高原电机绕组设计及选材分析
（河北电机股份有限公司，河北 石家庄 051430）
摘 要：高原电机是指使用场所海拔高于 1000 米的电机。根据国家行业标准：高原环境条件下的电工产品通用技术条件规定高原电机又分很多级：它们分别是不超过 2000 米、3000 米、4000 米、5000 米。
关键词：高原电机；冷却方式；耐电晕；变频线；NHN；浸漆方式一般电动机的正常使用所在地环境温度为-5℃到 40℃，应在海拔1000m 以下。而高原电机要求在海拔高、气压低、缺氧、高寒、温差大、风沙大等恶劣条件下运行.所以高原电机需要更高的绝缘水平、良好的通风散热结构以及电机防振、防沙等结构。
高原电机与普通电机区别主要在于海拔高度对电机温升，电机电晕（高压电机）的影响。高原电机设计及生产中应注意以下两方面：(1)海拔越高，电机温升越大，输出功率越小。环境温度随海拔的升高而降低，海拔对温升的影响可以得到补偿，从这方面来看电机的额定输出功率可以不变；(2)高原电机在高原坏境下使用时要采取耐电晕措施；文章将着重讨论高原电机绕组制作当中注意事项及选材要求。
1 关于海拔升高对电机的影响
电机在高原环境运行时，因为高原空气较为稀薄，电机通风散热系统可维持的空气流量发生根本性变化：压力与密度减小。于是，随着海拔高度超过正常水平的程度，电机温升会按比率增高，直接的影响是电机绕组可靠性和效率指标变差，电机输出功率变小。但从调查中反映，电机过热现象并不明显，这是由于高原地区常年温度较低，当气温随海拔的升高而降低时，又可以一定程度上补偿海拔对温升的不利影响，因此从温升及环境温度的对应关系来看，电机的额定输出功率可能不会有太大的影响。
但是海拔高，空气稀薄，高原电机的转子和定子之间的间隙的导磁能力差，温升增高等直接影响到电机的功率输出。相同功率的电机于高原运转时，实际功率会有所降低。不是高海拔规格的电动机，最好适当降负荷运行。否则，电机的寿命及性能都会受到影响，甚至会在短时间内烧毁。客户在选定电机时需将使用海拔及环境温度告知电机厂，让电机厂计算电机功率降低余量及绝缘温升需求，选用适当的电机。
由空气进行冷却的电动机，在高原由于气体密度减小，冷却风量大幅度降低，会引起电机温度升高，所以高原电机建议采取其他冷却方式，比如液体冷却，就可避免上述情况。除对冷却的要求外，设计高原电机，需要绝缘材料选型中也应相应改变或增强。
2 高原电机绕组选材要求
由于高原空气稀薄，分子间的距离加大，离子的自由行程加大，因而起晕电压降低。如处于高海拔地区的某电厂5#发电机组(2.5万kW，6.3kV），当电压升到 1.7kV 时开始听到放电声音，电压升到 2.5kV 时开始见到电晕火花，电压升到 3.6kV 时就看到很严重的电晕现象，在6.3kV 额定电压下，电晕更严重并有臭氧气味。因此高原产品无论高压电机还是低压电机选择铜线时，必须考虑耐电晕性能，目前国内低压高原电机普遍使用变频线为 Q(ZY/XY)BP-2/200。
根据目前行业内 Q(ZY/XY)BP-2/200 变频线的制作水平，φ0.8 以上电磁线的击穿电压普遍在 7000V 以上，经过绕制线圈、定子铁芯嵌线、整形等工序操作后，白包绕组在进行半成品试验时，对地耐压均在 5000V 左右，匝间耐压均在 7000V 左右。而根据相关标准，5000 米以下高原电机对地耐压要求最高为：1.575×(2U+1000)，对匝间耐压要求最高为：1.4×1.575×(2U+1000)。如果涉及到使用工况的系数，电压要求需要更高。
电磁线制作包括：拉丝—放线—退火—涂漆—冷却—润滑—收线等工序，其中涂漆属于关键工序，直接影响到电磁线的漆膜附着力、击穿电压、漆膜厚度、有无针孔等。目前国内高端厂家均采用高速机进行生产，在线检测漆膜连续性。
但由于线材自身及工艺限制，φ0.8 以下电磁线的击穿电压、漆膜厚度、附着性等几项指标均出现比较明显的下降趋势。并且在耐电晕性能方面也无法满足产品使用的极限要求，下表为国内某漆包线耐电晕性能不同线规的第三方检测效果。
表 1
表 1 为某漆包线厂家生产的φ0.63 线规变频线。其中最小值 1.78，结果显示不符合国家对变频线的耐电晕性能要求。
表 2
表 2 为某漆包线厂家生产的φ1.2 线规变频线。其中最小值 23.86，符合国家对变频线的耐电晕性能要求。
在连续生产当中，我们发现目前国内主要漆包线厂家在生产φ0.8以下变频线时，耐电晕性能无法完全满足要求。（GB/T 201707-2008 中对抗电晕试验选样规定：电磁线线径为 1.0mm，2 级漆膜厚度，试样采用绞线对取 5 个试样试验结果的中值为评定结果。）线径越小，耐电晕效果越差。所以，建议在生产高原电机产品时，尽量选择φ0.8 以上变频线。并且对电磁线的漆膜连续性要求：针孔少于 1/30 米甚至没有针孔。
对于产品限制，必须选用φ0.8 以下变频线时，我们建议选择 3 级漆膜厚度，Q(ZY/XY)BP-3/200 电磁线。但是需要强调的是，由于漆膜加厚，有绕组定子铁芯的槽满率会随之增加，操作难度增大，在手工操作是时，对电磁线的损伤相应增加。
根据相关标准，电磁线的漆膜附着力的要求：QZ(G)-2/155＞QZY-2/180> Q(ZY/XY)BP-2/200，因此在设计高原电机时，需同样考虑槽满率的因素。其余绝缘材料如绝缘纸的选择，建议选择 NHN，NHN绝缘纸是由中间一层聚酰亚胺薄膜及其两面的 Nomex 纸(美国杜邦纸)组成、耐热等级为 H 级（180℃）的柔软复合材料。
这类绝缘纸中最关键的组成部分，中间一层耐电晕聚酰亚胺薄膜，耐电晕聚酰亚胺薄膜是一种由 50~500nm 的气相氧化铝填充聚酰亚胺薄膜，将该薄膜的耐电晕性能提高了 10 倍以上。此类膜的电老化阈值随电老化强度的增加而减小，且耐电晕型薄膜的电老化阈值始终高于普通薄膜的阈值。
3 绝缘处理问题
在完成白包后，测试各项数据满足要求后开始进行浸漆操作。高原产品由于耐电晕及温升的要求，对绝缘处理工序要求尤为严格。在此不推荐其它浸漆譬如：滴浸、滚浸、浇浸、喷浸等方式。各家根据自己生产可以选择真空浸漆或 VPI 浸漆。这两种浸漆方式均会在密封容器中利用真空排除绕组内层空气、潮气和挥发物，并通过绕组绝缘毛细血管作用，达到绝缘漆的完全渗透和填充。
结束语
从以上分析得知，高原电机在生产制作过程当中，不仅需要对结构及冷却方式上进行重新设计、并且在绝缘选型及绝缘处理方面需要进一步加强。实际生产中，在电气间隙加大、绝缘加强、散热良好的高原电机可靠性完全不受影响，并取得良好效果。
参考文献：
[1]电工产品高海拔环境条件[S].昆明电器科学研究所[2]机械工业产品环境适应性调查报告.广州电器科学研究所等.1992
