高壓電機線圈絕緣結構及工藝的發展方向探析

趙國彬

（佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

1 電機電樞中的絕緣結構

簡單來說，電樞繞組絕緣結構一般是隨著繞組結構型號的不同來分類的，其中為了最大化提高防潮的性能，一些大型的直流電機電樞是選擇連續式的絕緣結構來進行的。

匝間絕緣主要是應用在同一線圈中的相鄰之間的小元件，因而僅僅只能承受匝間的電壓。而對于大型直流電機匝間絕緣來說，最常采用的是裸銅線外半疊包一圈尺寸為0.1mm 云母帶，或者選擇用高強度漆包雙玻璃絲包線。而對于一般小型的電機來說，直接選擇雙玻璃絲包線即可。

保護布帶的主要目的是為了保護主絕緣不受到其他機械性的損傷的影響。簡單來說，一般B 級絕緣電機最常選擇0.1mm 玻璃絲帶半疊繞。

電樞繞組端部的絕緣往往和直線部分的纏繞方式是相同的，二者之間最大的差別主要是端部纏繞的層數比直線部分纏繞的層數少。在電機中，端部和層間都是存在電壓的，此時主要是因為層間和支架二者都存在絕緣的關系，以及為了進一步地改善冷卻的條件而使得在端部的絕緣區域中適當地減少纏繞的層數。

2 大型高壓發電機絕緣技術

在大型高壓發電機的絕緣結構中，定子繞組主絕緣一般主要采用的是多膠型絕緣體系，而更少使用一些少膠型的絕緣體系。而近年隨著技術水平的不斷提升已經有了多膠型、少膠型以及F 級絕緣體系。在我國發電機的絕緣技術中，最成熟的兩個技術是發電機絕緣300MW、600MW 技術，這兩種技術主要是應用在一些處于亞臨界火電機組上，一小部分用在一些核電機組中。隨著我國技術水平的不斷提升，已經逐漸地改變了電力的發展方式，其中，我國不斷地調整電源的結構，已經從先前的火電轉化為低碳清潔發展的方式。因此在當前絕緣技術中，重點是投資在一些低碳的火電機組和清潔能源之中，從而來進一步地適應時代的發展。而在火電機組中，一般也以超越臨界機組為主[1]。當前，在我國汽輪發電機的各類產品中，主要應用在火電機組和核電發電機組中，其中線棒絕緣一般選擇少膠型的絕緣方式，選用的是環氧粉云母帶連續式絕緣單只線棒VPI 的絕緣技術。對于火電1000MW的汽輪發電機來說，自身的額定電壓為27kV，因而所采取的絕緣結構則是連續式絕緣模型承壓的絕緣技術，自身的工作場強可以達到2.54MV/m。當前我國一些電機絕緣的企業正在研制少膠型的環氧粉云母連續式絕緣單只線棒VPI 絕緣技術，并將該種技術應用在火電和核電發電數量較大的汽輪發電機中，從而來最大化地促進發電機技術的長遠發展[2]。

3 大型高壓電動機自身的絕緣技術

近年來，隨著技術水平的不斷提升，一些大型高壓電動機逐漸地朝著小型化、重量變輕以及增大單機容量的方向發展，因此，對絕緣技術提出了更高的要求，這樣才能夠最大化地保證電機能夠正常穩定地運行。而隨著化學工業的快速發展，一些合成聚合物在電機絕緣技術中的應用范圍在不斷地擴大，進一步促進了大型高壓交流電動機絕緣技術的長遠發展和升級轉型。在當前高壓交流電動機中，最常使用的絕緣技術是F級絕緣體系，同時也還有H 級以上的絕緣體系，而當前大型交流電動機的額定電壓已經達到了13.8kV。但是近年來國家提出了要降低能源的消耗，使得對電動機方面也提出了更高的要求。電機中的變頻器的存在，給電機絕緣技術帶來了較大的困擾。傳統的絕緣結構在變頻器上已經不能使用，嚴重縮短了變頻器的使用壽命。在高壓交流電動機中，雖然所選擇的絕緣材料和結構不同，但是在絕緣技術的工藝中也經常使用多膠模壓型和少膠浸漬（VPI）型絕緣體系來進一步改進與提高電機中的絕緣水平。

3.1 多膠模壓絕緣體系

在多膠模壓絕緣體系中，一般最常見的是連續繞包、模壓成型以及嵌線后浸漬樹脂的絕緣體系，是當前我國高壓交流電動機中最常使用的絕緣技術。而粉云母帶的品種是非常多的，最常采用的是環氧多膠粉云母帶。

