风力发电机定子绝缘结构耐齿轮箱润滑油试验研究

兰健,蒋芝,武传刚,李燕琴

(中车株洲电机有限公司,湖南株洲 412001)

0 引言

近些年来,为解决我国能源短缺、环境污染等问题,在“碳中和、碳达峰”政策影响下,绿色、清洁的风电成为我国重点发展的领域,国内风力发电机[1、2]行业快速发展。随着风电机组装机数量和类型不断增加,有关机组安全运行的问题越来越多,尤其是风电机组漏油的问题,包括齿轮箱油、润滑油、润滑脂、液压油等,一直得不到彻底解决[3]。油品泄漏后不但会使风电机组的齿轮箱、主轴或液压系统受到损害,而且对发电机和环境会造成严重的污染,轻则损坏设备部件,重则引起火灾等。本文以齿轮箱润滑油喷溅到某型号半直驱风力发电机定子绕组为例,开展风力发电机在用的环保型环氧改性不饱和聚酯绝缘结构[4、5]耐油性试验研究,讨论齿轮箱润滑油对定子绝缘结构的影响。

1 试验部分

1.1 试验用齿轮箱润滑油

采用以PAO(聚a烯烃)为基础油的某品牌齿轮箱润滑油。

1.2 试验样品制备

1.2.1 浸渍漆漆饼

采用环氧改性不饱和聚酯浸渍漆制作漆饼,直径100mm,厚度1mm,制作10片。

1.2.2 模型结构

为评估齿轮箱润滑油(以下简称齿轮箱油)对风力发电机定子绝缘结构的影响,采用和产品定子绝缘结构一致的模型结构,制作的模型结构构成明细如表1所示,模型结构如图1所示。

表1 模型结构构成明细表

表2 击穿场强

图1 模型结构

1.3 耐油试验

1.3.1 浸渍漆耐油试验

将漆饼在干燥器中放置24h后,取5片在齿轮箱油中浸泡168h,记录外观变化,并进行全部漆饼的击穿电压测试,测试环境:常温,变压器油中,升压速率500V/s。

1.3.2 模型结构耐油试验

1.3.2.1 初始诊断

(1)外观检查:检查模型结构外观,线圈应无明显缺陷,表面漆膜均匀光亮,无开裂、起泡。

(2)绝缘电阻测试:对模型结构进行120℃、4h烘潮处理,降至室温后,测试其15s、60s的绝缘电阻值,测试电压DC1000V。

(3)常态介损检测:检测室温下1.5kV、2.5kV电压下的介质损耗因数tgδ。

(4)起始局放电压(PDIV)测试。

1.3.2.2 浸油试验

经初始诊断后,将B、C模型进行150℃、4h加热处理后,在热态时(不低于135℃)放入装有齿轮箱油的容器中,油淹没线圈至少5cm。共进行4个周期浸油试验,每周期持续时间168h,每个周期结束后,将模型从齿轮箱油中取出,用抹布擦干表面油污,进行性能测试,测试内容包括绝缘电阻、常态介质损耗因数和起始局放电压。

1.3.2.3 击穿试验

4个周期浸油试验后,将全部模型结构进行击穿试验,测试环境:常温,变压器油中,升压速率500V/s。

2 结果与讨论

2.1 浸渍漆漆饼耐油试验结果

2.1.1 外观

浸油试验前后漆饼外观如图2所示。观察浸油后漆饼外观,与未浸油漆饼相比,浸油后漆饼外观无明显变化。

图2 浸油前后漆饼外观

2.1.2 击穿场强

在齿轮箱油中浸泡168h后,漆饼剩余击穿场强均大于24kV/mm,平均保持率达99%。

2.2 模型结构耐油试验结果

2.2.1 外观

对完成4个周期浸油试验后的B、C两组模型进行外观检查,线圈无明显缺陷,表面漆膜均匀光亮,无开裂、起泡,试验后各模型结构外观如图3所示。

2.2.2 绝缘电阻

B、C两组模型完成4个周期的浸油试验后,绝缘电阻仍保持较高水平,且与未参与试验的基准结构A相当,相对而言,喷涂了表面磁漆的B结构表现更优,详细如表3所示。

表3 各试验周期绝缘电阻(均值)

表4 各试验周期起始局放电压(均值)

2.2.3 起始局放电压

起始局放电压测试结果如表5所示,试验前三组模型结构起始局放电压在同一水平;浸油试验期间B、C两组模型起始局放电压均呈现下降趋势。

表5 各试验周期常态介质损耗因数

本试验研究用的是以PAO为基础油的齿轮箱润滑油,其体积电阻率为8.3G Ω·m,击穿电压为40～50kV,具有较好的电气绝缘性能和热稳定性,即便渗入样品内部也不会显著劣化整个结构的绝缘性能。同时该齿轮箱油含有少量亲水的极性添加剂(如挤压抗磨剂:ZDDP二烷基二硫代磷酸锌;防锈剂:环烷酸锌等),浸油试验过程中油会吸收了空气中的水分,对油品的绝缘性能造成不利影响。周期试验过程中起始局放电压下降,与吸附在模型结构表面的润滑油逐步吸潮相关。

2.2.4 常态介损因数

B、C两组模型在1.5kV、2.5kV电压下的常态介质损耗因数tgδ均在一定范围内波动,未发生突变,检测结果如表5所示。

2.2.5 击穿电压试验

三组模型结构击穿电压测试结果如表6所示,击穿电压处于同一水平。

表6 各结构击穿电压

2.3 小结

采用和产品定子绝缘结构一致的模型结构,分周期进行浸泡齿轮箱油试验,浸油后B、C模型与未浸油的基准结构A击穿电压处于同一水平;表面磁漆有助于降低因表面吸附受潮后的齿轮箱油对模型结构绝缘电阻的影响。

3 结语

发电机运行过程中实际工况为齿轮箱润滑系统排气过程中润滑油喷溅到绝缘结构表面。本次验证采用齿轮箱润滑油浸泡的加速考核方式,较实际工况更为苛刻,基于本次试验考核,得到以下结论:定子模型结构浸泡以PAO为基础油的齿轮箱润滑油672h后,与试验前绝缘结构的电气绝缘水平相当。通过耐油性试验评估,认为基于环氧改性不饱和聚酯绝缘浸渍漆及其绝缘结构是具有足够耐齿轮箱油能力的,表面进行氟碳磁漆处理后效果会更好。