機 定額與性能》的要求或滿足用戶提出的特殊要求。因本文主要討論磁性槽楔在風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用，其他性能要求不予贅述。

2 磁性槽楔的特性

2.1 磁性槽楔可顯著改善電機性能

磁性槽楔代替非磁性槽楔應(yīng)用到電機中可顯著改善電機性能、節(jié)省能源。國內(nèi)在此方面已經(jīng)做了大量的理論分析及應(yīng)用研究，文獻(xiàn)［1-3］就電機中使用磁性槽楔可帶來的電機鐵耗降低、提高電機運行效率、降低電機溫升、改善電機功率因數(shù)等進(jìn)行了討論與研究。為驗證風(fēng)力發(fā)電機使用非磁性槽楔的溫升改善效果，進(jìn)行了驗證試驗。試驗方法為選兩臺同型號、同功率的風(fēng)力發(fā)電機，其中一臺使用磁性槽楔，另一臺使用非磁性槽楔;分別對兩臺發(fā)電機進(jìn)行溫升試驗(將發(fā)電機運行在額定功率下，待發(fā)電機定子繞組溫升穩(wěn)定后記錄發(fā)電機的繞組溫升值)。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 溫升試驗結(jié)果

從溫升試驗結(jié)果可以看出，同一型號、同功率的風(fēng)力發(fā)電機使用非磁性槽楔后發(fā)電機定子繞組溫升下降了18.8 K(溫升下降值受電機功率、防護(hù)等級等因素影響，不可一概而論)。

2.2 磁性槽楔的固有特性造成的易脫落

2.2.1 原因分析

文獻(xiàn)［4］從磁性槽楔的固有特性、工藝原因等方面，并結(jié)合具體案例，分析了磁性槽楔易脫落的原因并給出了防范措施。為進(jìn)一步驗證磁性脫落的其他原因，將國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的磁性槽楔進(jìn)行了在不同溫度下的性能檢測，表2為部分檢測結(jié)果。

從表2檢測試驗結(jié)果可以看出，磁性槽楔的機械性能受溫度影響較大:當(dāng)溫度高于160℃時，部分機械性能急劇下降。目前國內(nèi)大部分的異步風(fēng)力發(fā)電機絕緣等級為H級，即發(fā)電機絕緣系統(tǒng)可靠運行允許的最高溫度為180℃，在風(fēng)況良好的情況下，風(fēng)電場業(yè)主為獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，一般會讓發(fā)電機運行在超過額定功率狀態(tài)下，此時發(fā)電機內(nèi)部溫度一般處在絕緣系統(tǒng)所允許的最高溫度左右。磁性槽楔在此種工況下運行時，其按照表2的檢測結(jié)果，其機械性能會顯著降低;加上磁性槽楔由于其本身含有的鐵磁物質(zhì)在發(fā)電機運行中會受到旋轉(zhuǎn)電磁力的作用，由此可得出磁性槽楔高溫工況下機械性能差也有可能造成磁性槽楔的脫落。

表2 磁性槽楔性能檢測結(jié)果

2.2.2 磁性槽楔脫落后對電機的影響

一方面，磁性槽楔脫落后掉在電機定轉(zhuǎn)子之間的氣隙中，一般情況下由于電機氣隙較小，槽楔落到其中后首先會造成槽楔與電機定、轉(zhuǎn)子相摩擦，此時根據(jù)電機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同會造成不同的結(jié)果。如若電機轉(zhuǎn)子為籠型，轉(zhuǎn)子外圓為機械強度較高的沖片，脫落的槽楔會被摩擦為粉末后受冷卻風(fēng)吹出氣隙散落到電機內(nèi)部其他部位;若為表貼式永磁轉(zhuǎn)子，脫落的槽楔會導(dǎo)致永磁體的固定裝置損壞導(dǎo)致嚴(yán)重的后果(永磁體脫落等)。

另一方面，槽楔還在電機的定子繞組中起固定線圈的作用。槽楔脫落后，定子繞組線圈會在電磁力的作用下松動后與定子槽相摩擦最終導(dǎo)致定子線圈的絕緣破損，發(fā)生定子繞組接地的嚴(yán)重后果。

2.3 磁性槽楔對電機繞組絕緣影響

2.3.1 原因分析

為增強磁性槽楔的導(dǎo)磁性能，在磁性槽楔的原材料中會添加導(dǎo)磁成分，目前國內(nèi)大多磁性槽楔廠家在磁性槽楔材料中添加鐵粉或鐵顆粒。但添加導(dǎo)磁性能較好的鐵質(zhì)材料后，磁性槽楔會影響電機繞組的絕緣性能。因為電機在運行過程中，電機繞組線圈中由于存在等于額定電壓的電勢，而槽楔本身沒有電勢，電機定子繞組線圈中的電勢發(fā)生波動達(dá)到一定值后，會對處于低電勢的槽楔放電而導(dǎo)致定子繞組接地。風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中常會受到短時大風(fēng)的影響，定子繞組電壓波動較大，因此有必要研究電機定子繞組電壓較大情況下，磁性槽楔對定子繞組絕緣強度的影響。