3.2 少膠粉云母浸漬環氧酸酐VPI 體系

在少膠粉云母浸漬環氧酸酐VPI 體系中，是國內電機制造業中最常使用的絕緣技術。在該種絕緣體系中，主要的絕緣選擇的是少膠單面的補強高定量鱗片粉云母紙，存在少含量促進劑的粉云母帶，而常見的補強材料包括纖維布和聚酯薄膜。該種云母帶膠含量較少，滲透性較強，因而可以用于高壓交流電機中，而含有一些促進劑可以減少浸漬樹脂的流失。對于浸漬樹脂來說，最常采用的是高純度的雙酚A 環氧樹脂以及4 甲基六氫苯二甲酸酐組合。但是由于樹脂的粘稠度較大[3]，相應的浸漬溫度需要達到65℃左右。對于環氧酸酐型浸漬樹脂來說，不含烯烴類的物質，自身的飽和蒸汽壓較低，不容易揮發，對周圍環境的影響也比較小。其中從低電壓到高電壓中都可以應用，在一些大中型交流電動機中的運用范圍較廣。總的來說，該種絕緣體系中絕緣性能較高，耐熱度、機械性能、輻射度以及對周邊環境的影響非常小。除此之外，能夠節省諸多的能源，簡化絕緣處理的工藝流程。

3.3 少膠粉云母脂環氧VPI 的絕緣體系的概述

在該種絕緣體系中，浸漬樹脂主要是由酯環族環氧樹脂、固化劑再添加一些稀釋劑進行高度混合而構成的，從而可以最大化地提高絕緣的性能。

4 高壓線圈絕緣的基本要求的概述

4.1 電氣強度

對于電機的絕緣技術來說，既希望絕緣的厚度越薄，同時也希望電氣強度較大。但是在電機的正常運行過程中，經常會受到一些大氣壓的影響和具體操作過程中電壓的沖擊，從而導致電機突然出現短路的現象。同時也會受到周圍溫度和電壓的日常影響，使絕緣將逐漸地老化，不能再產生絕緣性能。與此同時，電機中的振動和機械應力也會逐步地損傷電機中的絕緣結構。因此，在制造的過程中，需要對電機的絕緣進行多次耐壓試驗，從而觀察電機中的電氣強度。根據累積效應所體現出的種種因素來不斷地提高電氣強度。

4.2 介質損耗變小

在電機的絕緣結構中，當電機處于交變電場中，經常會產生介質損耗，并且會影響電機的絕緣性能。雖然介質損耗的熱量相對較小，但是在一些點上的熱量會相對集中。如果在某一個弱點上產生的熱量散發出去，會導致該點處的局部溫度逐漸地上升，從而增加了介質損耗的數量，導致電機絕緣性能急劇下降，嚴重的會造成該點處的熱擊穿現象發生。因此在一些大型高壓電機中，介質損耗不應該超過國家相應的標準數額。

4.3 抗電暈性

在大型高壓電機正常的運行過程中，絕緣結構的內部和結構表面都會產生電暈的現象，使得絕緣結構快速地老化和變得容易腐蝕。因此對于一些電壓較大的發電機和電動機來說，都要采取防電暈的措施，從而進一步提高和保障電機的正常運行。

4.4 能承受機械應力

在大型電機的日常運行過程中，線圈的絕緣需能夠承受一定程度的機械應力，而不會產生破裂或者是變形。由于線圈的膨脹系數和絕緣的膨脹系數二者不同，當溫度發生變化時，絕緣就會受到張力的影響。而線圈因為電磁力的作用，在線圈的端部會產生一些震動情況，使得線圈發生變形，導致電機不能穩定的工作。因此，在電機的絕緣結構中，需要絕緣結構可以具備一定的彈性，能夠承受一定程度的機械應力作用。

5 高壓電機線圈的具體加工工藝

5.1 每部分絕緣的構成、選用及加工工藝

5.1.1 股間絕緣的概述

股間絕緣主要是多根導線之間的絕緣，主要是由導線自身帶的絕緣所構成。對于一些功率較大的電機來說，如果選擇一根的導線，就容易導致電機的電密度增大，容易引起導線自身局部的發熱或者是放電現象的發生。反之，如果加大導線的寬度，將會導致在后續的繞組嵌線中造成諸多的不便，進而影響電機的穩定運行。因此可以選用多根導線代替一個導線的方法來進一步地降低電密度的問題。

5.1.2 匝間絕緣

匝間絕緣，主要是多根導線與其他的導線之間的絕緣，導線自身的耐壓能力和浸漆的加工工藝有著非常大的關聯。

5.1.3 層間絕緣

簡單來說，層間絕緣就是將某一個線槽中放兩把或多把不同相的線圈，這些線圈在同一個槽內不同的線圈要承受電機自身的額定電壓。但是為了最大化地避免相間放電現象的發生，可以在上下層之間增加層間絕緣。

