0引 言H级高压交流电机具有耐热性能好、运行可靠性高的特点，能够在严酷的环境条件下长期稳定地运行，因此被广泛地应用于核泵电机、风力电机、牵引电机、矿用电机、推进电机等领域，具有广阔的市场前景。然而，随着电机制造技术的发展，要求电机具有更高功率的同时，还要求结构紧凑，导致电机在运行时产生更高的热量，进而使电机线圈的绝缘结构温升过高，直接导致电机的功效降低，使用寿命大幅缩短，还可能诱发多种事故，即便是H级电机也同样面临这一问题[1-2]。为了解决上述问题，可以从3个方面考虑：①提升绝缘结构自身耐热等级，使其可以在更高的温度条件下正常运行，该方法从本质上提高了绝缘结构的耐热水平，但更高等级的绝缘结构势必会带来更高的制造成本；②通过优化冷却水路、风扇、风机设计等，提升电机线圈的散热能力，但对于小体积电机此方法提升空间十分有限；③通过减薄绝缘结构或采用高导热绝缘材料，提高绝缘结构的导热能力，使线圈绕组产生的热量可以更快地传导到外界。国外从20世纪80年代就开始了高导热绝缘材料（high thermal conductive, HTC）的研究，从公开的样机案例来看，采用真空压力浸渍（VPI）高导热绝缘材料的高压电机，相对目前同型号的少胶整浸高压电机，温升可降低10℃。国内20世纪还未开始研究高导热主绝缘材料，主要研究高导热多胶绝缘材料，西安交大与南阳防爆集团一起研制过高导热少胶整浸绝缘材料，研制出导热系数为0.3 W/(m·K)的H级绝缘结构并投入应用[3-4]。采用高导热绝缘结构，可以改变电机热场的温度分布，从而提升电机绕组整体绝缘结构的导热系数，降低电机绕组温升，有效地解决电机的散热冷却问题，提高电机的产品质量，保证其安全可靠运行[5-7]。该方法可操作性强，并且提高导热性能的效果明显。本研究从电机的绝缘结构入手，以H级6 kV高压电机的绝缘系统为基础，将高导热绝缘材料应用于电机绕组主绝缘中。并对该绝缘结构线圈试样的各项常规电性能进行检测研究，通过电压耐久性试验（电老化）和热评定试验（热老化），验证高导热绝缘结构能够满足H级高压交流电机的长期使用要求。1试 验1.1原材料高导热玻璃丝补强少胶粉云母带5452-1DH、普通玻璃丝补强少胶粉云母带5442-1、H级无溶剂VPI浸渍树脂，苏州太湖电工新材料股份有限公司；双玻璃丝包耐电晕聚酰亚胺薄膜烧结铜扁线（SBEMYFCRB-35/200-N），金杯电工电磁线有限公司；聚四氟乙烯带；3240玻璃布板；金属模拟槽。1.2云母带导热系数测试试样制备将5种200 mm×200 mm的云母带试样，裁剪成直径为50 mm的圆片，20片一组叠成一个试样，然后将试样装入夹板中，装前需在模具及拉紧螺杆表面涂覆润滑硅脂，夹板与试样用厚度为0.06 mm的聚四氟乙烯带隔开，以便脱模。将装夹板的试样采用真空压力浸渍H级无溶剂漆处理[8]，具体浸漆工艺如下：浸渍前，试样在120℃预烘2 h，冷却至高于室温不高于45℃时浸入漆罐，抽真空至100 Pa以下1 h，输漆，加压至0.5～0.6 MPa并保压2 h，回漆、滴漆。固化条件为165℃烘焙8 h。VPI处理试样两次，第一次VPI后可半干处理，即165℃烘焙4 h，待烘焙固化后，取出试样打磨修整，制成厚度约3 mm的5组试样，最后在两面喷导电石墨，晾干后备用。1.3线圈试样的制作采用2.20 mm×9.95 mm双玻璃丝包耐电晕聚酰亚胺薄膜烧结铜扁线进行绕线，单根单排结构，9匝，匝间胶化后，半叠包高导热单面玻璃布补强少胶粉云母带5452-1DH，并做防电晕处理，线圈直线部分绝缘的截面尺寸为12.5 mm×25.15 mm，线圈直线长度为300 mm，总长度为580 mm，跨距为126 mm，线圈示意图如图1所示。10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2021.02.008.F001图1线圈试样示意图Fig.1Schematic diagram of coil sample其中10只线圈直线边平包扎聚四氟乙烯带后，上玻璃布夹板并固定；其余21只线圈分别安装到3件热评定专用金属模拟槽内，每件只用5只完整的线圈用于试验。