主泵軸封式電動機少膠型絕緣系統

劉 洋，祁世發

(哈電集團哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

清潔能源是國家近年電力發展的重點項目，而主泵機組又是清潔能源發展中重要的設備之一。主泵機組分為:(1)軸封式，即泵與電動機分體，中間由聯軸器連接，電動機為立式、空冷異步電動機;(2)無軸封式，即泵與電動機連成一體，電動機為立式、水冷屏蔽電動機。本文所述絕緣系統以軸封式6.6kV、4 500kW 主泵電動機為依托。

1 主泵電動機

清潔能源對主泵電動機的技術要求苛刻，既要求安全性達100%，又要求可靠性達100%，使用壽命不低于40 年(現有的)，要求達60 年。電動機的結構復雜，產品設計制造難度大。我國于1993 年下半年著手設計研制6kV、4 500kW 軸封式主泵電動機，1997 年完成首批產品，2008 年著手設計研制6.6kV 軸封式主泵電動機。

2 絕緣材料耐高能輻射性

主泵電動機在運行時，主要承受γ 射線的輻射，所以絕緣材料輻照試驗的輻照源多采用放射性鈷源。絕緣材料經大劑量輻照后，性能會變壞。絕緣材料在一定劑量輻射影響下還沒有損壞，其主要性能實際上沒有發生多大惡化的能力稱為耐輻射性。

在某些情況下一定劑量的輻射可改善材料性能，在輻照試驗時，經常出現某項性能優于未輻照的性能，就是這個原因。現在有些化工和絕緣材料業利用輻射實現一些采用普通化學方法不易實現的反應來改進聚合物性能。聚合物在高能輻照下，將引起兩種反應:一種是引起分子的電離或激發，當輻照停止后，分子恢復原狀，謂之物理反應;另一種是當劑量足夠大時，聚合物的電離或激發分子間發生反應，輻照停止后，分子結構不再恢復原狀，謂之化學反應。隨著輻射累積劑量的增大，聚合物發生老化。通過測量輻照前后絕緣材料的電氣、機械、理化性能的變化來衡量材料的耐輻射水平。

測試結果表明:鹽霧處理后擊穿電壓僅下降10%;長期濕熱試驗后擊穿電壓基本保持不變，可適用于特殊環境下的電機絕緣。

3 幾種絕緣材料的輻照試驗

3.1 環氧酸酐浸漬樹脂

環氧樹脂具有粘結力高、收縮率低、可以混合多種填料等特點，在電氣、電子設備中應用面很廣泛。

圖1 為采用同一種固化劑甲基內次甲基四氫鄰苯二甲酸酐(ETPA)固化的四種環氧樹脂在經輻照后抗彎強度與劑量關系。圖2 為經不同固化劑固化后的同一種雙酚A 型環氧樹脂，在經輻照后抗彎強度與劑量關系。固化劑分別是:(1)三乙烯四胺(TTA);(2)三氟化硼單乙胺(BF3-4W);(3)間苯二胺(MPD);(4)二氨基二苯甲烷(DDM);(5)甲基內次甲基四氫鄰苯二甲酸酐(ETPA)。

A、雙酚A 型;B、酚酸環氧型;C、脂環族型;D、R-N ＜型圖1 輻照對各種環氧樹脂彎曲強度的影響

圖2 輻照對各種固化劑固化的雙酚A 型環氧樹脂彎曲強度的影響

可見環氧樹脂種類和所用固化劑不同試驗結果有很大差異。以芳香族胺類(MPD、DDM)和酸酐(ETPA)作固化劑，其耐輻射性能較高，而脂肪胺(TTA)最差，而BF3-4W 在106Gy 劑量輻照便起泡產生龜裂。

環氧酸酐浸漬樹脂在空氣中經Co60γ 射線輻照后性能見表1。可見在經2×105Gy 輻照后，對電氣和機械性能影響不大。

表1 浸漬樹脂輻照前后性能對比

3.2 少膠云母帶

云母是絕緣云母制品的原料，電機用絕緣云母制品多采用白云母。白云母片在空氣中經Co60γ射線輻照后，在劑量106Gy 時，擊穿強度得到提高，硬度有所下降。

少膠云母帶由高定量鱗片粉云母紙與補強材料(玻璃纖維或薄膜)由環氧膠粘劑組合。兩種粉云母帶在空氣中經Co60γ 射線輻照后的性能變化見表2。

表2 少膠粉云母帶經γ 射線輻照后的性能

3.3 繞組線股線絕緣

繞組線由銅導體與股線絕緣組成。雙玻璃纖維繞包繞組線、單玻聚酰亞胺薄膜繞包繞組線、云母帶繞包繞組線、聚酰亞胺-氟46 薄膜燒結線及聚酰胺-酰亞胺漆包線和聚酰亞胺漆包線在空氣中經Co60γ 射線輻照后，在劑量2×105Gy ～5×105Gy 時，對其附著性和擊穿電壓影響不大。兩種繞組線輻照后的擊穿水平如表3 所示。

表3 兩種繞組線輻照后的擊穿水平

3.4 玻璃鋼和層壓板

(1)不飽和聚酯玻璃鋼

在空氣中經γ 射線107Gy 輻照作用下，機械性能比輻照前不僅沒有降低反而提高。

(2)環氧玻璃鋼

以五種配方的環氧樹脂制作的玻璃鋼，經Co60γ射線輻照，其結論:6101 環氧樹脂輻照劑量達5×106Gy 時，機械強度下降40%左右。而644 環氧樹脂輻照劑量達1×107Gy 時，機械強度下降較小。

