2.2　常規定子絕緣結構對蒸發冷卻電機的限制

電機中對定子絕緣的要求如下：

①使定子線圈中的電流按規定的路徑流動，保持耐電壓性能。

②將損耗產生的熱量散發掉。

絕緣結構的設計根據電機產品的技術條件或使用來確定結構形式、選用絕緣材料和采用合適的絕緣工藝，從而滿足上述要求，使產品達到技術上先進和經濟上合理。絕緣結構運行中應具有所要求的耐熱等級，足夠的介電強度，優良的力學性能和良好的工藝性，并在規定的運行期間其性能不下降到影響電機安全運行的水平。隨著大型發電設備單機容量的增長，電機額定電壓亦相應提高，這就對絕緣提出了更高的要求。

電機定子的常規絕緣結構一般選用耐電性能優良和厚度均勻的粉云母為本體，力學性能、電性能和耐熱性能較好的環氧樹脂做膠黏劑，薄形玻璃布做補強材料，構成了云母體系絕緣。從工藝方法上可歸納為：少膠浸漬型絕緣和多膠模（液）壓型絕緣。絕緣工藝實現手段上具有代表意義的有整體浸漬型和非整體浸漬型兩大類：

①整體浸漬型：以環氧玻璃粉云母少膠帶（或中膠帶）包扎，白坯下線后整個定子真空壓力浸漬無溶劑環氧漆。該技術又稱VPI。絕緣整體性好、機械強度高、傳熱性也較好，是當今大型電機中各項指標最優的絕緣處理工藝方法。

②非整體浸漬型：以環氧玻璃粉云母多膠帶包扎（有的用云母箔卷烘），模（液）壓固化，下線后整個定子在常態下浸漬或澆無溶劑聚酯或環氧漆。這種工藝容易實現，已經被國內電機制造企業成熟掌握，但可靠性不如前者：a.多膠帶在高溫下比少膠帶失效快；b.經過這種工藝處理可能會在主絕緣內或主絕緣與槽之間留下空氣隙，既影響傳熱，又易引起日后空氣隙的游離放電。

無論采用哪一種絕緣結構和工藝，定子線棒只能由外包的固體絕緣材料承擔全部的對地主絕緣作用。這就一方面要求絕緣應具有較高的工頻瞬時或短時擊穿強度，另一方面也要求其能長期耐受工作場強，再加上長期的機械、熱和電應力作用。在考慮主絕緣厚度時，要根據電機的額定電壓，給予一定的儲備系數k_i，即新線圈的工頻瞬時擊穿電壓U_?與電機的相電壓U_φ之比。在正常的工藝條件下，各電壓等級的電機主絕緣的儲備系數如表2-1所示。

因隔爆電動機與汽輪發電機同屬于臥式電機，定子絕緣結構很接近，所以這里著重說明蒸發冷卻汽輪發電機的定子絕緣結構研究過程。

汽輪發電機的鐵芯一般比較長，制造和運行中絕緣的機械損傷較嚴重，因此其主絕緣厚度要取得大一些。例如：定子水內冷的汽輪發電機的常規絕緣結構，10.5kV等級主絕緣厚度為4.5mm；20kV等級主絕緣厚度為6.5mm。這樣的厚度若不采用銅導線管道內冷方式直接帶走銅損耗的熱量，主絕緣層內外溫差非常大，見式（2-1），水內冷汽輪發電機的定子熱流密度往往高達0.03～0.05W/mm²， 而TOA環氧多膠粉云母帶的熱導率為0.25W/（m·K），假定熱量全部由絕緣層散出，將這些數值代入式（2-1）算出的溫差ΔT=540～780K，如此大的溫升，即使絕緣表面溫度為0℃，銅線內的溫度卻已相當可觀了，早已將絕緣層炭化，電機根本不能正常工作。所以，若采用常規冷卻方式，電機要么降低熱負荷即容量，要么從導線內部冷卻，而對于蒸發冷卻汽輪發電機，鑒于其鐵芯比較長，需要采用浸潤式，即帶電部分采用實心銅線，將整個定子用蒸發冷卻介質進行浸泡，這就意味著銅損耗生成的熱量全部由絕緣層散出，為此，必須要減薄絕緣層厚度，也就是要打破常規絕緣厚度的瓶頸制約，充分實現蒸發冷卻的先進性。

　　        （2-1）

式中　ΔT——溫差，K；

        q_v——熱流密度，W/mm²；

        δ——絕緣層的厚度，mm；

        λ_c——熱導率，W/（m·K）。