周 成 高云霞 邱 添
(成都中車電機有限公司 四川 成都 610051)
交流牽引電動機是電傳動機車的關鍵部件,它將電能轉(zhuǎn)換為機械能,產(chǎn)生牽引力牽引機車行進。牽引電機安裝在機車的轉(zhuǎn)向架上,運行條件惡劣,長期承受強烈的振動,同時長期經(jīng)受風沙雨雪的侵蝕,對電機的絕緣影響大;另一方面牽引電機要求功率大,但體積受到軌距限制,只能提高電機絕緣的耐熱等級來提高電機功率。機車的可靠運行與牽引電機的絕緣狀態(tài)密切相關,而且絕緣結(jié)構長期承受電機正常運行時的高溫和機械應力,因此,一套可靠的交流牽引電機絕緣系統(tǒng)至關重要。
以美國GE和西屋公司為代表的電機制造商,以不飽和聚酯樹脂絕緣體系為主,該絕緣體系廣泛應用于內(nèi)燃機車牽引電機、城市軌道交通牽引電機等產(chǎn)品,具有良好的使用穩(wěn)定性及經(jīng)濟性。該絕緣系統(tǒng)主要由耐電暈聚酰亞胺薄膜熔敷電磁線、粉云母帶對地絕緣和聚酯亞胺浸漬漆構成。不飽和聚酯樹脂含亞胺基中間體,通過增加分子間作用力,減少弱鍵,降低分子自由度和增加分子降解活化能,降低浸漬樹脂的介質(zhì)損耗因數(shù),可提高電機絕緣系統(tǒng)耐濕熱性、耐鹽霧性和電性能,且還具有較高的黏結(jié)性和耐磨性。
電機的匝間絕緣、直線段絕緣承受過電壓產(chǎn)生的破壞不可修復,根據(jù)TB/T 1333.1標準中對電壓的規(guī)定,文中絕緣結(jié)構的設計按照電機額定絕緣電壓等級1 800 V進行設計和考核。
電磁線匝間絕緣采用耐電暈聚酰亞胺-單面復合全聚氟乙丙烯復合薄膜繞包并燒結(jié)成型的銅扁線,銅扁線繞包使用的薄膜為Kapton-150FCR019,厚度為0.038 mm,其中耐電暈基膜厚度為0.025 mm,帶寬12.7 mm,疊包率為64%~66%,疊包1次。
1.2.1引線絕緣
引線頭套硅橡膠玻璃纖維編織套管,并在首匝出線處墊t4的Nomex氈,用0.07 mm×10 mm的聚酰亞胺薄膜壓敏帶固定。
1.2.2端部和直線部分絕緣
用0.21 mm×19 mm的增強型云母帶疊包1次,疊包率為66%,收尾處用0.18 mm×12 mm的玻璃布壓敏帶固定。該云母帶為單面玻璃布補強,其技術特點為云母含量高、云母帶補強基材采用較厚(0.1 mm)且強度高的玻璃布,具有高電氣性能和機械性能等特性。
所用增強型云母帶的常規(guī)技術指標如表1所示。
表1 增強型云母帶的常規(guī)技術指標
1.3.1浸漬漆
所用浸漬漆以亞胺改性不飽和聚酯為基體,采用乙烯基甲苯做活性稀釋劑,通過過氧化物引發(fā)固化,其耐熱等級為H級。浸漬漆常規(guī)技術指標如表2所示[1]。
1.3.2浸漬工藝
真空壓力浸漬兩次,浸漆時工件溫度:40~60 ℃;真空度:不大于400 Pa,保持真空不小于10 min;壓力:0.48 MPa~0.69 MPa,保持壓力不小于25 min。烘焙條件:旋轉(zhuǎn)烘焙,175 ℃±5 ℃,第一次固化烘焙時間5 h,第二次固化烘焙時間8 h。
表2 浸漬漆常規(guī)技術指標
按照上述絕緣結(jié)構制作模擬線棒,按照JB/T 50133標準測量擊穿電壓平均值為30.02 kV,按照TB/T 3315標準,定子線圈對地耐沖擊電壓水平UD要求為UD=4U+5 000,其中U=2×Udc+1 000=4 600 V,Udc為施加在直流環(huán)節(jié)的最高對地平均電壓,其值為1 800 V,即UD=23.4 kV,此電壓值小于線棒擊穿電壓30.02 kV,因此該主絕緣結(jié)構滿足電氣性能要求。
采用線圈規(guī)格為2.95 mm×7.15 mm/3.18 mm×7.38 mm,線圈匝數(shù)為5匝,按照上述絕緣結(jié)構和GB/T 17948.3標準要求進行??ㄖ苽洳⒔岷娓?真空壓力浸漬兩次),有效線圈6個,共計2個模卡。??ㄔ嚇尤鐖D1所示[2]。
圖1 試驗結(jié)構示意圖
3.2.1外觀檢查
線圈表面未見有余膠和其他雜質(zhì),顏色均勻,但是電熱(180 ℃、3.906 kV)老化400 h后,樣品顏色變深。
3.2.2電熱老化試驗
將線圈置于老化烘箱內(nèi),將槽部接地線,導體按接高壓的接線方式接好線后將溫度升至180 ℃±2 ℃,待溫度穩(wěn)定后施加工頻電壓2.17UN,(即3.906 kV)進行電熱老化試驗400 h,所有樣品電熱老化400 h后均未失效。
3.2.3絕緣電阻試驗
將線圈引線接在絕緣測試儀的高壓端,模擬槽接測量線,測試電壓為DC1 000 V,分別測量線圈對地絕緣電阻值,老化前絕緣電阻均大于1.5×1012Ω。電熱老化后絕緣電阻較之老化前有所下降。試樣編號1~6的絕緣電阻分別為:1.0×1012Ω、7.5×1012Ω、大于1.5×1012Ω、6.3×1011Ω、7.8×1011Ω、8.5×1011Ω。
3.2.4老化前工頻對地耐壓試驗
將線圈引線接變壓器高壓端,模擬槽接地線,施加工頻電壓9.45 kV持續(xù)1 min,均未發(fā)生擊穿。
3.2.5常態(tài)及熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)
按照JB/T 7608—2006標準,分別測量室溫和155 ℃±2 ℃下各個線圈的電熱老化前及老化后的常態(tài)及熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)。測量電壓從0.2UN(UN為電機額定電壓,試驗測試時取1 800 V)開始,每隔0.2UN測量一次,直至1.0UN為止。結(jié)果如表3和表4所示。
