主泵轴封式电动机少胶型绝缘系统

刘 洋，祁世发

(哈电集团哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

清洁能源是国家近年电力发展的重点项目，而主泵机组又是清洁能源发展中重要的设备之一。主泵机组分为:(1)轴封式，即泵与电动机分体，中间由联轴器连接，电动机为立式、空冷异步电动机;(2)无轴封式，即泵与电动机连成一体，电动机为立式、水冷屏蔽电动机。本文所述绝缘系统以轴封式6.6kV、4 500kW 主泵电动机为依托。

1 主泵电动机

清洁能源对主泵电动机的技术要求苛刻，既要求安全性达100%，又要求可靠性达100%，使用寿命不低于40 年(现有的)，要求达60 年。电动机的结构复杂，产品设计制造难度大。我国于1993 年下半年着手设计研制6kV、4 500kW 轴封式主泵电动机，1997 年完成首批产品，2008 年着手设计研制6.6kV 轴封式主泵电动机。

2 绝缘材料耐高能辐射性

主泵电动机在运行时，主要承受γ 射线的辐射，所以绝缘材料辐照试验的辐照源多采用放射性钴源。绝缘材料经大剂量辐照后，性能会变坏。绝缘材料在一定剂量辐射影响下还没有损坏，其主要性能实际上没有发生多大恶化的能力称为耐辐射性。

在某些情况下一定剂量的辐射可改善材料性能，在辐照试验时，经常出现某项性能优于未辐照的性能，就是这个原因。现在有些化工和绝缘材料业利用辐射实现一些采用普通化学方法不易实现的反应来改进聚合物性能。聚合物在高能辐照下，将引起两种反应:一种是引起分子的电离或激发，当辐照停止后，分子恢复原状，谓之物理反应;另一种是当剂量足够大时，聚合物的电离或激发分子间发生反应，辐照停止后，分子结构不再恢复原状，谓之化学反应。随着辐射累积剂量的增大，聚合物发生老化。通过测量辐照前后绝缘材料的电气、机械、理化性能的变化来衡量材料的耐辐射水平。

测试结果表明:盐雾处理后击穿电压仅下降10%;长期湿热试验后击穿电压基本保持不变，可适用于特殊环境下的电机绝缘。

3 几种绝缘材料的辐照试验

3.1 环氧酸酐浸渍树脂

环氧树脂具有粘结力高、收缩率低、可以混合多种填料等特点，在电气、电子设备中应用面很广泛。

图1 为采用同一种固化剂甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐(ETPA)固化的四种环氧树脂在经辐照后抗弯强度与剂量关系。图2 为经不同固化剂固化后的同一种双酚A 型环氧树脂，在经辐照后抗弯强度与剂量关系。固化剂分别是:(1)三乙烯四胺(TTA);(2)三氟化硼单乙胺(BF3-4W);(3)间苯二胺(MPD);(4)二氨基二苯甲烷(DDM);(5)甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐(ETPA)。

A、双酚A 型;B、酚酸环氧型;C、脂环族型;D、R-N ＜型图1 辐照对各种环氧树脂弯曲强度的影响

图2 辐照对各种固化剂固化的双酚A 型环氧树脂弯曲强度的影响

可见环氧树脂种类和所用固化剂不同试验结果有很大差异。以芳香族胺类(MPD、DDM)和酸酐(ETPA)作固化剂，其耐辐射性能较高，而脂肪胺(TTA)最差，而BF3-4W 在106Gy 剂量辐照便起泡产生龟裂。

环氧酸酐浸渍树脂在空气中经Co60γ 射线辐照后性能见表1。可见在经2×105Gy 辐照后，对电气和机械性能影响不大。

表1 浸渍树脂辐照前后性能对比

3.2 少胶云母带

云母是绝缘云母制品的原料，电机用绝缘云母制品多采用白云母。白云母片在空气中经Co60γ射线辐照后，在剂量106Gy 时，击穿强度得到提高，硬度有所下降。

少胶云母带由高定量鳞片粉云母纸与补强材料(玻璃纤维或薄膜)由环氧胶粘剂组合。两种粉云母带在空气中经Co60γ 射线辐照后的性能变化见表2。

表2 少胶粉云母带经γ 射线辐照后的性能

3.3 绕组线股线绝缘

绕组线由铜导体与股线绝缘组成。双玻璃纤维绕包绕组线、单玻聚酰亚胺薄膜绕包绕组线、云母带绕包绕组线、聚酰亚胺-氟46 薄膜烧结线及聚酰胺-酰亚胺漆包线和聚酰亚胺漆包线在空气中经Co60γ 射线辐照后，在剂量2×105Gy ～5×105Gy 时，对其附着性和击穿电压影响不大。两种绕组线辐照后的击穿水平如表3 所示。

表3 两种绕组线辐照后的击穿水平

3.4 玻璃钢和层压板

(1)不饱和聚酯玻璃钢

在空气中经γ 射线107Gy 辐照作用下，机械性能比辐照前不仅没有降低反而提高。

(2)环氧玻璃钢

以五种配方的环氧树脂制作的玻璃钢，经Co60γ射线辐照，其结论:6101 环氧树脂辐照剂量达5×106Gy 时，机械强度下降40%左右。而644 环氧树脂辐照剂量达1×107Gy 时，机械强度下降较小。

