高壓電機定子線圈匝間耐壓試驗方法探討

孟永奇，喬俊麗，曹維軍，董源利

（1.中船重工電機科技股份有限公司，太原 030027；2.山西汾西重工有限責任公司，太原 030027；3.海軍裝備部，太原 030027）

0 引言

高壓電機匝間絕緣是繞組絕緣的重要組成部分，匝間絕緣也是高壓電機絕緣故障的高發區，近年來，隨著國際標準和我國行業標準、國標的不斷深入執行，高壓電機匝間絕緣試驗方法及試驗裝置都取得了很大進展，各企業在制造過程中對匝間絕緣的保護和試驗檢查都更嚴格，但在匝間耐壓檢測時，由于匝間絕緣結構與試驗方法不匹配，容易發生匝間絕緣“誤故障”現象，誤導絕緣工藝的盲目補強，加大了線圈制造成本，降低了生產效率。同時由于未分析清楚匝間耐壓“誤故障”的原因，找不到得力的措施，后續再有不同絕緣結構的線圈出現問題時，仍無法根本解決，因此如何根據實際情況采取一種真正反映線圈匝間耐壓試驗的方法需進行深入細致的探討。

1 高壓電機線圈匝間絕緣結構簡介

1.1 高壓電機匝間絕緣設計原則

匝間絕緣結構應結合制造廠的工藝特點以可靠性為準則。匝間絕緣厚度對槽利用率影響很大，應盡可能減薄絕緣，對匝數較多的定子線圈由于每匝承受的匝間電壓較低，盡量采用電磁線本身的絕緣作為匝間絕緣，不再另包匝間絕緣；對于匝數較少，如1、2匝的定子線圈一般需采用電磁線絕緣加包其他絕緣作為匝間絕緣。同時匝間絕緣結構還應考慮其耐熱性、長期耐電壓性、耐電暈性均應與主絕緣相匹配，尤其應注意與絕緣規范所規定的工序間的匝間耐壓方法和耐壓值相匹配，否則易引起線圈在工序間匝間耐壓試驗時發生擊穿。

1.2 高壓電機多采用的匝間絕緣結構

高壓電機匝間絕緣結構主要采用兩種方式：

1）采用電磁線本身的絕緣作為匝間絕緣;

2）電磁線絕緣外加包云母帶作為匝間絕緣。

采用電磁線自帶的絕緣作為匝間絕緣對電機制造廠來講相對工藝要簡單一些。目前多采用的匝間絕緣結構見表1。

2 匝間耐壓試驗

2.1 匝間耐壓試驗原理

表1 中高壓電機匝間絕緣結構

匝間耐壓試驗經常采用的方法主要有漏磁場檢測法、感應電壓法、中頻電壓法、輸入波形法及脈沖電壓法，其中脈沖電壓法是普遍采用的方法，脈沖電壓法試驗原理圖如圖1所示。

圖1 脈沖電壓法試驗原理圖

如圖1示，T：調壓器，R：限流電阻，V：整流元件，C：脈沖電容,Q：放電球隙，Cf：分壓電容，Rf：分壓電阻，L：被試線圈，SB：示波器。其原理為：調壓器T經V整流后對脈沖電容C充電，通過調節T與Q的配合使C上的電壓達到所需試驗電壓時，Q開始放電，將沖擊電壓施加于L上，對線圈進行匝間耐壓試驗。同時在C、Q、L形成一個頻率為1/(2π√LC)的阻尼高頻振蕩電路，從而在L上產生衰減的振蕩脈沖電壓，通過Cf在SB上可以觀察到沖擊電壓波形。此方法可直接對線圈施加所需的沖擊電壓，并通過觀察被試線圈的電壓或電流波形來判斷匝間絕緣的好壞，應用方便。目前國內外的所有高壓定子線圈匝間絕緣試驗標準均推薦使用脈沖電壓法。

