高效高压中型异步电机绝缘结构设计分析

高效高压中型异步电机绝缘结构设计分析

李兵伟

西门子电气传动有限公司    天津市    300384

摘要：电机的重要技术经济指标之一是重量功率比，即kg/kW。主绝缘减薄可以提高槽的利用率，从而达到降低重量功率比、电机体积和制造成本的目的。以往通过实验的方法对主绝缘进行减薄，但实验的方法并不能直接反映电场对主绝缘的作用。利用有限元法对绝缘层的电场进行分析计算，可以得到绝缘层表面的电场分布。在此基础上，优化绝缘尺寸和结构对于高效节能电机的研究具有重要意义。

关键词：高压异步电机；定子主绝缘；电场；绝缘结构设计；

针对高压电机定子主绝缘减薄后电场的分布问题，以YKK400－6(690 kW)中型高压异步电机为例，建立定子绕组静电场的计算模型。在边界条件不变的基础上，通过对场强最大值及电场集中系数分析计算，对定子绕组主绝缘进行减薄处理，并结合设计要求给出了主绝缘角部合理的圆角半径。在电场计算的基础上对主绝缘减薄前后的线圈进行介质损耗角正切与瞬时工频击穿电压试验。结果表明，新的绝缘结构满足要求。

一、定子线圈绝缘的研究进展

在高效高压电机中绝缘系统占有及其重要的地位。它在很大程度上决定了高压电机运行寿命和运行的可靠性。定子铁心绝缘和定子线圈绝缘被称为为高压电机心脏，在研究上更受人们的瞩目和重视。定子线圈绝缘主要包括绝缘材料和绝缘结构两大部分。现阶段人们主要是对大型的水轮和汽轮发电机的定子线圈的绝缘技术进行了较多及较深入的研究，对中小型电机的定子线圈绝缘技术的研究很少，但是，我们可以借鉴其大型发电机定子线圈绝缘的研究方法和研究成果对中小型电机的定子线圈的绝缘结构进行分析。

1.定子线圈绝缘材料的研究进展。长时间以来，人们对定子线圈的绝缘问题的研究主要放在对绝缘材料的开发上了，在上世纪的70年代80年代发展迅速，近十年来没有太大的突破。电机主绝缘材料主要是指云母带及导体所用的电磁线。云母带现在是应用最为广泛、绝缘效果最理想的材料。高压电机制造之初的所使用的云母带即黑绝缘由沥青胶黏剂、云母和相应的补强材料所组成。随着电机对绝缘技术的要求不断提高，发明了新的主绝缘材料，即B级TOA环氧玻璃粉云母带。由于其存在着缺陷，制约了高压电机的运行寿命，随后又开发了由桐油酸酐环氧树脂作为胶黏剂的云母材料，它可以长期在130℃下运行，可见，在机械性能和介电性能及电老化方面都有较大程度的提高。进入20世纪80年代，在B级TOA环氧玻璃粉云母带的基础上研究开发F级云母带。这种云母带将环氧树脂胶黏剂的固化剂由TOA改为桐马酸酐。大大改善了耐温性能，提高了机械和电气性能。即一直沿用至今的桐马绝缘。随着绝缘材料的不断改进，同时也推动着电机容量的不断提高。国内大型发电机采用绝缘厚度0．4mm的型号为SBEB一40／155的电磁线。国外采用的是与国内相同的双玻璃铜扁线，但绝缘厚度要比国内薄得多，一般在0．25mm以下。为了提高电机的装机容量，需要开发高介电性能的电磁线，生产出了绝缘厚度为0．2mm的双涤无漆烧结线，具有良好的柔韧性和耐热性，被广泛的应用在三峡、二滩、小浪底的大中型发电机组上，并取得了良好的成果。而绝缘体系又分为多胶和少胶两种。多胶绝缘体系使用的胶含量35％左右云母带，并采用多胶模压工艺。少胶绝缘体系使用胶含量为4％～8％的云母带，采用VPI成型工艺。国外的许多公司的主绝缘材料采用少胶VPI体系，一般认为少胶VPI绝缘体系主绝缘整体性较好，而且生产效率也比较耐用。

