高壓電機(jī)定子線圈匝間耐壓試驗(yàn)方法探討

孟永奇，喬俊麗，曹維軍，董源利

（1.中船重工電機(jī)科技股份有限公司，太原 030027；2.山西汾西重工有限責(zé)任公司，太原 030027；3.海軍裝備部，太原 030027）

0 引言

高壓電機(jī)匝間絕緣是繞組絕緣的重要組成部分，匝間絕緣也是高壓電機(jī)絕緣故障的高發(fā)區(qū)，近年來(lái)，隨著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)標(biāo)的不斷深入執(zhí)行，高壓電機(jī)匝間絕緣試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置都取得了很大進(jìn)展，各企業(yè)在制造過(guò)程中對(duì)匝間絕緣的保護(hù)和試驗(yàn)檢查都更嚴(yán)格，但在匝間耐壓檢測(cè)時(shí)，由于匝間絕緣結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)方法不匹配，容易發(fā)生匝間絕緣“誤故障”現(xiàn)象，誤導(dǎo)絕緣工藝的盲目補(bǔ)強(qiáng)，加大了線圈制造成本，降低了生產(chǎn)效率。同時(shí)由于未分析清楚匝間耐壓“誤故障”的原因，找不到得力的措施，后續(xù)再有不同絕緣結(jié)構(gòu)的線圈出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，仍無(wú)法根本解決，因此如何根據(jù)實(shí)際情況采取一種真正反映線圈匝間耐壓試驗(yàn)的方法需進(jìn)行深入細(xì)致的探討。

1 高壓電機(jī)線圈匝間絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 高壓電機(jī)匝間絕緣設(shè)計(jì)原則

匝間絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合制造廠的工藝特點(diǎn)以可靠性為準(zhǔn)則。匝間絕緣厚度對(duì)槽利用率影響很大，應(yīng)盡可能減薄絕緣，對(duì)匝數(shù)較多的定子線圈由于每匝承受的匝間電壓較低，盡量采用電磁線本身的絕緣作為匝間絕緣，不再另包匝間絕緣；對(duì)于匝數(shù)較少，如1、2匝的定子線圈一般需采用電磁線絕緣加包其他絕緣作為匝間絕緣。同時(shí)匝間絕緣結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮其耐熱性、長(zhǎng)期耐電壓性、耐電暈性均應(yīng)與主絕緣相匹配，尤其應(yīng)注意與絕緣規(guī)范所規(guī)定的工序間的匝間耐壓方法和耐壓值相匹配，否則易引起線圈在工序間匝間耐壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生擊穿。

1.2 高壓電機(jī)多采用的匝間絕緣結(jié)構(gòu)

高壓電機(jī)匝間絕緣結(jié)構(gòu)主要采用兩種方式：

1）采用電磁線本身的絕緣作為匝間絕緣;

2）電磁線絕緣外加包云母帶作為匝間絕緣。

采用電磁線自帶的絕緣作為匝間絕緣對(duì)電機(jī)制造廠來(lái)講相對(duì)工藝要簡(jiǎn)單一些。目前多采用的匝間絕緣結(jié)構(gòu)見表1。

2 匝間耐壓試驗(yàn)

2.1 匝間耐壓試驗(yàn)原理

表1 中高壓電機(jī)匝間絕緣結(jié)構(gòu)

匝間耐壓試驗(yàn)經(jīng)常采用的方法主要有漏磁場(chǎng)檢測(cè)法、感應(yīng)電壓法、中頻電壓法、輸入波形法及脈沖電壓法，其中脈沖電壓法是普遍采用的方法，脈沖電壓法試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 脈沖電壓法試驗(yàn)原理圖

如圖1示，T：調(diào)壓器，R：限流電阻，V：整流元件，C：脈沖電容,Q：放電球隙，Cf：分壓電容，Rf：分壓電阻，L：被試線圈，SB：示波器。其原理為：調(diào)壓器T經(jīng)V整流后對(duì)脈沖電容C充電，通過(guò)調(diào)節(jié)T與Q的配合使C上的電壓達(dá)到所需試驗(yàn)電壓時(shí)，Q開始放電，將沖擊電壓施加于L上，對(duì)線圈進(jìn)行匝間耐壓試驗(yàn)。同時(shí)在C、Q、L形成一個(gè)頻率為1/(2π√LC)的阻尼高頻振蕩電路，從而在L上產(chǎn)生衰減的振蕩脈沖電壓，通過(guò)Cf在SB上可以觀察到?jīng)_擊電壓波形。此方法可直接對(duì)線圈施加所需的沖擊電壓，并通過(guò)觀察被試線圈的電壓或電流波形來(lái)判斷匝間絕緣的好壞，應(yīng)用方便。目前國(guó)內(nèi)外的所有高壓定子線圈匝間絕緣試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均推薦使用脈沖電壓法。

2.2 匝間耐壓試驗(yàn)工藝參數(shù)

