高压大中型电动机绝缘结构的设计研讨

赵勇

摘要：纵观电机发展的历史，电机单机容量的增大和技术提高，都是以电机绝缘技术水平的提高为前提的。作为电机的一个重要组成部分，定子绕组是影响加工费用、运行可靠性和电机寿命的一个关键部件。随着电机行业的不断发展，需要开发更薄、更先进的绝缘结构。减薄绝缘结构意味着相同容量的电机可以缩小体积，提高产品的先进性和竞争力。制造更加先进的电机，绝缘系统是阻碍发展的瓶颈，特别是作为电机核心的定子绕组的绝缘系统，是绝缘技术的关键。因此，研究绝缘厚度的减薄具有十分重要的意义。

关键词：发电机；高压交流电机；绝缘技术

目前我国高压交流发电机已形成达到国际先进水平超超临界火电和核电的百万千瓦级汽轮发电机绝缘系统和可达 800 MVA 的水轮发电机绝缘系统，正在研制百万千伏安的水轮发电机绝缘系统。发电机绝缘体系发展到由多胶模压绝缘体系与少胶 VPI绝缘体系并存的两种 F 级绝缘体系。该电机LD－F 绝缘体系采用了少胶粉云母带连续包绕整体 VPI 浸渍环保型环氧酸酐无溶剂浸渍树脂、绝缘系统设计囊括同步电机、异步电动机、变频调速电机等设计电压高达13．8 kV，绝缘结构中的绝缘厚度和定子绕组绝的电气、机械和其他性能均达国际先进水平。

一、电机电枢绝缘结构

1、电枢绕组绝缘。电枢绕组绝缘结构随绕组结构型式不同而有所区别 为了提高防潮性能，大型直流电机电枢绕组一般采用连续式绝缘。

匝间绝缘作用是绝缘同一线圈中的相邻元件，只承受片间电压。大型直流电机匝间绝缘一般采用裸铜线外半叠包一层 0.1 毫米云母带，或直接采用高强度漆包双玻璃丝包线。中、小型电机一般采用双玻璃丝包线即可。

保护布带。主要保护主绝缘免受机械损伤。一般 B 级绝缘电机采用 0.1 毫米玻璃丝带半叠绕或平绕一层。F 级薄膜绝缘一般不用保护布带，有时为可靠起见，也用 0.1 毫米玻璃丝带半叠绕一层。

电枢绕组端部绝缘。绝缘方式和材料一般和直线部分相同，仅是对地绝缘比直线部分可少包 1-2 层。虽然端部对地和层间都存在全电压，但主要是因为有层间绝缘和支架绝缘的存在，同时也为了改善冷却条件，所以绕组端部绝缘制造时适当减少。

2、线圈在槽内的保护绝缘

槽绝缘。防止槽内毛刺或槽口尖棱划伤线圈。B 级绝缘：0.2 毫米聚脂薄膜一黄玻璃漆布复合绝缘、0.2 毫米聚脂薄膜一青壳纸复合绝缘，或用 0.2 毫米青壳纸代用。F 级薄膜绝缘：0.15 毫米聚酰亚胺一黄玻璃漆布或 0.1 毫米聚酰亚胺漆布。

槽底垫条和层间垫条。保护绕组在下线过程中免受机械损伤。B 级绝缘采用 0.5 毫米醇酸柔软云母板。F 级绝缘采用二苯醚玻璃布板或硅有机云母板。

主极绕组绝缘。单层式主极绕组，匝间垫 0.1 毫米环氧酚醛玻璃布四层，热压成型，首、末两匝加包 0.14 毫米云母带与 0.1 毫米玻璃丝带各一层。多层式主极绕组，匝间绝缘用高强度漆包双玻璃丝包线或双玻璃丝包线。

