风力发电机定子绝缘结构可靠性研究

王亚飞，程 浩，李 洋

应用研究

风力发电机定子绝缘结构可靠性研究

王亚飞1, 2，程 浩1, 2，李 洋1, 2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，湖北武汉，430064；2.湖北长海新能源科技有限公司，湖北黄冈 438000）

为了验证风力发电机绝缘结构在极端环境的可靠性，采用风力发电机定子绝缘结构VPI浸渍两种绝缘树脂制作样件，分别在高温高频脉冲方波电压以及冷热冲击、盐雾循环条件下条件下进行脉冲老化和环境试验，研究在高温高频脉冲电压和冷热冲击、盐雾环境下的绝缘性能变化。试验结果表明：在一定电压、频率、dV/dt条件下的高频脉冲老化试验能够有效评估绝缘结构的耐脉冲老化性能；在热应力和电应力协同作用下，定子样件的介质损耗因数先降低后升高，脉冲电晕起始电压逐步下降；采用7122-6浸渍的定子样件的耐脉冲老化性能更优，绝缘结构可靠性更优。

风力发电机 脉冲老化 绝缘结构 可靠性

0 引言

当下风力发电机不断地朝着高功率密度、高电压、高可靠性方向发展，性能优异、可靠的绝缘结构是提升风力发电机可靠性和高功率密度的重要基础。目前风力发电机的绝缘结构通常采用玻璃布或薄膜补强少胶粉云母带绕包，通过真空压力浸渍（VPI）绝缘树脂[1]并高温固化而成[2]。

风力发电机具有独特的高频率、高d/d的脉冲电压，绝缘结构长期受到高频、高d/d脉冲电压的冲击，加上盐雾、冷热冲击等多重影响，在电应力、热应力、机械应力的协同作用下，随着老化时间的增加，绝缘破坏产生的缺陷会越来越多，缺陷的产生会进一步导致局部放电增多，加速绝缘老化，直至绝缘劣化击穿[3]。因此，研究高频脉冲电压、盐雾、冷热冲击条件下绝缘结构的性能变化[4-6]，对绝缘材料的选择以及电机的运行寿命、可靠性评估具有至关重要的意义。

本研究在频率为10 kHz、峰峰电压为11.5 kV的双极性方波脉冲电压及155℃条件下，对某风力发电机定子样件进行高温高频脉冲老化试验，同时研究了冷热冲击、盐雾等极端环境对定子样件的绝缘性能的影响，考察风力发电机绝缘结构在极端环境下的可靠性。

1 实验

1.1 试验样品制作及仪器设备

7122-6 F-H级环保型无溶剂绝缘树脂（以下简称7122-6），湖北长海新能源科技有限公司；同类型环保绝缘漆A，国外某公司。

介质损耗测定仪，QS37a，上海杨高电器有限公司；

高频脉冲老化试验平台：西安兆福电子有限公司；

盐雾试验箱：南京环科试验设备有限公司。

1.2 实验过程

按某型风力发电机定子绝缘结构制作模拟线棒，试样直线部分取200 mm嵌槽，并分别浸渍7122-6和绝缘漆A。分别测试各试样的介质损耗因数和高频电晕起始电压。

1.2.1 高温高频脉冲老化试验

对试验线棒进行加速脉冲老化试验。脉冲老化条件为：试验温度为155 ℃，dV/dt=13 kV/μs，Vp-p=11500 V，频率为10 kHz。每隔48 h测试介质损耗因数和高频电晕起始电压。

图1 高频脉冲老化试验电极引线示意图

1.2.2 环境试验

对试验线棒进行环境试验。

将线棒放入155 ℃烘箱中加热3 h，然后5 min内放入常温水中，浸泡1h后拿出，5 min内重复上一动作，将线棒放入155 ℃烘箱中，记一个周期，重复4个周期后进行盐雾试验：按GB/T 2423.17-2008进行。试验条件：NaCl溶液浓度：5％，pH值：3.2，试验时间：168 h。

环境试验共进行4个大周期，每个周期后进行介质损耗因数和耐电压试验。

2 结果与讨论

2.1 绝缘结构绝缘性能

7122-6的固化挥发份低，能够大大减少电机电器在浸渍固化时所产生气隙，从而减少绝缘薄弱环节，提高绝缘性能。表1为采用7122-6与绝缘漆A的模拟线棒绝缘性能，可以看出，7122-6浸渍的模拟线棒155 ℃介质损耗因数更低，高频脉冲起始电压略高，绝缘性能优异。

表1 模拟线棒的绝缘性能

2.2 耐脉冲老化性能

2.2.1介质损耗因数

各样件不同老化时间的介质损耗因数如图2所示。

图2 不同脉冲老化时间后模拟线棒的介质损耗因数

从图2可以看出，随着老化时间的增加，介质损耗因数先降低，然后再升高。在高频率、高d/d的脉冲电压条件下，集肤效应使得电阻增大，铜耗随之增大，导致发热量增加，在较高的温度下主绝缘可能会进一步固化，绝缘树脂的分子量增大，极性基团随电压变化的运动能力减弱，使得介质损耗因数降低。随着高温时间的延长，绝缘材料逐渐呈现热老化，另一方面，脉冲电压从正到负或从负到正时，绝缘会承受尖峰电压两倍的电压和极高的d/d变化率，匝间会产生局部放电，腐蚀绝缘层，带电质子可能破坏绝缘树脂的化学键，降低分子量，其极性基团随电压变化的能力增强，介质损耗因数逐渐升高，造成绝缘劣化。采用7122-6浸渍的模拟线棒介质损耗因数小，在高频脉冲条件下放热量更低，介质损耗因数的变化率更小。

