高压交流电机定子绕组耐寒性研究

时间：2024-07-28

吉超，刘洋，祁世发

(哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨 150040)

0 引言

随着我国能源电力的开发利用，业内对于我国青海、西藏、四川等高原地区的电力发展提出了新的要求，高原高寒地区恶劣的环境特点对高压交流电机定子绕组具有较大的影响。叠加近年来在国家“一带一路”政策下，西气东输等增输项目的建设，长期低温贮存和安装对高压交流电机定子绕组绝缘性能也提出了新的要求[1]。

高原高寒地区空气密度低、温度低，导致电机定子绕组长期承受低温，会影响电机定子绕组绝缘的防晕性能。户外昼夜温差较大，会使电机安装、运输和贮存的难度加大。为避免电机直接承受强烈的太阳辐照，还必须在该地区建设安装专用间或库房，一定程度上增加了电机的运行成本[2]。针对上述高原高寒地区的气候特点，本文结合国家标准，采用低温老化等试验对电机定子绕组的耐寒性进行研究，确定耐低温的绝缘结构具有重大意义。

1 材料选择及绝缘结构的确定

低温用绝缘材料要求其能承受低温的长期作用，低温下绝缘绕组应不易受潮、不开裂。据文献介绍[3-5]，热收缩率是低温材料的重要参数，热收缩率仅大于延伸率的绝缘材料容易发生开裂，延伸率比热收缩率大10倍或以上的材料不易发生开裂。薄膜具有稳定的物化、电学及力学性能，延伸率是收缩率的12倍，由于其优良的低温性能，近年来被用于低温环境的匝间绝缘材料和对地绝缘[6-7]。环氧树脂电绝缘性能好，寿命长，固化收缩率低，固化后有良好的稳定性，并且良好的耐低温、耐湿性能，能适用于各种低温应用的要求，满足高原高寒环境的要求。环氧粉云母绝缘结构具有良好的强度，在绝缘系统中不仅能使绝缘结构具有较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高抗低温能力。

低温或超低温对绝缘系统有破坏作用，因此对于绝缘结构不但要具有优良的电气性能，还要具有良好的机械性能。本文结合文献和生产经验，确定采用少胶云母带真空压力浸(VPI)绝缘结构。槽楔、垫条均采用环氧玻璃布板，相内连接线和极间连接线均采用环氧聚酯薄膜云母带半叠绕。这种绝缘结构既具有耐寒性，VPI绝缘固化又好，防潮性能优秀，是一种可靠的绝缘结构。

2 耐寒性周期试验

2．1 试验方案

耐寒性周期试验主要是模拟电机定子绕组在运输和贮存过程中由于极端环境对主绝缘造成高低温冲击的影响。根据GB/T 2423．1《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温》，本试验将试验线圈放置在DGF305B高低温循环试验箱中进行低温处理，耐寒长期老化处理温度选择-50 ℃，低温每个耐寒周期为48 h，间隔为24 h，共持续10个周期。试验设备见图1。

图1 DGF305B高低温循环试验箱

2．2 试样及试验

高压交流电机定子模拟试验线圈8只，冷冻前测试绝缘电阻、极化指数、介质损耗因数、耐交流电压等试验。其中5只(编号1-5)进行耐寒周期试验，试验周期后，测试其绝缘电阻、极化指数、耐交流电压试验及瞬时击穿电压试验。剩余3只线圈不做耐寒周期试验，直接进行瞬时击穿电压试验。

3 结果与讨论

3．1 绝缘电阻和极化指数

绝缘电阻可初步判定绝缘结构是否有缺陷，当绝缘良好时，稳态漏导电流很小，因而绝缘电阻值较高；当绝缘受潮或者表面受玷污，漏导电流增加，绝缘电阻就降低。极化指数可以进一步确定绝缘绕组的状态，试验线圈冷冻前后的绝缘电阻及极化指数见表1。

