电机与绝缘讲稿_第三篇电机绝缘
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电 机 与 绝 缘
谢谢，同志们光临这次讨论，今天的主题是《电机与绝缘》，根据电机的种类，确定所用绝缘的品种和要求。目的是使我们能清楚地认识到，绝缘材料是如何为电机制造更好地服务。
电机是一种电能和机械能相互转换的旋转机械。已经成为人类创造动力的工具，是现代社会赖以生存的基本要素之一。绝缘结构是电机的心脏部分，而绝缘材料是构建电机心脏的关键组成。
随着科学技术的高速发展，电机的种类增多且更专业化；容量增大且更高效；体积缩小且更降耗，绿色制造且更环保„„
电机的分类按不同理念分类方式也不相同。今天按我们讨论的需要分类：发电机和电动机。重点讨论大型发电机及其所用的绝缘材料；特种电动机例如变频电机、机车牵引电机及其所用的绝缘材料。请各位关注的是：不同类型电机所用的绝缘材料的差异和原因所在，以便对今后的工作有所帮助。
电机绝缘系统设计的基本原则 ：确保电机运行的可靠性和使用寿命（发电机不低于20年，一般多为30年，电动机为15年以上）。研究的重点是绝缘结构的最优化；绝缘材料的最优化；绝缘工艺的最优化。可靠的、先进的、经济的、环保的和可行的综合效果组合是最终目的。公司有必要将其产品按照以上重点要求分类总结，分发给技术和销售人员，认真学习、理解和体会，便于销售工作和解决实际问题。
绝缘系统设计必须考虑产品在运行中要受到电、热、机械、环境等作用因素的影响。通常，高压电机（额定电压在3kV以上）绝缘系统首先要考虑电压的作用；而低压电机绝缘系统首先要考虑热的作用。当然，在实际设计中所有因素都应予以考虑，过分强调某一因素而忽视其他因素就可能导致设计错误。电机在运行中发生故障的主要原因是绝缘破坏，占总故障率的80%以上，所以电机在运行过程中发生故障首先想到的是绝缘，绝缘工作者们应该充分理解。
一.高压电机的主要指标：
1.电机的容量——决定了电机重量和体积，可以估算出硅钢片和铜导线的数量。2.电机的电压等级——决定了电机对绝缘厚度的要求，代表着电机设计和制造的水平。
3.电机的电流密度——决定了电机的热场设计和冷却方式及绝缘结构的耐热等级。4.主绝缘的厚度——可以估算出绝缘材料的总用量和采用的绝缘工艺。
法国A－A公司多胶模压工艺单边绝缘厚度（mm）的经验计算公式：
di ＝0.20（1.05UN＋2）适用于汽轮发电机。
di ＝0.17（1.05UN＋2）适用于汽轮发电机。** UN 为额定电压
电机定子线圈的主绝缘厚度主要根据三个方面因素来考虑：
（1）瞬时击穿电压的储备系数，即瞬时击穿电压与额定电压（UN）之比一般应大于6～8倍。
（2）许用场强不应高于起始游离电压，电老化寿命评定的伏－秒特性曲线外推到预计运行年限的剩余场强不低于使用场强的两倍。
（3）定子线圈对地主绝缘的整体性要好，性能数据分散性小是提高许用场强，减薄绝缘厚度的前提。
近来世界上各大公司选用大型发电机定子线圈的许用工作场强为2.5MV∕m左右。
二.大型水轮发电机：
在三峡工程完成以后，中国的大规模水电建设拉开了序幕，溪洛渡、向家坝、乌东阁和白鹤滩电站将相继开工。水轮发电机从大型向超大型、巨型发展，单机容量从700MW向1000MW发展、电压等级从20KV向24KV以上发展，这对绝缘结构、绝缘工艺、绝缘材料及防晕技术、防护技术等都提出了新的要求。1.大型水轮发电机的特点：
（1）以水流为动力，转速慢，级数多，直径大，轴向长度短，有利于散热。
