80 MW变频调速同步电动机绝缘系统研究及应用

祁世发，刘 洋，吉 超

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

FL-62风洞主驱动压缩机系统电机是我公司和中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所合作项目，项目研制成功不仅为国家航天事业做出贡献，而且增强我公司的技术实力，提高公司的市场竞争力。

FL-62风洞主驱动压缩机系统电机，额定电压为11 kV，变频调速(调速范围100～500 r/min，对应频率10～50 Hz(恒转矩)；500～860 r/min对应频率50～86 Hz(恒功率))，额定功率为80 MW，定子绕组采用条式线棒少胶VPI绝缘结构。11 kV、变频、80 MW条式线棒少胶绝缘结构我公司还是首次设计，其绝缘考核电压为13.8 kV。为此对绝缘材料的开发、研制、改进和绝缘结构设计、试验及工艺探索等进行了研究。

1 绝缘材料的选用

1.1 绕组铜线

FL-62风洞主驱动压缩机系统电机定子绕组由条式线棒组成，而条式线棒由多股并联的绝缘股线组成。选择绝缘厚度薄、耐热性高、电性能优良、附着性好的涤纶玻璃丝包烧结线。

我公司之前设计的11 kV、变频、大容量电机绕组多采用圈式结构。同一电压等级下圈式线圈有匝间绝缘，相当于增强了主绝缘厚度；而条式线棒无匝间绝缘，因此对股线绝缘和主绝缘电气性能要求更高。为了不增加股线绝缘厚度，又能提高股线电气性能，公司与电磁线厂家联合开发了一种薄型涤纶玻璃丝包烧结漆包铜扁线(HPC8671)，其击穿电压和传统线棒使用双涤纶玻璃丝烧结线(DSBEB-20/155)的击穿电压对比见表1。

从表1中数据可以看出，同等绝缘厚度情况下，HPC8671的电气性能要远远高于DSBEB-20/155。

1.2 少胶云母带

少胶云母带是少胶VPI绝缘的基础材料，它的性能对线棒绝缘有重要影响。我们筛选了两种含有促进剂的云母带，即无碱玻璃纤维布单面补强少胶云母带(HEC5442-1A)和聚酯薄膜单面补强少胶云母带(HEC5442-1B)。

少胶云母带的性能指标及实测值见表2。

从表2可见，少胶云母带的性能满足技术指标的要求。

1.3 环氧无溶剂浸渍树脂

无溶剂浸渍树脂是VPI绝缘的关键材料，直接影响电机绝缘的性能和应用工艺性，它除了应具有优良的机、电、理化综合性能外，还受到胶化时间、贮存期、黏度、烘焙流失等因素制约。经过充分的论证和试验研究，采用环保型T-H1169低黏度环氧浸渍树脂作为我公司长期使用的浸渍树脂。T-H1169是由进口高纯度环氧树脂通过改性，加特种潜伏性固化剂配制而成的单组份无溶剂低黏度环氧浸渍树脂。该树脂和少胶云母带兼容性好，固化后机械电气、耐湿热、耐盐雾、防潮抗水、耐氟利昂等综合性能优异，贮存稳定性好，能够满足高压电机绝缘技术要求。

1.3.1 T-H1169环氧无溶剂浸渍树脂性能

T-H1169环氧无溶剂浸渍树脂性能见表3。

表1 HPC8671与DSBEB-20/155击穿电压对比

表2 云母带的性能指标

表3 T-H1169环氧无溶剂浸渍树脂性能

*项目7、8、9漆饼固化条件：140±1 ℃/2 h，170±1 ℃/10 h。

1.3.2 温度对树脂黏度的影响

黏度是决定浸渍树脂流动性和渗透性的主要因素。图1为T-H1169树脂和东芝TVB2711K树脂的黏度温度关系曲线。

由图1可以看出，T-H1169在室温下的黏度比TVB2711K更低，满足电机绕组的浸渍要求，具有良好的温度黏度特性，树脂的渗透性填充性十分优异；而且与国外传统VPI浸渍树脂相比，T-H1169的室温黏度大幅下降，在室温条件下就完全满足电机电气设备的绝缘浸渍，避免了重复加热树脂而导致树脂储存稳定性差的情况，节约了大量能源，缩短了生产周期，提高了经济效益。

图1 T-H1169与东芝TVB2711K浸渍树脂黏度温度关系

1.3.3 储存稳定性

T-H1169环氧浸渍树脂采用新型固化体系，克服了传统单组份环氧固化剂易吸潮的缺点，因此具有优异的储存稳定性，该浸渍树脂已在我公司使用三年多的时间，图2为T-H1169在使用期间室温黏度变化情况。

