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谈高压电机线圈的绝缘问题

高压电机的线圈绝缘对电机的使用寿命和经济效果影响极大,是每一个设计和工艺人员都必须慎重考虑的问题。高压线圈从某种程度上可以称之为电机的心脏,直接决定了电机的使用寿命,而作为线圈的重要组成——绝缘材料的性能则显得至关重要,今天Ms.参与大家简单探讨一下高压电机的绝缘问题。

高压电机的发展是与绝缘材料、绝缘结构和绝缘工艺的发展密切相关的。早在1910年,首先采用了虫胶云母箔卷烘成套管式绝缘。1919年开始发展沥青云母带连续式绝缘,并经真空浸胶处理。这种绝缘方式优于套管式,具有较高的电气、机械性能,但由于沥青的热塑性的固有缺点,不能适应电机容量和电压日益增长的需要。四十年代便开始研究用不饱和聚酯胶浸渍云母带作连续式绝缘,1949年成功地用于大型汽轮发电机上。

热固性合成树脂绝缘与沥青比较,电气、机械和耐热等性能均显著提高,与此相应的云母带补强材料也由天然纤维改用有机合成纤维或玻璃纤维织物。至此,高压电机绝缘耐热等级由A级跨入B级。随着粉云母的制成和应用,又促进了无溶剂低粘度合成树脂的研究和高压电机绝缘结构的新发展。1952年开始用改性环氧树脂胶粘粉云母带,其热态物理性能、电气和机械性能等表明,环氧树脂优于聚酯树脂。目前倾向于采用耐热环氧代替普通环氧。国外某些改性环氧已达到F级,但在大电机中一般仍作B级使用。

各国高压电机的绝缘结构和处理工艺,大致可归纳为下列几种:

1)多胶云母带连续包绕,真空干燥,然后热压成型(模压或液压)。

2)多胶云母带连续包绕,不经真空干燥,直接采用热模压成型。

3)少胶云母带连续包绕,真空浸无溶剂树脂,然后热压成型。

4)少胶云母带(或白胚带》连续包绕,即行散线,然后进行无溶剂树脂整体浸渍。

此外,还有硅橡胶绝缘,以及硅橡胶与云母带混合绝缘。硅橡胶的耐热性、耐寒性、防潮性及抗腐性均很优越,但电气性能和抗撕裂强度较差,仅限用于6千伏以下的特殊环境运行的高压电机。

● 具有足够的电气强度

对于电机的绝缘,一方面希望厚度越薄越好,另一方面则要求在电气强度上有一定裕度。因为电机在运行中,会受到大气过电压和操作过电压的冲击:突然短路,温度和电压的长期作用,绝缘将逐渐老化,振动和机械应力也会损伤绝缘,此外,在制造过程中要进行多次耐压试验,每进行一次,就会在绝缘结构中产生一定细微劣化痕迹,即所谓的累积效应。这些都将会使绝缘电气强度下降。因此在进行线圈结构设计时,必须要有一定的安全系数(用k表示),具体见式(1)。

K=Ub/UN………………(1)

式(1)中:

Ub——初始击穿电压;

UN—一电机额定电压。

安全系数的选择是一个很重要的问题。需要对绝缘材料质量的稳定性、工艺水平和电机特点进行全面仔细的分析。现在一般值为7~9倍。对于大型电机,运行可靠性要求高,而线圈较长,在制造和运行中都要经受较大的机械应力,因此安全系数也应偏大些。随着工艺水平和绝缘材料质量的不断提高,线圈绝缘的安全系数正在逐渐下降。

对于多层组合绝缘结构,在交变电场作用下,其p层绝缘电场强度按式(2)计算。

式(2)中:

U——外施交流电压(kV);

δι——各层绝缘厚度(mm);

ει—一各层绝缘的介电系数;

εp—一p层绝缘的介电系数;

Ep—p层绝缘电场强度(kV/mm)。

由式(2)可知:P层所承受的场强Ep与该层绝缘材料的介电系数εp成反比。因此,各种绝缘的διει不同,则其击穿强度Ep也不一样。为了使不同的绝缘层的耐电压安全裕度相接近,选择绝缘结构时,应选Epει的乘积尽量接近的材料组成。

●具有较小的介质损耗

绝缘结构在交变电场作用下,产生介质损耗。介质损耗的平均热量虽然不大,但在个别弱点上热量特别集中,如果弱点上由介质损耗引起的热量超过散发出去的热量,绝缘的局部温度就会不断上升,温度上升又促使介质损耗进一步增加,绝缘的机电性能将会急剧下降,严重时会造成局部弱点的热击穿。因此,在高压电机中介质损耗应不超过规定值。

● 抗电晕性好

高压电机运行时,其绝缘内部和表面都可能产生电晕现象,使绝缘加速老化和腐蚀。因此,对6.3千伏及以上的发电机和6千伏以上的电动机,其线圈都要采取防电晕措施。对6千伏电动机的线圈,一般可不作防电晕处理,但对使用环境恶劣或容量较大的电动机,仍应进行防电晕处理。

●热老化性能良好

绝缘结构的耐热能力要符合产品所要求的耐热等级。在运行温度长期作用下,能保证绝缘的正常使用寿命。

电机绝缘通常分为A、E、B、F、H五个耐热等级。运行时,电机绕组绝缘中的最热点的温度,不得超过绝缘等级所规定的最高温度。一般需留有5~10℃的裕度。绝缘结构如由不同耐热等级的绝缘材料组成,它的耐热等级可通过其结构模型作模拟试验并综合评定。

●能承受机械应力的作用

线圈的绝缘必须能承受一定的机械应力而不致破裂或产生有害的变形。线圈在运行中由于导线和绝缘的膨胀系数不一样,温度变化时,绝缘将受到张力,电机越长,这种影响越大;由于电磁力作用,线圈端部还会产生振动,特别是当电机受到短路、起动和制动电流冲击时,电磁力常使线圈产生变形;因此要求绝缘具有一定的弹性和机械强度。

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