国产耐电晕云母带在电力推进用发电机上的应用

2011-07-03宋宏孟永奇乔俊丽曹维军

船电技术 2011年11期

宋宏孟永奇乔俊丽曹维军

（1. 海军装备部，太原 030027；2. 中船重工电机科技股份有限公司，太原 030027）

1 引言

随着电力电子技术的迅速发展，大功率交流电机的变频调速技术日益成熟，舰船电力推进技术在国内的应用也得以迅速推广。在舰船电力推进系统中，发电机的负载多为变频负载，基于变频负载的特殊性对电机的绝缘设计提出了新的课题。目前带变频负载的发电机一般采用耐电晕聚酰亚胺薄膜云母带作为电机的主要绝缘材料，其中多数电机采用杜邦公司的KaptonCR薄膜制成的云母带，或直接采用国外公司的少胶VPI绝缘体系，如Isola、ABB、Simens等。这些绝缘材料价格昂贵、供货周期长，且货源受制于人，不利于在重要项目上应用。本文分析比较了杜邦公司和国产的耐电晕聚酰亚胺（PI）薄膜以及不同薄膜制成的云母带的电气性能，同时匹配不同的浸渍漆制成线棒做了大量的试验，提出了国产耐电晕PI薄膜云母带的应用解决方案。

2 电力推进用发电机的运行状况及对绝缘的影响

2.1 电力推进发电机的运行状况

电力推进用发电机是舰船综合电力系统中的一个子模块，其主要功能是为推进系统提供电源，大功率推进变频器是其主要的负载。由于大功率变频器的使用给舰船电力系统造成谐波污染，对线路中的电力推进电机、通信导航设备、仪器仪表等造成诸多不利影响。主要为以下几方面：

1）产生附加损耗和过热。由于谐波频率高，集肤效应显著，使绕组中谐波电流分布不均匀，电机绕组的有效面积减小，同样功率密度下发热比普通电机严重。另外，谐波电流在定、转子铁心表面、齿部、轭部、阻尼绕组及机械结构件中产生附加损耗也使电机的温升增大[1]。

2）产生机械振动和噪声。电机绕组中流过正序和负序谐波电流时会产生谐波转矩，引起电机一定倍频的机械振动和噪声，如果该频率接近电机的固有频率，会引起电机的强烈振动和啸叫。

3）谐波会引起电力推进系统中局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放大，进一步增加了上述危害。

2.2 变频负载对发电机绝缘的影响

由于电力推进用发电机负载多为变频负载，变频器内部PWM逆变器的IGBT开关元件工作频率高达20 kHz或以上，且具有很大的du/dt值，即在非常短的时间内定子绕组承受很高的电压，通常380 V电压等级的IGBT变频器其du/dt值可达几千 V/µs。如此高的 du/dt值使绝缘内部电应力增加而发生局部放电，发电机的绝缘材料发热严重甚至碳化，最终使发电机的绝缘寿命终结，这就使得电力推进用发电机绝缘的耐高频脉冲性能成为关键指标。另外变频负载易引起过热，绝缘设计时必须选择耐高温的绝缘材料。因此采用耐电晕和耐高温的绝缘材料是提高绝缘结构耐高频脉冲性能的主要技术措施。

3 目前采用较多的绝缘方案

3.1 电力推进电机绝缘结构介绍

以690 V低压同步发电机为例，电力推进用发电机定子槽内的绝缘结构如图1所示：

图1 发电机定子槽内的绝缘结构示意图

与普通相同电压等级的同步发电机主要不同之处在于：

①电机对地绝缘与槽之间采用半导体防电晕材料，即图示中的低阻纸。

②对地绝缘的云母带采用CR薄膜玻璃粉云母带。

③若线圈为多匝线圈结构，则线圈的匝间绝缘也需选用耐电晕材料，电磁线通常采用CR薄膜烧结电磁线或CR薄膜玻璃粉云母带绕包电磁线，利用电磁线的自带绝缘作为线圈的匝间绝缘。