對于成型繞組來說，如果每一個線圈都需要獨立包絕緣，此時層間絕緣是為了進一步地提高電機絕緣結構質量穩定可靠程度，一般選擇F 級絕緣電機用3240 的環氧玻璃布板。

5.1.4 槽口絕緣

在當前諸多類別的電機故障中，最常見的故障就是槽口放電現象。主要是當電機中的線圈在槽口處，遠離了鐵芯，就會產生較高的電位差，從而產生電暈現象。在線圈折彎處的槽口位置中，電場強度較高，因此需要在線圈的端部區域中包扎相應的高電阻防暈帶，一般是從線頭位置開始，之后沿著直線位置結束[4]。

5.2 VPI 工藝和熱壓模工藝

VPI 的內容是采用真空、加壓以及整體浸漬的方式來進行絕緣，在我國已經有三十多年的應用歷史。經過該種工藝處理后電機自身的機械強度、耐腐蝕性、導熱度以及其他性能均較為良好，因而一般主要應用在一些大型的高壓電機和中型的電機的浸漬工藝中。

6 關于絕緣工藝的概述

對于電機的絕緣結構來說，無論是哪一種絕緣工藝，最主要的就是形成緊密的、無空隙的絕緣結構。這些絕緣的方案都是屬于纏繞式的絕緣制品。對于富膠絕緣來說，是借助預先浸帶的方式來進行包扎線圈，之后再借助熱壓來得到相應的緊密的絕緣制品，其中VPI 工藝就是用真空的方式來除去空氣之后再加壓浸漬固化成型。

但是對于絕緣層壓制品中的層壓板來說，是借助預先浸上膠布熱壓而成，而筒狀制品是通過加熱纏繞的方式進一步得到緊密的絕緣制品，通過上述分析可知高壓電機的線圈的制造工藝與絕緣層制品的加工相類似。

6.1 熱包扎工藝

對于熱包扎的工藝來說，英國Jones Stroud 絕緣公司提出了“F 級高壓電機用不加壓富膠絕緣”，在該工藝中，最關鍵的是需要將電機中的線圈加熱到55 攝氏度，之后包扎相應的富膠云母帶，最后在外圍中包有密封帶。簡單來說，這種工藝的方案類似于筒狀制品的熱纏繞工藝。在熱包扎工藝中，需要控制云母帶中揮發物的含量以及相應的纏繞張力和環境中的溫度，最終實現不加壓的最終目標。而這種熱包扎的工藝主要是應用在一些4.16～6.7kV 電機的絕緣結構中。但是，對于一些小型的電機廠來說，可以選用此種加工的方法。有些加工廠選用自動包帶機來進行包扎，可以最大化地提高包扎的緊密度與速度，從而來提高線圈的質量水平。

6.2 液壓工藝

無論是液壓工藝還是熱壓工藝，都會存在絕緣結構固化時膠液的流失問題，從而影響著電機中線圈的使用性能，因此需要不斷改進材料以及施工的工藝。當前國內外工廠采用的是液壓工藝，該種絕緣結構是在密封的條件下進行受熱固化成型的，可減少膠液的流失現象，使得制造出的絕緣結構具有較高的機械性能。

7 高壓電機中線圈絕緣結構的發展趨勢

第一種趨勢是少膠VPI 絕緣結構，目前已具有較高的成熟度和評價認同度，我們思考的優化方案推薦是以鍛燒型云母紙替代現行非鍛燒型云母紙絕緣結構，在提高結構整體性和應力抵抗壽命方面應該有更大的積極作用，也有利于絕緣結構進一步的減薄設計，值得研究嘗試。第二種是多膠云母絕緣，采用單面補強云母帶，真空液壓工藝方式的多膠結構，能夠克服傳統模壓雙面補強的諸多結構分散不可靠因素，具有獨立材料完成性，實現較高的云母含量和優良的整體連續均勻理想性，而且相對工序環節更少，環境更環保，材料或設備及運行維護成本都有很大的節約。

8 結語

總而言之，電機中絕緣性能的好壞直接影響著電機自身的使用壽命和質量水平。而當前電機的發展趨勢往往向輕量化、小型化、多功能化的方向發展，為了順應時代發展的潮流，絕緣結構也應當向減薄化、容易操作以及高散熱方向不斷發展。基于此，在當前電機中線圈絕緣結構的制造和加工工藝中，需要加大研發的力度，不斷地改進線圈的絕緣工藝，逐步提高絕緣的性能，使電機中的線圈在正常的運行過程中能夠穩定快速地發揮作用。與此同時，還需對容易出現的問題進行全方位、多層次以及寬領域的探索與研究，從而提出最佳的解決方案，最大化地促進線圈在電機中的使用性能。