图2 T-H1169在使用期间的室温黏度变化情况

从图2可以看出，T-H1169环氧浸渍树脂在三年多的使用期间内室温黏度始终保持在30～60 s(涂-4黏度计，23±1 ℃)的区间内，黏度增长十分平缓，储存稳定性优异，可以满足长期使用的要求。

1.4 防晕材料

VPI绝缘用的防晕带与模压绝缘用的防晕带相比，主要不同之处在于：一是VPI绝缘用低阻防晕带的阻值较低，这是因为浸渍时会有浸渍树脂进入低阻防晕带中的导电物质中间，使电阻变大；二是VPI绝缘用防晕带与浸渍树脂相容，不会污染浸渍树脂；三是VPI绝缘用低阻防晕带应有一定的透气性，以不影响绕组绝缘在真空压力浸渍时的浸渍效果。通常VPI绝缘用防晕带为全固化防晕带。

全固化整浸防晕带的性能指标见表4。

表4 全固化整浸防晕带的性能指标

目前产品上用全固化整浸防晕带各项性能完全达标，并满足了绝缘结构设计和工艺要求。

2 定子绝缘结构设计研究

高压交流电机定子绕组绝缘在运行中受到电、热、机械和环境因素等的作用。电机在运行时或过电压下，电应力会引起绝缘内气隙和绝缘外边界处局部放电，腐蚀绝缘；热应力会加速绝缘老化裂解；电动机运行和频繁起动，由此引起的绕组振动和各种电磁力会对绝缘产生很大的机械应力，造成机械损伤；绝缘还会受到潮气、灰尘、油污等的污染，影响绝缘性能。

少胶VPI绝缘在应对上述作用和影响方面有着显著的优点。首先VPI绝缘采用少胶云母带包绕线圈，提高绝缘中的云母含量，从而改善绝缘的长期耐电性能。其次，用真空压力浸渍环氧无溶剂浸渍树脂，能获得无气隙绝缘，绝缘电气性能好，可减薄绝缘厚度。同时，采用定子绕组与铁心一起整浸的工艺，绕组绝缘与铁心黏结成整体，整体性好，既有利于绕组固定，改善了绕组散热效果，抗机械应力和电磁力性能增强，还提高了绕组绝缘耐环境因素的能力。这些都极大地提高了电机绝缘性能和可靠性。

2.1 定子线棒主绝缘结构

在参照和借鉴国外先进国家电机业的少胶VPI绝缘技术同时，借鉴我公司圈式线圈绝缘结构设计的经验，提出以两种单面补强的少胶云母带交替包绕定子线圈绝缘结构方案。经过大量工艺试验和常规的电气性能试验验证，证明了该少胶VPI绕组绝缘整体性良好、电气性能优良。

2.2 定子线棒绝缘性能

2.2.1 常规电气性能试验

试验线棒浸渍固化后电气性能试验见表5、图3。

表5 试验线棒浸渍固化后的介质损耗角tgδ、击穿电压、电气强度

图3 11 kV(考核电压13.8 kV)定子少胶VPI定子试验线棒介损曲线

从表5和图3可以看出：本课题设计的高压交流电机定子线棒少胶VPI绝缘各项电气性能均能满足本科研项目电机定子要求。图4为试验线棒在进行高温介损试验。

2.2.2 耐电晕试验

按照本文设计的绝缘结构制做了5个模拟试样，进行起晕电压试验，试验结果见表6中规定。

从表6中的试样数据可以看出，模拟线棒绝缘防晕结构完全满足使用要求。

图4 高温介损试验

表6 模拟试样起晕电压试验

3 应用

此项目成果目前已应用在FL-62风洞主驱动压缩机系统电机项目上，整机完成后的绝缘试验满足技术标准要求。目前FL-62风洞主驱动压缩机系统电机已在用户安全运行了近2年时间。为国家航天事业做出了贡献。

4 结论

4.1 通过试验证明，80 MW变频调速同步电动机定子线棒少胶VPI绝缘结构设计合理、安全、可靠、整体性好，各项性能指标均能满足设计的技术要求。

4.2 使用的HPC8671绕组线、HEC5442-1A和HEC5442-1B云母带、T-H1169环氧无溶剂浸渍树脂等选材正确。

4.3 研究成功的80 MW变频调速同步电动机定子线棒少胶VPI绝缘系统提高了我公司的绝缘技术水平。