评估绝缘材料和结构的方法与应用

电动机和发电机的业主都希望知道定子、转子绕组安全服役的最短期限。在大多数工业和公用事业领域，在绕组需重绕前，至少有20～40年的寿命预期；而在牵引领域，可能会有5年以上的寿命预期。数十年前，可达到预期寿命的绝缘结构设计，很大程度上是经过反复试验和摸索才得以实现。如果某种老式的绕组设计在早期发生故障，新设计中会额外增加一些绝缘，或采取矫正措施。通常，为防止在比预期要早的时间内出现故障，在设计中增加“安全裕度”，更确切地说是，增加铜导体截面积，使其大于严格说来所需的截面积，以保证其低温运行，或者增加主绝缘的厚度以避免电气击穿等。这些措施的共同结果，就是使实际绝缘结构远大于指定的寿命。事实上，很多产于19世纪上半叶的电机定、转子绕组，至今依旧在运行，原因就在于那时的保守设计。

在过去的几十年中，人们已经认识到，设计中过大的安全裕度会加大增加定子、转子制造成本。例如，德雷珀（Draper）曾指出，在相同的输出功率条件下，大型的笼型异步电动机的主绝缘厚度减少20%，会让定子槽的宽度和深度相应减少；定子膛会更小，从膛内到定子铁心背部的距离也会减少，同时还能维持相同的铁心机械刚度；根据电动机额定转速的不同，制造定子所需的钢材将减少13%～33%不等，用铜量则减少5%～64%不等^[1]，并且绝缘用量减少12%～57%不等^[1]。这些材料减少的意义重大，因为电动机和发电机的价格很大程度上取决于钢、铜和绝缘的用量，而通过提高电场强度设计水平，即减少主绝缘厚度，就可以达到大幅度降低定子制造成本的目的^[1]。当然，在电动机或发电机中减少钢、铜和绝缘的用量会增加应力强度，这对寿命会带来消极影响^[2]。

通过设计上减少不必要的保守裕度，可以降低制造成本。这种认识，连同全球竞争激烈的电动机和发电机市场，已使更多的科学方法应用到电动机和发电机绕组的绝缘结构设计方面。现在制造厂商用于设计绝缘结构的主要工具被称为加速老化试验。其基本概念是建立一个绝缘结构的模型，然后把模型置于高于正常情况的应力（温度、电压、机械应力、辐射等）之下，即提升应力而加速劣化。相对于正常运行情况，模型会在短得多的时间内发生故障；通常施加的应力越高，寿命越短。通过对绝缘结构模型在各种应力水平下的测试，有时可以从高应力推算出期望运行应力下的结果，从而估算出运行寿命。让不同的绝缘结构设计都承受所有的加速老化试验，就可以以最小的代价，确认能获得期望电机寿命的材料和设计方式。

之前的描述太过简单。正如在第8章～第11章中说讲述的，定子、转子绝缘结构有超过20多种可引起绝缘失效的故障过程。每一种故障过程都是由单一或者多种应力造成的，比如电压、温度、脏污和机械应力。也就是说，单一应力不能界定绕组的寿命。带来的结果就是，要证明一项绝缘结构设计符合运行要求，这个绝缘结构及其组成部分必须经受一系列大范围的加速老化试验，而这些加速老化试验则通过大多数的故障过程（第8～11章）确定其可能的寿命。加速老化试验的另一个问题在于，试验结果往往具有较大的分散性，这就需要进行大量重复测试和统计分析。尽管老化试验已有几十年的研究历史，但是有一点还是很明确的，就是我们还不能以某种精确度估计转子或定子绕组所期望的寿命将会是多少。原因在于故障机制数量多、老化过程复杂和试验结果具有统计分散性。(www.xing528.com)

本章介绍用于确定绕组绝缘结构性能的加速老化试验具有的实用性及局限性。人们为各种故障过程建立模型，从而开发出很多加速老化试验；其中很多加速老化试验被美国国家及国际标准化组织（如IEC、IEEE）标准化。当用户参考这些标准，去比较不同生产厂家的样品时，应特别关注这些已经标准化的试验方法。

除了老化试验外，人们还开发了很多用于评估绝缘材料及结构特殊性质和性能的试验。例如，需要通过试验确定熔化温度、抗拉强度、抗热冲击性能、耐切割性、电气击穿强度、耐化学性等性能，而在这些试验中，老化不是影响性能的直接因素。总结这些试验，有助于确认绝缘能够耐受已知的运行环境，这将在第2.8节讨论。附录A给出了大多数定、转子绕组中常用绝缘材料的主要性能，而这些性能则由这些试验测定。

在本章内容继续之前，需要区分一下绝缘材料和绝缘结构。绝缘结构由绝缘材料组成。绝缘结构通常包含导体以及一种或多种特定形状和厚度的绝缘材料。为测定每种绝缘材料的特性，通常在用绝缘材料制成的平板上进行老化和性能试验。不过，绕组的寿命取决于绝缘结构性能，而不是某个成分的性能。在某些情况下，绝缘结构的性能会超过某种材料的性能。因而，测定某一完整绝缘结构的期望寿命，仅进行材料试验并不充分。