談高壓電機(jī)線圈的絕緣問題

高壓電機(jī)的線圈絕緣對(duì)電機(jī)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效果影響極大，是每一個(gè)設(shè)計(jì)和工藝人員都必須慎重考慮的問題。高壓線圈從某種程度上可以稱之為電機(jī)的心臟，直接決定了電機(jī)的使用壽命，而作為線圈的重要組成——絕緣材料的性能則顯得至關(guān)重要，今天Ms.參與大家簡單探討一下高壓電機(jī)的絕緣問題。

高壓電機(jī)的發(fā)展是與絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣工藝的發(fā)展密切相關(guān)的。早在1910年，首先采用了蟲膠云母箔卷烘成套管式絕緣。1919年開始發(fā)展瀝青云母帶連續(xù)式絕緣，并經(jīng)真空浸膠處理。這種絕緣方式優(yōu)于套管式，具有較高的電氣、機(jī)械性能，但由于瀝青的熱塑性的固有缺點(diǎn)，不能適應(yīng)電機(jī)容量和電壓日益增長的需要。四十年代便開始研究用不飽和聚酯膠浸漬云母帶作連續(xù)式絕緣，1949年成功地用于大型汽輪發(fā)電機(jī)上。

熱固性合成樹脂絕緣與瀝青比較，電氣、機(jī)械和耐熱等性能均顯著提高，與此相應(yīng)的云母帶補(bǔ)強(qiáng)材料也由天然纖維改用有機(jī)合成纖維或玻璃纖維織物。至此，高壓電機(jī)絕緣耐熱等級(jí)由A級(jí)跨入B級(jí)。隨著粉云母的制成和應(yīng)用，又促進(jìn)了無溶劑低粘度合成樹脂的研究和高壓電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的新發(fā)展。1952年開始用改性環(huán)氧樹脂膠粘粉云母帶，其熱態(tài)物理性能、電氣和機(jī)械性能等表明，環(huán)氧樹脂優(yōu)于聚酯樹脂。目前傾向于采用耐熱環(huán)氧代替普通環(huán)氧。國外某些改性環(huán)氧已達(dá)到F級(jí)，但在大電機(jī)中一般仍作B級(jí)使用。

各國高壓電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)和處理工藝，大致可歸納為下列幾種：

（1）多膠云母帶連續(xù)包繞，真空干燥，然后熱壓成型（模壓或液壓）。

（2）多膠云母帶連續(xù)包繞，不經(jīng)真空干燥，直接采用熱模壓成型。

（3）少膠云母帶連續(xù)包繞，真空浸無溶劑樹脂，然后熱壓成型。

（4）少膠云母帶（或白胚帶》連續(xù)包繞，即行散線，然后進(jìn)行無溶劑樹脂整體浸漬。

此外，還有硅橡膠絕緣，以及硅橡膠與云母帶混合絕緣。硅橡膠的耐熱性、耐寒性、防潮性及抗腐性均很優(yōu)越，但電氣性能和抗撕裂強(qiáng)度較差，僅限用于6千伏以下的特殊環(huán)境運(yùn)行的高壓電機(jī)。

● 具有足夠的電氣強(qiáng)度

對(duì)于電機(jī)的絕緣，一方面希望厚度越薄越好，另一方面則要求在電氣強(qiáng)度上有一定裕度。因?yàn)殡姍C(jī)在運(yùn)行中，會(huì)受到大氣過電壓和操作過電壓的沖擊：突然短路，溫度和電壓的長期作用，絕緣將逐漸老化，振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力也會(huì)損傷絕緣，此外，在制造過程中要進(jìn)行多次耐壓試驗(yàn)，每進(jìn)行一次，就會(huì)在絕緣結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一定細(xì)微劣化痕跡，即所謂的累積效應(yīng)。這些都將會(huì)使絕緣電氣強(qiáng)度下降。因此在進(jìn)行線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要有一定的安全系數(shù)（用k表示），具體見式（1）。

K=U_b/U_N………………(1)