然后一同做真空压力浸渍H级无溶剂漆处理，浸漆工艺同1.2。浸漆烘焙固化后，将10只线圈试样的夹板和聚四氟乙烯带拆除，直线部分用铝箔包扎作为测试电极，并在测试电极两端包扎宽度不小于10 mm的保护电极，保护电极与测试电极的间隙均匀且在2～4 mm。其中编号1-1～1-5的试样进行介质损耗因数的测试和击穿电压的检测；编号2-1～2-5的试样进行介质损耗因数和电压耐久性试验。安装金属模拟槽的试验线圈编号3-1～3-15，用于电机结构热评定及分级试验。2云母带的性能测定5种云母带试样（A、B、C、D、E）由国内3家云母带厂家（甲、乙、丙）提供，其中试样E为普通云母带，作为参比试样。2.1云母带基本性能测定云母带基本性能的测定，参照GB/T 5019.12—2017《以云母为基的绝缘材料 第12部分：高透气性玻璃布补强环氧少胶云母带》的相关要求进行[9]。得到高导热少胶粉云母带的基本性能如表1所示。10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2021.02.008.T001表1高导热少胶粉云母带基本性能Tab.1Basic property of high thermal conductive dry mica tape项目ABCDE厚度/mm0.160.190.150.170.15挥发物/%0.090.120.090.100.07胶含量/%9.510.88.910.68.4云母含量/(g/m2)183177175185180拉伸强度/(N/10mm)221191192217220电气强度/(kV/mm)17.914.119.016.619.1用于高压电机的少胶粉云母带由粉云母纸、补强材料和胶黏剂复合而成，胶黏剂的导热系数是云母带构成材料中最低的[10]。因此高导热少胶粉云母带采用含纳米级导热填料的胶黏剂，以提高云母带的导热性能。从表1可以看出，高导热少胶粉云母带与普通云母带的基本性能没有明显差异。2.2云母带导热系数测定导热系数的测定方法主要有防护热板法、防护热流计法、热流计法、热线法、红外法等。其中，热板法及热流计法属于稳态法，而热线法和红外法属于瞬态法。稳态法主要用于低导热材料和绝缘保温材料热传递性能的测定；瞬态法主要用于研究高导热材料的热传递性能，或者在高温条件下对试件进行测量。云母带导热系数的测定选用热流计法，采用日本英弘精机株式会社（EKO）的HC-074-200型热导率仪，分别按照GB/T 10295—2008《绝缘材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》和GB/T 29313—2012《电气绝缘材料热传导性能试验方法》中的相关要求进行[11-12]。云母带的导热系数测定结果见表2。10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2021.02.008.T002表2云母带的导热系数Tab.2Thermal conductivity of mica tape试样云母带厚度/mm牌号导热系数/(W/(m·K))A0.165452-1DH0.363B0.195452-1DH0.432C0.155452-1DH0.303D0.175452-1DH0.398E0.155442-10.286从表2可以看出，试样E测得的导热系数明显小于其他几组试样，说明高导热少胶粉云母带比普通云母带具有更好的热传导性能；在高导热少胶粉云母带试样中，试样B与试样D的导热系数相对较高，但其生产厂家提供的成饼云母带试样存在质地较硬和掉粉现象，暂时不适用于线圈批量制造，有待后续工艺改进。综合考虑，选择高导热少胶粉云母带试样A应用于线圈试样制造。3线圈常规电性能试验3.1匝间冲击和对地耐压试验匝间冲击和对地耐压试验为非破坏性试验，是检验电机线圈匝间绝缘和对地绝缘质量的有效手段，常被作为质量保证试验。