CN110673004A - 一种用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法 - Google Patents

一种用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，包括以下步骤：做若干发电机的发电机匝间及对地绝缘结构模型，并进行真空压力浸渍工艺处理；其中，发电机匝间为一个线对结构，包括线中间重叠在一块，线端分开的一对电磁线以及填充在所述电磁线线端分开的夹角处的硅类填充物；对地绝缘结构为线棒结构，包括若干数量重叠的电磁线以及填充的硅类填充物；对所述匝间结构和对地绝缘结构分别进行检测；所述检测包括检测绝缘厚度、介质损耗、起晕电压、击穿电压、场强、重复脉冲老化试验寿命；根据检测的数据分析，得到厚度更低的绝缘结构。本发明的方法在需要优化风力发电机的绝缘结构时，可以方便、精确并与实际更为贴近。

Description

一种用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法
技术领域
本发明涉及发电机优化检测技术领域，特别是涉及一种用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法。
背景技术
目前，由于海上风力发电机运行环境的特殊性，长期承受盐雾、潮湿、冷热温差大及高频脉冲等恶劣条件，因此对电机的匝间绝缘、对地绝缘、连线绝缘等整个绝缘系统都提出了比普通高压电机更为严酷的考验。然而目前的海上风力发电机的匝间和对地绝缘厚度偏高，成本也偏高。对于怎样去优化海上风力发电机的匝间和对地绝缘厚度，目前没有一个便捷、精确度高的方法。
发明内容
基于此，本发明提供一种用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，在需要优化风力发电机的绝缘结构时，可以方便、精确并与实际更为贴近。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，包括以下步骤：
做若干发电机的发电机匝间及对地绝缘结构模型，并进行真空压力浸渍工艺处理；其中，发电机匝间为一个线对结构，包括线中间重叠在一块，线端分开的一对电磁线以及填充在所述电磁线线端分开的夹角处的硅类填充物；对地绝缘结构为线棒结构，包括若干数量重叠的电磁线以及填充的硅类填充物；
对所述匝间结构和对地绝缘结构分别进行检测；所述检测包括检测绝缘厚度、介质损耗、起晕电压、击穿电压、场强、重复脉冲老化试验寿命；
根据检测的数据分析，得到厚度更低的绝缘结构。
作为上述方法的进一步改进为：
所述进行真空压力浸渍工艺处理的步骤，具体包括：
对所述线对结构和对地绝缘结构，分别浸树脂，在120℃的情况下预烘10个小时，并在100Pa的真空条件下置放3个小时；然后分别输漆，并保持0.5MPa压力情况下5个小时；最后进行回漆、滴漆步骤，并在160℃的环境下烘焙12个小时。
上述方法中，优选地，所述检测重复脉冲老化试验寿命的步骤，包括：
将所述线对结构和对地绝缘结构在电压峰峰值7500V、电压频率1kHz、占空比50％以及温度为155℃的情况下不断检测参数。
上述方法中，优选地，所述线对结构还包括：
内层烧结膜和外层云母。
上述方法中，优选地，所述进行真空压力浸渍工艺处理的步骤之前，还包括：
将线队结构的处电磁线中间部位用聚酯薄膜补强粉云母带和玻璃布补强粉云母带半叠包5次，使得单边绝缘厚度为1.5mm，然后再平包低阻带一次，所述电磁线端部半叠包高阻，采用热收缩带。
上述方法中，优选地，所述所述击穿电压包括：击穿电压最大值、击穿电压最小值和击穿电压均值。
上述方法中，优选地，所述介质损耗包括：常态介损、介损增量和热态。
上述方法中，优选地，所述重复脉冲老化试验寿命为1000小时以上。