2.2.2 高频电晕起始电压

在脉冲老化过程中，绝缘结构不断受到高频脉冲电压的冲击，脉冲电压的极性从正到负或从负到正时，绝缘结构承受着一个二倍于尖峰电压值的全幅电压，绕组匝间会产生局部放电甚至产生电晕，产生的能量可能破坏分子键，生成小分子物质，逐渐腐蚀绝缘层。

环保型绝缘树脂具有极低的固化挥发份，有助于减少烘焙固化过程中产生的缺陷和气隙，但受制于绝缘结构整体的复杂性，不可避免地产生绝缘薄弱点。由于电离作用，在绝缘的气隙、缺陷等薄弱点中又会产生空间电荷，形成一个与外加电场反向的感应电场。当电压极性改变时，这个反向电场与外加电场方向一致，其峰值可达电压额定值的2～5倍，它会导致电晕的数量增加，造成绝缘劣化甚至失效。

图3 不同脉冲老化时间后模拟线棒的高频电晕起始电压

从图3可以看出，随着脉冲老化时间的延长，绝缘结构的高频电晕起始电压不断降低，绝缘性能劣化明显。

2.2.3 脉冲老化寿命

在高频脉冲电压条件下，热老化和电老化会产生协同作用，随着老化时间的增加，绝缘破坏产生的缺陷会越来越多，缺陷的产生会进一步使介质损耗因数增大，局部放电和电晕增多，加速绝缘的热老化与电老化，直至绝缘劣化击穿。

从图4可以看出，7122-6浸渍的定子样件在高频率、高dV/dt的脉冲电压条件下寿命比绝缘漆A浸渍的模拟线棒寿命更长。

图4 模拟线棒的脉冲老化寿命

2.2.4 外观分析

分别在脉冲老化前后的样件槽口处沿绝缘材料的表层向内层用刀片逐层剥离，取得1层绝缘结构的薄片，进行显微镜对比观测。老化前后的外观和薄片显微镜照片如图5、图6所示。

图5 脉冲老化试验前后的样件

图6 脉冲老化试验前后槽口处薄片

可以看出，老化前绝缘结构的整体性较好，老化后出现明显的孔隙，绝缘树脂被烧蚀，云母脱落，槽口处老化前后差异明显，这是由于槽口处局部放电严重，绝缘老化速度快。

2.2.4 环境试验

风力发电机通常需要在盐雾、湿热等极端环境下长期运行，因此，采用冷热冲击浸水—盐雾循环的环境试验有助于评估绝缘结构在极端环境下的可靠性。通过表2可以看出，两种绝缘结构均通过了环境试验，介质损耗因数随循环周期的延长逐渐增大，但未在耐电压试验过程中发生闪络和击穿，剩余击穿电压大于9 kV，仍有较高的电气裕度，可以满足在极端环境下长期稳定运行的要求。

表2 模拟线棒的绝缘性能

3 结论

通过对某风力发电机定子样件进行高频脉冲老化试验和环境试验，测试定子样件在高频脉冲老化试验和环境试验过程中的绝缘性能并分析其变化规律，得出以下结论：

1）在一定电压、频率、d/d条件下的高频脉冲老化试验能够有效评估绝缘结构的耐脉冲老化性能，为绝缘结构设计提供试验依据。

2）在热应力和电应力协同作用下，定子样件的介质损耗因数先降低后升高。

3）采用7122-6和绝缘漆A浸渍的定子样件在极端环境下均有较好的可靠性。

4）采用7122-6浸渍的定子样件的耐脉冲老化性能更优，绝缘结构可靠性更优。

[1] 马红亮, 张晓强, 郭大鹏,等. 风力发电机用环保型绝缘漆的应用研究[J]. 绝缘材料, 2021, 54(9): 5.

[2] 张卓凡, 薛长志, 袁春龙, 等. TJ1169环氧改性不饱和聚酯浸渍树脂在风力发电机上的应用研究[J]. 绝缘材料, 2017, 50(6): 7-11.

[3] Fabiani D , Montanari G C , Contin A . Aging acceleration of insulating materials for electrical machine windings supplied by PWM in the presence and in the absence of partial discharges[C]// 2001.

[4] 郭琪, 刘冠芳. 变频电机绝缘系统老化试验方法的研究进展[J]. 电机与控制应用, 2017, 44(5): 4.

[5] 任文娥, 于钦学, 钟力生,等. 变频牵引电机线圈绝缘电老化规律的研究[J]. 西安交通大学学报, 2012, 46(12): 4.

[6] 雷平振, 樊洁心, 刘冠芳,等. 变频牵引电机定子绕组绝缘老化特性研究[J]. 电机与控制应用, 2020, 47(6): 5.

Research on Reliability of Wind Turbine Stator Insulation Structure

Wang Yafei1, 2, Cheng Hao1, 2, Li Yang1, 2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd., Huanggang 438000, Hubei, China)

TM611

A

1003-4862（2022）10-0036-04

2022-07-31

王亚飞（1990-），男，工程师。研究方向：绝缘化工材料。E-mail：465400187@qq.com