少膠絕緣高壓電機超薄型主絕緣結構研究

曾彩萍

(湘潭電機股份有限公司, 湖南 湘潭　411101)

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少膠絕緣高壓電機超薄型主絕緣結構研究

曾彩萍

(湘潭電機股份有限公司, 湖南 湘潭411101)

摘要：系統研究了絕緣材料及繞包結構等對高壓電機主絕緣性能的影響。采用玻璃云母帶與薄膜云母帶為主絕緣繞包材料，通過交替半迭包工藝繞包的云母絕緣結構，經高性能環氧酸酐樹脂(VPI)浸漬固化及薄型低阻防暈材料保護后制作的6kV和10kV超薄型高壓電機主絕緣結構，表現出優良的電性能和老化壽命，實現了高壓電機主絕緣的明顯減薄。采用該超薄型絕緣結構制造的高壓電機繞組溫升顯著降低，體積明顯縮小，制造成本下降。

關鍵詞：少膠云母帶； 環氧酸酐樹脂(VPI)； 高壓電機； 主絕緣； 擊穿電壓； 老化壽命

0引言

高壓電機主絕緣主要包括卷包和繞包兩種結構形式。卷包結構是線圈的直線部分，由云母箔卷包而端部則由云母帶繞包而成。其優點是可消除無效絕緣尺寸，提高整體主絕緣的減薄效果。但是，由于卷包結構的線圈直線部分與端部連接處存在接縫，此處的擊穿電壓通常僅為槽內的20%～40%，成為該主絕緣結構的薄弱環節；另一方面，卷包的云母箔需要一定的挺度，會導致卷烘時在卷包層間留下氣隙，引起局部放電電壓降低、tanδ升高等問題[1]。因此，高壓電機的主絕緣減薄不宜采用卷包結構。

繞包結構是目前高壓電機主絕緣普遍采用的結構形式，其優點是可將線圈的直線部分和端部都采用云母帶進行繞包，有利于提高主絕緣結構的絕緣可靠性。目前，實現繞包結構的絕緣減薄主要包括減少繞包層數和減薄云母帶厚度兩種方法。但是，前者可能因為繞包層與層之間的缺陷相互重疊概率增加而導致電壓擊穿的概率增加，后者則可能因云母含量的減少而引起局部放電，將會導致絕緣老化壽命縮短。因此，高壓電機主絕緣減薄是一個綜合性課題，需要對絕緣材料、絕緣結構和絕緣工藝等進行綜合性研究，才能獲得最佳的絕緣減薄技術。

本文針對高壓電機主絕緣減薄問題，在已有工作基礎上，系統研究了少膠云母帶絕緣材料、VPI浸漬樹脂、繞包絕緣層結構等對電機主絕緣性能的影響規律，獲得了高壓電機主絕緣的有效絕緣減薄技術。

1試驗與討論

1.1絕緣材料的選擇

高壓電機主絕緣結構的鐵心槽內橫截面和繞組局部解剖圖如圖1所示。將設定結構的成束線圈采用少膠云母帶經繞包工藝進行包覆，然后將其放入鐵心槽內，經VPI工藝浸漬絕緣樹脂，烘干固化后可形成少膠絕緣高壓電機的主絕緣結構，其中主絕緣材料中的少膠云母帶和VPI浸漬樹脂對主絕緣結構的性能具有決定性的影響。

圖1　高壓電機主絕緣結構的鐵心槽內橫截面和繞組局部解剖圖

(1) 少膠云母帶： F級絕緣高壓電機少膠云母帶主要包括玻璃布單面補強少膠云母帶 (簡稱玻璃云母帶) 和聚酯薄膜單面補強少膠云母帶(簡稱薄膜云母帶)兩種類型。高壓電機的主絕緣需要承受高電場下的局部放電，超薄型主絕緣結構云母帶的選型必須綜合考慮云母帶在繞包過程中承受的拉伸、扭曲等機械外力作用及其云母含量等因素。本研究選用的主絕緣云母帶厚度為0.13mm。

(2) VPI樹脂： 與傳統高壓電機絕緣用VPI樹脂-苯乙烯體系VPI浸漬樹脂相比， 環氧酸酐體系樹脂VPI處理的絕緣結構具有更好的電氣性能。試驗表明，其1.0Un(Un為設定的額定電壓)和150℃高溫下的熱態介電損耗正切值tanδ分別降低了51.5% 和53.5%，擊穿電壓和平均場強分別提高了21%。更高的擊穿強度水平可有效平衡絕緣減薄、繞包層數減少而帶來的擊穿電壓下降的問題。因此，本研究選用的主絕緣VPI樹脂為環氧酸酐體系樹脂。

