H级高压电机绝缘结构研究

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(哈尔滨电气动力装备有限公司 ，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

随着社会的进步，电机逐渐朝高电压、大容量、高温、高频率方向发展，而H级电机由于耐热性好，使用寿命长，运行可靠性高，能适应严苛的技术要求等特征，在军工、核电、风电等领域对H级电机的需求量越来越大。据了解，我国H级低压电机应用较早，而H级高压电机受主绝缘材料和浸渍树脂的限制，研究开发厂家较少。本文介绍了我公司新产品4kV、6.3kV 电机 H级绝缘结构。

1 H级绝缘材料的筛选和确定

1.1 绕组线

H级绕组线的种类较多，有漆包铜扁线、玻璃丝绕包铜扁线、薄膜绕包铜扁线、薄膜烧结线、云母绕包线等。对绕组线的性能要求是：适合编织成型，机械强度好，电气性能高，铜导体与股线绝缘具有良好的粘结性能。

经绕组线性能测试及工艺试验，筛选出180℃级的单玻双聚酰亚胺-氟46复合薄膜绕包铜扁线在4kV电动机上应用；0.065mm聚酰亚胺薄膜补强的云母带绕包线在6.3kV发电机上应用。其性能完全满足技术要求，性能指标分别见表1、表2。

1.2 云母带

本绝缘系统设计中的主绝缘全部选用少胶粉云母带，少胶粉云母带的性能决定了电机线圈绝缘的绝缘质量。少胶云母带是主绝缘的基础材料，在一定程度上它的性能好坏决定了主绝缘的水平。少胶云母带种类不少，但既要保证线圈的电气强度又要减薄绝缘厚度，难度较大。我们与生产厂家重点在云母带组成成分与成分含量方面进行了研究，开发研制新型少胶云母带，新型少胶云母带的优越性在于：(1) 单面补强，以便减小云母带中补强材料含量，提高云母含量；(2) 采用定量较高的鳞片粉云母纸，提高云母带的抗切通性；(3) 以较高的鳞片粉云母纸为基材，可以提高电气性能和机械性能；(4) 胶含量小，以改善云母带的渗透性能，增强电机绕组的整体性；(5) 有足够的抗张强度，不分层不飞粉，有利于线圈主绝缘的包绕，不污染环境。

因此，与国内相关绝缘材料厂家合作研究，开发了两种新型的H级少胶云母带，其技术要求见表3。

表1 单玻双聚酰亚胺-氟46复合薄膜绕包铜扁线基本性能指标

表2 云母带绕包铜扁线性能指标

表3 新型H级云母带主要性能指标

1.3 浸渍树脂

在VPI绝缘系统中，浸渍树脂的选择是VPI绝缘的关键之一，浸渍树脂直接关系到电机绝缘的性能和应用工艺性及电机绕组的整体性。浸渍树脂除了应具有优异的机、电、耐热性外，还要具有下列要求：粘度低，以便能有效地浸渍；饱和蒸汽压力低，使之能够在低真空下操作；在适宜的温度下胶化时间短，烘焙时减小流胶；环保，毒性小，闪点高；固化不受金属等物质的影响，即使受到催化剂的作用，仍有较长时间的储存期；成本低。

经试验筛选，选用了H级环氧树脂改性可自聚低分子不饱和单体浸渍树脂。该浸渍树脂耐温等级≥180℃。

2 定子绕组绝缘

定子绕组是电机的核心部件，被称为电机的心脏，而匝间绝缘和对地绝缘就是构成心脏的最关键部分。

2.1 匝间绝缘

高压交流电机由于电机电磁设计时需达到一定的安匝数，线圈设计通常为多匝结构。在线圈制造过程中，匝间绝缘所受的机械力(弯曲、扭转、敲击等)远高于主绝缘，再加上电机运行中经常受到的冲击电压的侵袭，因此匝间绝缘所处的工作条件是苛刻的。

为提高匝间绝缘的可靠性和减薄绝缘厚度，从电机设计、制造和运行等方面综合考虑，采取如下技术措施。

(1)匝间绝缘厚度对槽利用(槽满)率的影响很大，采用较薄绝缘的结构。

(2)有良好的耐热性，与电机耐热等级相匹配，因为匝间绝缘直接与导体相接触，处在热的最严酷条件下运行。

(3)有长期承受各种冲击过电压的能力，高的介电强度，保证长期运行的耐热性。

(4)具有良好的耐电晕性，以防绕组内部电腐蚀。

(5)具有足够的机械强度，在线圈制造过程中匝间绝缘承受机械力(弯曲、扭转和敲击等)作用时，其性能不应下降过多，匝间绝缘处理后，线匝应粘合密实且有一定强度。

(6)与主绝缘相容性好，而且制造工艺应简单实用。

总之，要求匝间绝缘在电机予期的寿命期间，保持必要的绝缘水平。

2.2 对地绝缘

对地绝缘必须具有良好的耐电、热、机械和环境等各种应力的能力。

定子对地绝缘又称为电机的主绝缘，对定子线圈的导体和定子铁心起电气隔离的作用。鉴于绕组的核心作用，在模拟试验线圈上需进行一系列严格的试验。常规试验项目如介质损耗因数、局部放电量测试、绝缘电阻测试、直流耐电压试验、交流耐电压试验、起晕电压试验、工频瞬时击穿电压试验和老化试验等。通过这些检测试验可以确定电机定子绕组的绝缘性能，绝缘性能又可以综合地反映出所用绝缘材料、绝缘结构和绝缘工艺的配合状态。

在试验过程中对不同绝缘结构的试验线圈进行了绝缘性能试验，确定了绝缘结构。模拟线圈各项性能测试和试验均满足设计要求。模拟线圈见图1。常态介损见图2。其热态介损180℃0.6UN下平均为8.5%；击穿电压值平均为60kV。从测试结果可知，定子线圈的电气测试值均合格，且分散性较小。

按NB/T 42004—2013及NB/T 42005—2013标准对6.3kV级试验线圈进行了电老化和电热老化试验。其结果为电老化：12.6kV电压下通过了1200h;电热老化：155℃ 13.7kV电压下通过了400h。

图1 试验线圈

图2 试验线圈介损曲线

3 VPI整体浸渍工艺参数的确定

高压电机绕组绝缘整体进行VPI浸渍，可以使电机绕组绝缘无气隙或少气隙，增加绕组绝缘导热性，提高槽填充率和绕组的防潮性能，同时绕组固定的更牢靠，电气性能更优异。以此保证电机运行可靠性和使用寿命等。

经过工艺试验和性能试验，确定了最佳的VPI工艺参数，制定VPI工艺守则，保证了H级高压电机的制造质量。其主要参数为真空度20Pa 6h；分阶段加压最终0.5MPa 4h；烘焙160℃±5℃ 15h。

4 应用

该成果已成功应用在电机产品中，4kV电机已在某钢厂中运行了4年，某6.3kV发电机已运行了2年，目前运行状况良好。

5 结语

(1)通过模拟线圈试验验证，绝缘材料及浸渍树脂等材料选材正确，绝缘结构设计合理，工艺可靠。

(2)H级绝缘系统的模拟试验线圈各项性能指标优良，电老化和电热老化均达到标准要求。满足H级电机的技术要求和产品设计要求。

(3)研究并应用成功的H级6.3kV级绝缘系统具有一定的推广价值，也会对H级高压电机绝缘系统的提升，发展和新开发有一定的指导意义。