表1 试验线圈冷冻前后的绝缘电阻及极化指数表

由表1中数据可知，耐寒性周期试验前模拟试验线圈的绝缘电阻最大值603 GΩ，最小值532 GΩ；耐寒性周期试验后模拟试验线圈的绝缘电阻最大值587 GΩ，最小值512 GΩ；说明耐寒性周期试验前(后)模拟试验线圈的绝缘电阻均>500 GΩ，冷冻前后无明显变化。耐寒性周期试验前模拟试验线圈的极化指数最大值4.6，最小值3.9；耐寒性周期试验后模拟试验线圈的极化指数最大值4.5，最小值3.8；说明耐寒性周期试验前模拟试验线圈的极化指数均>2，远高于标准要求，冷冻前后无明显变化。

这说明模拟试验线圈主绝缘整体结构良好，虽然经过冷冻，仍能保持良好的绝缘状态。

3．2 介质损耗试验

工频下测量的绕组介质损耗角正切值tanδ是电机绝缘的一个重要性能，在低场强下tanδ值反映绝缘材料和绝缘工艺的完整性，由不同电压下测得的tanδ值可以计算出介质损耗因数增量Δtanδ，Δtanδ能灵敏的反映出绝缘结构中局部缺陷。耐寒周期试验前后定子绕组的介质损耗角正切值tanδ见表2。

表2 定子绕组的介质损耗角正切值tanδ表

按照标准JB/T 12685中对10 kV级高压电机定子线圈的技术要求，常态介质损耗角正切tanδ0.2 Un≤1.5，每0.2Un测量间距的Δtanδ≤0.8%。由表2中数据可知，经过耐寒性试验后，线圈的介质损耗角正切tanδ差异不大，耐寒性试验前后Δtanδ均小于0.6%，符合标准要求。

3．3 工频交流耐电压试验

按照标准JB/T 12685中对10 kV级高压电机定子线圈的技术要求，对试验线圈施加(2.75Un+6.5)kV工频交流电压并保持1 min，进行工频耐电压试验。耐寒性试验前后线圈均通过交流耐电压试验。

3．4 电气强度试验

定子线圈的击穿电压是线圈绝缘重要参数，反映绝缘强度。标准JB/T 12685相关要求中，10 kV级高压电机定子线圈的瞬时工频电气强度≥30 MV/m。耐寒性试验前后定子线圈槽部的击穿电压和介电强度试验结果见表3。

表3 击穿电压和介电强度试验结果

由表3中数据可知，未经过耐寒试验的线圈击穿电压最小值74.4 kV，介电强度最小值33.1 MV/m；经过耐寒试验后的线圈击穿电压最小值71.6 kV，介电强度最小值31.5 MV/m。可见耐寒试验后，线圈的击穿电压和介电强度依然很高，满足标准JB/T 12685相关要求中，10 kV级高压电机定子线圈的瞬时工频电气强度≥30 MV/m的要求。耐寒试验对线圈击穿电压和介电强度影响不大，绝缘整体性完好。

3.5 引出线电缆冷冻前后绝缘性能

引出线电缆中大部分护套电缆材料的低温耐冲击脆化温度在-15～-20 ℃，在高寒高原环低温下容易开裂，无法达到高寒高原环境运行和安装要求。经研究，硅橡胶优异的化学和物理性质，广泛应用于高压绝缘领域[8-9]。硅橡胶的玻璃化温度最低可达-150 ℃，硅橡胶有着优良的电性能和抗电弧性[10]，较高的机械强度，相对于其他电缆材料硅橡胶高压引接线具有良好的耐低温性能，可在-60 ℃下长期使用，并保持柔软性。因此本文选用硅橡胶电缆做定子引接线，并随线圈一同进行耐寒性试验，试验后电缆仍具有良好的柔软性，表面无裂纹，耐寒试验前后电气强度差别不大，绝缘电阻无变化。

4 应用

本文对耐低温绝缘结构进行了性能验证，选定的绝缘结构完全能够承受耐寒环境的影响，低温下绕组绝缘系统不开裂，各项绝缘性能耐寒试验前后变化很小，完全满足标准要求。由此可见，本文设计的绝缘结构在低温下是安全可靠的。依据研究成果，设计编制低温状态下的绝缘规范，用于电机设计并指导生产。已应用于西气东输二线轮南-吐鲁番支干线170×108 Nm3/a增输工程项目变频电机上，该电机为8 000 V、15 000 kW、F级变频调速同步电动机。