高压电机定子线圈匝间绝缘结构

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0 引言


在高压电机绝缘故障中,匝间绝缘破压击穿率一直高于主绝缘对地击穿率。但由于匝间绝缘击穿常常引起主绝缘对地击穿,因此在判断事故时匝间事故容易被掩盖,匝间绝缘质量也容易被人们所忽视。


从高压三相交流异步电动机整体绝缘结构看,匝间绝缘与主绝缘相比,具有绝缘薄、接触面积大;在电机运行中特别是启动时,所承受的过电压高;在线圈制造中匝间绝缘要受到拉型整形时的机械力、压型时的过热及运行时的热应力等特点。特别是变频电机的匝间绝缘还要承受交流变频器输出的高频瞬间脉冲尖峰电压,因此匝间绝缘结构是整个绝缘结构中的重点之一。由于匝间绝缘处理方案与电机类型、线圈匝数、绕线方式、电压等级、使用工况等均有关系,如处理不当,即会造成质量隐患


1 电机匝间绝缘确定原则


安全可靠、经济适用是匝间绝缘设计的首要原则。由于匝间绝缘的特殊性,选材设计时必须具备以下条件:(1)应有足够的电气击穿强度;(2)相应的耐热等级;(3)应能承受制造过程中以及运行时的各种机械力;(4)高压时应有良好的耐电晕性能;(5)绝缘厚度在不影响各项性能的情况下,越薄越好。


2 3kV~10kV高压电机匝间绝缘结构的确定


2.1 高压电机线圈常用电磁线


线圈的匝间绝缘除特殊规格需加包绝缘外,主要是线圈所用电磁线自身的绝缘,所以电磁线的选择至关重要。现行的高压电机一般为F级电机,因此,电磁线耐热等级也应为155e的F级电磁线。从工艺角度出发,自粘线是首选。它是一种线圈匝间胶化可靠、线圈制造工艺简单,已被电机厂广泛接受的一种电磁线。除自粘性外,导线的宽窄比也是重要的参数之一,一般情况下,宽窄比不宜大于6B1,较大线规时还应考虑导线的硬度,线圈绕线方式也是选择电磁线应考虑的问题。


以下为国内几种高压电机常用电磁线,其性能对比如表1

注:*实测值为10种不同线规电磁线实测值的平均值。


3kV电机电磁线以玻璃丝包漆包线为主,由于此类电机需求量小,一般也可选用薄膜线。6kV电机电磁线主要以玻璃丝包亚胺薄膜绕包线为主。万伏级电机电磁线的选择,主要是考虑电晕和过电压问题,耐晕耐压性能好的绝缘材料首推云母,所以云母绕包线主要用于10kV电机,其种类主要有:(a)单面补强云母带绕包线,这种云母绕包线绝缘厚度薄,耐电晕性能好,但由于没有玻璃丝补强其机械强度较差,在线圈制造过程中应格外注意,该种绕包线主要用于匝间绝缘厚度要求较薄,电机性能要求较高的10kV电机上;(b)玻璃丝包云母带绕包电磁线,该种电磁线由于有玻璃丝补强材料,机械性能耐晕性能良好,是万伏级电机常用电磁线;(c)玻璃丝包云母带与亚胺薄膜混包电磁线,该种电磁线由于引进了亚胺薄膜,其机械性能和击穿强度较上两种电磁线均有大幅提高,常用在PVT较高,小功率有换位要求线圈的万伏级电机上。


2.2 根据线圈每匝电压峰值选择匝间绝缘


2.2.1 圈式线圈每匝电压峰值计算方法

电机在运行或启动时线圈每匝所承受的过电压峰值是确定匝间绝缘结构的主要依据,针对现在国内各厂确定匝间电压峰值的计算方法,仍以美国WH公司匝间电压峰值计算方法为准。其计算公式如下:PVT=0.816@p.u@e@n/TPC式中,PVT)线圈每匝冲击电压峰值,V;p.u)每单位值,对于标准型线圈匝间绝缘为2;加强型线圈匝间绝缘为3(加强型线圈为电机频繁启动,且正反转);e)标准线圈为1,换位线圈为3;n)电机额定电压,V;TPC)线圈匝数。



2.3 特殊绕制线圈匝间绝缘结构


近年来随着电力工业的发展,10kV电机需求量越来越多,此类电机线圈导线由于截面小,线圈匝数多,于是就产生了弓形、??形换位线圈。这两种换位方式由于在线圈中相邻两匝存在不是按绕线顺序相邻,而是有隔1匝或多匝的情况,相隔的匝数越多,相邻线匝之间承受的过电压越高。所以这两种特殊绕线方式的线圈匝间绝缘应特殊处理。弓形、形换位线圈线匝排列示意如图1。


2.3.1 换位线圈匝间电压分析

根据JB/T10098-2000《交流电机定子成型线圈耐冲击电压水平》规定,线圈耐陡峭波前冲击电压峰值10kV电机为29kV,按此值计算,结合图1,以前4匝为例,弓形、形换位线圈相邻各匝所承受的冲击电压值如表3。


由表3可以看出,弓形换位线圈相邻匝1-4耐冲击电压峰值最高,是正常1-2/2-3/3-4相邻匝的4倍。1-3/2-4耐冲击电压峰值次之,是正常1-2相邻匝的3倍。如此高的匝间冲击电压,是10kV小功率电机匝间事故率高的直接原因。


2.3.2 10kV小线规形换位线圈匝间绝缘

??形换位线圈绕制时较弓形换位线圈容易,两个单排梭形线圈分别绕制后合上,再将过桥线焊接在一起即可,这种结构由于换位处数少,线圈端部平整,与非换位线圈差别不大。如排间绝缘处理得当应是一种较好的换位方式。


排间绝缘可以用多胶薄膜补强云母带分别对单排梭形线圈一周半叠包一层,过桥线可用多胶薄膜补强云母带半叠包3-4层,合在一起后进行匝间胶化处理。如此处理的??形换位线圈匝间绝缘耐冲击电压可达到30kV,完全可以满足JB/T10098-2000《交流电机定子成型线圈耐冲击电压水平》的要求。


2.3.3 10kV弓形换位线圈匝间绝缘

由于换位线圈导线均是小线规导线,这种小线规导线在电磁线厂制造时就较困难,其击穿电压本身也较低,因此在电磁线选择时应考虑增加一定的余量。


弓形换位线圈承受高压的相邻匝不仅来自排间,上下匝间也有高压出现,而且一支线圈内高压相邻匝数量多,单纯将高压匝隔离开工艺上较困难。


由于电机产生过电压时,一般不是在电机正常运行时,而是在启动瞬间,过电压一般是陡峭波冲击电压,由于这瞬间过电压是由电缆引线导入,不可能在同一时间使电机整个绕组达到同一电压水平,而是与电缆连接的首支线圈承受50%以上的过电压,所以绕组匝间击穿多发生在启动时的首支线圈,加强首支线圈的匝间绝缘即可提高整台电机的耐陡峭波冲击电压水平。


弓形换位线圈匝间绝缘一般采取如下措施:

(1)选择高强度的电磁线;

(2)换位处由于易产生机械损伤,应在每个换位处垫包绝缘;

(3)加强每相绕组首支线圈的匝间绝缘;

(4)提高特殊处理的线圈匝间冲击试验电压。


3 结语


高压电机绕组线圈匝间绝缘质量的提高应进行综合考虑,从设计方案到导线质量再到线圈制造工艺方法等等都是关键。10kV换位线圈的匝间绝缘由于它的特殊性应特别重视。


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