旋转电机成型定子绕组绝缘结构的探讨

旋转电机成型定子绕组绝缘结构的探讨

段勇伟 杨棯斐 薛建利 李弓

中车永济电机有限公司 山西 永济 044500

摘要：额定容量从1KW—2000MW的电机，在一般情况下多采用：散嵌定子绕组（多适用于容量在几百千瓦的电机上）、采用多匝线圈的成型定子绕组（多适用于大型电动机上）和采用罗贝尔换位线棒的成型定子绕组（多适用于容量在50—100MW·A的发电机上）三种形式，轨道交通牵引电机以采用多匝线圈的成型定子绕组为主。而根据数据统计大约有37%的牵引电机失效是由绝缘故障造成的，电机的绝缘故障会直接影响其运行的安全性、可靠性和使用寿命，因此，为使轨道交通牵引电机运行可靠，保障国家铁路网通行正常，牵引电机绝缘结构的绝缘性能探究至关重要。

本研究对牵引电机绝缘结构各部分进行探讨，着重以影响牵引电机运行的主要因素—主绝缘进行分析，力求降低轨道交通牵引电机在运行过程中因主绝缘故障等原因导致的故障发生率。

关键词：牵引电机；绝缘结构；股线绝缘；匝绝缘；主绝缘

1 绝缘结构的基本部件

定子绕组的绝缘结构由：股（或分裂导线）绝缘、匝绝缘、主（或对地）绝缘三种不同的基本部件组成。这些部件的特性各不相同，它们组合在一起后要求不能发生电机短路的故障，保证定子导体上因损耗等原因生成的热量（I2R）可以传送到电机的散热装置上。

1.1股线绝缘

成型线圈（或线棒）中的每一导体都是由多支股线所组成的，这种设计的原因可以从机械、电气两方面进行说明。在机械方面：大型电机的线圈（或线棒）需要承载较大的电流，因为在导体的横截面积足够大的情况下才能获得更大的截流容量，所以线圈（或线棒）就需具备较大横截面积的要求，而结合生产实际，大截面积的单个导体难以弯曲成线圈（或线棒）所需要的形状，采用线圈成形设备由较小的股线导体所组成的大导体，与单根导体相比更易弯曲形成所要求的形状。在电气方面：如果一个铜导体的截面积足够大，交流电流更趋向于仅从导体外缘表面流过，即产生趋肤效应，实际上表现出其交流电阻要大于其直流电阻，交流电阻越大引起的损耗（I²R）越大，若用互相绝缘的股线（防止趋肤效应的产生）做成同样截面积的导体，则所有的铜截面积均被用于截面电流流过，可使趋肤效应忽略，减小损耗。除上述两方面主要原因外，截面积过大的固态导体也会产生涡流损耗，导体截面积越大会使沿导体外表面路径交链的磁通越大，从而感应电流越大，由这种环流产生的损耗（I²R）也就越大，通过减小导体尺寸的方法，杂散磁场造成的损耗会减小，提高电机效率。

1.2匝绝缘

在散嵌绕组和成型绕组的定子中，匝绝缘的作用是防止线圈中发生匝间短路。

成型线圈的匝绝缘可能遭受到电动机启动、逆变器驱动操作、雷击等相关的很高的暂态电压冲击，这些个暂态电压会使匝绝缘老化甚至是击穿；环绕在铜导体外周的匝绝缘还会承受到额定交流相对地电压，同样也会承受匝与匝之间的交流电压和同一相内线圈与线圈之间的电压。

1.3主绝缘

主绝缘（又称对地绝缘）是分隔铜导体与接地定子铁心的部件。

主绝缘发生故障通常会触发故障继电器动作，引起发电机或电动机跳机，所以，定子主绝缘对发电机和电动机的正常运行有关键性的作用。为延长发电机和电动机的运行寿命，主绝缘必须能达到所承受的电气、热和机械应力的严苛要求。