1.2云母繞包結構對主絕緣性能的影響

傳統的繞包結構常采用純玻璃布補強云母帶繞包結構，其中的玻璃云母帶具有拉伸強度高、透氣性好，易于浸漬VPI等優點，但存在著介電強度低及玻璃布延展性差易造成的線圈繞包過程中玻璃絲受力斷裂等缺點[2]；由于薄膜云母帶可有效減薄主絕緣，降低材料成本，而且具有介電強度高、延展性好等特點，因此純薄膜補強云母帶繞包結構的應用越來越廣泛。

1.2.1純薄膜云母帶繞包結構

由于薄膜云母帶不具有透氣性，所以不利于繞包結構VPI浸漬過程中樹脂的滲透和填充[3-4]。繞包層數越多、絕緣越厚，VPI浸漬漆完全滲透絕緣結構內部的難度就越大。表1比較了兩種具有不同絕緣厚度繞包結構的電氣絕緣強度。由表1可以看出，在繞包層數較少(半迭包4次，絕緣厚度為1.04mm)時的擊穿強度為43.5kV/mm；如果繞包層數增加至7次，絕緣厚度提高到 1.82mm，則擊穿場強降低至36.0kV/mm，同時其Δtanδ值(0.104)也比絕緣厚度為1.04mm繞包結構(0.060)明顯提高，此結構在電壓較高的絕緣結構中應用，會導致電氣性能下降。

表1　薄膜云母帶繞包結構的性能

注： 表中數據為5個測試樣品試驗結果的平均值。

1.2.2交替繞包結構與傳統繞包結構的對比試驗

為了提高云母帶繞包結構的VPI浸漬樹脂滲透性，系統研究了玻璃云母帶和薄膜云母帶交替繞包結構對電機主絕緣性能的影響。交替繞包結構是采用玻璃云母帶和薄膜云母帶通過交替錯開繞包方式得到的。本試驗按三種繞包方式制作了相同絕緣厚度的試樣，經VPI一次環氧酸酐絕緣漆及烘干固化后，得到三種具有不同繞包層結構的試樣。

圖2是三種不同繞包結構的介質損耗隨電壓變化曲線圖。三種結構的介質損耗值在0.35%～0.55%之間，tanδ、Δtanδ值都很低，表明試樣狀態良好。與A、C結構相比，全薄膜云母帶的B結構在0.6～1.2Un范圍內的介質損耗 tanδ的曲線相對較陡。

圖2　三種主絕緣繞包結構的介質損耗tan δ-Un變化曲線

表2是三種繞包層結構的電絕緣性能?？梢钥闯?，由玻璃云母帶和薄膜云母帶交替繞包的C結構表現出最高的擊穿場強(41.6kV/mm)，比純玻璃云母帶的A結構和純薄膜云母帶的B結構分別提高12.2%和20.6%。與A結構相比，C結構由于含有可提高耐電壓沖擊性的聚酯薄膜而表現出更高的擊穿場強；而與B結構相比，C結構由于同時含有高透氣性的玻璃布而提高了VPI樹脂浸透性， VPI樹脂在繞包層數較多的絕緣結構中浸透性更好。因此，C結構表現出突出的電性能，具有高擊穿場強、低Δtanδ及155℃高溫下tanδ低等特點，成為超薄型主絕緣結構的最佳選擇。

表2　主絕緣繞包結構的對比試驗數據

注： 表中數據為5個測試樣品試驗結果的平均值。

1.2.3主絕緣交替繞包結構的電氣強度

為了檢驗主絕緣結構擊穿場強的數據分散性，在可能引起數據分散性的不同工藝條件下(包括不同的操作者、設備、時間等)進行了多批次試樣制作，每次試樣不少于5件，然后對所有試樣在同一條件下進行測試。圖3是不同絕緣厚度的主絕緣交替繞包結構的5個批次、每批次不少于5件試樣的擊穿場強的平均值分布曲線。其絕緣厚度分別為1.04mm和1.82mm。

圖3　多批次試樣的平均擊穿場強分布曲線

絕緣厚度為1.04mm時，去掉5個批次試驗數據中的最大值和最小值后的平均擊穿電壓值為44.7kV；絕緣厚度為1.82mm時，去掉5個批次試驗數據中的最大值和最小值后的平均擊穿電壓值為 75.0kV。