2.定子线圈绝缘结构设计的研究进展。近十年多年来，由于对主绝缘材料上的开发越来越有限，为了提高电机的容量，人们对绝缘结构的设计有了更高的认识。在绝缘结构的设计方面，等位层和屏蔽层的设计被研究的最为广泛。等位层设计的原理是在线圈的窄面通过添加一些导电的材料使换位处的电场变得简单而均匀。屏蔽层的设计的目的。是为了抑制局部放电的发展，阻挡和控制放电产生的空间电荷的聚集，屏蔽层结构就是在主绝缘中加入一个可以改变电场不均匀现象的屏障，所以屏蔽层设计的关键是其空问位置的确定。对于结构的设计各公司采用的方法不同：其中奥地利ELIN公司，在导体线圈成型后，在导体线圈的窄面分别焊入0．05ram厚的铜片，然后包绕主绝缘固化成型；德国SIMENS公司，用填充半导体腻子填充换位加大导体半径，然后再包云母主绝缘；瑞士ABB公司是在导体线圈固化时，在窄面垫一层0．5mm的半导体玻璃布层压板；加拿大的GE公司把成型导线的四个角部加工成圆角半径约为2mm后，在刷一层0．1mm"--,0．2mm的半导体漆，其中ELIN公司的结构为全屏蔽结构。各公司对于屏蔽层结构的设计还在逐渐的研究开发当中，所以通过结构设计来提高电机的绝缘水平还有较广阔的空间。

二、定子线圈绝缘结构评定方法

评定定子线圈绝缘状态的方法有多种，采用的评定方法有：瞬时工频击穿电压与击穿场强试验、常态介质损耗因数和热态下介质损耗因数试验。除了对线圈的绝缘强度进行分析外，还要对所用的主绝缘材料(少胶云母带)的性能进行分析。

1.定子线圈的介质损耗因数测量。介质损耗因数即介质损耗角正切，是绝缘介质在交流电压作用下，介质中电流有功与无功分量的比值。介质损耗因势是电绝缘的一种性能，通过测量可以反映出绝缘的一系列缺陷，所以测量是判断减薄后的线圈能否满足绝缘要求最有效的方法。它也是绝缘内电损耗的一种度量。损耗因数一般用电容电桥测量并表示成百分数介质损耗的测量用的是成品的试验线圈，并不同于大型发电机。试验线圈应从成品线圈中随机抽取，整体浸渍线圈，应做成模拟线圈并和生产中的电机定子一起进行整体浸渍工艺处理。允许在同一试验线圈上进行多项试验。常态介质损耗角正切值()应在室温下进行。测量电极的长度应为线圈槽部的长度，并应接屏蔽电极，屏蔽电极的宽度不小于10mm，屏蔽电极与测量电极之间的问隙应不大于4mm，一般在2～4mm之

内。测量电压从0．2UⅣ开始，每隔0．2UⅣ测量一次，直至1．0UⅣ为止。其中常态0.2UN≤3．0为合格。热念下的介质损耗角正切()的线圈应置于有热风循环的烘箱中，温度控制在l 55±5℃。保持1h后在0．6 UⅣ测量，测量电极的长度为线圈槽部长度，并应接屏蔽电极。其中热态下0.6UN．≤20为合格品。进行这两种试验所用的仪器。

2.定子线圈的介电强度测量。线圈的介电强度是通过破坏性的瞬时工频击穿电压考察的，其目的是为了确保绝缘安全的耐受正常的工作电压应力而进行的交流高压绝缘试验。现代定子绝缘在施加交流电源电压4至7倍的额定电压下会呈现损坏状态。瞬时工频击穿电压试验通常在变压器油中进行。所需的试验设备较大。试验所用的设备为HT-150型击穿电压测试仪，试验所用线圈需浸入501333的变压器油中进行，电极长度为线圈的槽部长度，升压速率为lkV／s。击穿产强为试验线圈击穿电压与线圈主绝缘厚度之比。