(3)环氧层压布板

在空气中经γ 射线106Gy 辐照后，其电气性能有所提高。

3.5 薄膜

(1)聚酯薄膜

聚酯薄膜具有优良的电气、机械性能，是最常用的电工薄膜，现已广泛应用于F 级电机上。聚酯薄膜在空气中经Co60γ 射线辐照后，当剂量达1×104Gy ～5×105Gy 时，薄膜的机械性能有所提高。但经1×106Gy ～5×106Gy 辐照后强度降低，5×106Gy 时耐折性剧减意味着韧性丧失、脆性增加。但聚酯薄膜经辐照后常温电气强度和介质损耗角正切都有改善。体积电阻系数总的来说辐照前后变化不大。

(2)聚酰亚胺薄膜

聚酰亚胺是一种杂环耐高温聚合物，可在220℃下长期使用，在-200℃～400℃范围内保持较高的机械性能和电气性能。由于聚酰亚胺分子具有十分稳定的芳香结构，耐辐射性和耐化学试剂性能优良。

聚酰亚胺薄膜在空气中经Co60γ 射线辐照，剂量为3×107Gy 时，拉伸强度可保留88%，伸长率下降38%，介电强度保留80.5%。

3.6 辅助绝缘材料

主泵电动机所用的其他绝缘材料均在空气中经Co60γ 射线2×105Gy 剂量辐照后，具有耐高能辐射能力，择优选用。

4 国内外主泵电动机绝缘系统

据报导，各国主泵电动机所采用的形式不同，绝缘系统也不同(见表4)。

表4 各国主泵电动机绝缘系统

无轴封式主泵消耗功率较小，屏蔽电动机制造工艺复杂、绝缘等级为H 级、体积小。轴封式主泵消耗功率相应较大，电动机制造工艺相对简单，绝缘等级为F 级，体积相对较大。

5 少胶整体VPI 绝缘系统

5.1 定子绕组绝缘结构

轴封式主泵电动机定子绕组绝缘结构:C1 型定子线圈主绝缘采用中胶环氧玻璃粉云母带、绕组软(白坯)线圈嵌线、整体VPI 环氧高压无溶剂漆;C3 型定子线圈主绝缘采用少胶粉云母带、绕组软线圈嵌线、整体VPI 环氧酸酐无溶剂浸渍树脂。C3 型定子线圈主绝缘厚度比C1 型的有所减薄。

5.2 耐辐射性能

定子绕组绝缘的电气性能可综合反映出所选用的绝缘材料、绝缘结构设计和绝缘工艺优化是否合理、优良。C3 型少胶粉云母整体VPI 绝缘定子绕组模拟线圈与C1 型模拟线圈在空气中经剂量为2×105Gy 的Co60γ 射线辐照后，结果证明该剂量的辐照对其常态介质损耗角正切(tanδ)和击穿电压影响不大。图3 所示为辐照前后的常态tanδ 曲线，辐照前后击穿电压值见表5。可见C3 电气性能比C1 优越。

图3 模拟线圈辐照前后常态介质损耗正切曲线

表5 模拟线圈辐照前后击穿电压值

5.3 定子线圈耐电老化评定

选取少胶粉云母整体VPI 绝缘体系中的18 只10kV 定子模拟线圈做电老化评定试验，试验电压为22.5kV(10MV/m)。试验结果:电老化中值寿命均超过1 300h，满足国外标准中规定的在8.7MV/m下的电老化寿命不低于1 000h 的指标。

5.4 耐热性评定

C1、C3 电动机定子绝缘系统的模拟绕组在空气下经Co60γ 射线辐照剂量达2×105Gy 后，对其进行耐热评定。参照GB/T 22718—2008《高压电机绝缘性能耐热性评定方法》中单点快速法进行。评定结果:C1 型绝缘系统的温度指数为162℃，热寿命超过50 年。C3 型绝缘系统的温度指数为174.5℃，在130℃运行温度下，寿命为63.3 年。

6 结语

轴封式主泵电动机的绝缘系统设计合理，达到了世界先进水平。少胶粉云母整体VPI 绝缘系统具有整体性好、电气性能和机械性能优越、耐热性稳定、耐环境因素强和安全运行可靠性好等特征，更特殊的是耐高能辐射性能，累积剂量达2×105Gy时对绝缘系统和所用的绝缘材料性能影响不大，有的性能还有所增强。此绝缘系统经辐照试验和耐热性评定，温度指数为174.5℃，寿命为63.3 年，超过了当今对主泵电动机绝缘所提出的最高60 年的水平。

通过几次对电动机绝缘系统耐热性评定得出，经2×105Gy 辐照的模拟定子绕组比未经辐照的，其温度指数有所提高，寿命有所增长。

［1］ 桂林电器科学研究所三室.电工绝缘材料耐高能辐射性能综述.绝缘材料通讯，1976.4.

［2］ 张东林，石雷峰，王旭辉.核电耐辐照电动机绝缘的发展.第六届全国工程电介质学术会议论文集，1998.9.

［3］ 祁世发，朱珊珊，张东林.哈电大中型交流电机LD-F绝缘体系.哈尔滨:大电机技术，2010.8.

［4］ 孙雅玲，刘洋，张东林.我国高压交流电机绝缘技术的现状和发展.哈尔滨:交直流电机行业技术交流会论文汇编，2010.10.