海上直驅風力發電機絕緣系統的環境適應性研究

李術林， 夏靜， 張世福， 何海濤， 秦大為， 李明威

（1.金風科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026；2.北京金風科創風電設備有限公司，北京 100176）

0 引 言

國務院在2021年10月明確了我國在2030年實現碳達峰和2060年實現碳中和的目標。在此背景下，風力發電作為清潔能源受到了國家格外的關注，為風電產業帶來了前所未有的機遇[1]。

隨著陸上風資源市場逐漸趨于飽和，海上風力發電機組成為了風電領域未來的的重要發展方向。直驅風力發電機由于其低故障率廣泛應用于海上，但海上直驅發電機價值高，維護成本高，因此高可靠性是直驅發電機設計的重點。海上風力發電機所處的環境較陸上發電機更為嚴苛，有高溫高濕、高低溫交變、鹽霧和振動等特殊環境，在一定程度上絕緣更容易劣化，因此開展海上直驅風力發電機在長期惡劣海上環境中的可靠性研究具有十分重要的意義。

針對海上風力發電機絕緣系統的耐環境性，國內研究者們已經開展了一些試驗研究。陳洪武等[2]采用鹽溶液浸泡和高低溫冷熱沖擊試驗的方式，對發電機表面防腐涂料的耐海上環境特性進行了試驗研究。陳健等[3]對發電機的模擬線圈開展了鹽霧試驗，通過分析線圈在鹽霧老化后的各項電氣性能來判斷其鹽霧環境耐受能力。李強軍等[4]研究了不同浸漬樹脂形成的絕緣系統，并開展了耐環境試驗研究，最終得出不同浸漬樹脂的耐環境能力。劉學忠等[5]對3 kV級絕緣系統進行了加速試驗，以海洋模擬環境作為應力因子，通過分析最終試樣的電性能來判斷絕緣系統在海洋環境工況下的性能情況。本研究根據海上直驅風力發電機的使用環境，對環氧改性不飽和聚酯體系的發電機模擬繞組和浸漬樹脂漆片開展多因子循環試驗（包括高低溫交變試驗、濕熱試驗、鹽霧試驗、振動試驗），根據測試結果評估絕緣系統的環境適應性，為海上直驅風力發電機的可靠性評估提供參考。

1 海上應力特征

海上直驅風力發電機絕緣系統受到的電、熱和機械應力和陸上機組幾乎沒有區別。兩者運行環境最主要的差異體現在相對濕度和空氣含鹽量。海上大氣環境的相對濕度較高，同時空氣含鹽量高，這會對海上直驅風力發電機的絕緣系統造成不良影響。

天然海水的含鹽量一般為3.4%，該值隨地理位置和氣候因素而變化，如紅海的含鹽量約為4%，黑海的含鹽量為3%。中國各個海域近海表層海水在冬季的含鹽量見表1[6]。空氣中含鹽量的極大值一般出現在海洋上空，特別是高蒸發率的亞熱帶地區，查閱GB/T 4797.6—2013可知，我國東部沿海地區鹽霧沉降量實測的平均值為10～33 mg/(m2·d)，最大值在15～54 mg/(m2·d)范圍內，最小值在5～20 mg/(m2·d)范圍內。

表1 中國海域含鹽量Tab.1 Salt content of Chinese seawater

相對濕度是指空氣中水汽壓和相同溫度下的飽和蒸汽壓的百分比或濕空氣絕對濕度與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度之比。沿海地區相對濕度數據范圍如表2所示[6]。