2.2 匝間耐壓試驗工藝參數

為規范匝間絕緣試驗，IEC60034-15規定了額定電壓為3 kV～15 kV的交流電機定子成型線圈匝間絕緣的沖擊電壓值（峰值，以下均相同）為0.5(4UN+5)kV,波前時間不小于0.5 μs,沖擊次數不少于5次（UN為電機額定電壓，kV）。我國也相應頒布了JB/T10098-1999(原JB/Z293-87)，1995年IEC又頒布了IEC60034-1995第二版，提高了對匝間絕緣耐沖擊電壓水平的要求，沖擊電壓提高為0.65(4UN+5)kV，波前時間不小于0.2()μs,沖擊次數不少于5次，我國隨后也修訂了標準用JB/T10098-2000代替JB/T10098-1999。但是IEC60034和JB/T10098-2000都只規定了線圈的絕緣耐沖擊電壓水平的要求，對制造過程中各工序的耐壓要求未規定具體數值。

3 匝間耐壓試驗問題、原因分析及解決方案

3.1 匝間耐壓試驗中易出現的問題

在高壓線圈制造過程中需進行工序間的匝間耐壓試驗，以檢測線圈的制造質量。一般在線圈漲形后包主絕緣前、包主絕緣后、線圈嵌線后焊接前分三次進行匝間耐壓試驗，首次匝間耐壓試驗值為0.65(4UN+5)kV，后道工序的試驗值按照一定系數折算，各企業略有不同。這就要求線圈匝間絕緣結構的設計必須與工序間的匝間耐壓試驗相匹配，否則易出現線圈在工序間進行匝間耐壓試驗時的擊穿現象。

我公司在制造11kV高壓線圈時屢次發生匝間耐壓試驗32 kV不合格的現象，而且都發生在漲形后包主絕緣前的匝間耐壓試驗階段，漲形后的耐壓試驗均合格。繞完梭形后也按32 kV進行匝間試驗，同樣發生擊穿現象，擊穿點均發生在線圈鼻部、端部以及彎角處，且擊穿點并非線圈匝與匝的接觸面之間,并非線圈“匝間擊穿”，而在首末匝的外角與空氣接觸處。

3.2 原因分析

3.2.1 匝間脈沖沖擊電壓在線圈中的分布

當匝間施加脈沖沖擊電壓時，電壓在線圈中的分布情況不能一概而論，整機狀態和單只線圈不盡相同。整臺高壓電機運行時，當脈沖沖擊電壓施加在定子繞組上時，繞組的等效電路圖如圖2所示。

圖2 脈沖沖擊電壓侵入繞組的等效電路圖

圖中C：繞組對地電容除以繞組長度所得平均值；K：繞組間的電容，單只線圈時為匝間電容。由于有C的分流作用，且1/ωC<1/ωk，因此，脈沖沖擊電壓在繞組上的分布是不均勻的，圖3示出了脈沖沖擊電壓在定子繞組中的分布。從圖3可見首支線圈最大，由于沖擊電壓的衰減，距首線圈越遠，承受的沖擊電壓逐漸減小，末支線圈最小。

圖3 沖擊過電壓在定子繞組中的分布

但對于同一支線圈，電容K較大，線圈匝間有良好的電容耦合，因此各匝的電壓分布幾乎是均勻的，此時匝與匝之間的電位差并不是很大[1]，這就是工序間匝間耐壓試驗時擊穿點并不在匝與匝的接觸面處，非“匝間擊穿”的原因。

由于施加沖擊電壓時，線圈直線部分形狀規則，電場分布均勻，而端部形狀不規則，電場畸變較大，電場的尖峰值大，并且線圈制造過程中首末匝的端部絕緣受損最大，成為線圈絕緣的薄弱環節，因此無論是線圈漲形后還是繞梭后的擊穿點都發生在首末匝的端部、鼻部、彎角等電場畸變較大且絕緣薄弱處。

3.2.2 電磁線的絕緣結構

以某11 kV電機為例，按照標準規定匝間絕緣耐沖擊電壓水平應能承受0.65(4UN+5)kV=32 kV,波前時間不小于0.2)μs,沖擊次數不少于5次的匝間耐壓試驗，電磁線可選以下兩種結構：

