磁性槽楔在风力发电机中的应用

2011-06-02邹强龙龚天明

电机与控制应用 2011年6期

关键词：风力磁性绕组

王杰，邹强龙，龚天明，2

(1.南车株洲电机有限公司，湖南株洲 412001;2.北方交通大学电气工程学院，北京 100044)

0 引言

使用磁性槽楔可有效降低电机铁损、提高电机运行效率及改善电机的起动性能;但磁性槽楔也存在易脱落、使电机转矩下降等缺点。本文针对风力发电机的性能要求，通过磁性槽楔的性能检测、试验和风力发电机的温升试验，阐述了风力发电机使用磁性槽楔的注意事项。

1 风力发电机的性能要求

1.1 生命周期长、高可靠性

风力发电机组各组件(叶片、塔筒、发电机、齿轮箱、控制系统等)成本高、风电机组一次性投入较大;且近几年随着中国风电产业的迅速发展，风力发电并网价格持续走低，风电场业主为保证企业效益，对整个发电机组的运行周期提出了较高的要求。因此，风电机组对其核心部件——风力发电机的可靠性及运行周期也提出了较高的要求。目前，国内风电业界对风力发电机的可靠运行年限一般要求为20～25年。

1.2 维护方便、检修简单

由于风力发电机安装运行在高空，其安装、维护成本较高。因此，综合考虑发电机安装运行后的维护成本和检修工人的工作量，要求发电机运行后维护方便、检修简单。随着国内风力发电机技术的快速发展，风力发电机已满足免维护的性能要求。

1.3 其他性能要求

近年来，随着风电产业的快速发展，我国在风电方面相关标准也日趋完善，在国家强制性标准GB 755《电机定额与性能》的基础上相继制定了一系列风力发电机专项标准，如双馈式风力发电机、直驱永磁式风力发电机国家标准等。风力发电机的设计及性能应满足相应国家标准的要求。

除上述两点外，风力发电机同其他类型的电机一样应满足国家强制性标准GB 755《电机定额与性能》的要求或满足用户提出的特殊要求。因本文主要讨论磁性槽楔在风力发电机的应用，其他性能要求不予赘述。

2 磁性槽楔的特性

2.1 磁性槽楔可显著改善电机性能

磁性槽楔代替非磁性槽楔应用到电机中可显著改善电机性能、节省能源。国内在此方面已经做了大量的理论分析及应用研究，文献［1-3］就电机中使用磁性槽楔可带来的电机铁耗降低、提高电机运行效率、降低电机温升、改善电机功率因数等进行了讨论与研究。为验证风力发电机使用非磁性槽楔的温升改善效果，进行了验证试验。试验方法为选两台同型号、同功率的风力发电机，其中一台使用磁性槽楔，另一台使用非磁性槽楔;分别对两台发电机进行温升试验(将发电机运行在额定功率下，待发电机定子绕组温升稳定后记录发电机的绕组温升值)。试验结果如表1所示。

表1 温升试验结果

从温升试验结果可以看出，同一型号、同功率的风力发电机使用非磁性槽楔后发电机定子绕组温升下降了18.8 K(温升下降值受电机功率、防护等级等因素影响，不可一概而论)。

2.2 磁性槽楔的固有特性造成的易脱落

2.2.1 原因分析

文献［4］从磁性槽楔的固有特性、工艺原因等方面，并结合具体案例，分析了磁性槽楔易脱落的原因并给出了防范措施。为进一步验证磁性脱落的其他原因，将国内某厂家生产的磁性槽楔进行了在不同温度下的性能检测，表2为部分检测结果。

从表2检测试验结果可以看出，磁性槽楔的机械性能受温度影响较大:当温度高于160℃时，部分机械性能急剧下降。目前国内大部分的异步风力发电机绝缘等级为H级，即发电机绝缘系统可靠运行允许的最高温度为180℃，在风况良好的情况下，风电场业主为获得良好的经济效益，一般会让发电机运行在超过额定功率状态下，此时发电机内部温度一般处在绝缘系统所允许的最高温度左右。磁性槽楔在此种工况下运行时，其按照表2的检测结果，其机械性能会显著降低;加上磁性槽楔由于其本身含有的铁磁物质在发电机运行中会受到旋转电磁力的作用，由此可得出磁性槽楔高温工况下机械性能差也有可能造成磁性槽楔的脱落。

表2 磁性槽楔性能检测结果

2.2.2 磁性槽楔脱落后对电机的影响

一方面，磁性槽楔脱落后掉在电机定转子之间的气隙中，一般情况下由于电机气隙较小，槽楔落到其中后首先会造成槽楔与电机定、转子相摩擦，此时根据电机定转子结构不同会造成不同的结果。如若电机转子为笼型，转子外圆为机械强度较高的冲片，脱落的槽楔会被摩擦为粉末后受冷却风吹出气隙散落到电机内部其他部位;若为表贴式永磁转子，脱落的槽楔会导致永磁体的固定装置损坏导致严重的后果(永磁体脱落等)。