由以上方案可以看出，本发明的用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，通过制造的若干简便且贴近实际的发电机的发电机匝间及对地绝缘结构模型，在模拟实际情况检测时，可以得到更为精确的优化数值，且检测时覆盖参数特别广泛，考虑了绝大多数实际应用会出现的情况。
线对结构只需要一对电磁线，线棒结构也只需要少量电磁线，方便制造的同时成本也较低，在对不同材料多次实验以后可以找到最为合适的优化方案。
附图说明
图1为本发明实施例电磁线匝间绝缘试验线对结构示意图；
图2为本发明实施例中制作完成的线圈试样模型；
图3为本发明实施例中击穿电压分析示意图；
图4为本发明实施例中热态介质损耗分析图；
图5为本发明实施例中绝缘老化试验系统结构图；
图6为本发明实施例中另一个线对试样模型；
图7为本发明实施例中线棒结构示意图；
图8本发明实施例中起晕电压分析示意图；
图9本发明实施例中脉冲老化前后分析图。
其中：①-铜导线；②-匝间绝缘；③-绑扎带；④-不导电的硅类填充物。
具体实施方式
下面结合附图以及具体的实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述。
参见图1至图9所示，本发明的实施例首先以一个具体优化的实施例的方式说明下本发明检测方法。
为了适应市场发展的需要,针对6MW风力发电机进行绝缘优化。发电机的额定电压为3000V，它们安装使用的环境是在海上或沿海地区，由于海上风力发电机运行环境的特殊性，长期承受盐雾、潮湿、冷热温差大及高频脉冲等恶劣条件，因此对电机的匝间绝缘、对地绝缘、连线绝缘等整个绝缘系统都提出了比普通高压电机更为严酷的考验。在6MW风力发电机几年的时间使用之间未出现绝缘故障，证明该绝缘结构是可行的。通过进一步试验的开展和分析研究，匝间和对地绝缘有减薄的可能，如能实现，可提高风力发电机经济运行指标，减少整机的重量，降低生产成本，有必要对直驱6MW风力发电机的绝缘结构进行优化研究。
试验内容：
绝缘(线圈)是电机的心脏，绝缘在电机中具有特殊的地位和重要的作用。按标准GB/T21707-2008《变频调速专用三相异步电动机绝缘规范》和IEC60034-18-42《电压型变频器供电的旋转电机Ⅱ型电气绝缘结构鉴别和型式试验》，现研发的6MW风力发电机绝缘系统属于Ⅱ型绝缘系统，需解决的关键问题是发电机匝间及对地绝缘材料和结构的选择要保证电机绕组能长期承受高频脉冲电压。具体研究方案如下；
1.1 3KV级风力发电机匝间绝缘试验研究：
3KV级风力发电机原匝间绝缘厚度为0.7mm(双边)，优化后匝间绝缘厚度为0.5mm(双边)，且能长期承受高频脉冲，在(电压峰峰值)VP-P＝7500V，(电压变化速率)dv/dt＝1kV/s，频率1kHz，占空比50％，温度为155℃的加速因子作用下，寿命要达到1000小时以上。
1.2 3KV级风力发电机对地绝缘试验研究：
3KV风力发电机原对地绝缘厚度3.6mm(双边，不包括防晕层)，优化后对地绝缘厚度为3.0mm(双边，不包括防晕层)，经过真空压力浸渍工艺后的绝缘体系，检测其常态(介质损耗正切值)tgδ、热态(155℃)tgδ、△tgδ及电气强度和工频电老化寿命，均达到国家标准一等品或优等品水平。
1.3 3KV风力发电机绝缘系统电气耐久性试验研究：
3KV风电发电机(6MW)绝缘结构的电气耐久性试验，目前行业内与国际上都没有统一的试验方法和考核标准，还是采用脉冲电老化试验方案，在VP-P＝9000V，dv/dt＝1kV/s，频率1kHz，占空比50％，温度为155℃的加速因子作用下，寿命要达到2000小时以上。
2.试验：
2.1匝间绝缘结构研究
2.1.1线对制作
制作方法如下：将所选用电磁线剪裁成300mm，把一对电磁线重叠在一起然后终端分开确保电磁线接触长度200mm，在终端分开处填充不导电的硅类填充物并用绑扎带将线对绑紧。为保证试样匝间与实际电机匝间一致，对线对进行VPI(真空压力浸渍)工艺处理，如图1所示，一对铜导线①重叠在一块，中间由绑扎带③绑一块；不导电的硅类填充物④填充在两个铜导线①的终端。缝隙中匝间绝缘②使用绝缘材料。