式（1）中：

U_b——初始擊穿電壓；

U_N—一電機(jī)額定電壓。

安全系數(shù)的選擇是一個(gè)很重要的問題。需要對(duì)絕緣材料質(zhì)量的穩(wěn)定性、工藝水平和電機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行全面仔細(xì)的分析?，F(xiàn)在一般值為7~9倍。對(duì)于大型電機(jī)，運(yùn)行可靠性要求高，而線圈較長，在制造和運(yùn)行中都要經(jīng)受較大的機(jī)械應(yīng)力，因此安全系數(shù)也應(yīng)偏大些。隨著工藝水平和絕緣材料質(zhì)量的不斷提高，線圈絕緣的安全系數(shù)正在逐漸下降。

對(duì)于多層組合絕緣結(jié)構(gòu)，在交變電場作用下，其p層絕緣電場強(qiáng)度按式（2）計(jì)算。

式（2）中：

U——外施交流電壓（kV）；

δ_ι——各層絕緣厚度（mm)；

ε_ι—一各層絕緣的介電系數(shù)；

ε_p—一p層絕緣的介電系數(shù)；

E_p—p層絕緣電場強(qiáng)度（kV/mm）。

由式（2）可知：P層所承受的場強(qiáng)E_p與該層絕緣材料的介電系數(shù)ε_p成反比。因此，各種絕緣的δ_ι、ε_ι不同，則其擊穿強(qiáng)度E_p也不一樣。為了使不同的絕緣層的耐電壓安全裕度相接近，選擇絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)選E_p與ε_ι的乘積盡量接近的材料組成。

●具有較小的介質(zhì)損耗

絕緣結(jié)構(gòu)在交變電場作用下，產(chǎn)生介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗的平均熱量雖然不大，但在個(gè)別弱點(diǎn)上熱量特別集中，如果弱點(diǎn)上由介質(zhì)損耗引起的熱量超過散發(fā)出去的熱量，絕緣的局部溫度就會(huì)不斷上升，溫度上升又促使介質(zhì)損耗進(jìn)一步增加，絕緣的機(jī)電性能將會(huì)急劇下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成局部弱點(diǎn)的熱擊穿。因此，在高壓電機(jī)中介質(zhì)損耗應(yīng)不超過規(guī)定值。

● 抗電暈性好

高壓電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其絕緣內(nèi)部和表面都可能產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，使絕緣加速老化和腐蝕。因此，對(duì)6.3千伏及以上的發(fā)電機(jī)和6千伏以上的電動(dòng)機(jī)，其線圈都要采取防電暈措施。對(duì)6千伏電動(dòng)機(jī)的線圈，一般可不作防電暈處理，但對(duì)使用環(huán)境惡劣或容量較大的電動(dòng)機(jī)，仍應(yīng)進(jìn)行防電暈處理。

●熱老化性能良好

絕緣結(jié)構(gòu)的耐熱能力要符合產(chǎn)品所要求的耐熱等級(jí)。在運(yùn)行溫度長期作用下，能保證絕緣的正常使用壽命。

電機(jī)絕緣通常分為A、E、B、F、H五個(gè)耐熱等級(jí)。運(yùn)行時(shí)，電機(jī)繞組絕緣中的最熱點(diǎn)的溫度，不得超過絕緣等級(jí)所規(guī)定的最高溫度。一般需留有5~10℃的裕度。絕緣結(jié)構(gòu)如由不同耐熱等級(jí)的絕緣材料組成，它的耐熱等級(jí)可通過其結(jié)構(gòu)模型作模擬試驗(yàn)并綜合評(píng)定。

●能承受機(jī)械應(yīng)力的作用

線圈的絕緣必須能承受一定的機(jī)械應(yīng)力而不致破裂或產(chǎn)生有害的變形。線圈在運(yùn)行中由于導(dǎo)線和絕緣的膨脹系數(shù)不一樣，溫度變化時(shí)，絕緣將受到張力，電機(jī)越長，這種影響越大；由于電磁力作用，線圈端部還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，特別是當(dāng)電機(jī)受到短路、起動(dòng)和制動(dòng)電流沖擊時(shí)，電磁力常使線圈產(chǎn)生變形；因此要求絕緣具有一定的彈性和機(jī)械強(qiáng)度。

                   文章來源于：許昌興洋絕緣材料有限公司

                 2023年6月10日