對于高壓電機主絕緣減薄后的性能考核，主要考慮擊穿電壓和老化壽命兩個關鍵指標。目前國內比較注重短期的擊穿電壓，要求達到或超過7Un值；而國外比較注重長期老化壽命，短期擊穿電壓考核指標僅為2(2Un+1)。

按照目前國內7Un值的短期擊穿電壓考核指標，絕緣厚度為1.04mm的平均擊穿電壓值為44.7kV，大于6kV電機主絕緣擊穿電壓考核值7Un(即42kV)；絕緣厚度為1.82mm的平均擊穿電壓值為75.0kV，大于10kV電機主絕緣擊穿電壓考核值7Un(即70kV)。如果按照國外 IEC 60034—15標準，則裕度更大。

1.2.4主絕緣的保護

主絕緣的保護包括機械保護和電氣保護。目前，10kV級電機繞組槽部含有低阻防暈層和端部的高阻防暈層配套組成防暈結構，對主絕緣的槽部和端部均進行了機械和電氣兩方面的保護作用。6kV級高壓電機主絕緣通常僅采用0.1mm的保護帶進行機械保護。實際上，如果繞組在VPI后的烘焙工藝不能有效防止VPI浸漬樹脂的流失，則因線圈制造公差、槽形尺寸公差以及嵌線間隙等引起的主絕緣與鐵心之間的間隙不可避免，加上鐵心制造上存在毛刺、尖銳棱邊等隱患，電機繞組槽部在Un下完全可能發生局部放電。而端部主絕緣在相電壓下基本不會發生電暈現象。因此，6kV級電機繞組槽部有必要進行電氣保護，即在線圈直線部分繞包低阻防暈帶，以防止槽部主絕緣與鐵心槽之間的空氣放電。

槽部低阻防暈層占有槽形尺寸。目前國內最薄的低阻帶厚度為0.08mm。國際上薄型低阻防暈材料有兩種： 一種是以德國Kremepl公司為代表的在纖維非織物上浸漬含有導電性顆粒的粘結劑的涂層型導電帶；另一種是以美國Dupont公司為代表的 Nomex-843碳纖維復合導電帶。兩者厚度均為0.05mm。槽部防電暈材料應確保VPI過程中其導電粒子不能進入主絕緣、優良的樹脂滲透性以及與端部高阻防暈層的表面電阻匹配性。本試驗選用0.05mm Nomex-843作為低阻材料來減薄防暈結構的槽部尺寸。

1.3主絕緣結構的老化評定

圖4是6kV級和10kV級高壓電機主絕緣老化試驗試樣，其中6kV試樣主絕緣尺寸為1.1mm(含防暈)，10kV試樣主絕緣尺寸為1.92mm(含防暈)。所有線圈試樣均VPI一次環氧酸酐絕緣浸漬漆，并經烘干固化后制得。

圖4　6kV級和10kV級高壓電機主絕緣老化試樣

表3是主絕緣結構在電熱老化前介質損耗隨施加電壓的變化。對于6kV級試樣： 室溫下的tanδ0.2Un=0.850%<3%，(tanδ0.6Un- tanδ0.2Un)/2=0.213%<0.3%，每0.2Un間距的tanδmax=0.233<0.6%，155℃時tanδ0.6Un=4.593%<10%，介質損耗的各項指標優良；擊穿電壓為47.1kV，高于7Un(42kV)。10kV級試樣在室溫和155℃下的介質損耗各項指標同樣優良；其擊穿電壓為81.9kV，明顯高于7Un(70kV/mm)。

表3　主絕緣結構在電熱老化前的常規電性能

注： 表中數據為3個測試樣品試驗結果的平均值。

表4是6kV級和10kV級主絕緣結構的電熱老化壽命試驗數據和經過電熱老化后的剩余擊穿電壓。對于6kV級主絕緣結構，在8個電熱老化試驗數據中，其中5個>1200h，2個>800h，1個>500h。10kV級主絕緣結構的全部8個電熱老化壽命試驗結果全部超過1200h。從表4可以看出，經電熱老化試驗后未擊穿的所有試樣都保留著優良的耐壓性能。6kV級5個未擊穿試樣的擊穿電壓平均值為45.10kV，與電熱老化之前(表3)相比，保持率達到95.8%，而10kV級8個未擊穿試樣的擊穿電壓平均值為68.9kV，與熱電老化之前(見表3)相比保持率達到84.1%，說明本主絕緣結構在絕緣厚度減薄至6kV級單邊1.10(含防暈)、10kV級單邊1.92(含防暈)后，電性能仍超過了目前商業化產品的優良品水平。試驗表明： 超薄型主絕緣結構具有良好的絕緣可靠性。

