利茲繞組線研制及應用探索研究

胡 義，周曉晟

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

Litz漆包繞組線是指以一定導體根數(shù)的漆包圓線按不同的絞向和絞合節(jié)距絞合形成的圓形或壓成矩形的絞合導線。其換位方式通常采用偶數(shù)換位，并用玻璃絲、聚酯薄膜、聚酰亞胺薄膜、云母帶等絕緣材料進行最外層繞包的繞組線。

導體匝內(nèi)換位的主要目的是均流，降低電流的“趨膚效應”，減少功率損耗；同時均勻表面電場分布，降低電場集中和電場突變，提高成型繞組結(jié)構(gòu)的長期耐電壽命。目前，在自補償高頻脈沖發(fā)電機、超導電機、直線電機、船用電機、逆變器等領(lǐng)域得到了廣泛使用。

近年來，隨著航天、軍工、超導電機等特殊用途的變頻電機、自補償高頻脈沖發(fā)電機的快速發(fā)展，對類似利茲線的匝內(nèi)換位導線的設(shè)計、選用頗為急切。在高壓交流電機定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計、選用時，需要對利茲線制造時換位處的損傷、潤滑方式，試驗考核和排間、股間絕緣及氣隙填充，導體表面掛漆量及與對地絕緣結(jié)構(gòu)體系的相容性試驗，絕緣結(jié)構(gòu)的常規(guī)電氣性能試驗、長期耐電壽命試驗、熱老化試驗，整機繞組固化后的電氣性能測試驗證。本文對線圈繞制及過程絕緣性能評估等內(nèi)容進行相關(guān)的探索研究。

1 Litz繞組線主要技術(shù)及驗收要求

1.1 主要技術(shù)要求

Litz繞組線中的導體表面應無油污、金屬粉末及其他雜質(zhì)，絕緣繞包層應連續(xù)、緊密適度、均勻平服地繞在線芯上，絕緣層不允許有起皺、開裂、疊包不均勻及任何雜質(zhì)。Litz繞組線采用H級漆包圓線制造，漆膜厚度為1級漆膜絕緣。Litz繞組線采用的漆包圓線在生產(chǎn)過程中不允許有焊接點。Litz繞組線線芯不允許有影響性能的任何缺陷。Litz繞組線的換位節(jié)距、換位方向等換位要求按供貨圖。Litz繞組線繞包絕緣采用在換位后成束的Litz線外面再搭接2 mm包、半疊包等方式進行絕緣包軋，材料為H級少膠粉云母帶，云母含量大于50%，與環(huán)氧酸酐漆的相容性良好。繞包層應連續(xù)、緊密適度、均勻平服，不允許有起皺或開裂現(xiàn)象。Litz繞組線須滿足每次訂貨圖中的導體規(guī)格、尺寸、線匝數(shù)、絕緣厚度及其他技術(shù)要求。Litz繞組線出廠前須進行短路點測試：采用萬用表的電阻“Ω”端的×1或×10檔，將測量桿依次測量，直至全部漆包圓繞組線測量完畢，測試結(jié)果不允許有短路現(xiàn)象。工頻擊穿試驗：截取5段1 m長換位導體，用鋁箔包繞中間部位800 mm，鋁箔邊緣距離端頭100 mm，鋁箔表面用布帶纏繞。除去換位線一端的各單股線的絕緣，并用金屬絲將各單股線連接，然后按500 V/s施加電壓，直到試樣擊穿。

額定電壓6 kV級Litz繞組線，擊穿電壓≥5 000 V；額定電壓10 kV級Litz繞組線，擊穿電壓≥6 500 V。

1.2 驗收要求

外觀檢查，繞組線表面無油污、粉塵及其他機械雜質(zhì)，絕緣繞包層連續(xù)、緊密，外包裝無破損，符合要求。導體規(guī)格、線匝數(shù)、換位節(jié)距、總導體數(shù)、漆膜厚度、成束的截面尺寸、絕緣繞包方式及最終的絕緣尺寸符合要求。短路點試驗，成盤Litz繞組線首尾全部進行短路點測試，無短路。工頻擊穿試驗，截取5段1 m長換位導體分別進行短時交流耐壓試驗，擊穿電壓值均大于8 500 V。

2 實驗驗證過程

2.1 試樣制備

試驗線棒將連續(xù)換位導線束裁取為750 mm長短料，每4段匯成一根試樣。高度方向雙面貼合匝間膠化材料2340-D，并在熱壓模上進行線棒膠化，然后混合半疊包玻璃布補強少膠粉云母帶5452-1和聚酰亞胺薄膜補強少膠粉云母帶5452-1P各4層，共8層，最后在居中250 mm范圍內(nèi)半疊包一層0.08 mm×25 mm低阻防暈帶SD2644。

上模擬鐵心夾板后，21根試樣真空壓力浸漬F級少膠浸漆樹脂SD1145一次，21根試樣真空壓力浸漬H級少膠浸漆樹脂SD1150一次，烘焙固化后進行絕緣電氣性能測試試驗。

2.2 常態(tài)介質(zhì)損耗測試

11根F級試驗線棒和11根H級試驗線棒，分別測試常態(tài)介質(zhì)損耗。

2.3 熱態(tài)介質(zhì)損耗測試

常態(tài)介質(zhì)損耗測試后的5根F級試驗線棒和5根H級試驗線棒，分別測試其熱態(tài)介質(zhì)損耗。

2.4 瞬時工頻擊穿試驗

熱態(tài)介質(zhì)損耗測試后的5根F級試驗線棒和5根H級試驗線棒，分別在室溫變壓器油中進行短時工頻交流電壓擊穿試驗。

2.5 電老化試驗

常態(tài)介質(zhì)損耗測試后的6根F級試驗線棒和6根H級試驗線棒，分兩組進行室溫電老化試驗，試驗施加的工頻交流電壓值為2.5UN，即25 000 V。

2.6 定溫熱老化

10根F級試驗線棒放置在恒溫200 ℃的鼓風熱烘箱中，10根H級試驗線棒放置在恒溫220 ℃的鼓風熱烘箱中，分別進行定溫熱老化試驗。經(jīng)歷40天、80天熱老化試驗后，各取出5根試樣再進行短時工頻擊穿試驗。

