VPI绝缘系统耐特殊环境性能研究

薛长志，刘济林，李燕琴

（中车株洲电机有限公司 电气绝缘技术湖南省重点实验室，湖南 株洲 412000）

0 引言

为适应风力发电机大功率化、结构简单、高效率和易维护等需求，采用开启式冷却结构的风力发电机已逐渐被业内认可和推广。采用开启式冷却结构的风力发电机通过直接吸入空气的方式实现对电机的冷却，致使绝缘系统面临复杂环境因子的侵蚀，尤其当机舱内未配套加热去湿功能组件时，对发电机绝缘系统的耐环境性能提出了更加苛刻的要求[1-3]。因此，开展风力发电机绝缘系统的耐特殊环境试验验证，对评估风力发电机绝缘系统的长期可靠性具有重要意义。

目前国内风力发电机的额定电压以中低压占主流，其绝缘系统的浸渍树脂体系大体分为3类：①环氧-酸酐体系；②聚酯亚胺体系；③环氧改性不饱和聚酯体系。3类浸渍树脂在性能上各具优势，并在风力发电机领域都有着广泛的应用[4-8]。本研究以基于环氧改性不饱和聚酯浸渍体系的绝缘结构为试验对象，结合开启式风力发电机在运行过程中所面临的湿热、高寒、冰雪等特殊环境，对绝缘结构开展多周期的“冷热冲击-浸水-加热”和“浸水-冰冻-加热”的特殊环境适应性试验及评估，以研究该绝缘结构的特殊环境适应性。

1 试验

1.1 模型结构试样

以某典型开启式结构的直驱风力发电机（Un=690 V）为基础设计模型结构。模型结构由模拟线圈、模拟铁心夹具、槽部绝缘及固定用槽楔构成，具体如图1所示。

模拟线圈采用FMFYB-50/155型电磁线绕制而成，对地绝缘先采用厚度为0.14 mm的玻璃布补强云母带半叠包1次，再用厚度为0.1 mm的涤玻保护带半叠包1次，槽绝缘为厚度为0.24 mm的NMN复合箔。

图1 模型结构实物图Fig.1 Physical drawing of model structure

模型结构装配后整体用环氧改性不饱和聚酯浸渍树脂真空压力浸渍(VPI)工艺处理两次。试验共制备A、B、C 3组模型结构，其中A组模型作为对比试样，B组模型进行“冷热冲击-浸水-加热”环境试验，C组模型进行“浸水-冰冻-加热”环境试验。

1.2 主要仪器及设备

VPI真空压力浸渍设备，沈阳维科真空设备有限公司；TS2Z432-55W型高低温冲击试验箱，武汉克莱美特环境设备有限公司；FLUCK 1550C型绝缘电阻测试仪，美国FLUCK公司；5 kV介损自动测试仪、150 kV微机控制全自动交流击穿耐压试验仪，上海浦东申高电容器有限公司。

1.3 环境试验方法

1.3.1 冷热冲击-浸水-加热试验

冷热冲击-浸水-加热试验是模拟电机在极端低温下的电机反复启停及运行中绝缘结构遭遇水浸泡的工况，具体试验流程如图2所示，在每个试验周期后诊断模型结构的工频耐压、常态绝缘电阻及介质损耗，18个试验周期后，检测模型结构的剩余击穿电压。

图2 冷热冲击-浸水-加热试验流程及要求Fig.2 Hot and cold shock-immersion-heating test process and requirements

1.3.2 浸水-冰冻-加热试验

浸水-冰冻-加热试验是模拟电机在雨雪冰冻环境下的启动、运行工况，具体试验过程如图3所示，在每个试验周期后诊断模型结构的工频耐压、常态绝缘电阻及介质损耗，18个试验周期后，检测模型结构的剩余击穿电压。

图3 浸水-冰冻-加热试验流程及要求Fig.3 Immersion-freezing-heating test procedures and requirements

1.4 诊断测试

测试前，模型结构均在恒温恒湿环境下静置6 h，以消除环境温、湿度对测试结果的影响。试验前后及每个试验周期后均诊断模型结构的工频耐压、绝缘电阻及常态介质损耗因数。模型结构的工频耐压值为3 000 V，持续时间为1 min；常态绝缘电阻和吸收比在1 kV直流电压下测量；常态介质损耗因数在0.5～3.0 kV，以0.5 kV为间距测量；击穿电压在空气环境下（未浸入油槽中）测试，升压速率为500 V/s。

2 结果与讨论

2.1 环境试验对模型结构绝缘电阻的影响

模型A试品以及参与环境试验的模型B、C试品的绝缘电阻及吸收比R60s/R15s如表1所示。

表1 模型结构的绝缘电阻Tab.1 Insulation resistance of model structures

从表1可以看出，模型A试品及模型B、C试品试验前的60 s绝缘电阻值均在200 GΩ左右，三者水平基本相当。模型B试品经历18周期的“冷热冲击-浸水-加热”环境试验和模型C试品经历18周期的“浸水-冷冻-高温”环境试验后，两者的60 s绝缘电阻都有一定程度的下降，但绝缘电阻最低值仍在70 GΩ以上，吸收比大于2，表明模型B、C试品在经历环境试验后的绝缘电阻仍处于较高水平。