表2 中國海域溫、濕度Tab.2 Temperature and humidity of Chinese seawater

根據表1數據，按照極值的1.5倍設定試驗參數，則鹽溶液濃度確定為5%±1%。

根據鹽霧沉降量的極值，結合GB/T 2423.17—2008將鹽霧沉降量設置為1～2 mL/(80 cm2·h)，該數據值折算后為環境最大鹽霧量的60倍以上。

環境相對濕度按照產生凝露工況進行考慮，相對濕度設置為90%～100%。其余應力條件與陸上機艙環境條件[4]相似。

2 模擬繞組的多因子循環試驗

2.1 試樣制備

參考海上直驅風力發電機定子要求，以浸漬樹脂漆片和模擬繞組作為研究試樣。

漆片試樣原料為環氧改性不飽和聚酯樹脂，試樣厚度為1.5 mm，直徑為100 mm，數目為10個，如圖1(a)所示。

圖1 漆片及模擬繞組試樣Fig.1 Varnish and simulation winding sample

模擬繞組參照海上直驅發電機原始比例制作。模擬繞組的主絕緣采用厚度為0.14 mm的少膠云母帶半疊包2層，外平包一層厚度為0.1mm的保護帶，主絕緣單邊厚度為0.66 mm。槽絕緣采用NMN進行防護，槽絕緣厚度為0.25 mm。使用硅鋼片疊壓成定子鐵心模型，線圈數量為10支，嵌線接線后進行兩次真空壓力浸漬處理，浸漬樹脂為環氧改性不飽和聚酯樹脂，外側噴涂環氧磁漆進行補強防護。模擬繞組試樣見圖1(b)。

2.2 試驗方法

環境多因子循環老化試驗流程見圖2。試樣共進行4個周期的試驗，每個周期均包括高低溫交變試驗、恒定濕熱試驗、中性鹽霧試驗和振動試驗。具體要求如下：

圖2 環境多因子循環老化試驗流程Fig.2 Environmental multi-factor cycling ageing test process

高低溫交變試驗參照GB/T 2423.22—2012[7]進行，烘箱設置高溫點為150℃，持續時間為3 h，低溫點為-40℃，持續時間為3 h，高低溫循環次數為12次。

恒定濕熱試驗參照GB/T 2423.3—2016[8]進行，試驗箱濕度為90%～100%，烘箱溫度設置為55℃，持續時間為168 h。

中性鹽霧試驗參照GB/T 2423.17—2008[9]進行，鹽溶液濃度為5%±1%，pH值為6.5～7.2，鹽霧沉降量為1～2 mL/(80 cm2·h)，試驗箱溫度為（35±2）℃，持續時間為168 h。

振動試驗參照GB/T 2423.10—2019[10]進行，振動頻率為60 Hz，加速度為1.5g，其中g=10m/s2，x、y和z軸三向振動，持續時間均為1 h。

2.3 初始診斷

在試樣制作完成后對漆片和模擬繞組進行電性能初始診斷。其中漆片的測試項目包括介質損耗因數、電容、電氣強度、紅外光譜，模擬繞組的測試項目包括絕緣電阻、介質損耗因數、電容、工頻耐壓強度、局部放電。

2.4 過程診斷

漆片的過程診斷測試項目為介質損耗。

模擬繞組的過程診斷測試項目包括絕緣電阻、介質損耗因數、電容、局部放電、工頻耐壓強度。

2.5 最終診斷

在完成4個周期試驗后，對漆片和模擬繞組開展性能測試來評估絕緣系統經受環境應力后的最終性能。漆片的測試項目包括介質損耗因數、電容、電氣強度、紅外光譜。模擬繞組的測試項目包括絕緣電阻、介質損耗因數、電容、局部放電、電氣強度。

3 漆片測試結果與分析

3.1 紅外光譜

老化試驗前及4個周期老化試驗后漆片的紅外光譜測試結果如圖3所示。從圖3可以看出，老化試驗前后漆片的紅外光譜圖基本無變化，沒有出現新的典型特征峰，即化學成分未發生明顯變化。老化試驗后試樣在3 500～3 950 cm-1處的吸收峰變得尖銳，這是水中H-O的特征形態，由于水不是單個水分子，分子以氫鍵締合，因此水的振-轉譜帶間隔不是等間距。在紅外光譜圖中波數為100～400 cm-1處，經過4周老化后試樣的特征峰波動更加劇烈，分析認為是鹽霧試驗中殘留少量無機鹽導致[11]。

圖3 老化試驗前后漆片的紅外光譜對比Fig.3 Infrared spectra comparison of varnish before and after ageing test

3.2 介電性能

測試漆片在每個試驗周期后的介質損耗因數（1 kV）和電容值，結果如圖4所示。

圖4 漆片介質損耗因數和電容的變化趨勢Fig.4 Change of dielectric loss factor and capacity of varnish

以500 V/s的升壓速率分別對5個未經過老化處理的對照試樣和5個經歷過4個周期老化試驗的漆片試樣進行擊穿試驗，記錄擊穿電壓并計算電氣強度，繪制箱體圖如圖5所示。