表3電熱老化前常態(tài)及熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù) /%
線圈常態(tài)(25 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN熱態(tài)(155 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN11.671.721.761.801.884.304.344.374.384.4021.881.951.982.022.054.594.624.664.694.7131.701.751.771.811.844.304.314.354.384.4041.641.691.721.751.804.294.314.344.374.3851.691.751.771.811.854.344.354.374.384.4161.501.551.581.601.644.054.104.114.144.17平均1.681.741.761.801.844.314.344.374.394.41
表4電熱老化后常態(tài)及熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù) /%
線圈常態(tài)(25 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN熱態(tài)(155 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN11.011.071.121.181.345.045.065.065.236.4120.730.830.870.901.033.663.663.673.785.6831.151.201.271.361.564.364.374.384.455.6041.061.111.171.291.484.074.074.094.286.9951.491.581.721.882.093.903.903.924.214.7160.981.071.191.301.632.942.952.953.264.13平均1.071.141.221.321.524.004.004.014.205.59
但由于低壓電機沒有線圈質(zhì)量分等標準,以JB/T 50133—1999 《中型高壓電機少膠整浸線圈產(chǎn)品質(zhì)量分等》標準作為依據(jù),對介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)進行分析。從表3可以看出,線圈常態(tài)介損基本低于2%,熱態(tài)介損(0.6UN時)低于15%,符合標準中一等品的要求。
具體對比如圖2所示。從圖2中可以看出,從0.2UN到1.0UN區(qū)間,線圈的電熱老化前的常態(tài)和熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)增長均較平穩(wěn)、緩慢;而老化后,0.8UN到1.0UN線圈的電熱老化前的常態(tài)和熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)增長均較快。
圖2 電熱老化前及老化后的線圈常態(tài)及熱態(tài)介損對比
3.2.6浸水試驗
常態(tài)浸水試驗:按GB/T 2423.38—2008標準中第7.2.2條嚴酷等級執(zhí)行,試驗用水為自來水,試樣處于水面以下150 mm,測試1 h、2 h、3 h、4 h、8 h、24 h和48 h后線圈對鐵芯的絕緣電阻。
高低溫溫度沖擊后浸水試驗:將??ǚ湃?45 ℃的溫度沖擊試驗箱內(nèi)保持30 min,在1 min 內(nèi)將試驗箱的溫度升至155 ℃,保溫30 min,再在1 min 內(nèi)將試驗箱的溫度降至-45 ℃,此為一個周期的高低溫溫度沖擊試驗,按此重復做20個周期試驗后進行浸水試驗。結(jié)果如圖3所示。
圖3 浸水試驗結(jié)果
從圖3可以看出,模卡的常態(tài)和高低溫沖擊后浸水對地絕緣電阻都在1015Ω的數(shù)量級水平,變化趨勢都很小,說明該絕緣結(jié)構的耐潮性能良好。
3.2.7局部放電試驗
按GB/T 7354標準進行試驗,結(jié)果如表5所示。
表5 局部放電和電暈電壓
根據(jù)TB/T 3315—2013規(guī)定的定子繞組對地耐壓要求進行試驗U=2×Udc+10 004 600 V,未發(fā)生閃絡、絕緣擊穿,通過試驗。
電機經(jīng)檢測定子常態(tài)介質(zhì)損耗,結(jié)果如表6所示。從表6可以看出,定子常態(tài)介質(zhì)損耗與模擬線棒試驗相當。
表6 電機定子常態(tài)介質(zhì)損耗
在工作狀況額定功率為520 kW,額定基波電壓有效值為805 V,額定轉(zhuǎn)矩為9 670 N·m,額定轉(zhuǎn)速為513 r/min,風量為73 m3/min,運行1 h后測量電機溫升為86.9 K,遠低于定子繞組溫升限值200 K。
絕緣結(jié)構性能校核、驗證以及實際應用均表明:所設計的不飽和聚酯樹脂體系的絕緣結(jié)構,滿足交流傳動內(nèi)燃機車配套中間直流電壓為1 800 V及以下的交流牽引電動機的使用要求。
從2013年起,該絕緣結(jié)構已應用于成都中車電機有限公司公司生產(chǎn)的4400HP機車配套交流牽引電機上,迄今為止,應用效果良好,無因絕緣結(jié)構設計問題引發(fā)的故障產(chǎn)生。