3.定子线圈主绝缘材料的性能分析及其他。对于高效高压电机的电场的改善除了改变绝缘结构外，选取高性能的主绝缘材料也很关键。为了减薄电机的主绝缘厚度，需要选择绝缘性能较高的主绝缘材料。为了确定所要用的主绝缘材料，需要选定不同厂家的产品做成试验线圈，然后通过介质损耗因数试验和绝缘强度试验来分析不同厂家的产品性能。主要选择了上海新艺绝缘材料有限公司和上海同立电工材料有限公司的云母带进行对比试验分析，试验部分将在下一节中提到。最后选定了上海新艺绝缘材料有限公司的s5442系列真空压力浸渍用少胶云母带。其性能。为了提高定子的槽利用率，还对层间绝缘进行了改进，以往都用云母板进行层间绝缘，用s2340预浸纸进行层间绝缘。材料也由上海新艺绝缘材料有限公司提供。其s2340预浸纸性能。通过对绝缘材料的选择和对新的绝缘材料的应用，当定子主绝缘的厚度由原结构的1．5mm减薄为1．1mm时，在同样的额定电压作用下，也能正常的工作，而没有发生击穿，达到了减薄定子主绝缘的目的。有效的提高了电机的效率，同时也达到了减小电机体积的目的。

三、定子线圈耐压试验仿真

分析主要是针对电机在额定电压下工作情况下进行的电场分析。对于工作的电机随时可能遇到各种不同的危险情况，这时的定子线圈的介电性能与正常状态下有很大的不同，需要对电机的定子线圈进行耐压试验等。但是由于试验条件的限制，不能把所有的情况都考虑到。我们利用有限元软件，对线圈的危险部位进行分析，并与试验得到的击穿电压进行对比，以弥补试验上的不足。进而迸一步确定减薄后的线圈的性能。耐压测试是检验电器、电气设备、电气装置、电气线路等承受过电压能力的主要方法之一。分为工频耐压试验和直流耐压试验两种。电气设备经耐压试验能够发现绝缘的局部缺陷、受潮及老化等。对于仿真试验所需加载的电压值为整机对地耐压试验所加的电压值，其数值为2×额定线电压+5kV(1．7kV)。可知电机的定子线圈主要发生在线圈的角部，电场强度的最大值与最小值主要在定子线圈角部的45。射线方向。已经确定当圆角半径，=0．5时的结构比较合理，所以在主绝缘分别为d=1．1 mm和d=1．5 mm的线圈的圆角上45。方向做线，提取该线上的数据，就可以知道电场强度的最大值与最小值，并将数值与击穿电压数值对比，确定绝缘线圈的性能。线圈的端部也是绝缘事故的高发区。所以也需对减薄前后的端部进行耐压试验的仿真分析，减薄后的最大电场强度为25．2kV／mm，而试验对于主绝缘为1．1mm的线圈的击穿场强最小为40．18kV／mm，减薄前后的定子线圈角部的电场强度变化不大，可知减薄后的线圈能够承受一定的高电压值。减薄后端部电场强度最大值为2．0371×10 7 V／m，完全满足绝缘要求，并保留一定的安全裕度。

四、定子槽部电场计算

电机绝缘结构中对电场的求解，可归纳为边值问题，即；

式中:Ω为定解场域;Γ1为电势已知的边界;Γ2为电势的法向导数等于零的边界;Γin为不同介质的分界线。电机的槽部电场和角部电场可近似为二维场进行计算，而端部由于其结构的复杂性，采用三维场进行计算。

1.定子槽部电场有限元数值方程。选用样机的额定电压为6 000 V，定子槽宽为11.9 mm，高为69.5 mm，层间绝缘厚为2 mm，主绝缘为1.5 mm。以定子槽宽度方向为x轴，高度方向为y轴，结合电机的实际尺寸建立计算模型。绝缘材料按均匀、线性、各向同性媒质处理，忽略槽楔对电场的影响，槽内间隙均按真空处理。三相异步电机的外接电压按正弦规律变化，因此槽内上、下两层线圈在各个时刻的电位可以通过计算得到。电位沿轴向的梯度较小，可忽略不计。因此在任一时刻定子的槽部电场均可以当做二维静电场处理。基于以上条件，标量电位φ满足的方程为；

其中:ε为介质的介电常数;G为定解场域;s'为高电位面域(线圈导体);s″为零电位面。G满足范围为；

{x∈［－5.95，5.95］，y∈［36，38］∪

y∈［67.5，69.5］}∪{y∈［5，69.5］，

x∈［－5.95，－4.2］∪x∈［4.2，5.95］}。

边界条件为:设定子槽壁表面电位为零，则s″满足范围

φ(x=－5.95、5.95，y∈［4，69.5］)=

φ(x∈［－5.95，5.95］，y=69.5)=0。

当A，B两线圈之间相位差为120°时，上下两层线圈之间的电位差变化最明显。以线圈A的坐标为基准，在A、B两线圈导体上加高电位，所加的电压为整机对地耐压试验所用电压值(17 kV)。即s'满足范围；