2.1.2线对绝缘结构方案
根据对电磁线检测所得的数据分析、研究，采用绝缘结构见表1。结构采用不同的云母，分别为云母1，云母2，云母3，云母4，云母5，来进行试验比较。
表1线对绝缘结构
试样号 电磁线结构 数量 浸渍树脂 绝缘厚度
1-5 内层耐电晕膜烧结+外层云母1 5 JF9955 0.5
6-15 内层普通烧结膜+云母2 10 JF9955 0.5
16-20 内层普通烧结膜+云母2 5 JF9955 0.7
2.1.3线对VPI工艺(真空压力浸渍工艺)
浸JF9955树脂，试样预烘120℃4h抽真空100Pa以下2h，输漆，加压0.5MPa保压3h回漆、滴漆，烘焙160℃8h。
2.1.4常规电气性能试验见表2。
表2常规电气性能试验
Figure BDA0002286493360000051
Figure BDA0002286493360000061
2.1.4结果分析
从击穿电压来看，绝缘厚度0.5mm的耐电晕薄膜和普通薄膜通过浸渍后相近，绝缘厚度0.5mm和0.7mm普通薄膜通比较，击穿电压0.7mm(平均41kv)比0.5mm(平均33kv)高一些，但绝缘厚度0.5mm的击穿电压能满足使用要求，所以选择电磁线绝缘结构为聚酰亚胺薄膜烧结+云母。
2.2对地绝缘结构研究
电机定子绕组对地绝缘是电机绝缘系统的重要组成部分。其厚度大小和电气性能水平高低往往代表整个绝缘系统水平的高低。海上风力发电机所面临的气候环境复杂且恶劣，其特点为昼夜温差大，潮湿大、盐雾高。因此，在绝缘结构设计时还需重点考虑绝缘结构的耐候性。
2.2.1线圈制作
主绝缘采用聚酯薄膜补强粉云母带和玻璃布补强粉云母带，半叠包5次，单边绝缘厚度为1.5mm，再平包低阻带一次，端部半叠包高阻，采用热收缩带，然后装好模拟槽，VPI浸渍处理，结构如图2所示。
2.2.2线圈编号及结构方案
线圈的编号及绝缘结构方案，见表3。
表3线圈对地绝缘结构方案
Figure BDA0002286493360000062
2.2.3线圈VPI工艺
浸JF9955树脂：试样预烘120℃10h抽真空100Pa以下3h，输漆，加压0.5MPa保压5h回漆、滴漆，烘焙160℃12h。
浸162+868树脂：在浸渍前先将树脂加热至50℃，试样预烘120℃10h抽真空100Pa以下3h，输漆，加压0.5MPa保压5h回漆、滴漆，烘焙160℃12h。
2.2.4试样电性能检测
试验设备包括：介损试验仪、电热老化烘箱和高压试验台等。
2.2.4线棒电性能测试数据见表4。
表4线圈电性能测试结果
Figure BDA0002286493360000071
2.2.5线圈电性能分析
2.2.5.1瞬时击穿电压和击穿场强分析见表5
表5击穿电压分析
Figure BDA0002286493360000081
具体数据请参考图3，图3为本发明实施例中击穿电压分析示意图。
其中，按照云母3，云母4，云母5来划分。
2.2.5.2介质损耗分析见表6
表6介质损耗分析
Figure BDA0002286493360000082
具体介质损耗请参考图4，图4为本发明实施例中热态介质损耗分析图。
其中，按照云母3，云母4，云母5来划分。
2.2.5.3结果分析
以JB/T50133“中型高压电机少胶整浸线圈产品质量分等”为参考依据，从图3-图4和表5-表6中数据分析可得出下面结论。
一、云母5的带与162+868漆组合效果最佳。从数据看瞬时击穿电压、瞬时击穿场强和击穿电压分散度均远远超过规定的优等品要求。这体现了云母5的带质量的均匀性以及与162+868漆相溶性的优势。
二、国产材料组合均能达到JB/T50133标准中优等品要求。
三、云母5的带与162+868漆组合效果最佳。其常态介损和热态介损都达到标准所规定(6KV)的优等品水平，介损增量达到一等品水平。