决定了水轮发电机的形状和线圈的形状，由于线圈端部弯角尺寸较小，适合于大批量生产的单根线棒VPI工艺。
（2）潮湿环境，端部易被油及粉尘污染。
需要特殊的端部处理技术，对端部防晕层和绝缘层进行有效防护。绝缘保护带和绝缘防护漆将被批量使用。（3）现场安装下线。
为了确保线圈现场安装下线时，不受意外损伤，线圈的整体防护是非常必要的。国外使用热收缩绝缘带保护端部，另外使用一种高强度无纺
布补强的高导热、半导体硅橡胶保护带，对线圈直线部分进行防护。.大型水轮发电机绝缘材料的用量：
以单机容量700MW、20KV的三峡机组为例。
（1）硅钢片漆：10.4吨(硅钢片用量：520吨)
（2）绝缘线圈：1080根
（3）主绝缘： 13吨
（4）防晕带： 0.5吨（5）固定材料：5吨 二.大型汽轮发电机：
随着锅炉和汽轮机技术从亚临界、超临界至超超临界的发展，汽轮发电机也从普通的300
MW、600MW向单机容量1000MW、1200MW、1500MW迈进，电压等级高达27KV以上。带动了一批新材料、新工艺和新结构的发展。1.大型汽轮发电机的特点：
（1）以热蒸汽—热能为动力，转速快，级数少（一般多为两级）。
（2）直径短，轴向长，温升高，散热效率低。（3）转速高，电磁力大，要求固定材料强度高，固定工艺复杂。
（4）电压等级高，对绝缘材料的介电性能有
特殊要求。
浸透性要求高（特指VPI工艺）。
2.大型汽轮发电机绝缘材料的用量：
以单机容量300MW、20KV的火电机组为例。
（1）硅钢片漆：2.4吨(硅钢片用量：120吨)
（2）绝缘线圈：108根
（3）主绝缘：1.62吨
（4）防晕带：0.05吨
（5）固定材料：2.14吨
以单机容量600MW、20KV的火电机组为例。
（1）硅钢片漆：3.6吨(硅钢片用量：180吨)
（2）绝缘线圈：84根
（3）主绝缘：2.268吨
（4）防晕带：0.168吨
（5）固定材料：2.966吨
以单机容量1000MW、27KV的火电机组为例。
（1）硅钢片漆：5吨(硅钢片用量：250吨)
（2）绝缘线圈：84根（3）主绝缘：3吨
（4）防晕带：0.3吨
（5）固定材料：3.5吨（5）绝缘厚度大幅度增加，对主绝缘材料的** 随着我国新能源战略规划的调整，未来十几年将大力发展核动力能源。大型核动力发电机的单机容量为1000MW、24～26KV电压等级。大型核动力发电机工作特点与大型汽轮发电机类似（转速略低），但从运行安全考虑，要求更高的可靠性。
三.大型风力发电机：
风力发电机以风能为动力，是新型清洁能源的代表之一。
1.大型风力发电机特点：
(1)变频特性
交—直—交变频特性，这是一般发电机没有的。谐波产生的突发电压对匝间绝缘有特殊要求。（2）内外叠加温度
内外叠加温度是指电机运行时产生的温度和周边环境的温度之和。大型风力发电机温升较高（因为工作电压较低）
而且散热方式单一（空冷），因此需要使用耐热绝缘材料（H级绝缘）。而散热良好时，可以使用F级绝缘。（3）环境影响因素
大型风力发电机的工作环境较差，炎热、潮湿、凝露、紫外光辐射、海上盐雾等。绝缘材料自身要具备一定能力，绝缘结构及绝缘工艺必须采取防护措施，才能保证运行可靠性和使用寿命。
2.大型风力发电机绝缘材料的用量：
以单机容量2.0MW双馈式风力发电机为例。
（1）绕包导线：4500～5000公斤
（2）主绝缘： 300公斤左右
（3）槽部绝缘：120公斤左右
（4）保护带：
5000米左右
四.变频电机：
