潛液式液化天然氣泵用低溫電機(jī)材料特性綜述

涂 進(jìn)，艾程柳，廖勇熙

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司 岳陽(yáng)供電分公司，岳陽(yáng) 414000;2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190)

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潛液式液化天然氣泵用低溫電機(jī)材料特性綜述

涂 進(jìn)1，艾程柳2，廖勇熙1

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司 岳陽(yáng)供電分公司，岳陽(yáng) 414000;2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190)

低溫電機(jī)為潛液式液化天然氣泵的核心部件，總結(jié)了低溫電機(jī)導(dǎo)磁材料硅鋼片的導(dǎo)磁特性和鐵心損耗、導(dǎo)電材料電阻率和絕緣材料及永磁體的低溫特性，為分析、設(shè)計(jì)和加工性能良好的潛液式液化天然氣泵用低溫電機(jī)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

LNG泵;低溫電機(jī);材料特性

0 引 言

隨著天然氣的大量使用，LNG泵在天然氣產(chǎn)業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景，但目前美國(guó)J. C. Carter，日本Ebara,Nikkiso,Shinko，法國(guó)Cryostar等少數(shù)幾家公司基本壟斷著LNG泵的研制技術(shù)[1-7]，我國(guó)尚無(wú)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)產(chǎn)品[1-3,6,7]，開(kāi)展LNG泵相關(guān)部件的研制非常重要。

潛液式LNG泵具有運(yùn)行安全、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，已成為L(zhǎng)NG泵的主要結(jié)構(gòu)形式[8-9]。潛液式LNG泵的一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其所用電機(jī)密封于泵體內(nèi)、浸泡在-161℃低溫LNG中運(yùn)行，

圖1 潛液式LNG泵與低溫電機(jī)

為潛液式LNG泵的核心部件之一。潛液式LNG泵所用電機(jī)為低溫電機(jī)，其材料的低溫性能直接影響著電機(jī)的運(yùn)行性能和使用壽命，因此有必要對(duì)低溫電機(jī)材料的低溫性能進(jìn)行調(diào)研和系統(tǒng)總結(jié)。

1 低溫電機(jī)導(dǎo)磁材料低溫特性

低溫電機(jī)的導(dǎo)磁材料是硅鋼片，本文重點(diǎn)討論硅鋼片低溫下的導(dǎo)磁特性和鐵心損耗。

表1為目前各國(guó)學(xué)者關(guān)于各種硅鋼片低溫特性的研究結(jié)論。從表1中可以觀察到，硅鋼片在低溫-196℃的導(dǎo)磁性能略有提高，但與常溫差別不大；硅鋼片的低溫鐵心損耗增加，當(dāng)磁密不飽和時(shí)，低溫鐵耗增加值很小，而當(dāng)磁密飽和時(shí)，低溫鐵耗增加值較為明顯。因此，在設(shè)計(jì)低溫電機(jī)時(shí)，為了不增大電機(jī)的鐵耗，電機(jī)的磁負(fù)荷按照常溫電機(jī)取值較為合適。

注：表中低溫指-196℃。

2 低溫電機(jī)導(dǎo)體低溫特性

本文采用試驗(yàn)法研究了低溫電機(jī)導(dǎo)體的電阻率，其中導(dǎo)體為銅和鋁。

采用日置微歐計(jì)RM3543測(cè)量某電機(jī)定子單相繞組(銅材料)電阻在不同溫度下的電阻值，如圖1所示。通過(guò)對(duì)不同溫度下的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，可以得到電機(jī)電阻關(guān)于溫度的擬合函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)可以求出不同溫度的電阻比值，進(jìn)而得到銅導(dǎo)體電阻率的比值。按照該思路可求出不同溫度的銅導(dǎo)體電阻率與常溫25℃的比值函數(shù)τCu:

(1)

式中:t為溫度，單位為℃。

按照雙頻靜止試驗(yàn)法，可測(cè)量出某(鑄鋁)鼠籠式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子低頻電阻(折算值)在不同溫度的電阻值，如圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到轉(zhuǎn)子電阻關(guān)于溫度的擬合函數(shù)，進(jìn)而得到不同溫度鋁導(dǎo)體電阻率與常溫25℃的比值函數(shù)τAl:

(2)

圖2 定子單相電阻隨溫度的變化關(guān)系

圖3 轉(zhuǎn)子電阻隨溫度變化關(guān)系

根據(jù)銅、鋁導(dǎo)體的電阻率比值關(guān)于溫度的函數(shù)τCu(t)，τAl(t)，即可求出低溫電機(jī)在不同溫度的定、轉(zhuǎn)子電阻，進(jìn)而計(jì)算低溫電機(jī)的運(yùn)行性能。