為規(guī)范匝間絕緣試驗(yàn)，IEC60034-15規(guī)定了額定電壓為3 kV～15 kV的交流電機(jī)定子成型線圈匝間絕緣的沖擊電壓值（峰值，以下均相同）為0.5(4UN+5)kV,波前時(shí)間不小于0.5 μs,沖擊次數(shù)不少于5次（UN為電機(jī)額定電壓，kV）。我國(guó)也相應(yīng)頒布了JB/T10098-1999(原JB/Z293-87)，1995年IEC又頒布了IEC60034-1995第二版，提高了對(duì)匝間絕緣耐沖擊電壓水平的要求，沖擊電壓提高為0.65(4UN+5)kV，波前時(shí)間不小于0.2()μs,沖擊次數(shù)不少于5次，我國(guó)隨后也修訂了標(biāo)準(zhǔn)用JB/T10098-2000代替JB/T10098-1999。但是IEC60034和JB/T10098-2000都只規(guī)定了線圈的絕緣耐沖擊電壓水平的要求，對(duì)制造過(guò)程中各工序的耐壓要求未規(guī)定具體數(shù)值。

3 匝間耐壓試驗(yàn)問(wèn)題、原因分析及解決方案

3.1 匝間耐壓試驗(yàn)中易出現(xiàn)的問(wèn)題

在高壓線圈制造過(guò)程中需進(jìn)行工序間的匝間耐壓試驗(yàn)，以檢測(cè)線圈的制造質(zhì)量。一般在線圈漲形后包主絕緣前、包主絕緣后、線圈嵌線后焊接前分三次進(jìn)行匝間耐壓試驗(yàn)，首次匝間耐壓試驗(yàn)值為0.65(4UN+5)kV，后道工序的試驗(yàn)值按照一定系數(shù)折算，各企業(yè)略有不同。這就要求線圈匝間絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須與工序間的匝間耐壓試驗(yàn)相匹配，否則易出現(xiàn)線圈在工序間進(jìn)行匝間耐壓試驗(yàn)時(shí)的擊穿現(xiàn)象。

我公司在制造11kV高壓線圈時(shí)屢次發(fā)生匝間耐壓試驗(yàn)32 kV不合格的現(xiàn)象，而且都發(fā)生在漲形后包主絕緣前的匝間耐壓試驗(yàn)階段，漲形后的耐壓試驗(yàn)均合格。繞完梭形后也按32 kV進(jìn)行匝間試驗(yàn)，同樣發(fā)生擊穿現(xiàn)象，擊穿點(diǎn)均發(fā)生在線圈鼻部、端部以及彎角處，且擊穿點(diǎn)并非線圈匝與匝的接觸面之間,并非線圈“匝間擊穿”，而在首末匝的外角與空氣接觸處。

3.2 原因分析

3.2.1 匝間脈沖沖擊電壓在線圈中的分布

當(dāng)匝間施加脈沖沖擊電壓時(shí)，電壓在線圈中的分布情況不能一概而論，整機(jī)狀態(tài)和單只線圈不盡相同。整臺(tái)高壓電機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)脈沖沖擊電壓施加在定子繞組上時(shí)，繞組的等效電路圖如圖2所示。

圖2 脈沖沖擊電壓侵入繞組的等效電路圖

圖中C：繞組對(duì)地電容除以繞組長(zhǎng)度所得平均值；K：繞組間的電容，單只線圈時(shí)為匝間電容。由于有C的分流作用，且1/ωC<1/ωk，因此，脈沖沖擊電壓在繞組上的分布是不均勻的，圖3示出了脈沖沖擊電壓在定子繞組中的分布。從圖3可見首支線圈最大，由于沖擊電壓的衰減，距首線圈越遠(yuǎn)，承受的沖擊電壓逐漸減小，末支線圈最小。

圖3 沖擊過(guò)電壓在定子繞組中的分布

但對(duì)于同一支線圈，電容K較大，線圈匝間有良好的電容耦合，因此各匝的電壓分布幾乎是均勻的，此時(shí)匝與匝之間的電位差并不是很大[1]，這就是工序間匝間耐壓試驗(yàn)時(shí)擊穿點(diǎn)并不在匝與匝的接觸面處，非“匝間擊穿”的原因。

由于施加沖擊電壓時(shí)，線圈直線部分形狀規(guī)則，電場(chǎng)分布均勻，而端部形狀不規(guī)則，電場(chǎng)畸變較大，電場(chǎng)的尖峰值大，并且線圈制造過(guò)程中首末匝的端部絕緣受損最大，成為線圈絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，因此無(wú)論是線圈漲形后還是繞梭后的擊穿點(diǎn)都發(fā)生在首末匝的端部、鼻部、彎角等電場(chǎng)畸變較大且絕緣薄弱處。

3.2.2 電磁線的絕緣結(jié)構(gòu)

以某11 kV電機(jī)為例，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定匝間絕緣耐沖擊電壓水平應(yīng)能承受0.65(4UN+5)kV=32 kV,波前時(shí)間不小于0.2)μs,沖擊次數(shù)不少于5次的匝間耐壓試驗(yàn)，電磁線可選以下兩種結(jié)構(gòu)：

