雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張道朋

(弗蘭德傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司海泰分公司，天津 300384)

0 引 言

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)轉(zhuǎn)子由變頻器供電[1]，變頻器在系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖電壓，在這種高頻脈沖電壓作用下DFIG轉(zhuǎn)子繞組絕緣表面和絕緣內(nèi)部微小氣隙會(huì)產(chǎn)生局部放電，絕緣系統(tǒng)將承受更嚴(yán)酷的電、熱應(yīng)力，造成絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)的損害[2-3]，導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)過早失效[4]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)有2種:(1)以耐電暈聚酰亞胺薄膜為主要耐電暈材料，復(fù)合云母為輔，這種結(jié)構(gòu)具有機(jī)械強(qiáng)度較高、厚度薄的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)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(jié)構(gòu)與前者相比具有導(dǎo)熱系數(shù)高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但絕緣較厚[5]。

針對(duì)DFIG轉(zhuǎn)子的特殊要求，通過電場(chǎng)仿真分析和轉(zhuǎn)子模擬線圈試驗(yàn)，探索普通絕緣材料應(yīng)用于轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)的可行性，對(duì)開展風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究具有重要意義。

1 電場(chǎng)仿真分析

1.1 二維建模

轉(zhuǎn)子繞組雙邊絕緣厚度約為1.8 mm，嵌線間隙為0.5 mm。假設(shè)繞組浸漆之后，嵌線間隙被浸漬漆全部填滿，由此畫出單個(gè)槽內(nèi)的繞組截面二維簡(jiǎn)化模型并計(jì)算，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子二維簡(jiǎn)化模型

1.2 分析計(jì)算

DFIG轉(zhuǎn)子的開口電壓一般約為2 kV，但是由于轉(zhuǎn)子是變頻供電，轉(zhuǎn)子繞組絕緣結(jié)構(gòu)需要承受對(duì)地脈沖電壓,如圖2所示，轉(zhuǎn)子需要承受對(duì)地峰值電壓Upk為2.0 kV。轉(zhuǎn)子繞組絕緣按照繞組承受對(duì)地峰值電壓為設(shè)計(jì)輸入依據(jù)，而實(shí)際絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測(cè)試過程中，考慮脈沖電壓對(duì)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(duì)地峰值電壓Upk。

圖2 轉(zhuǎn)子繞組在1個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)承受對(duì)地脈沖電壓

在此使用Ansys Maxwell軟件仿真時(shí)，設(shè)定繞組每處的絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)介電常數(shù)為3.8，對(duì)轉(zhuǎn)子繞組施加相電壓設(shè)定為2.0 kV，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3為槽內(nèi)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。從圖3中可以看出,槽內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度在銅排的R角位置，其電場(chǎng)強(qiáng)度約為2.2 kV/mm，槽內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)地平均電場(chǎng)強(qiáng)度約為1.8 kV/mm。

圖3 槽內(nèi)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖4為槽口絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。從圖中可以看出,絕緣結(jié)構(gòu)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在槽口位置;絕緣材料中最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為3.8 kV/mm;空氣在槽口位置的最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為4.3 kV/mm。

繞組的單邊絕緣厚度長(zhǎng)期承受的電場(chǎng)強(qiáng)度為3～4 kV/mm[6]，而仿真結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為3.8 kV/mm。因此，從理論上轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)可以使用普通云母帶作為主絕緣結(jié)構(gòu)。但是需要驗(yàn)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(jù)巴申定律，空氣的擊穿電壓與氣壓和間距有關(guān)，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(huì)起暈。因此槽口位置的空氣是否起暈放電需要測(cè)試絕緣結(jié)構(gòu)的起暈電壓。

圖4 槽口絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布

2 轉(zhuǎn)子繞組試樣制備

本試驗(yàn)的轉(zhuǎn)子繞組試樣絕緣結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子繞組試樣絕緣結(jié)構(gòu)

浸漬絕緣漆之后的轉(zhuǎn)子繞組試樣模型如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)子繞組試樣模型

3 討論與分析

3.1 轉(zhuǎn)子繞組試樣介質(zhì)損耗因數(shù)分析

中型高壓電機(jī)少膠整浸線圈質(zhì)量的優(yōu)等品要求為0.6UN測(cè)試電壓時(shí),在常溫下，介質(zhì)損耗因數(shù)小于1.5%；在155 ℃下，高溫介質(zhì)損耗因數(shù)小于8%[7]。

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

圖6 轉(zhuǎn)子繞組試樣常溫介損和熱態(tài)介損數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果顯示3種試樣均達(dá)到了優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，試樣3的常溫和高溫介質(zhì)損耗因數(shù)小于其他2種絕緣結(jié)構(gòu)。試樣1和試樣2介質(zhì)損耗因數(shù)高的一個(gè)重要原因是浸漆烘焙時(shí)，浸漬漆容易從聚脂薄膜補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶中薄膜一側(cè)流失，在繞組絕緣層中留下微孔，使聚脂薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶結(jié)構(gòu)介質(zhì)損耗因數(shù)較大。

3.2 局部放電分析

變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機(jī)比工頻供電的電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)更容易局部放電[8]。本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)有2種不存在耐電暈材料，如發(fā)生局部放電，則可使這2種絕緣迅速失效。因此，測(cè)量繞組絕緣結(jié)構(gòu)放電水平可作為評(píng)價(jià)本次絕緣結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

3種轉(zhuǎn)子試樣進(jìn)行了局部放電測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，3種結(jié)構(gòu)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(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶，玻璃布補(bǔ)強(qiáng)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(jìn)而減少絕緣結(jié)構(gòu)中的缺陷，從而提高繞組結(jié)緣結(jié)構(gòu)的局部放電起始電壓。

圖7 轉(zhuǎn)子局部放電測(cè)試結(jié)果

試樣2和試樣3在50 pC放電量時(shí)，起始電壓均超過2.0 kV，可滿足轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)電氣性能要求。

3.3 起暈電壓

在暗室中，對(duì)試樣2和試驗(yàn)3進(jìn)行起暈電壓測(cè)試，其起暈電壓均超過2.5 kV。絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真中空氣在槽口的最大電場(chǎng)強(qiáng)度較高，但是由于間隙距離較小，絕緣結(jié)構(gòu)在承受2 kV電壓時(shí)，空氣在槽口位置不會(huì)發(fā)生電暈放電，兩種試驗(yàn)結(jié)構(gòu)滿足轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

3.4 擊穿電壓分析

表2為轉(zhuǎn)子繞組試樣的擊穿電壓測(cè)試數(shù)據(jù)。從表2中可以看出3種絕緣結(jié)構(gòu)的爬電擊穿均不低于24.3 kV，滿足轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

表2 轉(zhuǎn)子繞組試樣擊穿電壓

4 結(jié) 語

綜合有限元分析和模擬繞組試驗(yàn)，可得如下結(jié)論：

(1) 單面玻璃絲布補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶有助于提高絕緣結(jié)構(gòu)一體性，減小繞組結(jié)構(gòu)中的氣隙缺陷，從而有利于提高絕緣結(jié)構(gòu)的局部放電起始電壓，降低介質(zhì)損耗因數(shù)。

(2) 單面玻璃絲布補(bǔ)強(qiáng)云母帶可以單獨(dú)使用或配合聚酯薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶使用，2種絕緣結(jié)構(gòu)電氣性能均良好，完全能夠滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子工作要求。