圖5 漆片電氣性能Fig.5 Electrical properties of varnish

從圖4～5可知，除最后1個周期的電容數據外，漆片的介質損耗因數和電容均整體呈現先升高后趨于平緩的趨勢。試驗前后的電氣強度未發生變化。

分析認為，介質損耗因數與電導或松弛極化呈正相關，電導增大的原因一般是受潮或污染產生了額外的雜質電導；松弛極化增大的原因一般是因為高分子材料的成分出現了變化，導致可移動極性基團和極性鏈段大幅增加[12]。

從圖3紅外光譜結果可知，老化試驗前后漆片的成分無明顯變化，但存在水分和鹽霧的污染，此時介質損耗因數的變化主要是雜質電導引起，因此第1周期試驗后漆片的介質損耗因數增大，第2～3試驗周期后介質損耗因數呈變緩持平趨勢，說明漆片的體積電導不再繼續增加，原因可能是漆片的持續后固化過程使得其本體更加緊密完整，微觀上形成封閉層，阻礙了水分或鹽霧粒子的劣化。

電容的計算公式如式（1）所示。

式（1）中：C是電容；ε是相對介電常數；S是兩電極正對面積；k是靜電力常量；d是試樣厚度。

老化試驗過程中，漆片的厚度、電極測試面積均未發生變化，此時電容與相對介電常數呈正比關系，介電常數的變化規律即為電容的變化規律。

水分和鹽霧粒子的相對介電常數明顯高于漆片本身，根據復合電介質理論，受到水分和鹽霧粒子侵蝕后，漆片的相對介電常數將增大[13-17]。因此在第1個試驗周期漆片受潮和鹽霧粒子侵蝕后，電容值增大，但隨著老化試驗的進行，漆片后固化使介電常數呈現減小趨勢，而水分和鹽霧粒子的持續性表面沉積侵蝕使介電常數繼續增大，兩方面綜合作用使2～3周期試驗后的電容變化趨于平緩，在第4周期試驗時，水分和鹽霧粒子的影響占據主導因素，產生累積效應，致使介電常數增大，宏觀表現為電容增大。

結合紅外光譜，分析介質損耗因數、電容、電氣強度的測試結果可知，多因子循環試驗條件會對漆片產生一定的影響，但從圖5可以看出，老化試驗前后漆片的電氣強度基本相當，且老化后試樣電氣強度數據的分散性優于老化前試樣，說明漆片電氣強度的保持率高，并未出現宏觀可見的異常變化，由此可知老化試驗產生的劣化侵蝕更趨向于發生在漆片的表面或淺層區域。綜上，環氧改性不飽和聚酯樹脂具有良好的海上環境耐受能力，可用于海上環境。

4 模擬繞組測試結果與分析

4.1 絕緣電阻

對模擬繞組的每個線圈在完成每個周期試驗后開展1 000 V直流電壓下的60 s絕緣電阻測試，結果如圖6所示。從圖6可以看出，模擬繞組線圈的絕緣電阻隨老化周期的增加先增大后減小。

圖6 線圈的絕緣電阻測試結果Fig.6 Insulation resistance test result of coil

4.2 局部放電測試

對模擬繞組的每個線圈開展局部放電測試，測量工頻下單個線圈的局部放電起始電壓（PDIV）和局部放電終止熄滅電壓（PDEV），結果如圖7所示。從圖7可以看出，單個線圈的PDIV和PDEV均呈先增大后減小的趨勢。

圖7 線圈的局放放電測試結果Fig.7 Partial discharge test results of coil

4.3 介質損耗因數及電容

在2.25 kV交流電壓下，測試線圈在每個試驗周期后的介質損耗因數和電容，結果如圖8所示。從圖8可以看出，線圈的介質損耗因數和電容均在第1試驗周期后增大，然后在第2～3試驗周期變化趨勢變緩，在第4周期又突然增大。