匝间冲击试验是对单根或一束导体的多匝线圈匝间绝缘的诊断试验。采用哈尔滨金宏高压设备有限公司的ZJ-45型电机线圈匝间绝缘试验仪，根据GB/T 22715—2016《旋转交流电机定子成型线圈耐冲击电压水平》中4.2的试验要求[13]，在线圈试样的引线两端施加一个陡波前冲击电压，电压幅值（峰值）根据式（1）计算。Up'=0.654UN+5kV （1）式（1）中：Up'为冲击电压幅值；UN为额定电压。冲击次数不少于5次，波形一致即为通过。采用武汉美仑电力技术有限公司的MLTC-30/100型工频耐压仪，根据GB/T 22715—2016中4.4的试验要求，使用工频试验，在线圈和测试电极之间施加（2UN+1 kV）即13 kV的电压，耐压1 min即为通过。经上述试验检测，编号1-1～1-5、2-1～2-5、3-1～3-15线圈试样全部通过试验，绝缘性能满足GB/T 22715—2016中6 kV电机线圈匝间绝缘和对地绝缘的技术要求。3.2介质损耗因数与击穿电压试验线圈的介质损耗因数（tanδ）测试是检验绝缘结构内部是否存在缺陷的有效手段，击穿电压值可以直观反映出线圈绝缘结构的电气强度，两者均为判定高压交流电机定子绝缘性能优劣的重要指标。采用Doble Lemke公司的TD-SMART型数字式介质损耗因数及电容测试系统，按照JB/T 7608—2006《测量高压交流电机线圈介质损耗角正切试验方法及限值》的试验要求[14]，测量线圈试样的介质损耗因数，常态条件，测试电压为1.2、2.4、3.6、4.8、6.0 kV；热态（180℃）条件，测试电压为3.6 kV；采用上海杰智电工科技有限公司的JTGN-150型击穿电压测试仪，按照JB/T 12685—2016《高压电机定子线圈 技术条件》和GB/T 1408.1—2016《绝缘材料 电气强度试验方法 第1部分：工频下试验》的试验要求[15-16]，测定线圈试样的击穿电压值。线圈试样的介质损耗因数及击穿电压测试结果如表3所示。10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2021.02.008.T003表3介质损耗因数及击穿电压Tab.3The tanδ index and breakdown voltage编号介质损耗因数tanδ/%击穿电压/kV室温180℃0.2UN0.4UN0.6UN0.8UN1.0UNΔtanδ0.6UN1-10.530.670.861.181.430.166.5850.61-21.021.141.411.872.150.196.7549.41-30.530.710.961.421.830.226.5952.61-40.660.841.041.481.840.197.1350.31-50.680.861.081.621.920.207.9452.82-10.460.560.921.391.780.236.62—2-20.530.700.891.231.480.197.08—2-30.500.640.831.171.390.166.86—2-40.560.610.931.751.630.186.75—2-50.710.941.152.011.820.227.06—技术要求≤1.50————≤0.25≤8.00≥42从表3可以看出，所有线圈试样的常态介质损耗因数tanδ0.2UN均小于1.50%，增量Δtanδ均小于0.25%，180℃热态介质损耗因数tanδ0.6UN均小于8.00%。由此可以说明线圈试样满足高压电机定子线圈技术条件的相关要求。4电压耐久性试验（电老化）线圈试样的电老化试验，采用上海杰智电工科技有限公司的30 kV工频耐压及电老化成套系统，按照JB/T 12685—2016和NB/T 42004—2013《高压交流电机定子线圈对地绝缘电老化试验方法》试验方法进行[15,17]。