通过调节频率来控制电机的转速是一种高效节能的方法。具有响应快，精度高的特点。
1.变频电机的工作原理：
转速 n=60f∕p 其中：n为每分钟转速；f为交流电的频率；p为磁极对数。
电压与频率之比为常数。U∕f=const 变频的同时也必须变压，这也就是变频器常被简称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）的原因。
2.变频电机绝缘的特点：
电源谐波产生的突发电压，造成绝缘击穿。变频电机绝缘结构设计的重点是耐电压。3.变频电机的专用绝缘材料：
变频电机的匝间和主绝缘频频受到冲击电压作用，对变频电机的主绝缘和匝间绝缘必须加强，特别是电机定子的匝间绝缘。另外减少绕组的内部气隙，气隙会引发局部放电，严重影响电气性能和导热性，VPI工艺成为首选。绝缘材料的选择重点是绕组线和浸渍树脂。
变频电机需要使用耐电晕绝缘材料。“耐”与“防”的区别为：“耐”是从内到外（匝间绝缘为主导）;“防”是从外到内(主绝缘为主导)。
目前被普遍认可的耐电晕绝缘材料包括：纳米改性的三层漆包导线；KaptonFCR聚酰亚胺薄膜烧结线；云母绕包导线等。
大型变频调速电动机绝缘材料的用量： 以变频调速电动机6KV、3500KW为例。（TBP3500－16／1000变频调速同步电动机）（1）绕组导线：2980公斤（2）少胶带：24～26公斤（3）VPI漆：200～220公斤（4）防晕带：7.6～8.0公斤（5）保护带：4950米（6）层压制品：692公斤
以变频调速电动机10.5KV、3500KW为例。（TBP3500－16／1000变频调速同步电动机）（1）绕组导线：3130公斤（2）少胶带：25～28公斤（3）VPI漆：200～220公斤（4）防晕带：6.4～6.8公斤（5）保护带：4900米（6）层压制品：637公斤
以YBP1120－6 2850／3150 6500KW笼型变频异步电动机为例。（1）绕组导线：1710公斤（2）少胶带：16～18公斤（3）VPI漆：80～100公斤（4）防晕带：——（5）保护带：3050米（6）层压制品：35～40公斤
五.机车牵引电机：
机车牵引电机是高速电气化铁路的关键设备。也代表着一个国家电机制造业的水平。
1.机车牵引电机的特点
（1）变频调速电机
（2）耐高温电机—由于体积和电压受限，使
电流密度增加，温升大幅度提高，发热严重
（3）多种机械振动和应力
2.机车牵引电机专用绝缘材料
（1）耐电压性能
（2）耐高温性能
（3）抗机械振动性能
六.一般情况的绝缘事故： 1.绝缘电阻降低
受潮使绝缘电阻降低，泄露电流增大，容易引发绝缘击穿。解决的方法是加热去潮后进行防潮处理。2.绝缘放电现象
产生的因素较复杂。例如局部放电、电晕放电、电弧放电、火花放电和沿面闪络等，对绝缘的破坏最为严重。
3.电机温升偏高 电机某部分的温度与其周围介质的温度之差，称为电机该部分的温升。温升是电机损耗和散热情况的量度，已成为评价电机性能的一个重要指标。绝缘材料的导热性、散热方式和绝缘处理工艺是影响电机温升的主要因素。采用VPI工艺可以使电机温升降低5~10℃，主要原因是减少气隙、提高导热。4.电机的槽口和鼻端击穿
电机的槽口和鼻端击穿是绝缘事故的多发区。电机的槽口是电场分布的突变区（导体与
绝缘、固体绝缘与空气绝缘的交汇处，使电场集中）及尖端易损区（如加工毛刺、锋利断面，振动磨损，使绝缘材料容易受到损伤）。鼻端绝缘搭接和曲面形状变化，引起电场分布变化。5.绝缘的机械损伤