二、大型高压发电机绝缘技术

大型高压发电机定子绕组主绝缘，以前国内一直以多胶型绝缘体系为主，近年来随着少胶型绝缘体系的研发成功及在产品上的应用。目前已形成了多胶型和少胶型F 级绝缘体系。发电机绝缘300 MW、600 MW 汽轮发电机绝缘技术在国内已是成熟技术，产品主要用于亚临界火电机组上，部分用于核电机组。近年来我国转变了电力发展方式，调整电源结构，已从以火电为主转变为低碳清洁发展方式。主要投资于低碳的火电机组和清洁能源。火电机组以超超临界机组为主，是目前单电煤耗最低的机组。目前我国汽轮发电机( F级) 产品，用于核电发电机组和火电机组上，1000 MW 超超临界汽轮发电机为日立、东方联合设计，额定电压为 27 kV，铁心长度达 8 150 mm，定子线棒采用 4 排铜导体组合，绝缘厚度达 7．5 mm，工作场强为 2．08 MV/m［1］，定子线棒绝缘采用少胶环氧粉云母带连续式绝缘单只线棒VPI 绝缘技术。该公司研发的 27 kV 定子线圈的绝缘结构是以 VPI 线圈制造为基础，西门子西屋公司技术并加以改进后采用真空压力浸渍绝缘处理的绝缘结构。绕组线选用玻璃丝/涤纶丝包聚酰亚胺漆包铜扁线，换位绝缘选用 Nomex 材料，线棒经编织换位、垫入排间绝缘、换位绝缘及换位面绝缘后，胶化成型并进行内屏蔽处理，内屏蔽结构采用介质增量较低的优化的导电带结构。27 kV 级定子线圈主绝缘单边绝缘厚度都是 7 mm 左右。其主绝缘云母带采用进口的不含促进剂的少胶带; VPI浸渍树脂采用PDS 53841PU树脂，选取合理的 VPI 参数，使主绝缘在 VPI 树脂中浸透，确保主绝缘具有优良的电气性能。 27 kV 级定子线棒的常态介损和增量、热态介损、击穿强度、弯曲强度和玻璃化温度等均优于多胶模压桐马体系的定子线圈。该公司 27 kV 级绝缘体系应用在火电汽轮发电机上，正准备生产 1300 MW 汽轮发电机，计划年内出厂。公司火电 1000 MW 汽轮发电机的额定电压为 27 kV，绝缘结构采用多胶桐马环氧玻璃粉云母带连续式绝缘模压成型绝缘技术，工作场强可达2.52 MV/m。哈电多胶模压绝缘体系已有几十年的运行经验，属世界上一流技术，得到国内外知名大公司的认可，深受国内外用户的好评。实现汽轮发电机定子整体铁路运输，新型定子重量由常规的 420 t 降 到378 t，减少了 42 t。整体运输的定子加强了绕组的固定和防护，解决了分体机座很难保证绝缘性能的世界难题。现正在研制具有自主产权的少胶环氧粉云母连续式绝缘单只线棒 VPI 绝缘技术，将用于火电和核电百万千瓦级汽轮发电机上。国内将开发研制额定电压为 30 kV( 32 kV) 或者单机容量在 1 500 MW 及以上的火电汽轮发电机绝缘技术。

1、大型高压水轮发电机绝缘

清洁能源水力发电一直深受人们的关注。在中国，水电一直占有全国发电总装机容量的第二位。中国水电资源有 4 亿 kW 左右，现已形成 13 个大的水电基地，规划装机 2．7 亿 kW。公司在制水轮发电机单机容量为 700 MW、800 MW，额定电压为 20 kV，绝缘结构为多胶环氧粉云母连续式绝缘模压成型绝缘技术，工作场强可达 4． 34 MV/m。根据目前国内正在研制开发单机容量达 1 000 MW、额定电压为 24 ～ 26 kV 的巨型水轮发电机组，研究采用少胶粉云母带连续绕包VPI 绝缘技术，哈电采用多胶模压型和少胶 VPI 型两种绝缘技术同时进行的方案。哈电公司研制的24 kV 绝缘系统工作场强可达 2． 64 MV/m，26 kV 绝缘系统的工作场强可达 2． 42 MV/m。在水轮发电机定子线棒采用传统的多胶模压绝缘技术的基础上，对线棒绝缘结构加以改进，对绝缘制造工艺改革，将电压等级由20 kV 提高到24 kV 和 26 kV，并完成 24 kV、 26 kV百万千瓦水轮发电机仿真定子线棒新型防晕结构的研究［1］。模拟真机定子线棒采取防晕结构和主绝缘“一次成型制造工艺”，并通过了常规性能试验、起晕( ≥1． 5 UN) 试验、2.75 UN + 6.5 kV 1 min 耐电压试验和 3.0 UN、2.0 UN 电老化及电热老化试验等，均满足技术指标要求。模拟真机定子线棒在经历 500 周期冷热循环试验过程中，线棒几何尺寸无明显变化，未出现发空和分层现象，绝缘整体性良好; 线棒常态介质损耗( tanδ) 及额定线电压下的局部放电也无明显变化。

2、超高电压发电机绝缘技术

超高电压发电机的额定电压高，可以不用变压器直接输出到电网，采用了全新的设计理念和全新的绕组绝缘观念。 ALSTOM公司开发一种超高电压发电机。首台 11 MVA、45 V、600 r/min 的水轮发电机投入运行。这种新型发电机与传统发电机不同，采用较深的定子铁心槽，成排的圆形电缆在槽内采用特殊结构的三角形硅橡胶软管固定，以便减少振动，绕组绝缘采用交联聚乙烯电缆，穿线式绕制而成，电缆的绝缘厚度不同，第一匝绕组绝缘厚度较薄，之后阶梯式地增加绝缘厚度。电缆由绞合成圆形的铜导体、挤包半导体屏蔽层、再挤包交联聚乙烯固体绝缘层和外层半导电层而成。半导电层由混油炭黑和金属微粒的交联聚乙烯或乙烯丙烯橡胶组成。因外层半导电层接 地，故电场完全局限于绝缘层内。目前， 500 kV交联聚乙烯电缆已投入实际运行，ABB 公司正准备制造输出端电压达 220 kV 的超高电压发电机。