1）雙玻璃絲包雙層云母帶繞包銅扁線SBEFB-70/155，絕緣結(jié)構(gòu)為雙層云母帶1/3疊包，雙層玻璃絲繞包，云母帶為薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶，厚度為0.08。

2）雙玻璃絲包云母帶薄膜繞包銅扁線SBEFMB-70/155，具體絕緣結(jié)構(gòu)為聚酯（或亞胺）薄膜半疊包一層+薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶半疊包一層，最外層為雙層玻璃絲繞包。薄膜厚度為0.03，云母帶厚度為0.08。不同廠家的電磁線介電性能如表2所示。

表中K指電磁線沿寬邊彎曲，彎曲半徑為4b，Z指電磁線沿窄邊彎曲，彎曲半徑為3a。從表2可看出同一生產(chǎn)廠家，型號(hào)為SBEFMB的電磁線擊穿電壓均比SBEFB的擊穿電壓高。

對(duì)不同廠家的兩種絕緣結(jié)構(gòu)的電磁線漲形后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，漲形后包主絕緣前試驗(yàn)電壓32kv，沖擊5次，包主絕緣后分別進(jìn)行29kv，沖擊5次和32kv 沖擊5次的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表2 電磁線介電性能

表3 SBEFB電磁線漲形后耐壓試驗(yàn)結(jié)果

從表3、表4看出，無(wú)論哪個(gè)廠家的SBEFB電磁線在漲形后包主絕緣前均無(wú)法滿足32kv，沖擊5次的試驗(yàn)要求，包主絕緣后都可滿足要求，而三個(gè)廠家的SBEFMB電磁線無(wú)論包主絕緣前還是包主絕緣后均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

由于SBEFB電磁線絕緣結(jié)構(gòu)為0.08 mm厚的云母帶雙層1/3迭包，造成電磁線的絕緣厚度最薄處為2層云母帶，最厚處為3層云母帶，經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，電磁線用云母帶介電強(qiáng)度平均值(有效值)為118 kV/mm，薄膜介電強(qiáng)度平均值(有效值)為280 kV/mm。

因此SBEFB電磁線的介電強(qiáng)度為：3層時(shí)：Ub=118×0.08×3=28.32 kV ； 2 層 時(shí) ：Ub=118×0.08×2=18.88 kV。

而SBEFMB電磁線的絕緣結(jié)構(gòu)為聚酯（或亞胺）薄膜半疊包一層+薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶半疊包一層，其介電強(qiáng)度：

可見SBEFB電磁線的介電強(qiáng)度僅為18.88 kV，峰值為26.7 kV，若在包主絕緣前進(jìn)行32 kV的匝間耐壓試驗(yàn)線圈必定會(huì)擊穿，從表3也可看出此結(jié)果。而SBEFMB電磁線的介電強(qiáng)度為35.68 kV，峰值為50.5 kV，線圈包主絕緣前就能夠滿足32 kV的匝間耐壓試驗(yàn)要求。

包完主絕緣后，無(wú)論哪種電磁線，線圈的介電強(qiáng)度大大增加，完全可以滿足試驗(yàn)要求，原因較簡(jiǎn)單，本文不再進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

4 解決方案

根據(jù)上述分析和試驗(yàn)情況，我公司在制造11kV高壓線圈時(shí)，若電磁線為SBEFB-70/155，匝間耐壓試驗(yàn)均在包完主絕緣后進(jìn)行，試驗(yàn)電壓為0.65(4UN+5 kV)，波前時(shí)間不小于0.2()μs,沖擊次數(shù)不少于5次，全部合格。

5 結(jié)論

綜前所述，由于匝間絕緣結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)方法不匹配，發(fā)生匝間絕緣“誤故障”現(xiàn)象，并非最終完工后線圈的匝間絕緣實(shí)際耐沖擊水平達(dá)不到要求，而是由于工序間的耐壓值與當(dāng)時(shí)的線圈絕緣結(jié)構(gòu)匹配不合理所致，因此，絕緣規(guī)范編制或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，需考慮規(guī)定的耐壓值要與當(dāng)時(shí)的線圈結(jié)構(gòu)相一致，對(duì)于10 kV電壓等級(jí)的電機(jī)在線圈制造過(guò)程中，若電磁線為SBEFMB-70/155，則工序間匝間耐壓試驗(yàn)在漲形后或包完主絕緣后進(jìn)行都可。電磁線若選為SBEFB-70/155，則工序間匝間耐壓試驗(yàn)必須在包完主絕緣后進(jìn)行，當(dāng)然這對(duì)工藝制造要求更嚴(yán)格，因?yàn)榇藭r(shí)耐壓不合格就必須全部拆除主絕緣，造成返工量和浪費(fèi)較大，需要提前摸索工藝，在繞梭和漲形時(shí)加以保護(hù)匝間絕緣。

表4 SBEFMB電磁線漲形后耐壓試驗(yàn)結(jié)果

[1]《電工絕緣手冊(cè)》編審委員會(huì)主編.電工絕緣手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社,1990.