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高压电机的绝缘结构设计及防电晕处理

2019-11-05 16:53:58     来源:电机技术日参        

【大比特导读】增安型无刷励磁同步电动机一般都是大型电机,单机功率较大,电压等级为6kV、10kV和13.8kV。电机绕组电磁线的线规载面积较大,设计采用矩形铜导线,高压绕组采用双层圈式线圈和开口槽嵌线方式的制造工艺。

高压电机的绕组绝缘结构设计分为高压绕组绝缘线圈的对地绝缘结构设计、高压绕组绝缘线圈的匝间绝缘设计和高压绕组线圈的辅助绝缘结构设计三个部分。高压电机的绕组绝缘结构的主要作用是隔电,但有些部位同时也起着机械支承、固定或保护的作用。增安型无刷励磁同步电动机高压绕组绝缘结构设计和防电晕处理是增安型无刷励磁同步电动机设计的核心部分之一。

增安型无刷励磁同步电动机一般都是大型电机,单机功率较大,电压等级为6kV、10kV和13.8kV。电机绕组电磁线的线规载面积较大,设计采用矩形铜导线,高压绕组采用双层圈式线圈和开口槽嵌线方式的制造工艺。

对地绝缘

高压绕组线圈的对地绝缘主要指线圈的槽部直线部分和端部部分绝缘。在绝缘结构设计时,首先要确定绝缘单边厚度和工艺制造方式,既要考虑电因素,也要考虑机械因素,以及在生产过程中介电强度试验的积累效应,绝缘分散度和实际运行条件下的年平均老化率(绝缘性能的衰减)。

目前,即使是世界上工业较先进的国家,其电机制造工艺水平也参差不齐。而且对于高压绕组绝缘线圈的绝缘结构设计,虽然都采用VPI真空整体浸渍绝缘处理,但在选用绝缘材料、绝缘结构方式和具体的工艺制造方法,都不完全相同,并依然保留着每个制造厂独有的传统制造工艺方法。至今在一些电机制造厂里依然并存着数种不同的绝缘结构设计和工艺设计方案。

高压绕组线圈对地绝缘,根据槽部直线部分与端部部分是否采用同一绝缘结构,可分为连续1/2叠绕包式和复合绕包式两种。连续1/2叠绕包式又可分为真空压力无溶剂浸渍型和热模压一次成形型。而复合绕包式又可分为全带绕包式热模压一次成形型和箔烘卷包(直线部分)与带绕包(端部部分)热模压一次成形型,复合绕包式槽直线部分绝缘结构设计,可以用云母绝缘带1/2叠绕包,称为全带式绝缘结构;也可以用云母箔烘卷,称为箔烘卷式绝缘结构。

目前国内外电机工业高压绕组线圈的对地绝缘结构设计基本上可分为VPI真空整体无溶剂漆浸渍的环氧玻璃丝带粉云母少胶带绝缘结构和热模压一次成形的环氧玻璃丝粉云母多胶带或箔绝缘结构。而且在同一个电机制造厂里,除上述两种基本绝缘结构外,尚有带与箔的复合绕包式的绝缘结构,而且现代电机在嵌线后全部都采用VPI真空整体浸渍的绝缘处理。

在这里必须指出:VPI真空整体无溶剂漆浸渍的环氧玻璃丝带粉云母少胶带绝缘结构,最早是应用在德国西门子公司,20世纪80年代初我国引进了上述绝缘结构设计技术,并在全国推广应用,现已有二十多年的使用历史,虽然它具有生产工艺简单、节省工时的特点,但它的绝缘性能并不理想。

匝间绝缘

目前国内外高压、大功率电动机的运行经验都极为突出地表明,电动机匝间绝缘故障率较高,严重地威胁着电动机的安全运行,尤其是增安型电动机。其主要原因是目前工矿企业普遍采用具有一系列优点的高压真空开关,而对高压真空开关所产生的高频振荡操作过电压的冲击破坏,又未能相应地采取有效的防范和保护措施。同时由于目前我国电机工业的电机产品依然没有依据新技术发展而相应地采取设计改进,即高压、大功率电动机总体结构的设计、尚未实现电机——电控保护一体化的现代新型总体结构。

在通常事故分析时,将电动机匝间绝缘击穿所引发的故障,误判为对地击穿,这是由于在人们的概念中,高压电动机匝间绝缘所承受的工作电压一般情况下均为数十伏,也因此而被忽视匝间绝缘的重要性和引发故障的可能性。电动机在事故状态或电控系统因采用高压真空开关的关合与开断的瞬间将会产生幅值很高、波头陡峭的瞬间过电压冲击。

特别指出的是,上述高压真空开关的关合与开断的瞬间冲击过电压,对电动机绕组线圈的匝间呈现不均匀的分布,必将导致匝间绝缘击穿。即使过电压尚未超过匝间绝缘的强度,也会使匝间绝缘损伤老化,严重危害电动机的安全运行及寿命。

高压绕组线圈在生产工艺过程中所造成的匝间绝缘的损伤是电动机制造工艺中的主要问题,特别是技术操作者的技术素质和工艺水平的不同,诸如在线圈的绕制、涨形、整形、绝缘绕包、线圈绝缘模压、散线等工序的生产过程中,都不可避免地会产生不同程度的绝缘损伤。除此而外,电动机在运行中绕组线圈的绝缘也因承受电磁机械力和热应力的作用而产生绝缘损伤老化,尤其是高压、大功率电动机电磁线的线规截面积较大而且软化处理不当,都将使匝间的绝缘性能显著降低。因此,设计要求匝间绝缘除了能承受电磁机械应力外,应具有较高的机械强度和柔韧性能。

匝间绝缘的结构设计一般均用电磁导线本身绝缘作为绕组匝间绝缘。现代高压、大功率电动机用电磁线均选用自粘性双涤纶玻璃丝云母带绕包扁铜线。电压等级为6kV,选用自粘性单涤纶玻璃丝漆包扁铜线或自粘性双涤纶玻璃丝薄膜漆包扁铜线;电压等级为6kV以上选用自粘性单、双涤纶玻璃丝云母带绕包漆包扁铜线。

现代电动机设计选用的电磁线与传统的电磁线相比,具有耐击穿电压较高、耐热等级高、绝缘厚度薄、绝缘的柔韧性好和耐刮性能好的特点,同时也具有玻璃丝绕包电磁线的高强度特征,尤其是在线圈绕制时就不必再另外绕包增强绝缘云母带,改变了传统绝缘线圈匝间绝缘的结构,简化了生产工艺,节省了工时。现代电动机绝缘线圈绕制后经热排固化后使其线圈的整体性好,极大地降低了绝缘铜线在击穿性能的分散性,使其介电损耗降低。

电磁线绝缘层的耐刮性能是判断电磁线绝缘质量优劣的重要考量性能指标之一,但目前,国内外对其尚无明确和统一的规定。

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