2.3.2 磁性槽楔對電機繞組絕緣影響試驗

為驗證磁性槽楔對電機繞組絕緣強度的影響，進(jìn)行了磁性槽楔對電機繞組絕緣強度影響試驗。

試驗方法為選兩臺同型號的定子鐵心并采用同樣的定子線圈嵌線，嵌線完成后一臺安裝磁性槽楔，另一臺安裝非磁性槽楔。槽楔安裝完成后分別對兩臺的定子線圈施加足夠高的工頻交流電壓直至線圈擊穿，記錄擊穿電壓和耐壓時間。試驗完成通過擊穿電壓和耐壓時間的對比，則可看出磁性槽楔對繞組的絕緣強度的影響程度。

(1)試驗一使用非磁性槽楔定子進(jìn)行耐壓試驗，待試驗的定子如圖1所示。

圖1 使用非磁性槽楔的待試驗定子

試驗設(shè)備為ZPT-30T型工頻交流耐壓機(見圖2)，最高輸出交流工頻電壓為30 kV，輸出電壓可以100 V步進(jìn)增高。

試驗選5槽線圈進(jìn)行，試驗結(jié)果如表3所示。

(2)試驗二使用磁性槽楔定子進(jìn)行耐壓試驗，待試驗的定子如圖3所示。

與試驗一使用同一臺耐壓設(shè)備。選5槽線圈進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

圖2 ZPT-30T型耐壓機

表3 使用非磁性槽楔定子耐壓試驗結(jié)果

圖3 使用磁性槽楔的待試驗定子

表4 使用非磁性槽楔定子耐壓試驗結(jié)果

(3)試驗結(jié)果分析。根據(jù)表3試驗結(jié)果可以看出，使用非磁性槽楔的定子線圈擊穿電壓為11 500～13 000 V，平均擊穿電壓為12 200 V，到達(dá)擊穿電壓后的耐壓時間均≥40 s;根據(jù)表4試驗結(jié)果可以看出，使用磁性槽楔的定子線圈擊穿電壓為7 400～9 000 V之間，平均擊穿電壓為8 400 V，到達(dá)擊穿電壓后的耐壓時間均≤40 s。對比兩次試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)使用磁性槽楔的定子線圈在擊穿電壓值及耐壓時間上均有不同程度的下降，其中擊穿電壓平均值下降了約30%。

由此可得出，磁性槽楔對電機繞組絕緣影響較大:磁性槽楔的使用會顯著降低定子繞組絕緣強度。

在進(jìn)行試驗二時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓升至一定值后(7 000 V以上)，可以明顯看出有線圈對磁性槽楔尖角放電現(xiàn)象，然后線圈在幾秒時間內(nèi)被擊穿。

磁性槽楔導(dǎo)致電機繞組絕緣強度降低原因分析如下:

①磁性槽楔材料中含有鐵磁物質(zhì)成分使得磁性槽楔本身的電阻很小，處于高電位的定子線圈容易通過絕緣層的薄弱點向處于零電位導(dǎo)電物質(zhì)磁性槽楔放電導(dǎo)致絕緣層的擊穿。

②磁性槽楔制造過程中由于工藝不完善導(dǎo)致其中的顆粒狀鐵磁物質(zhì)分布在槽楔邊緣形成尖角，當(dāng)定子線圈施加高電壓時，槽楔產(chǎn)生尖角放電，將定子線圈的絕緣層擊穿。

3 磁性槽楔的改進(jìn)

鑒于磁性槽楔可改善電機性能的優(yōu)良特性及易脫落、降低電機絕緣強度的缺點，目前國內(nèi)外槽楔廠商、電機廠等都在從磁性槽楔的原材料、制造成型工藝等方面進(jìn)行研究，以期提高磁性槽楔的強度及耐熱等級。如磁性槽楔的制造從以前的引拔及模壓制造發(fā)展到現(xiàn)在普遍使用層壓制造。其中，層壓玻璃布板磁性槽楔由以前的經(jīng)向改為現(xiàn)在的經(jīng)緯向，其機械強度得到了一定強度的提高;同時由于原材料的改進(jìn)，磁性槽楔的耐熱強度也得到了顯著的提高。

目前，國內(nèi)已成功開發(fā)出耐熱等級H級(180℃)、導(dǎo)磁性能良好的層壓式磁性槽楔，并在國內(nèi)各大電機廠的民用、工業(yè)用電機上得到廣泛應(yīng)用。但沒有案例表明改進(jìn)后的磁性槽楔在風(fēng)力發(fā)電機中得到應(yīng)用。

4 結(jié) 語

通過本文上述討論內(nèi)容，可得出以下結(jié)論:

(1)雖然磁性槽楔具有改善電機性能(提高效率、降低溫升、改善起動性能等)的良好優(yōu)點，但其也有易脫落、導(dǎo)致電機絕緣強度降低等缺陷，不符合風(fēng)力發(fā)電機生命周期長、高可靠性、維護(hù)簡單等性能要求。

(2)經(jīng)原材料及成型工藝改進(jìn)后的磁性槽楔在機械性能及耐熱性能上都有一定的提高，但在其高可靠性、長生命周期得到充分驗證之前，不推薦將磁性槽楔應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機。

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