电机定、转子绕组及其绝缘，在运行过程中，承受着电磁力、热应力和机械力的作用，会使绝缘产生摩擦及疲劳变形等，造成缺陷和老化，力学性能下降。优良的力学性能如抗弯、抗冲击和截面尺寸的热稳定性是电机安全运行的基本保障。电机定子事故的多发区是槽口和端部。电机转子绕组绝缘在运行中，长期承受着离心及剪切等机械力的作用。6.绝缘击穿
绝缘击穿是电机产品的最终破坏，是由多重因素造成的，主要因素是局部放电和机械破坏，结果是使电机完全丧失工作能力。七.国内电机绝缘的某些特定概念 1.可靠性和寿命
电机的可靠性是指一定时间内不失效的概率。电机绝缘寿命是指有效使用到绝缘老化的时间，不包括通过小修可以恢复使用的故障。
有的电机如鱼雷电机、火箭电机等要求可靠性接近100%，而寿命仅几分钟；而许多用于单机配套的电机，则寿命要求长，对可靠性要求却较低。
2.F级绝缘，B级考核
是指绝缘系统的降级使用。电机绕组各部位的温度并不相同，实际上是一个温度场，温升是指绕组的平均温度。温度场中的温差随电机结构、通风散热系统、绝缘系统的不同而改变。例如，防护式电机的最热点在铁心中间的槽部，屏蔽式电机的最热点在绕组端部。
为了保证电机的可靠性和寿命，在电机绝缘设计时还必须留有温升裕度。对一般系列化小型化电机留5~~10℃，对中大型电机裕度更大。现代电机绝缘设计的趋向是选用等级高于电机绝缘等级的绝缘系统，热点由绝缘裕度承担，电机设计时用足温升限值。例如B级电机采用F级绝缘系统，按B级考核，而且B级电机的铜耗按75℃计算（F级电机按115℃计算），电机的效率可以较高，因此提高了电机的综合技术经济指标。3.绝缘等级与耐温指数
电机绝缘等级与绝缘耐温指数之间有密切的关系，但是两者之间并非等同或恒定关系。电机设计人员可以根据电机的使用状况，往往选用高于或低于电机绝缘等级的绝缘结构。
电机绝缘结构的升级使用，缩小体积，增大功率，必然缩短电机的寿命，例如鱼雷、火箭电机。4.端部处理技术
电机端部与槽内直线部分的绝缘，所承受的电场分布、热场、受力状态、环境因素不同，因此 端部绝缘需要特殊的处理技术。
槽口需要绝缘加强，防晕从低阻转向高阻，使电场分布均匀，避免起晕放电。
端部绝缘无铁心支撑固定，需通过膨胀材料、绑扎材料进行固定，以免运行振动产生摩擦，损伤绝缘造成击穿。
在浸漆过程中，端部流失最为严重，造成绝缘发空现象。需要特殊保护工艺如旋转烘陪、热收缩保护带等。
电机端部绝缘易受到外部环境污染如潮湿、粉尘、油污等，另外在装配、拆卸时易受损伤，需要进行绕包及喷漆等防护处理。
5.防晕技术及防晕材料
在较高电场作用下，电位出现差异，绝缘层表面与空气间产生的放电现象为电晕放电，这种电腐蚀对绝缘层会造成严重的破坏作用。
防晕技术就是通过采用半导体材料制成的防晕材料使电场平滑过渡和均匀分布，减小或避免起晕现象。由于电机槽内、槽口、端部电场分布不同，防晕材料分为低阻、中阻和高阻材料。而且多胶模压工艺和少胶VPI工艺所用的防晕材料也不相同（半固化防晕带和全固化防晕带）。
**在产品说明书中，经常会出现国标及计量单位与欧美标准及计量单位的差异。
**在实际应用中，绝缘产品与设备有着较大的关联度。
本次讲座的目的是让各位了解： 1.电机基本原理与绝缘材料的关系。2.电机运行故障与绝缘材料的关系。
3.电机绝缘结构与绝缘材料、绝缘工艺的关系。4.不同类型电机绝缘材料的大约用量。
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