風力發電機定子絕緣結構可靠性研究

王亞飛，程 浩，李 洋

應用研究

風力發電機定子絕緣結構可靠性研究

王亞飛1, 2，程 浩1, 2，李 洋1, 2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，湖北武漢，430064；2.湖北長海新能源科技有限公司，湖北黃岡 438000）

為了驗證風力發電機絕緣結構在極端環境的可靠性，采用風力發電機定子絕緣結構VPI浸漬兩種絕緣樹脂制作樣件，分別在高溫高頻脈沖方波電壓以及冷熱沖擊、鹽霧循環條件下條件下進行脈沖老化和環境試驗，研究在高溫高頻脈沖電壓和冷熱沖擊、鹽霧環境下的絕緣性能變化。試驗結果表明：在一定電壓、頻率、dV/dt條件下的高頻脈沖老化試驗能夠有效評估絕緣結構的耐脈沖老化性能；在熱應力和電應力協同作用下，定子樣件的介質損耗因數先降低后升高，脈沖電暈起始電壓逐步下降；采用7122-6浸漬的定子樣件的耐脈沖老化性能更優，絕緣結構可靠性更優。

風力發電機 脈沖老化 絕緣結構 可靠性

0 引言

當下風力發電機不斷地朝著高功率密度、高電壓、高可靠性方向發展，性能優異、可靠的絕緣結構是提升風力發電機可靠性和高功率密度的重要基礎。目前風力發電機的絕緣結構通常采用玻璃布或薄膜補強少膠粉云母帶繞包，通過真空壓力浸漬（VPI）絕緣樹脂[1]并高溫固化而成[2]。

風力發電機具有獨特的高頻率、高d/d的脈沖電壓，絕緣結構長期受到高頻、高d/d脈沖電壓的沖擊，加上鹽霧、冷熱沖擊等多重影響，在電應力、熱應力、機械應力的協同作用下，隨著老化時間的增加，絕緣破壞產生的缺陷會越來越多，缺陷的產生會進一步導致局部放電增多，加速絕緣老化，直至絕緣劣化擊穿[3]。因此，研究高頻脈沖電壓、鹽霧、冷熱沖擊條件下絕緣結構的性能變化[4-6]，對絕緣材料的選擇以及電機的運行壽命、可靠性評估具有至關重要的意義。

本研究在頻率為10 kHz、峰峰電壓為11.5 kV的雙極性方波脈沖電壓及155℃條件下，對某風力發電機定子樣件進行高溫高頻脈沖老化試驗，同時研究了冷熱沖擊、鹽霧等極端環境對定子樣件的絕緣性能的影響，考察風力發電機絕緣結構在極端環境下的可靠性。

1 實驗

1.1 試驗樣品制作及儀器設備

7122-6 F-H級環保型無溶劑絕緣樹脂（以下簡稱7122-6），湖北長海新能源科技有限公司；同類型環保絕緣漆A，國外某公司。

介質損耗測定儀，QS37a，上海楊高電器有限公司；

高頻脈沖老化試驗平臺：西安兆福電子有限公司；

鹽霧試驗箱：南京環科試驗設備有限公司。

1.2 實驗過程

按某型風力發電機定子絕緣結構制作模擬線棒，試樣直線部分取200 mm嵌槽，并分別浸漬7122-6和絕緣漆A。分別測試各試樣的介質損耗因數和高頻電暈起始電壓。

1.2.1 高溫高頻脈沖老化試驗

對試驗線棒進行加速脈沖老化試驗。脈沖老化條件為：試驗溫度為155 ℃，dV/dt=13 kV/μs，Vp-p=11500 V，頻率為10 kHz。每隔48 h測試介質損耗因數和高頻電暈起始電壓。

圖1 高頻脈沖老化試驗電極引線示意圖

1.2.2 環境試驗

對試驗線棒進行環境試驗。

將線棒放入155 ℃烘箱中加熱3 h，然后5 min內放入常溫水中，浸泡1h后拿出，5 min內重復上一動作，將線棒放入155 ℃烘箱中，記一個周期，重復4個周期后進行鹽霧試驗：按GB/T 2423.17-2008進行。試驗條件：NaCl溶液濃度：5％，pH值：3.2，試驗時間：168 h。

環境試驗共進行4個大周期，每個周期后進行介質損耗因數和耐電壓試驗。

2 結果與討論

2.1 絕緣結構絕緣性能

7122-6的固化揮發份低，能夠大大減少電機電器在浸漬固化時所產生氣隙，從而減少絕緣薄弱環節，提高絕緣性能。表1為采用7122-6與絕緣漆A的模擬線棒絕緣性能，可以看出，7122-6浸漬的模擬線棒155 ℃介質損耗因數更低，高頻脈沖起始電壓略高，絕緣性能優異。

表1 模擬線棒的絕緣性能

2.2 耐脈沖老化性能

2.2.1介質損耗因數

各樣件不同老化時間的介質損耗因數如圖2所示。

圖2 不同脈沖老化時間后模擬線棒的介質損耗因數

從圖2可以看出，隨著老化時間的增加，介質損耗因數先降低，然后再升高。在高頻率、高d/d的脈沖電壓條件下，集膚效應使得電阻增大，銅耗隨之增大，導致發熱量增加，在較高的溫度下主絕緣可能會進一步固化，絕緣樹脂的分子量增大，極性基團隨電壓變化的運動能力減弱，使得介質損耗因數降低。隨著高溫時間的延長，絕緣材料逐漸呈現熱老化，另一方面，脈沖電壓從正到負或從負到正時，絕緣會承受尖峰電壓兩倍的電壓和極高的d/d變化率，匝間會產生局部放電，腐蝕絕緣層，帶電質子可能破壞絕緣樹脂的化學鍵，降低分子量，其極性基團隨電壓變化的能力增強，介質損耗因數逐漸升高，造成絕緣劣化。采用7122-6浸漬的模擬線棒介質損耗因數小，在高頻脈沖條件下放熱量更低，介質損耗因數的變化率更小。