1）雙玻璃絲包雙層云母帶繞包銅扁線SBEFB-70/155，絕緣結構為雙層云母帶1/3疊包，雙層玻璃絲繞包，云母帶為薄膜補強云母帶，厚度為0.08。

2）雙玻璃絲包云母帶薄膜繞包銅扁線SBEFMB-70/155，具體絕緣結構為聚酯（或亞胺）薄膜半疊包一層+薄膜補強云母帶半疊包一層，最外層為雙層玻璃絲繞包。薄膜厚度為0.03，云母帶厚度為0.08。不同廠家的電磁線介電性能如表2所示。

表中K指電磁線沿寬邊彎曲，彎曲半徑為4b，Z指電磁線沿窄邊彎曲，彎曲半徑為3a。從表2可看出同一生產廠家，型號為SBEFMB的電磁線擊穿電壓均比SBEFB的擊穿電壓高。

對不同廠家的兩種絕緣結構的電磁線漲形后進行耐壓試驗，漲形后包主絕緣前試驗電壓32kv，沖擊5次，包主絕緣后分別進行29kv，沖擊5次和32kv 沖擊5次的試驗，試驗結果見表3、表4。

表2 電磁線介電性能

表3 SBEFB電磁線漲形后耐壓試驗結果

從表3、表4看出，無論哪個廠家的SBEFB電磁線在漲形后包主絕緣前均無法滿足32kv，沖擊5次的試驗要求，包主絕緣后都可滿足要求，而三個廠家的SBEFMB電磁線無論包主絕緣前還是包主絕緣后均可滿足標準要求。

由于SBEFB電磁線絕緣結構為0.08 mm厚的云母帶雙層1/3迭包，造成電磁線的絕緣厚度最薄處為2層云母帶，最厚處為3層云母帶，經實際檢測，電磁線用云母帶介電強度平均值(有效值)為118 kV/mm，薄膜介電強度平均值(有效值)為280 kV/mm。

因此SBEFB電磁線的介電強度為：3層時：Ub=118×0.08×3=28.32 kV ； 2 層 時 ：Ub=118×0.08×2=18.88 kV。

而SBEFMB電磁線的絕緣結構為聚酯（或亞胺）薄膜半疊包一層+薄膜補強云母帶半疊包一層，其介電強度：

可見SBEFB電磁線的介電強度僅為18.88 kV，峰值為26.7 kV，若在包主絕緣前進行32 kV的匝間耐壓試驗線圈必定會擊穿，從表3也可看出此結果。而SBEFMB電磁線的介電強度為35.68 kV，峰值為50.5 kV，線圈包主絕緣前就能夠滿足32 kV的匝間耐壓試驗要求。

包完主絕緣后，無論哪種電磁線，線圈的介電強度大大增加，完全可以滿足試驗要求，原因較簡單，本文不再進行詳細計算。

4 解決方案

根據上述分析和試驗情況，我公司在制造11kV高壓線圈時，若電磁線為SBEFB-70/155，匝間耐壓試驗均在包完主絕緣后進行，試驗電壓為0.65(4UN+5 kV)，波前時間不小于0.2()μs,沖擊次數不少于5次，全部合格。

5 結論

綜前所述，由于匝間絕緣結構與試驗方法不匹配，發生匝間絕緣“誤故障”現象，并非最終完工后線圈的匝間絕緣實際耐沖擊水平達不到要求，而是由于工序間的耐壓值與當時的線圈絕緣結構匹配不合理所致，因此，絕緣規范編制或圖紙設計時，需考慮規定的耐壓值要與當時的線圈結構相一致，對于10 kV電壓等級的電機在線圈制造過程中，若電磁線為SBEFMB-70/155，則工序間匝間耐壓試驗在漲形后或包完主絕緣后進行都可。電磁線若選為SBEFB-70/155，則工序間匝間耐壓試驗必須在包完主絕緣后進行，當然這對工藝制造要求更嚴格，因為此時耐壓不合格就必須全部拆除主絕緣，造成返工量和浪費較大，需要提前摸索工藝，在繞梭和漲形時加以保護匝間絕緣。

表4 SBEFMB電磁線漲形后耐壓試驗結果

[1]《電工絕緣手冊》編審委員會主編.電工絕緣手冊，機械工業出版社,1990.