三、大型高压电动机绝缘技术

大型高压交流电动机在向小型化、重量轻和增大单机容量方向发展，同时，要求其绝缘在恶劣的运行环境和严酷的运行条件下，能保证电机可靠地运行。随着化学工业的发展，合成聚合物在电机绝缘上得到广泛应用，大型高压交流电动机绝缘技术得以迅速发展。目前世界上高压交流电动机普遍采用F 级绝缘体系，也有采用 H 级以上的绝缘体系。大型交流电动机的额定电压也提高到 13．8 kV。近年来为降低能消耗，对电动机方面提出“选用高导电、高导磁性能的电动机替代普通电动机，降低电机空载率，提高运行的平均负载率，应用各种调速技术实现电动机节电运行等。”由于变频器的应用给电机绝缘带来很大的难题，以往通用的绝缘结构在变频电机上不适用了，使用寿命大大缩短。高压电动机绝缘设计虽然选取的绝缘材料不同、绝缘结构不同，但从工艺方法上归纳起来也是处在多胶模压型绝缘和少胶浸渍( VPI) 型绝缘并存的两种绝缘体系。

1、多胶模压绝缘体系。采用多胶粉云母带连续式绕包、模压成型、嵌线后浸渍树脂的绝缘体系一直是国内交流电机制造业采取的主要绝缘技术之一。多胶粉云母带品种很多，选用环氧多胶粉云母带的最多。

2、少胶粉云母浸渍环氧酸酐 VPI 体系。以Micalastic 绝缘体系为代表的少胶粉云母 VPI 浸渍环氧酸酐无溶剂树脂的绝缘体系，深受国内电机制造业和用户的青睐。国内采用此绝缘体系独成系列化产品当属哈电公司。LD－F 绝缘体系的主绝缘选用国产少胶单面补强高定量鳞片粉云母纸含促进剂的粉云母带，补强材料有两种: 一种是玻璃纤维布，一种是聚酯薄膜。此云母带具有云母含量高、胶含量少、渗透性强等特点。含有促进剂有利于定子绕组浸渍固化时防止浸渍树脂的流失。浸渍树脂选用由高纯度双酚 A 环氧树脂和 4甲基六氢苯二甲酸酐组合，ET884 无溶剂浸渍树脂。由于树脂的粘度较大、浸渍温度需在 60 ～ 70℃，所以哈电公司同时采用了另一种在 ET884 树脂的基础添加一定量的国产含环氧基的活性单体含双环氧基，降低浸渍树脂的粘度，可以在 30℃下真空浸渍。环氧酸酐型浸渍树脂不含烯烃类活性稀释剂如聚乙烯等，饱和蒸汽压较低、不易挥发、毒性小、对环境污染极微。浸渍树脂不含促进剂，有利于浸渍树脂的贮存和延长使用寿命。LD－F 绝缘体系包括了从低电压到 13.8 kV 一系列各类型电机的绝缘结构系统，现已应用于大中型交流异步电动机、同步发电机、同步电动机、变频电机、核电主泵电机等产品上。 LD－F绝缘体系具有绝缘厚度薄、电气性能和机械性能优越、耐热性稳定、耐环境因素强、耐辐照和安全运行可靠等特点，其绝缘工艺优化、节省能源、净化生产、污染环境小。 LD－F绝缘体系正着手研发 6 kV 级和 10 kV级电动机绝缘厚度的减薄工作，有望 6 kV 级单边绝缘厚度小于 1.0 mm; 10 kV 级单边绝缘厚度小于2.0 mm。

3、少胶粉云母脂环氧 VPI 绝缘体系。该公司引进TMEIC 绝缘，使用 TVB2645 树脂。在此基础上开发了 SD1145 绝缘系统，它与 TMEIC 绝缘相当。浸渍树脂由酯环族环氧树脂、固化剂、再加入稀释剂混合而成。其主绝缘选用含环烷酸锌促进剂的少胶粉云母带。

国家提出发展低煤耗大型火力发电机组、大力投资清洁能源的水力发电机组、风力发电机组和核电机组，重点开辟太阳能光伏、再生能源和生物质能源发电。并提出了选用高导电、高导磁性能的电动机替代普通电动机、降低电动机空载率，提高运行的平均负载率，应用各种调速技术实现电动机节电运行等，还提出大力鼓励自主研发新产品。为此给国内机电行业可持续的发展带来了极大的机遇，各电机制造厂都已迅速改变研发理念和产品结构，大力加强新产品研发。

参考文献：

[1] 李贤明．YK K中型高压异步电动机空冷器的研究与设计[J]．电 机技术，2018，2．

[2] 李贤明．大功率高速电机高效率低噪音离心风扇的研究与设计 [J]．电机技术，2019，1．

[3] 祁世发，张东林． 哈电大中型交流电机 LD－F绝缘体系[J]． 哈尔滨: 大电机技术． 2018( 8) ．

[4] 陈宗旻，田建辉． 环氧树脂在电机绝缘中应用［J］． 上海大中型电机，2019(13) ．