3 試驗測試數(shù)據(jù)

3.1 F級少膠絕緣系統(tǒng)SD1145

3.1.1 常態(tài)、熱態(tài)介質(zhì)損耗測試和瞬時工頻擊穿電壓試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 常態(tài)、熱態(tài)介質(zhì)損耗測試和瞬時工頻擊穿電壓試驗值

數(shù)據(jù)分析：介損及介損增量符合要求，但熱態(tài)介損偏高，可能是漆包線與VPI浸漬樹脂的相容性及換位處間隙樹脂未完全填充所致。

3.1.2 交流擊穿試驗

線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗在變壓器油中進行，結(jié)果見表2。

表2 線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：5根線棒的短時工頻交流電壓擊穿平均值為88.57 kV，按10 kV電壓等級絕緣結(jié)構(gòu)考核，裕度系數(shù)大于7倍，滿足設(shè)計要求。

3.1.3 定溫熱老化試驗數(shù)據(jù)

試驗線棒放置在200 ℃恒溫鼓風熱烘箱中，老化40天、80天后分別取出5根線棒，在變壓器油中進行短時工頻交流電壓擊穿試驗，結(jié)果見表3。

表3 定溫熱老化后線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：定溫熱老化40天、80天后的5根線棒的短時工頻交流擊穿電壓值下降率為30%左右，且熱老化40天后的擊穿電壓下降率趨于穩(wěn)定，80天熱老化后與40天相比較，基本無變化，說明該絕緣結(jié)構(gòu)足以滿足F級絕緣耐熱壽命要求。

3.1.4 電老化試驗

在室溫條件下，對6根試驗線棒長期施加25 kV工頻交流電壓，直至擊穿；要求線棒的電老化試驗時間中值大于800 h。

試驗結(jié)果：電老化試驗超過1 200 h，仍無擊穿；滿足要求，試驗結(jié)束。

3.2 H級少膠絕緣系統(tǒng)SD1150

3.2.1 常態(tài)、熱態(tài)介質(zhì)損耗測試和瞬時工頻擊穿電壓試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 常態(tài)、熱態(tài)介質(zhì)損耗測試和瞬時工頻擊穿電壓試驗值

數(shù)據(jù)分析：介損及介損增量符合要求，但熱態(tài)介損偏高，可能是漆包線與VPI浸漬樹脂的相容性及換位處間隙樹脂未完全填充所致。

3.2.2 交流擊穿試驗

線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗在變壓器油中進行，結(jié)果見表5。

表5 線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：5根線棒的短時工頻交流電壓擊穿平均值為85.26 kV，按10 kV電壓等級絕緣結(jié)構(gòu)考核，裕度系數(shù)大于7倍，滿足設(shè)計要求。

3.2.3 定溫熱老化試驗數(shù)據(jù)

試驗線棒放置在220 ℃恒溫鼓風熱烘箱中，老化40天、80天后分別取出5根線棒，在變壓器油中進行短時工頻交流電壓擊穿試驗，結(jié)果見表6。

表6 定溫熱老化后線棒的短時工頻交流電壓擊穿試驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：定溫熱老化40天、80天后的5根線棒的短時工頻交流擊穿電壓值下降率均小于30%左右，且熱老化40天后的擊穿電壓下降率趨于穩(wěn)定，說明該絕緣結(jié)構(gòu)足以滿足H級絕緣耐熱壽命要求。

3.2.4 電老化試驗

在室溫條件下，對6根試驗線棒長期施加25 kV工頻交流電壓，直至擊穿；要求線棒的電老化試驗時間中值大于800 h。

試驗結(jié)果：電老化試驗超過1 400 h，仍無擊穿；滿足要求，試驗結(jié)束。

4 結(jié)論

4.1 試制的Litz導線的導體漆膜厚度、線匝數(shù)、換位節(jié)距、截面尺寸、絕緣包扎、絕緣厚度等滿足設(shè)計要求，經(jīng)短路點試驗和工頻電壓擊穿試驗驗證，可用作交流高壓電機繞組線使用。

4.2 Litz導線與少膠粉云母帶、VPI樹脂組成的絕緣結(jié)構(gòu)，由于換位處的間隙不易被VPI浸漬的樹脂完全填滿，因而結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗因素要略高于常規(guī)銅扁線，特別是熱態(tài)損耗大。這對其在高頻或變頻電機領(lǐng)域應用要引起足夠的重視。

4.3 Litz導線的連續(xù)換位結(jié)構(gòu)，可以有效改善線圈內(nèi)的導體表面電位，使其分布更均勻，減少繞組棱邊處的電場集中和電場突變，提高整個繞組的長期耐電壽命，從而有利于減薄主絕緣厚度。

4.4 通過絕緣結(jié)構(gòu)的常規(guī)電氣性能試驗和線棒的定溫熱老化試驗、室溫電老化試驗驗證，Litz導線可應用于我公司額定電壓為10 kV級、F級少膠絕緣系統(tǒng)SD1145及H級少膠絕緣系統(tǒng)SD1150電機繞組的生產(chǎn)制造。