雙饋風力發電機轉子絕緣結構優化研究

張道朋

(弗蘭德傳動系統有限公司海泰分公司，天津 300384)

0 引 言

雙饋風力發電機(DFIG)轉子由變頻器供電[1]，變頻器在系統中會產生高頻脈沖電壓，在這種高頻脈沖電壓作用下DFIG轉子繞組絕緣表面和絕緣內部微小氣隙會產生局部放電，絕緣系統將承受更嚴酷的電、熱應力，造成絕緣材料和絕緣結構的損害[2-3]，導致絕緣系統過早失效[4]。

風力發電機的轉子絕緣結構有2種:(1)以耐電暈聚酰亞胺薄膜為主要耐電暈材料，復合云母為輔，這種結構具有機械強度較高、厚度薄的優點，但缺點是導熱系數低，導熱性能差，成本較高；(2)以云母為主要耐電暈材料，這種絕緣結構與前者相比具有導熱系數高、成本低的優點，但絕緣較厚[5]。

針對DFIG轉子的特殊要求，通過電場仿真分析和轉子模擬線圈試驗，探索普通絕緣材料應用于轉子絕緣結構的可行性，對開展風力發電機轉子絕緣結構優化研究具有重要意義。

1 電場仿真分析

1.1 二維建模

轉子繞組雙邊絕緣厚度約為1.8 mm，嵌線間隙為0.5 mm。假設繞組浸漆之后，嵌線間隙被浸漬漆全部填滿，由此畫出單個槽內的繞組截面二維簡化模型并計算，如圖1所示。

圖1 轉子二維簡化模型

1.2 分析計算

DFIG轉子的開口電壓一般約為2 kV，但是由于轉子是變頻供電，轉子繞組絕緣結構需要承受對地脈沖電壓,如圖2所示，轉子需要承受對地峰值電壓Upk為2.0 kV。轉子繞組絕緣按照繞組承受對地峰值電壓為設計輸入依據，而實際絕緣結構設計和測試過程中，考慮脈沖電壓對繞組絕緣的電沖擊烈度比較高，一般采用等值的工頻相電壓UP代替脈沖電壓對地峰值電壓Upk。

圖2 轉子繞組在1個開關轉換周期內承受對地脈沖電壓

在此使用Ansys Maxwell軟件仿真時，設定繞組每處的絕緣結構相對介電常數為3.8，對轉子繞組施加相電壓設定為2.0 kV，仿真結果如圖3和圖4所示。

圖3為槽內絕緣系統電場強度分布圖。從圖3中可以看出,槽內最大電場強度在銅排的R角位置，其電場強度約為2.2 kV/mm，槽內絕緣結構對地平均電場強度約為1.8 kV/mm。

圖3 槽內絕緣系統電場強度分布

圖4為槽口絕緣系統電場強度分布圖。從圖中可以看出,絕緣結構的最大電場強度出現在槽口位置;絕緣材料中最大電場強度約為3.8 kV/mm;空氣在槽口位置的最大電場強度約為4.3 kV/mm。

繞組的單邊絕緣厚度長期承受的電場強度為3～4 kV/mm[6]，而仿真結果顯示轉子絕緣結構的最大電場強度為3.8 kV/mm。因此，從理論上轉子絕緣結構可以使用普通云母帶作為主絕緣結構。但是需要驗證槽口是否存在電暈放電問題。

空氣的擊穿電壓一般約為3 kV/mm，但是根據巴申定律，空氣的擊穿電壓與氣壓和間距有關，槽口位置繞組與鐵心的間距距離較小，不能直接判斷其是否會起暈。因此槽口位置的空氣是否起暈放電需要測試絕緣結構的起暈電壓。

圖4 槽口絕緣系統電場強度分布

2 轉子繞組試樣制備

本試驗的轉子繞組試樣絕緣結構如表1所示。

表1 轉子繞組試樣絕緣結構

浸漬絕緣漆之后的轉子繞組試樣模型如圖5所示。

圖5 轉子繞組試樣模型

3 討論與分析

3.1 轉子繞組試樣介質損耗因數分析

中型高壓電機少膠整浸線圈質量的優等品要求為0.6UN測試電壓時,在常溫下，介質損耗因數小于1.5%；在155 ℃下，高溫介質損耗因數小于8%[7]。

圖6為工頻電壓測試轉子繞組試樣的介質損耗因數，從圖6中可以看出,在常溫、2.0 kV測試電壓下，模擬繞組的常溫介質損耗因數增量較小，3種試樣的介質損耗因數值均不超過1.5%；在155 ℃、2.0 kV測試電壓下，3種試樣的高溫介質損耗因數也均未超過8%。

圖6 轉子繞組試樣常溫介損和熱態介損數據

試驗結果顯示3種試樣均達到了優等品標準。與此同時，試樣3的常溫和高溫介質損耗因數小于其他2種絕緣結構。試樣1和試樣2介質損耗因數高的一個重要原因是浸漆烘焙時，浸漬漆容易從聚脂薄膜補強少膠云母帶中薄膜一側流失，在繞組絕緣層中留下微孔，使聚脂薄膜補強云母帶結構介質損耗因數較大。

3.2 局部放電分析

變頻器供電的旋轉電機比工頻供電的電機絕緣結構更容易局部放電[8]。本次設計的轉子絕緣結構有2種不存在耐電暈材料，如發生局部放電，則可使這2種絕緣迅速失效。因此，測量繞組絕緣結構放電水平可作為評價本次絕緣結構性能的關鍵指標。

3種轉子試樣進行了局部放電測試，測試結果如圖7所示。從圖7中可以看出，3種結構的局部放電性能從高到低依次為試樣3、試樣2、試樣1。相比薄膜補強少膠云母帶，玻璃布補強少膠云母帶的透氣性能更好，浸漬漆可充分填充其層間的孔隙，進而減少絕緣結構中的缺陷，從而提高繞組結緣結構的局部放電起始電壓。

圖7 轉子局部放電測試結果

試樣2和試樣3在50 pC放電量時，起始電壓均超過2.0 kV，可滿足轉子絕緣結構電氣性能要求。

3.3 起暈電壓

在暗室中，對試樣2和試驗3進行起暈電壓測試，其起暈電壓均超過2.5 kV。絕緣結構電場仿真中空氣在槽口的最大電場強度較高，但是由于間隙距離較小，絕緣結構在承受2 kV電壓時，空氣在槽口位置不會發生電暈放電，兩種試驗結構滿足轉子絕緣結構設計要求。

3.4 擊穿電壓分析

表2為轉子繞組試樣的擊穿電壓測試數據。從表2中可以看出3種絕緣結構的爬電擊穿均不低于24.3 kV，滿足轉子絕緣結構設計要求。

表2 轉子繞組試樣擊穿電壓

4 結 語

綜合有限元分析和模擬繞組試驗，可得如下結論：

(1) 單面玻璃絲布補強少膠云母帶有助于提高絕緣結構一體性，減小繞組結構中的氣隙缺陷，從而有利于提高絕緣結構的局部放電起始電壓，降低介質損耗因數。

(2) 單面玻璃絲布補強云母帶可以單獨使用或配合聚酯薄膜補強云母帶使用，2種絕緣結構電氣性能均良好，完全能夠滿足風力發電機轉子工作要求。