电机股线绝缘、匝绝缘、主绝缘间的结构

2 绝缘结构各部件的绝缘探讨

2.1股线绝缘的绝缘探讨

电气方面的原因要求导体分成股线时，应将各股线间绝缘，而股线间电压差通常小于几伏，因此股线绝缘可以很薄，股绝缘在线圈制造过程中可能会遭到机械损伤，所以要求它一定要有良好的机械特性。

由于股线绝缘与承载定子主要电流的铜导体紧密相贴，而电流会产生I²R损耗，因此在定子部件中股线绝缘要承受较高的温度，所以股线绝缘必须具有良好的热特性。

另外，成型线圈中若存在各别的股间短路故障，并不会造成绕组事故，但会增加定子绕组的铜损，并会因环流造成局部温升增加。

2.2匝绝缘的绝缘探讨

散嵌绕组和成型绕组的定子在机械和热能传递两方面存在匝绝缘失效的可能。在机械方面：因为会承受机械应力，可能遭受到最大的机械应力是发生在线圈的成型过程中，这个过程要求由绝缘覆盖的匝导线弯曲成较大的角度，可能会使绝缘拉伸并撕裂，在稳态情况下，电机正常运转时磁场力引起的机械振动作用于各匝线圈上。在热能传递方面：匝绝缘所承受的热应力基本上与上方所述的股线绝缘所承受的热应力情况基本一致，匝绝缘紧贴铜导体，而铜导体正是绕组中I²R损耗发热的热源，所以匝绝缘必须具有良好的热特性。

2.3主绝缘的绝缘探讨

主绝缘的设计主要从电气、热和机械等方面考虑。在电气设计方面：成型绕组多匝线圈的主绝缘处于绕组各相出线端时，会承受全部的相对地电压；在热设计方面：在间接冷却的成型绕组电机中，主绝缘是将热量从铜导体（热源）传导至定子铁心（冷源）的最主要途径，故而主绝缘应具有尽可能小的热阻以防止铜导体产生高温，为获取较低的热阻就需要主电阻的材料具备尽可能高的传热系数，同时应避免主绝缘中产生阻止热量传导的空隙；在机械设计方面：在铜导体上受到的磁场力比较大，这些磁场力主要来源于同一槽内上层和下层线圈中电流产生的两个相互作用的磁场，这两个磁场使单个铜导体或整个线圈在铁心槽内上下振动。主绝缘的构造必须能有助于防止铜导体由磁场力引起的振动，如果主绝缘充满气泡铜，导体可能就会任意振动。

主绝缘内部的空气或氢气气泡能导致气泡的电气击穿，这个过程就是所谓的局部放电。在电机的生产和检修过程中，为确保电机的良好运行，避免电机主绝缘产生局部放电的情况是至关重要的。根据局部放电的原理，有必要采取措施消除主绝缘中的包含空气或氢气气泡的发空现象，以防止定子绕组故障；另外，在线圈和线棒与铁心之间的表面间隙上采取局部放电抑制系统，以阻止在任一间隙处发生局部放电现象。

电机成型绕组的各部分绝缘结构

3 结论

结合国铁轨道交通的工作经验，以成型定子绕组为主要对象，本研究对于绝缘结构的各组成部分，从其结构到绝缘加强一一入手进行探讨，重在规避绕组绝缘在设计、制造等层次可能造成的破损或不足。主绝缘是电机绕组绝缘中的主要组成部分，主绝缘的损坏也是电机检修过程中的主要问题之一，是电机运行接地等故障中的主要原因。

参考文献：

1. 吴广宁,周凯,高波 变频电机绝缘老化机理及表征[M]. 北京: 科学出版社,2009.

2. 中国电器工业协会 牵引电机绝缘系统多因子耐久性评定方法:T/CEEIA343—2018[S]. 北京:科学技术文献出版社,2019.

3. 格雷格C.斯通（加），伊恩·卡帕特（加） 旋转电机的绝缘设计、评估、老化、试验、修理（第二版），2016