(3)環氧層壓布板

在空氣中經γ 射線106Gy 輻照后，其電氣性能有所提高。

3.5 薄膜

(1)聚酯薄膜

聚酯薄膜具有優良的電氣、機械性能，是最常用的電工薄膜，現已廣泛應用于F 級電機上。聚酯薄膜在空氣中經Co60γ 射線輻照后，當劑量達1×104Gy ～5×105Gy 時，薄膜的機械性能有所提高。但經1×106Gy ～5×106Gy 輻照后強度降低，5×106Gy 時耐折性劇減意味著韌性喪失、脆性增加。但聚酯薄膜經輻照后常溫電氣強度和介質損耗角正切都有改善。體積電阻系數總的來說輻照前后變化不大。

(2)聚酰亞胺薄膜

聚酰亞胺是一種雜環耐高溫聚合物，可在220℃下長期使用，在-200℃～400℃范圍內保持較高的機械性能和電氣性能。由于聚酰亞胺分子具有十分穩定的芳香結構，耐輻射性和耐化學試劑性能優良。

聚酰亞胺薄膜在空氣中經Co60γ 射線輻照，劑量為3×107Gy 時，拉伸強度可保留88%，伸長率下降38%，介電強度保留80.5%。

3.6 輔助絕緣材料

主泵電動機所用的其他絕緣材料均在空氣中經Co60γ 射線2×105Gy 劑量輻照后，具有耐高能輻射能力，擇優選用。

4 國內外主泵電動機絕緣系統

據報導，各國主泵電動機所采用的形式不同，絕緣系統也不同(見表4)。

表4 各國主泵電動機絕緣系統

無軸封式主泵消耗功率較小，屏蔽電動機制造工藝復雜、絕緣等級為H 級、體積小。軸封式主泵消耗功率相應較大，電動機制造工藝相對簡單，絕緣等級為F 級，體積相對較大。

5 少膠整體VPI 絕緣系統

5.1 定子繞組絕緣結構

軸封式主泵電動機定子繞組絕緣結構:C1 型定子線圈主絕緣采用中膠環氧玻璃粉云母帶、繞組軟(白坯)線圈嵌線、整體VPI 環氧高壓無溶劑漆;C3 型定子線圈主絕緣采用少膠粉云母帶、繞組軟線圈嵌線、整體VPI 環氧酸酐無溶劑浸漬樹脂。C3 型定子線圈主絕緣厚度比C1 型的有所減薄。

5.2 耐輻射性能

定子繞組絕緣的電氣性能可綜合反映出所選用的絕緣材料、絕緣結構設計和絕緣工藝優化是否合理、優良。C3 型少膠粉云母整體VPI 絕緣定子繞組模擬線圈與C1 型模擬線圈在空氣中經劑量為2×105Gy 的Co60γ 射線輻照后，結果證明該劑量的輻照對其常態介質損耗角正切(tanδ)和擊穿電壓影響不大。圖3 所示為輻照前后的常態tanδ 曲線，輻照前后擊穿電壓值見表5。可見C3 電氣性能比C1 優越。

圖3 模擬線圈輻照前后常態介質損耗正切曲線

表5 模擬線圈輻照前后擊穿電壓值

5.3 定子線圈耐電老化評定

選取少膠粉云母整體VPI 絕緣體系中的18 只10kV 定子模擬線圈做電老化評定試驗，試驗電壓為22.5kV(10MV/m)。試驗結果:電老化中值壽命均超過1 300h，滿足國外標準中規定的在8.7MV/m下的電老化壽命不低于1 000h 的指標。

5.4 耐熱性評定

C1、C3 電動機定子絕緣系統的模擬繞組在空氣下經Co60γ 射線輻照劑量達2×105Gy 后，對其進行耐熱評定。參照GB/T 22718—2008《高壓電機絕緣性能耐熱性評定方法》中單點快速法進行。評定結果:C1 型絕緣系統的溫度指數為162℃，熱壽命超過50 年。C3 型絕緣系統的溫度指數為174.5℃，在130℃運行溫度下，壽命為63.3 年。

6 結語

軸封式主泵電動機的絕緣系統設計合理，達到了世界先進水平。少膠粉云母整體VPI 絕緣系統具有整體性好、電氣性能和機械性能優越、耐熱性穩定、耐環境因素強和安全運行可靠性好等特征，更特殊的是耐高能輻射性能，累積劑量達2×105Gy時對絕緣系統和所用的絕緣材料性能影響不大，有的性能還有所增強。此絕緣系統經輻照試驗和耐熱性評定，溫度指數為174.5℃，壽命為63.3 年，超過了當今對主泵電動機絕緣所提出的最高60 年的水平。

通過幾次對電動機絕緣系統耐熱性評定得出，經2×105Gy 輻照的模擬定子繞組比未經輻照的，其溫度指數有所提高，壽命有所增長。

［1］ 桂林電器科學研究所三室.電工絕緣材料耐高能輻射性能綜述.絕緣材料通訊，1976.4.

［2］ 張東林，石雷峰，王旭輝.核電耐輻照電動機絕緣的發展.第六屆全國工程電介質學術會議論文集，1998.9.

［3］ 祁世發，朱珊珊，張東林.哈電大中型交流電機LD-F絕緣體系.哈爾濱:大電機技術，2010.8.

［4］ 孫雅玲，劉洋，張東林.我國高壓交流電機絕緣技術的現狀和發展.哈爾濱:交直流電機行業技術交流會論文匯編，2010.10.