④浸渍漆采用挥发剂小于 10%的无溶剂树脂。

槽内对地绝缘与铁心之间采用半导体防电晕材料是为了保证槽内线圈与铁心同电位，使发电机在运行过程中线圈表面不产生电晕现象。

3.2 耐电晕薄膜及耐电晕云母带的组成

PI薄膜是目前耐热性最好的薄膜，可在555℃短期内保持其物理性能，长期使用温度达200℃以上，但PI薄膜由于是有机高聚物耐电晕性不高。杜邦公司采用50～500 nm的气相氧化铝填充PI薄膜，使该薄膜的耐电晕性能提高10倍以上。我国通过几十年的研究，通过在PI薄膜中添加一定量的无机纳米材料如Al2O3、SiO2、TiO2以及层状硅酸盐等制成了耐电晕的PI薄膜。其耐电晕性能的提高主要有几方面的原因：

①硅、铝等无机物材料有优异的热传导性，可以及时传导电晕过程中产生的热量。

②硅、铝等无机物材料的存在有利于载流子的传输，使内电场均匀化，等效消除了空间电荷聚集引起的电场集中，从而提高了绝缘材料的耐电晕寿命。

③ S i - O、Al-O的键能均大于C-N的键能，具有较高的抗氧化性和热稳定性，在电晕过程中，表面层的 PI受到电晕老化降解为小分子的物质离开表面，无机纳米粒子留在薄膜表面形成一层保护层[2]。

电力推进用发电机中使用的耐电晕 PI薄膜云母带即为耐电晕PI薄膜替代纯PI薄膜作为补强材料制成的云母带，可以根据具体的绝缘结构设计制成单面补强或双面补强的云母带，其中胶粘剂的选择除需考虑与浸渍漆的相容性外，还需考虑胶粘剂本身的耐高频脉冲性能，避免胶粘剂本身在高频脉冲的作用下发生过热烧损绝缘。

4 国产耐电晕云母带的应用分析

4.1 国产与进口耐电晕薄膜性能比较见表1。

表1 耐电晕薄膜检测值

从表1可见，在试验电压下国产和进口薄膜的耐电晕性能接近。需要说明的是有资料显示国产耐电晕薄膜与进口耐电晕薄膜在 1.5～2 kV范围内测试时，耐高频脉冲寿命无明显差别，但在更高电压下检测时有较明显差别，一般国产耐电晕薄膜的耐高频脉冲寿命为进口耐电晕薄膜的50%～70%。

4.2 国产与进口耐电晕云母带性能比较见表2

表2 耐电晕云母带检测值

从表2可见，国产和进口薄膜复合成云母带后耐电晕性能接近，为电力推进用发电机耐电晕云母带的国产化奠定了基础。

4.3 某产品两种云母带的绝缘结构试验分析

为进一步比较国产和进口耐电晕薄膜云母带的绝缘性能和工艺性，用两种云母带浸不同的浸渍漆后制成线棒进行测试，分别选取四个厂家的云母带制样。表3、表4为试样浸不同浸渍漆后的常态介损值，表5、表6为试样浸不同浸渍漆后的热态介损值，表中所列值为多个线棒所求平均值。表中A、B、C、D分别为四个厂家的代号，J表示使用进口耐电晕薄膜云母带，G表示国产耐电晕薄膜云母带。

表3 浸1#浸渍漆试样的常态介损值( % )

绝缘结构的介质损耗越小，表明该绝缘结构的相容性和整体性能越好，缺陷越少。从表3和表4可看出，试验电压小于1000 V时，国产带试样与进口带试样的常态介质值基本相同，试验电压大于1000 V时，不同厂家各有差异。由于电力推进电机的额定电压只有几百伏，但绝缘表4 浸2#承受的谐波电压峰峰值均很高，因此更应看重绝缘结构在高压和热态下的表现，从表3和表4还可看出 3000 V时所有厂家的不同试样性能基本在同一水平，其中B厂家的国产带性能最好。从表5和表6可看出，国产带试样与进口带试样相比其热态介损值均较低，说明国产耐电晕云母带与选用的绝缘结构的相容性和工艺性均略好于进口耐电晕云母带。当然这些数据是在现有的试验条件下测得的，与绝缘结构在电机实际运行时的表现会有差异，但根据试验数据可以推论，实际运行时国产云母带与进口云母带的性能相当。