18周期的环境试验过程中模型B、C试品的绝缘电阻变化趋势如图4所示。从图4可以看出，在“冷热冲击-浸水-加热”和“浸水-冰冻-加热”试验过程中，随着试验周期的增加，模型B、C试品的绝缘电阻整体呈下降趋势，但在部分周期出现小幅回升，这是因为绝缘材料具有一定的吸水性，在经历反复受潮、受热的过程中，绝缘结构也经历着“吸湿-饱和-恢复”反复交替的过程，表现为绝缘电阻值的波动；在“冷热冲击-浸水-加热”试验过程中，模型B试品的绝缘电阻波动范围略大，表明“冷热冲击-浸水-加热”对绝缘结构的影响程度更大。

图4 环境试验过程模型结构的绝缘电阻变化Fig.4 Changes of insulation resistance of model structures during environmental test

2.2 环境试验对模型结构介质损耗的影响

模型A试品以及参与环境试验的模型B、C试品的常态介质损耗因数均值如表2所示。

表2 模型结构的常态介质损耗因数均值（单位：%）Tab.2 Dielectric loss factor at room temperature of model structure

从表2可以看出，模型A试品及模型B、C试品试验前的常态介质损耗水平相当。经历18周期“冷热冲击-浸水-加热”环境试验后的模型B试品介质损耗因数变化明显，经历18周期“浸水-冷冻-高温”环境试验后的模型C试品介质损耗因数增幅较小。

18周期的环境试验过程中模型结构的常态介质损耗因数变化趋势如图5所示。从图5可以看出，在环境试验过程中，随着试验周期的增加，模型结构的介质损耗因数整体呈上升趋势，表明冷热冲击、浸水、冰冻等环境因子造成绝缘结构轻微劣化，随着“冷热冲击-浸水-加热”试验周期数的增加，模型B试品的常态介质损耗因数增大明显，表明“冷热冲击”环境应力对绝缘结构的影响较大。随着“浸水-冷冻-加热”试验周期数的增加，模型C试品的常态介质损耗因数有一定增大，但增幅不明显，表明“冷冻”环境应力对绝缘结构的影响程度轻微。

图5 环境试验过程模型结构的介质损耗因数变化趋势Fig.5 Changes of dielectric loss factor of model structures during environmental test

2.3 环境试验对模型结构击穿电压的影响

模型A试品的击穿电压以及参与环境试验的模型B、C试品的击穿电压测试结果如表3所示。

表3 模样结构试样的击穿电压 （单位：kV）Tab.3 Breakdown voltages of model structure samples

从表3可以看出，经过18个周期的“冷热冲击-浸水-加热”和“浸水-冰冻-加热”试验后，模型B、C试品的剩余击穿电压较未经历环境试验的模型A试品均有所下降，但均大于20 kV，其中经历18周期“冷热冲击-浸水-加热”试验的模型B试品平均击穿电压保持率大于70%，而经历18周期“浸水-冰冻-加热”试验的模型C试品平均击穿电压保持率大于85%。

环境试验结束后，模型结构线圈表面漆膜未见开裂现象，槽楔无松动，线圈剖面各绝缘材料无分层，模拟铁芯槽内无锈蚀情况，综合绝缘电阻、介质损耗及击穿电压的测试数据，表明环境试验后，基于环氧改性不饱和聚酯浸渍体系的绝缘结构绝缘性能保持较高水平，绝缘结构呈现出良好的耐“冷热冲击-浸水-加热”和“浸水-冷冻-加热”环境试验的能力。

3 结论

在实验室条件下，对基于环氧改性不饱和聚酯体系的模型结构进行了开启式风力发电机典型运行工况模拟环境因子试验，主要得到以下结论：

（1）绝缘结构在经过18周期“冷热冲击-浸水-加热”、“浸水-冷冻-加热”试验后，绝缘电阻仍在70 GΩ以上，对地工频击穿电压大于20 kV，其电气绝缘性能满足风力发电机的设计要求。

（2）以环氧改性不饱和聚酯浸渍体系为基础的绝缘结构具备耐受“冷热冲击-浸水-加热”和“浸水-冷冻-加热”环境试验的能力。

（3）18周期环境试验后绝缘结构试品的剩余击穿电压以及介质损耗的变化程度表明，“冷热冲击”环境应力对绝缘结构的影响较“冷冻”环境应力更大。

（4）VPI绝缘系统在耐受“冷热冲击-浸水-加热”环境试验后，介质损耗、击穿电压等性能下降程度相对“浸水-冷冻-加热”较大，说明绝缘系统本身防水性能较好，但绝缘材料在经过反复的热胀冷缩后，结构容易受水汽的侵蚀。因此，在绝缘结构的设计中，需针对“冷热冲击-浸水-加热”环境的影响采取措施，一方面确保绝缘结构的长期致密性，另一方面，在满足运行要求的前提下，提升发电机运行温升，保证发电机本身具备运行去潮能力，以避免发电机绝缘在潮湿工况环境下的长期运行。