室温条件下，在线圈试样的引线与测试电极之间施加2.17UN（13 kV）试验电压，绝缘失效时间最小值不少于400 h。线圈试样电气耐久性能试验结果如表4所示。从表4可以看出，5只线圈试样电老化时间达到400 h后均未发生绝缘击穿，根据JB/T 12685—2016中5.8.3可以判定，该组线圈试样满足6 kV高压电机定子线圈的试验要求。10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2021.02.008.T004表4线圈电老化试验结果Tab.4Electrical ageing test results of the coil sample编号电老化时间/h结果判定2-1＞400合格2-2＞400合格2-3＞400合格2-4＞400合格2-5＞400合格5热评定试验（热老化）电机绝缘结构热老化试验，按照GB/T 17948.3—2017《旋转电机 绝缘结构功能性评定成型绕组试验规程 旋转电机绝缘结构热评定及分级》和GB/T 11026.1—2016《电气绝缘材料 耐热性 第1部分：老化程序和试验结果的评定》中的试验方法进行[18-19]。分别在3个温度点下进行热老化试验，每个温度点取5个线圈试样。老化温度和热老化分周期的选择原则：为使得高温点下的老化寿命中值≥100 h，低温点下的老化寿命中值≥5 000 h，相邻两个老化温度的间隔为20℃，每个老化温度下约有10个周期的平均寿命。各温度下热老化分周期如下：①低温点：200℃，30天；②中温点：220℃，8天；③高温点：240℃，2天。热老化分周期后，每个线圈试样都要经受振动试验、潮湿试验、耐压试验。振动试验：将试样置于振动台上进行，振幅为峰-峰0.3 mm，频率为50 Hz，该量值对应大约15 m/s2的加速度，持续1 h。潮湿试验：试样在可见凝露的环境中曝露48 h，温度控制在15～35℃。耐压试验：在潮湿试验完成后立即进行，试样保持潮湿且接近室温。对地工频电压试验的试验电压为2UN，持续10 min，试验时不发生击穿或闪络为合格，试样任一形式连续两个周期击穿即记录为失效。电机线圈绝缘结构的失效时间与热力学温度符合阿伦尼乌斯方程（回归线方程），如式（2）所示。lgτ=A+B/T （2）式（2）中：τ为寿命，h；T为热力学温度，K；A为常数；B为斜率。将热老化试验结果进行阿伦尼乌斯坐标（寿命的对数-绝对温度的倒数）的线性回归分析，根据常数A、斜率B和相关系数R，可画出热寿命图，如图2所示。在回归线上求出20 000 h对应的温度，得到绝缘结构的热寿命方程及温度指数如表5所示。从图2及表5可知，线圈试样绝缘结构的温度指数为181℃，长期运行寿命为27.27年。10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2021.02.008.F002图2热寿命曲线图Fig.2The thermal lifetime curve10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2021.02.008.T005表5绝缘结构热寿命方程及温度指数Tab.5The thermal lifetime equation and temperature index热寿命方程lgτ=-13.362+8 023.6/T系数A-13.362斜率B8 023.6相关系数R0.980 9温度指数/℃1816结 论（1）高导热绝缘结构的导热系数优于普通绝缘结构，高导热少胶粉云母带的应用提升了电机定子线圈的导热能力，有助于提高电机的散热能力，能够达到降低温升、减小体积、节材增效的目的。（2）高导热少胶粉云母带作为H级6 kV高压交流电动机主绝缘时，其各项电气性能指标按JB/T 12685—2016考核， 其常态介质损耗因数、热态介质损耗因数、击穿电压、电压耐久性均达到标准技术要求。（3）该高导热绝缘结构的温度指数达到181℃，长期运行寿命为27.27年，满足H级高压交流电动机的使用要求。