2.2.2 高頻電暈起始電壓

在脈沖老化過程中，絕緣結構不斷受到高頻脈沖電壓的沖擊，脈沖電壓的極性從正到負或從負到正時，絕緣結構承受著一個二倍于尖峰電壓值的全幅電壓，繞組匝間會產生局部放電甚至產生電暈，產生的能量可能破壞分子鍵，生成小分子物質，逐漸腐蝕絕緣層。

環保型絕緣樹脂具有極低的固化揮發份，有助于減少烘焙固化過程中產生的缺陷和氣隙，但受制于絕緣結構整體的復雜性，不可避免地產生絕緣薄弱點。由于電離作用，在絕緣的氣隙、缺陷等薄弱點中又會產生空間電荷，形成一個與外加電場反向的感應電場。當電壓極性改變時，這個反向電場與外加電場方向一致，其峰值可達電壓額定值的2～5倍，它會導致電暈的數量增加，造成絕緣劣化甚至失效。

圖3 不同脈沖老化時間后模擬線棒的高頻電暈起始電壓

從圖3可以看出，隨著脈沖老化時間的延長，絕緣結構的高頻電暈起始電壓不斷降低，絕緣性能劣化明顯。

2.2.3 脈沖老化壽命

在高頻脈沖電壓條件下，熱老化和電老化會產生協同作用，隨著老化時間的增加，絕緣破壞產生的缺陷會越來越多，缺陷的產生會進一步使介質損耗因數增大，局部放電和電暈增多，加速絕緣的熱老化與電老化，直至絕緣劣化擊穿。

從圖4可以看出，7122-6浸漬的定子樣件在高頻率、高dV/dt的脈沖電壓條件下壽命比絕緣漆A浸漬的模擬線棒壽命更長。

圖4 模擬線棒的脈沖老化壽命

2.2.4 外觀分析

分別在脈沖老化前后的樣件槽口處沿絕緣材料的表層向內層用刀片逐層剝離，取得1層絕緣結構的薄片，進行顯微鏡對比觀測。老化前后的外觀和薄片顯微鏡照片如圖5、圖6所示。

圖5 脈沖老化試驗前后的樣件

圖6 脈沖老化試驗前后槽口處薄片

可以看出，老化前絕緣結構的整體性較好，老化后出現明顯的孔隙，絕緣樹脂被燒蝕，云母脫落，槽口處老化前后差異明顯，這是由于槽口處局部放電嚴重，絕緣老化速度快。

2.2.4 環境試驗

風力發電機通常需要在鹽霧、濕熱等極端環境下長期運行，因此，采用冷熱沖擊浸水—鹽霧循環的環境試驗有助于評估絕緣結構在極端環境下的可靠性。通過表2可以看出，兩種絕緣結構均通過了環境試驗，介質損耗因數隨循環周期的延長逐漸增大，但未在耐電壓試驗過程中發生閃絡和擊穿，剩余擊穿電壓大于9 kV，仍有較高的電氣裕度，可以滿足在極端環境下長期穩定運行的要求。

表2 模擬線棒的絕緣性能

3 結論

通過對某風力發電機定子樣件進行高頻脈沖老化試驗和環境試驗，測試定子樣件在高頻脈沖老化試驗和環境試驗過程中的絕緣性能并分析其變化規律，得出以下結論：

1）在一定電壓、頻率、d/d條件下的高頻脈沖老化試驗能夠有效評估絕緣結構的耐脈沖老化性能，為絕緣結構設計提供試驗依據。

2）在熱應力和電應力協同作用下，定子樣件的介質損耗因數先降低后升高。

3）采用7122-6和絕緣漆A浸漬的定子樣件在極端環境下均有較好的可靠性。

4）采用7122-6浸漬的定子樣件的耐脈沖老化性能更優，絕緣結構可靠性更優。

[1] 馬紅亮, 張曉強, 郭大鵬,等. 風力發電機用環保型絕緣漆的應用研究[J]. 絕緣材料, 2021, 54(9): 5.

[2] 張卓凡, 薛長志, 袁春龍, 等. TJ1169環氧改性不飽和聚酯浸漬樹脂在風力發電機上的應用研究[J]. 絕緣材料, 2017, 50(6): 7-11.

[3] Fabiani D , Montanari G C , Contin A . Aging acceleration of insulating materials for electrical machine windings supplied by PWM in the presence and in the absence of partial discharges[C]// 2001.

[4] 郭琪, 劉冠芳. 變頻電機絕緣系統老化試驗方法的研究進展[J]. 電機與控制應用, 2017, 44(5): 4.

[5] 任文娥, 于欽學, 鐘力生,等. 變頻牽引電機線圈絕緣電老化規律的研究[J]. 西安交通大學學報, 2012, 46(12): 4.

[6] 雷平振, 樊潔心, 劉冠芳,等. 變頻牽引電機定子繞組絕緣老化特性研究[J]. 電機與控制應用, 2020, 47(6): 5.

Research on Reliability of Wind Turbine Stator Insulation Structure

Wang Yafei1, 2, Cheng Hao1, 2, Li Yang1, 2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd., Huanggang 438000, Hubei, China)

TM611

A

1003-4862（2022）10-0036-04

2022-07-31

王亞飛（1990-），男，工程師。研究方向：絕緣化工材料。E-mail：465400187@qq.com