談高壓電機線圈的絕緣問題

高壓電機的線圈絕緣對電機的使用壽命和經濟效果影響極大，是每一個設計和工藝人員都必須慎重考慮的問題。高壓線圈從某種程度上可以稱之為電機的心臟，直接決定了電機的使用壽命，而作為線圈的重要組成——絕緣材料的性能則顯得至關重要，今天Ms.參與大家簡單探討一下高壓電機的絕緣問題。

高壓電機的發展是與絕緣材料、絕緣結構和絕緣工藝的發展密切相關的。早在1910年，首先采用了蟲膠云母箔卷烘成套管式絕緣。1919年開始發展瀝青云母帶連續式絕緣，并經真空浸膠處理。這種絕緣方式優于套管式，具有較高的電氣、機械性能，但由于瀝青的熱塑性的固有缺點，不能適應電機容量和電壓日益增長的需要。四十年代便開始研究用不飽和聚酯膠浸漬云母帶作連續式絕緣，1949年成功地用于大型汽輪發電機上。

熱固性合成樹脂絕緣與瀝青比較，電氣、機械和耐熱等性能均顯著提高，與此相應的云母帶補強材料也由天然纖維改用有機合成纖維或玻璃纖維織物。至此，高壓電機絕緣耐熱等級由A級跨入B級。隨著粉云母的制成和應用，又促進了無溶劑低粘度合成樹脂的研究和高壓電機絕緣結構的新發展。1952年開始用改性環氧樹脂膠粘粉云母帶，其熱態物理性能、電氣和機械性能等表明，環氧樹脂優于聚酯樹脂。目前傾向于采用耐熱環氧代替普通環氧。國外某些改性環氧已達到F級，但在大電機中一般仍作B級使用。

各國高壓電機的絕緣結構和處理工藝，大致可歸納為下列幾種：

（1）多膠云母帶連續包繞，真空干燥，然后熱壓成型（模壓或液壓）。

（2）多膠云母帶連續包繞，不經真空干燥，直接采用熱模壓成型。

（3）少膠云母帶連續包繞，真空浸無溶劑樹脂，然后熱壓成型。

（4）少膠云母帶（或白胚帶》連續包繞，即行散線，然后進行無溶劑樹脂整體浸漬。

此外，還有硅橡膠絕緣，以及硅橡膠與云母帶混合絕緣。硅橡膠的耐熱性、耐寒性、防潮性及抗腐性均很優越，但電氣性能和抗撕裂強度較差，僅限用于6千伏以下的特殊環境運行的高壓電機。

● 具有足夠的電氣強度

對于電機的絕緣，一方面希望厚度越薄越好，另一方面則要求在電氣強度上有一定裕度。因為電機在運行中，會受到大氣過電壓和操作過電壓的沖擊：突然短路，溫度和電壓的長期作用，絕緣將逐漸老化，振動和機械應力也會損傷絕緣，此外，在制造過程中要進行多次耐壓試驗，每進行一次，就會在絕緣結構中產生一定細微劣化痕跡，即所謂的累積效應。這些都將會使絕緣電氣強度下降。因此在進行線圈結構設計時，必須要有一定的安全系數（用k表示），具體見式（1）。

K=U_b/U_N………………(1)

式（1）中：

U_b——初始擊穿電壓；

U_N—一電機額定電壓。

安全系數的選擇是一個很重要的問題。需要對絕緣材料質量的穩定性、工藝水平和電機特點進行全面仔細的分析。現在一般值為7~9倍。對于大型電機，運行可靠性要求高，而線圈較長，在制造和運行中都要經受較大的機械應力，因此安全系數也應偏大些。隨著工藝水平和絕緣材料質量的不斷提高，線圈絕緣的安全系數正在逐漸下降。

對于多層組合絕緣結構，在交變電場作用下，其p層絕緣電場強度按式（2）計算。

式（2）中：

U——外施交流電壓（kV）；

δ_ι——各層絕緣厚度（mm)；

ε_ι—一各層絕緣的介電系數；

ε_p—一p層絕緣的介電系數；

E_p—p層絕緣電場強度（kV/mm）。

由式（2）可知：P層所承受的場強E_p與該層絕緣材料的介電系數ε_p成反比。因此，各種絕緣的δ_ι、ε_ι不同，則其擊穿強度E_p也不一樣。為了使不同的絕緣層的耐電壓安全裕度相接近，選擇絕緣結構時，應選E_p與ε_ι的乘積盡量接近的材料組成。

●具有較小的介質損耗

絕緣結構在交變電場作用下，產生介質損耗。介質損耗的平均熱量雖然不大，但在個別弱點上熱量特別集中，如果弱點上由介質損耗引起的熱量超過散發出去的熱量，絕緣的局部溫度就會不斷上升，溫度上升又促使介質損耗進一步增加，絕緣的機電性能將會急劇下降，嚴重時會造成局部弱點的熱擊穿。因此，在高壓電機中介質損耗應不超過規定值。

● 抗電暈性好

高壓電機運行時，其絕緣內部和表面都可能產生電暈現象，使絕緣加速老化和腐蝕。因此，對6.3千伏及以上的發電機和6千伏以上的電動機，其線圈都要采取防電暈措施。對6千伏電動機的線圈，一般可不作防電暈處理，但對使用環境惡劣或容量較大的電動機，仍應進行防電暈處理。

●熱老化性能良好

絕緣結構的耐熱能力要符合產品所要求的耐熱等級。在運行溫度長期作用下，能保證絕緣的正常使用壽命。

電機絕緣通常分為A、E、B、F、H五個耐熱等級。運行時，電機繞組絕緣中的最熱點的溫度，不得超過絕緣等級所規定的最高溫度。一般需留有5~10℃的裕度。絕緣結構如由不同耐熱等級的絕緣材料組成，它的耐熱等級可通過其結構模型作模擬試驗并綜合評定。

●能承受機械應力的作用

線圈的絕緣必須能承受一定的機械應力而不致破裂或產生有害的變形。線圈在運行中由于導線和絕緣的膨脹系數不一樣，溫度變化時，絕緣將受到張力，電機越長，這種影響越大；由于電磁力作用，線圈端部還會產生振動，特別是當電機受到短路、起動和制動電流沖擊時，電磁力常使線圈產生變形；因此要求絕緣具有一定的彈性和機械強度。

                   文章來源于：許昌興洋絕緣材料有限公司

                 2023年6月10日