表4　高壓電機主絕緣結構的電熱老化壽命及其剩余性能

2超薄型絕緣結構在高壓電機制造中的實際應用

采用本研究制備的超薄型主絕緣結構與超薄型匝間絕緣結構組合，制造了4臺超薄型高壓電機，包括6kV級2臺(2011年7月出廠)，10kV級2臺(2011年8月出廠)。上述4臺高壓電機自出廠后開始運轉使用，截至目前運行情況良好。表5是4臺超薄型絕緣結構高壓電機樣機的基本性能。

表5　超薄型絕緣結構高壓電機的基本性能

表6是10kV超薄型高壓電機樣機的經濟技術特點。與傳統減薄型電機相比，超薄型高壓電機實現了單臺電機定子銅減重3.3%，轉子銅減重5.1%，硅鋼片減重9.6%，絕緣材料減重32.0%，單臺電機總減重達到9.1%，總量減輕292kg，表現出明顯的減重效果和低成本化效益。

表6　10kV超薄型絕緣結構電機的技術經濟效益

表7是超薄型絕緣結構與國外同類技術水平的比較。可以看出，超薄型主絕緣結構達到了國外Siemens 和ABB 公司的技術水平；在主絕緣厚度減薄至6kV級的1.10 mm(含防暈)和10kV級的1.92mm(含防暈)后，不但實現了電機的明顯減重、縮小了電機體積、降低了制造成本，而且實現了電機溫升的進一步降低?？梢钥闯?，超薄型絕緣結構高壓電機可有效提高電機單位體積功率、降低生產制造成本。

表7　超薄型絕緣結構與國外同類絕緣技術水平對比

3結語

以設定的薄型少膠玻璃云母帶和薄膜云母帶為主絕緣繞包材料，通過交替半迭包工藝繞包形成云母絕緣層結構，經高性能環氧酸酐樹脂VPI浸漬固化及薄型低阻防暈材料保護后制作的6kV和10kV超薄型高壓電機主絕緣結構，具有優良的電性能和老化壽命。由其制造的高壓電機繞組溫升顯著降低，體積明顯縮小，制造成本大幅下降。

【參 考 文 獻】

[1]清華大學，西安交通大學.高電壓絕緣.北京： 電力工業出版社，1980年.

[2]EMERY F T, WILLIAMS M. Preliminary evalution of flat glass backed mica paper tape for high voltage coil groundwall insulation using vacuum-pressure-impregnation∥2011 Electrical Insulation Conference, Annapolis, Maryland, 2011(5): 175-179.

[3]HAQ S U, OMRANIPOUR R. Accelerated life testing of high voltage stator coils with enhanced PET-Mica insulation system∥2011 Electrical Insulation Conference, Annapolis, Maryland, 2011,47(10): 479- 482.

[4]NEAL J E. The use of polyester film in HV rotating machine insulation. IEEE Electrical Insulation Conference, 1995,9: 583-587.

The Ultra-thin Main Insulation Structures Lapped with Dry-mica Tapes for High Voltage Motors

ZENGCaiping

(Xiangtan Electric Manufacturing Co., Ltd., Xiangtan 411101, China)

Abstract：Effect of the insulation materials and structures lapped with dry-mica tapes on the main insulation properties has been systematically investigated. The ultra-thin main insulation structures of 6kV and 10kV grades have been successfully manufactured by alternative half-overlapped with the designed glass or PET mica tapes, followed by VPI with anhydride-cured epoxy resins and corona protection with low electrical resistant materials, and exhibited excellent insulation properties and long thermo-electric aging life. The high voltage motors fabricated with the ultra-thin main insulation structures are lowered in the servicing temperature rise, obvious lightweight and reduced in production cost.

Key words：backed dry-mica tape; vocuum pressure impregnating(VPI); high voltage motors; main insulation structures; breakdown voltage; thermo-electric aging life

收稿日期：2015-03-13

中圖分類號：TM 304

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)04- 0077- 05

作者簡介：曾彩萍(1966—)，女，本科，高級工程師，研究方向為電氣絕緣結構設計與絕緣技術。