四、国产组合常态介损、热态介损和介损增量都能达到标准所规定(6KV)的一等品水平。
五、云母5的带与162+868漆组合虽然表现优异，但其成本是3，4组合的2～3倍。
2.3热态高频电脉冲寿命试验
变频电机匝间绝缘破坏的根源是高频脉冲过电压作用引起的局部放电,而局部放电产生的空间电荷和臭氧等有害气体直接造成了匝间绝缘的失效,其中热应力对介质的老化过程产生了重要作用。从材料角度讲,电介质的破坏是由于其耐电晕性能差所致,提高变频电机使用寿命的方法之一就是提高绝缘材料高温条件下的耐局部放电能力,即提高绝缘材料在较高温度下的耐臭氧侵蚀能力和耐空间电荷的破坏能力。风力发电机采用变频器输出，发电机将承受高频脉冲过电压作用，直接造成了匝间和对地绝缘的失效。我公司实施VPI少胶整浸绝缘技术多年，对6kV电机单边绝缘厚度分别为1.5mm、1.3mm、1.1mm的结构均做过工频电老化寿命试验，其结果按照行业标准JB/T50133都能达到优等品的考核要求。前面5MW风力发电机绝缘结构研究已做过对地单边绝缘厚度为1.8mm和匝间绝缘厚度为0.7mm的高频电脉冲寿命试验，其结果表明匝间和对地绝缘结构具有优良的电气性能，本次优化研究的3kV风力发电机对地单边绝缘厚度为1.5mm，匝间绝缘厚度为0.5mm，故我们要对优化的绝缘结构方案进行高频电脉冲寿命试验，以确保风力发电机绕组绝缘长期运行的可靠性。
2.3.1试验方案，其中的系统请参见图5
2.3.2试样
2.3.2.1匝间绝缘试样请参见图6。
电磁线采用FMYB-50/155型号按图样制作6件(其中5件做高频脉冲试验，另外1件作为备样)试样编号分别为10-15号(见表2)。
2.3.2.2对地绝缘试样
因考虑到试验设备容量原因，对地绝缘试样只能做成线棒，请参见图7，将表4中的3-5号线圈锯开，试样编号分别为1-6号(其中5件做高频脉冲试验，另外1件作为备样)。
2.3.3测试结果
2.3.3.1匝间绝缘高频电脉冲寿命试验见表7。
表7匝间重复脉冲老化试验数据
Figure BDA0002286493360000101
2.3.3.2对地绝缘高频电脉冲寿命试验见表8-表9和图8-图9
表8对地重复脉冲老化试验数据
Figure BDA0002286493360000102
表9剩余击穿电压值
Figure BDA0002286493360000103
Figure BDA0002286493360000111
2.3.4结果分析
2.3.4.1从表7中线对高频脉冲老化寿命中值为650小时，未达到大于1000小时的目标，但原桂林电科所试验参数是匝间绝缘厚度为0.7mm；Vp-p＝7000V；频率:20kHz；上升沿时间：560ns，寿命时间为1004小时。国家能源部行业标准(NB/T)《风力发电机绝缘规范》第4章的表2高频脉冲下的电磁线寿命，在Vp-p＝3000±60V；频率:1-20kHz；上升沿时间：100±15ns，试验温度：155±3℃等试验条件下，老化寿命中值为100小时(云母带绕包扁线，绝缘厚度0.5-0.7mm)，表明该匝间绝缘结构能3KV级风力发电机的电气性能要求。
2.3.4.2从表8中热高频脉冲寿命试验测试数据看，个试验样品已达到2000小时以上，说明该绝缘体系能满足电气耐久性的要求，达到行业同类产品的先进水平。
3.小结
3.1 3KV风力发电机匝间绝缘双边绝缘厚0.5mm，对地绝缘结构为—单边绝缘厚1.5mm，直线部分平包一次0.08×25低阻带，防晕层厚0.3mm，端部半迭包一次0.12×25高阻带。
3.2 3KV风力发电机模拟线棒(线对)通过热高频脉冲寿命试验已达到2000(650)小时以上，说明该绝缘体系能满足电气耐久性的要求，达到行业同类产品的先进水平。
3.3少胶云母带与树脂组合效果最佳。从数据看瞬时击穿电压、瞬时击穿场强和击穿电压分散度均远远超过规定的优等品要求。这体现了少胶云母带质量的均匀性以及与树脂相溶性的优势，若采用更好的绝缘材料还可以减薄绝缘厚度。