2.定子槽部电场计算结果。线圈A，B的电位差为；

当cos为最大值时φA－φB最大;

当cos为最小值时φA－φB最小。

在一个周期内，相位为和时，A、B两线圈电位差最大。在相位为时，A、B两线圈电位差最小。图1和图2分别给出了和时的电场强度云图和矢量图。

图1时电场强度云图和矢量图图2时电场强度云图和矢量图

观察图1、图2中电场分布，发现场强最大值出现在线圈尖角部分，即在线圈尖角部分出现了电场集中现象，在矩形线圈的四个侧面，电场分布是比较均匀的。分析发现线圈尖角部分的电场集中现象是由于导体几何形状突变所造成的，所以有必要对线圈角部进行结构优化。

五、线圈角部电场的计算

为了减小角部电场集中效应，通常把线圈的角部做成有一定圆角的形状，其截面简化模型。线圈的4个角部是对称的，即可以选择线圈截面的四分之一进行分析。建立主绝缘厚度为d=1.5 mm，半径r=1.8 mm的计算模型。对线圈加载时的整机对地耐压试验所用电压的瞬时值，绝缘层外侧为零电位边界。应用静电场求解器进行计算，观察图1的放大部分，由于采用了圆角结构，角部电场分布变得均匀，最大电场强度由原来的1.757×107V/m下降为1.293×107V/m。根据经验公式；

式中:fm为电场集中系数，Ea为平均场强，d为主绝缘厚度，r为圆角半径，Emax为最大电场强度，由

确定。可知，欲改善定子线圈的电场分布，需减小电场集中系数fm，而要减小fm，就必须降低d/r的值。改变d和r的值，建立计算模型。对各模型中线圈导体加载整机对地耐压试验所用电压值，设绝缘层外侧为零电位边界，采用静电场求解器进行计算。若在此电压值下绝缘能满足要求，则主绝缘可以保证电机的安全运行。通过计算，得到d和r取不同值时的电场分布，取最大电场强度进行对比，可观察到当绝缘厚度相同时，最大电场强度的值随圆角半径的增大而减小;当圆角半径相同时，最大电场强度值随绝缘厚度的增大而减小。其中1.5 mm为原绝缘结构、1.1 mm为所确定的新绝缘结构。可知主绝缘电场强度的最大值与最小值均出现在角部45°射线方向上。在1.5 mm和1.1 mm绝缘的各模型沿角部45°方向做射线，分别提取该线上节点的电场强度作对比分析，计算该线上节点电场强度的平均值，其值可作为平均场强Ea。根据最大值就可以求得电场集中系数fm。

图3不同r和d下的fm值

图3为fm与r和d的关系。分析可知当绝缘厚度一定时，圆角半径越大fm越小。在满足绝缘结构的要求情况下，考虑提高槽利用率和生产工艺两方面，选择0.8 mm的圆角半径为宜。

六、绝缘性能试验

以电场计算的结果作为参考，按标准对定子主绝缘厚度为1.5 mm和1.1 mm的线圈进行常态下介质损耗角正切、热态介质损耗角正切和瞬时工频击穿电压试验。介质损耗角正切的测量是判断减薄后的线棒能否满足绝缘要求最有效的方法。测量在室温(24℃)下进行，电极长度应为线圈的槽部长度，并接屏蔽电极，屏蔽电极宽度不小于10 mm，屏蔽电极与测量电极之间的间隙在2～4 mm之内。测量电压从0.2UN开始，每隔0.2UN测量一次，直至1.0UN为止。测量热态介质损耗角正切时，线圈置于热风循环的烘箱中，温度控制在155℃，保持1 h后在0.6UN测量。击穿电压试验在室温的变压器油中进行，升压速度为1 kV/s。

总之，采用整机试验电压进行计算，与线圈击穿试验对比，各处计算电场强度均没有超过击穿场强。当电机在额定电压下工作时，优化的绝缘结构能够保证电机的安全可靠运行。

参考文献：

［1］刘春．高压电机定子线棒绝缘结构设计及其性能研究．2019．

［2］侯艳萍．浅谈高效高压中型异步电机绝缘结构设计分析.2021.