2.2　常规定子绝缘结构对蒸发冷却电机的限制

电机中对定子绝缘的要求如下：

①使定子线圈中的电流按规定的路径流动，保持耐电压性能。

②将损耗产生的热量散发掉。

绝缘结构的设计根据电机产品的技术条件或使用来确定结构形式、选用绝缘材料和采用合适的绝缘工艺，从而满足上述要求，使产品达到技术上先进和经济上合理。绝缘结构运行中应具有所要求的耐热等级，足够的介电强度，优良的力学性能和良好的工艺性，并在规定的运行期间其性能不下降到影响电机安全运行的水平。随着大型发电设备单机容量的增长，电机额定电压亦相应提高，这就对绝缘提出了更高的要求。

电机定子的常规绝缘结构一般选用耐电性能优良和厚度均匀的粉云母为本体，力学性能、电性能和耐热性能较好的环氧树脂做胶黏剂，薄形玻璃布做补强材料，构成了云母体系绝缘。从工艺方法上可归纳为：少胶浸渍型绝缘和多胶模（液）压型绝缘。绝缘工艺实现手段上具有代表意义的有整体浸渍型和非整体浸渍型两大类：

①整体浸渍型：以环氧玻璃粉云母少胶带（或中胶带）包扎，白坯下线后整个定子真空压力浸渍无溶剂环氧漆。该技术又称VPI。绝缘整体性好、机械强度高、传热性也较好，是当今大型电机中各项指标最优的绝缘处理工艺方法。

②非整体浸渍型：以环氧玻璃粉云母多胶带包扎（有的用云母箔卷烘），模（液）压固化，下线后整个定子在常态下浸渍或浇无溶剂聚酯或环氧漆。这种工艺容易实现，已经被国内电机制造企业成熟掌握，但可靠性不如前者：a.多胶带在高温下比少胶带失效快；b.经过这种工艺处理可能会在主绝缘内或主绝缘与槽之间留下空气隙，既影响传热，又易引起日后空气隙的游离放电。

无论采用哪一种绝缘结构和工艺，定子线棒只能由外包的固体绝缘材料承担全部的对地主绝缘作用。这就一方面要求绝缘应具有较高的工频瞬时或短时击穿强度，另一方面也要求其能长期耐受工作场强，再加上长期的机械、热和电应力作用。在考虑主绝缘厚度时，要根据电机的额定电压，给予一定的储备系数k_i，即新线圈的工频瞬时击穿电压U_ϕ与电机的相电压U_φ之比。在正常的工艺条件下，各电压等级的电机主绝缘的储备系数如表2-1所示。

表2-1　各电压等级的电机主绝缘的储备系数　　

因隔爆电动机与汽轮发电机同属于卧式电机，定子绝缘结构很接近，所以这里着重说明蒸发冷却汽轮发电机的定子绝缘结构研究过程。

汽轮发电机的铁芯一般比较长，制造和运行中绝缘的机械损伤较严重，因此其主绝缘厚度要取得大一些。例如：定子水内冷的汽轮发电机的常规绝缘结构，10.5kV等级主绝缘厚度为4.5mm；20kV等级主绝缘厚度为6.5mm。这样的厚度若不采用铜导线管道内冷方式直接带走铜损耗的热量，主绝缘层内外温差非常大，见式（2-1），水内冷汽轮发电机的定子热流密度往往高达0.03～0.05W/mm²， 而TOA环氧多胶粉云母带的热导率为0.25W/（m·K），假定热量全部由绝缘层散出，将这些数值代入式（2-1）算出的温差ΔT=540～780K，如此大的温升，即使绝缘表面温度为0℃，铜线内的温度却已相当可观了，早已将绝缘层炭化，电机根本不能正常工作。所以，若采用常规冷却方式，电机要么降低热负荷即容量，要么从导线内部冷却，而对于蒸发冷却汽轮发电机，鉴于其铁芯比较长，需要采用浸润式，即带电部分采用实心铜线，将整个定子用蒸发冷却介质进行浸泡，这就意味着铜损耗生成的热量全部由绝缘层散出，为此，必须要减薄绝缘层厚度，也就是要打破常规绝缘厚度的瓶颈制约，充分实现蒸发冷却的先进性。

　　        （2-1）

式中　ΔT——温差，K；

        q_v——热流密度，W/mm²；

        δ——绝缘层的厚度，mm；

        λ_c——热导率，W/（m·K）。