3 低溫電機(jī)絕緣及永磁材料的低溫特性

文獻(xiàn)[15-17]均對(duì)低溫電機(jī)絕緣材料的低溫特性進(jìn)行了研究。其中，文獻(xiàn)[15]指出：低溫電機(jī)電纜應(yīng)采用聚四氟乙烯絕緣電纜；定子槽端部的主絕緣應(yīng)采用疊片狀的滌綸—聚酯薄膜—滌綸和Nomex人造纖維的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)；電機(jī)繞組采用環(huán)氧樹(shù)脂真空浸漆；定子繞組匝間絕緣采用瞬態(tài)阻抗涂層工藝，或使用重甲式厚層聚乙烯—氨基—酰亞胺絕緣層導(dǎo)線，導(dǎo)線外套單層滌綸玻璃；大多數(shù)絕緣材料浸泡在低溫絕緣液體中的絕緣強(qiáng)度會(huì)得到提高。文獻(xiàn)[16]指出，低溫電機(jī)定子繞組應(yīng)采用環(huán)氧樹(shù)脂真空浸漆；高溫聚四氟乙烯能夠滿足深冷低溫條件下的電機(jī)電纜絕緣強(qiáng)度要求，交聯(lián)聚乙烯電纜或交聯(lián)聚烯烴護(hù)套電纜能夠在一些碳?xì)浠衔锉糜秒姍C(jī)中使用。文獻(xiàn)[17]指出，低溫電機(jī)定子銅導(dǎo)線應(yīng)涂上聚酯酰亞胺，再涂上聚酰胺-酰亞胺并套上sofimide管，從而保證導(dǎo)線在77K低溫下的絕緣。

總結(jié)以上關(guān)于低溫電機(jī)絕緣材料文獻(xiàn)，可以得到有關(guān)低溫電機(jī)絕緣材料幾條重要結(jié)論：

(a)電纜應(yīng)采用聚四氟乙烯絕緣材料;

(b)槽絕緣和繞組匝間絕緣應(yīng)采用適應(yīng)低溫的復(fù)合絕緣層;

(c)繞組應(yīng)采用環(huán)氧樹(shù)脂真空浸漆。

文獻(xiàn)[17-18]研究了低溫永磁電機(jī)永磁材料的特性。文獻(xiàn)[17]指出傳統(tǒng)釹鐵硼永磁材料不宜用于低溫環(huán)境中，研制的低溫永磁電機(jī)樣機(jī)選用了釤鈷永磁材料，但并未進(jìn)行低溫試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[18]研究了推進(jìn)泵用低溫(-165℃或-240℃)永磁同步電動(dòng)機(jī)所用永磁材料的低溫特性。文中測(cè)量了低溫(-196℃)沖擊試驗(yàn)前后永磁體性能的變化，具體為測(cè)量永磁材料浸泡于液氮30 min前后的性能參數(shù)，測(cè)量結(jié)果匯總于表2。測(cè)試結(jié)果表明永磁體的磁特性略有惡化。

表2 低溫對(duì)永磁電機(jī)電磁特性的影響

注：表中低溫指-196℃。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)低溫電機(jī)導(dǎo)磁、導(dǎo)電、絕緣和永磁材料的低溫性能，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)硅鋼片的磁負(fù)荷不飽和時(shí)，其低溫磁導(dǎo)率和鐵心損耗與常溫接近；

(2)低溫電機(jī)的銅和鋁導(dǎo)體電阻率大幅降低，其值可根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算；

(3)低溫電機(jī)的絕緣材料方面需要重點(diǎn)考慮材料的低溫物理脆性，重要絕緣部位需要采用復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，定子繞組應(yīng)采用環(huán)氧樹(shù)脂真空浸漆；

(4)永磁材料的低溫性能目前還缺乏相關(guān)研究。低溫沖擊試驗(yàn)表明，短時(shí)間的低溫浸泡會(huì)惡化永磁體磁特性，但影響不大。

這些結(jié)論為研制性能良好的LNG泵用低溫電機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

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Summary for Material Properties of Cryogenic Induction Motor for Submerged Liquid Natural Gas Pump

TUJin1，AICheng-liu2，LIAOYong-xi1

(1.State Grid Yueyang Power Supply Company,Yueyang 414000,China; 2.Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

A cryogenic electrical motor is the key component of a submerged liquid natural gas (LNG) pump. Material properties in cryogenic electrical motors were summarized in this paper. The material properties are that magnetic conductive and core loss of silicon steels, electrical resistivity of conductors, low-temperature characteristics of insulating materials. The summary lays a foundation for analyzing, designing and producing a better cryogenic electrical motor for submerged LNG pumps.

LNG pump; cryogenic electrical motor; material property

2015-07-21

TM304

A

1004-7018(2016)01-0087-03

涂進(jìn)(1981-),男,碩士研究生,工程師，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備可靠性分析。