3.4本课题研究因匝间绝缘改进和对地绝缘减薄可降低制造成本，具体节约价值见表10。
表10成本节约表
优化前匝间绝缘结构 优化后匝间绝缘结构 优化前对地绝缘 优化前对地绝缘
FMYFCRB-0.70 FMYFB-0.50 半叠包6次 半叠包5次
电磁线加工费56元/kg 电磁线加工费26元/kg
价格数据为举例说明，1台电机节约＝7854(56-26)+210×1/6×62＝237790(元)，按年产10台可节约2377900元。
由以上方案可以看出，本发明的用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，通过制造的若干简便且贴近实际的发电机的发电机匝间及对地绝缘结构模型，在模拟实际情况检测时，可以得到更为精确的优化数值，且检测时覆盖参数特别广泛，考虑了绝大多数实际应用会出现的情况。
线对结构只需要一对电磁线，线棒结构也只需要少量电磁线，方便制造的同时成本也较低，在对不同材料多次实验以后可以找到最为合适的优化方案。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
做若干发电机的发电机匝间及对地绝缘结构模型，并进行真空压力浸渍工艺处理；其中，发电机匝间为一个线对结构，包括线中间重叠在一块，线端分开的一对电磁线以及填充在所述电磁线线端分开的夹角处的硅类填充物；对地绝缘结构为线棒结构，包括若干数量重叠的电磁线以及填充的硅类填充物；
对所述匝间结构和对地绝缘结构分别进行检测；所述检测包括检测绝缘厚度、介质损耗、起晕电压、击穿电压、场强、重复脉冲老化试验寿命；
根据检测的数据分析，得到厚度更低的绝缘结构。
2.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，其特征在于，所述进行真空压力浸渍工艺处理的步骤，具体包括：
对所述线对结构和对地绝缘结构，分别浸树脂，在120℃的情况下预烘10个小时，并在100Pa的真空条件下置放3个小时；然后分别输漆，并保持0.5MPa压力情况下5个小时；最后进行回漆、滴漆步骤，并在160℃的环境下烘焙12个小时。
3.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，其特征在于，所述检测重复脉冲老化试验寿命的步骤，包括：
将所述线对结构和对地绝缘结构在电压峰峰值7500V、电压频率1kHz、占空比50％以及温度为155℃的情况下不断检测参数。
4.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，其特征在于，所述线对结构还包括：
内层烧结膜和外层云母。
5.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，其特征在于，所述进行真空压力浸渍工艺处理的步骤之前，还包括：
将线队结构的处电磁线中间部位用聚酯薄膜补强粉云母带和玻璃布补强粉云母带半叠包5次，使得单边绝缘厚度为1.5mm，然后再平包低阻带一次，所述电磁线端部半叠包高阻，采用热收缩带。
6.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，其特征在于，所述击穿电压包括：击穿电压最大值、击穿电压最小值和击穿电压均值。
7.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，其特征在于，所述介质损耗包括：常态介损、介损增量和热态。
8.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机的绝缘优化检测方法，其特征在于，所述重复脉冲老化试验寿命为1000小时以上。
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