另一方面，槽楔还在电机的定子绕组中起固定线圈的作用。槽楔脱落后，定子绕组线圈会在电磁力的作用下松动后与定子槽相摩擦最终导致定子线圈的绝缘破损，发生定子绕组接地的严重后果。

2.3 磁性槽楔对电机绕组绝缘影响

2.3.1 原因分析

为增强磁性槽楔的导磁性能，在磁性槽楔的原材料中会添加导磁成分，目前国内大多磁性槽楔厂家在磁性槽楔材料中添加铁粉或铁颗粒。但添加导磁性能较好的铁质材料后，磁性槽楔会影响电机绕组的绝缘性能。因为电机在运行过程中，电机绕组线圈中由于存在等于额定电压的电势，而槽楔本身没有电势，电机定子绕组线圈中的电势发生波动达到一定值后，会对处于低电势的槽楔放电而导致定子绕组接地。风力发电机在运行过程中常会受到短时大风的影响，定子绕组电压波动较大，因此有必要研究电机定子绕组电压较大情况下，磁性槽楔对定子绕组绝缘强度的影响。

2.3.2 磁性槽楔对电机绕组绝缘影响试验

为验证磁性槽楔对电机绕组绝缘强度的影响，进行了磁性槽楔对电机绕组绝缘强度影响试验。

试验方法为选两台同型号的定子铁心并采用同样的定子线圈嵌线，嵌线完成后一台安装磁性槽楔，另一台安装非磁性槽楔。槽楔安装完成后分别对两台的定子线圈施加足够高的工频交流电压直至线圈击穿，记录击穿电压和耐压时间。试验完成通过击穿电压和耐压时间的对比，则可看出磁性槽楔对绕组的绝缘强度的影响程度。

(1)试验一使用非磁性槽楔定子进行耐压试验，待试验的定子如图1所示。

图1 使用非磁性槽楔的待试验定子

试验设备为ZPT-30T型工频交流耐压机(见图2)，最高输出交流工频电压为30 kV，输出电压可以100 V步进增高。

试验选5槽线圈进行，试验结果如表3所示。

(2)试验二使用磁性槽楔定子进行耐压试验，待试验的定子如图3所示。

与试验一使用同一台耐压设备。选5槽线圈进行试验，试验结果如表4所示。

图2 ZPT-30T型耐压机

表3 使用非磁性槽楔定子耐压试验结果

图3 使用磁性槽楔的待试验定子

表4 使用非磁性槽楔定子耐压试验结果

(3)试验结果分析。根据表3试验结果可以看出，使用非磁性槽楔的定子线圈击穿电压为11 500～13 000 V，平均击穿电压为12 200 V，到达击穿电压后的耐压时间均≥40 s;根据表4试验结果可以看出，使用磁性槽楔的定子线圈击穿电压为7 400～9 000 V之间，平均击穿电压为8 400 V，到达击穿电压后的耐压时间均≤40 s。对比两次试验结果，可以发现使用磁性槽楔的定子线圈在击穿电压值及耐压时间上均有不同程度的下降，其中击穿电压平均值下降了约30%。

由此可得出，磁性槽楔对电机绕组绝缘影响较大:磁性槽楔的使用会显著降低定子绕组绝缘强度。

在进行试验二时，发现当电压升至一定值后(7 000 V以上)，可以明显看出有线圈对磁性槽楔尖角放电现象，然后线圈在几秒时间内被击穿。

磁性槽楔导致电机绕组绝缘强度降低原因分析如下:

①磁性槽楔材料中含有铁磁物质成分使得磁性槽楔本身的电阻很小，处于高电位的定子线圈容易通过绝缘层的薄弱点向处于零电位导电物质磁性槽楔放电导致绝缘层的击穿。

②磁性槽楔制造过程中由于工艺不完善导致其中的颗粒状铁磁物质分布在槽楔边缘形成尖角，当定子线圈施加高电压时，槽楔产生尖角放电，将定子线圈的绝缘层击穿。

3 磁性槽楔的改进

鉴于磁性槽楔可改善电机性能的优良特性及易脱落、降低电机绝缘强度的缺点，目前国内外槽楔厂商、电机厂等都在从磁性槽楔的原材料、制造成型工艺等方面进行研究，以期提高磁性槽楔的强度及耐热等级。如磁性槽楔的制造从以前的引拔及模压制造发展到现在普遍使用层压制造。其中，层压玻璃布板磁性槽楔由以前的经向改为现在的经纬向，其机械强度得到了一定强度的提高;同时由于原材料的改进，磁性槽楔的耐热强度也得到了显著的提高。

目前，国内已成功开发出耐热等级H级(180℃)、导磁性能良好的层压式磁性槽楔，并在国内各大电机厂的民用、工业用电机上得到广泛应用。但没有案例表明改进后的磁性槽楔在风力发电机中得到应用。