圖8 線圈的介質損耗和電容測試結果Fig.8 Dielectric loss factor and capacity test result of coil

4.4 泄漏電流

對線圈進行工頻3 kV、1 min測試，記錄泄漏電流值，結果如圖9所示。從圖9可以看出，隨著老化試驗周期的進行，泄漏電流值呈現階梯式增大的趨勢。

圖9 線圈的泄漏電流測試結果Fig.9 Leakage current test results of coil

4.5 擊穿電壓

4個周期試驗完成后，以500 V/s的升壓速率將電壓升壓至15 kV并保持10 min，耐壓過程未發生絕緣擊穿。

以500 V/s的升壓速率升壓至線圈絕緣擊穿，記錄擊穿電壓如圖10所示。圖10中，線圈A1～A3為空白對照試樣，其擊穿電壓平均值為30.30 kV；線圈1～10為老化后模擬線圈，其擊穿電壓平均值為29.14 kV，性能下降了3.8%。

圖10 線圈的擊穿電壓測試結果Fig.10 Breakdown voltage test results of coils

4.6 結果分析

發電機絕緣系統是由多種絕緣材料通過復雜的工藝方法，分不同工序階段制作而成，一般是通過浸漬樹脂將多種絕緣材料縱向粘結在一起組成的功能系統，在此復雜的結合方式下，浸漬樹脂的性能十分重要，通過漆片測試結果已經明確該浸漬樹脂具有良好的海上環境耐受能力，但是在絕緣系統成型過程中，因多組分多材料多工序的組合模式，必然存在有大量的非均勻相的不同組分界面，這些界面成為了典型的絕緣薄弱位置。

第1周期試驗后，從圖6～8可以看出，絕緣電阻和局部放電性能有較明顯的提升，介質損耗因數和電容變化較小，分析認為絕緣樹脂固化過程較長，在生產完畢后，仍會有一定時間的后固化過程，這會使絕緣樹脂的高分子鏈更加完善，絕緣性能提高，如果有加熱工況，后固化的進程會更加明顯，因此第1周期試驗后繞組絕緣電阻和局部放電性能的提升均由樹脂的后固化引起。

隨第2～4周期試驗的進行，從圖6～9可以看出，絕緣電阻和局部放電性能小幅下降，介質損耗因數和電容在第4周期試驗后大幅上升，泄漏電流隨老化試驗進行呈現小幅升高趨勢。在周期性試驗條件下，模擬繞組絕緣性能的劣化會出現累積和疊加。其中局部放電性能下降可認為是絕緣系統在冷熱交變應力作用下，不同相之間具有不同的熱膨脹系數，產生了不同的應力梯度，導致組分界面位置出現應力集中和畸變，在振動應力作用下促使該薄弱點的劣化更加顯著，綜合作用導致絕緣系統的界面間隙變多，也就更加容易產生局部放電現象，因此PDIV和PDEV值均呈現下降趨勢。電容和介質損耗均與鹽霧環境有關，分析認為在經過周期性老化試驗后，由于鹽霧的影響，在絕緣系統中引入了不易清除的鹽霧粒子，導致絕緣系統的介電常數增大，宏觀上表現為電容值下降，與此同時，鹽霧粒子在濕熱應力的作用下，水解電離產生的自由離子增多，絕緣系統中的雜質電導開始起顯著作用，表現為介質損耗因數明顯升高。而絕緣電阻和泄漏電流的變化趨勢具有關聯性，絕緣系統中雜質電導的增大以及表面鹽霧粒子的沉積均會使絕緣系統的體積電阻和表面電阻減小，表現為絕緣電阻下降，泄漏電流升高。

從圖10可知，雖然試驗后絕緣系統的擊穿電壓有輕微下降，但仍保持著較高的電氣強度。綜合而言，模擬繞組在經歷了48次的冷熱沖擊、672 h的濕熱試驗、672 h的鹽霧試驗、12 h的振動試驗后，其介電性能有小幅劣化，剩余擊穿電壓仍然較高，表明該海上直驅風力發電機絕緣系統具有高可靠性、高耐受能力，可滿足海上環境的使用要求。

5 結 論

（1）環氧改性不飽和聚酯浸漬樹脂老化前后成分未發生明顯變化，漆片的介電性能參數出現了一定變化，但電氣強度未發生下降，綜合分析后認為老化因子的侵蝕趨向于發生在表面或淺層區域，表明環氧改性不飽和聚酯樹脂具有良好的海上環境耐受能力。

（2）模擬繞組在經歷了48次的冷熱沖擊、672 h的濕熱試驗、672 h的鹽霧試驗、12 h的振動試驗，總計試驗時長達1 644 h后，其介電性能有小幅劣化，剩余擊穿電壓仍然較高，可滿足海上環境的使用要求。