双馈风力发电机绝缘结构设计及优化工艺研究

双馈风力发电机绝缘结构设计及优化工艺研究

陈天恩

身份证号码：411521199012297911

摘要：随着逐渐意识到可持续能源对发展的重要性，人们也越来越重视生态环境。而近些年来，随着国际上新能源的发展与普及，风力发电逐渐进入了中国人的眼里。风力发电是一种可再生的清洁能源，凭借其对环境的友好以及迅速发展，在中国的使用范围越来越广。在人们的日常生活中，绝缘结构的应用也十分普遍，不但对人们的生活起到了很大的作用，而且对我国的重工业也起到了很大的作用。现在，随着我国经济实力以及国家发展速度的不断提高，绝缘结构越来越受到人们的关注。在双馈风力发电机中，绝缘结构也举足轻重。所以目前风电机组的绝缘结构优化是目前许多技术人员关注的重点和发展方向。本文将从不同的方面研究如何对风电机组的绝缘结构进行优化设计。

关键词：风力发电机；绝缘结构；结构设计；优化工艺

引言

风力发电机是新兴能源再生型环保电机，我国风力资源丰富，具有巨大的潜能。

近几年，科技日新月异，人们的日常生活中出现了许多新的科技，但与此同时，科技也对我们的环境造成了严重的影响，许多可再生的、洁净的能源，也开始被开发利用，比如风能、太阳能，特别是最近几年，发展迅速的风能。根据调研，全球风能潜力约为目前全球用电量的5倍。我国是世界上风力资源占有率最高的国家，也是世界上最早利用风能的国家，我国风电设备装机量位居全球首位1。本文将探讨的是双馈风力发电机的绝缘结构优化，设计思想是通过细致的分析和综合不同用途的绝缘结构，来优化和改进绝缘结构中的问题。从而使其充分利用风力发电的绝缘结构，以达成双馈风力发电机的广泛使用。虽然国内风电机组的绝缘结构设计已经取得了长足的进步，但仍然有许多问题亟待解决。

一、双馈风力发电机绝缘结构基本问题的研究

1.双馈风力发电机绝缘结构基本理论的研究

    我们通常讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈网，故简称双馈电机。双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。

风电机组因风速多变，难以有效地加以利用。因此，要改进风电技术，提升风电机组的效能。如何最大限度地利用风力资源，具有重大的现实意义。每一台风力发电机都包含风力发电机和将机械能转换成电能的发电机。其中，风机的效率直接影响到机组的整体效率，而风机的效率则主要依赖于机组的负载是否达到最优。

在绝缘结构的设计中，最主要的问题是材料的选择，不能在使用中与原有的材料产生化学反应，也不能由于绝缘结构的存在而影响到被绝缘材料的原有特性。所以，选用合适的绝缘结构所用材料是当务之急，直接关系到有关人员的生命安全。由于不同的绝缘位置，所要求的绝缘结构也不尽相同，因此必须对所选用的绝缘结构进行细致的分析，以确保在使用时所选用的绝缘结构与所要求的绝缘部位相匹配，从而使机器在以后的工作中能正常工作。在风电机组中，通常采用的绝缘结构都是与大气紧密接触的，因此，必须要确保所选用的绝缘材料是最合适的，这样才能保障工作人员的生命安全。

2.双馈风力发电机绝缘结构本身存在的问题

   随着科技水平的迅速提高，我国的科技研究也有了长足的进步，许多科研项目都在稳步推进。目前，尽管风电机组的绝缘结构设计取得了长足的进步，但仍有很多问题有待于有关技术人员进一步深入研究，以使其广泛应用于国内。

从我国现有的绝缘结构设计和开发水平来看，还不能够避免影响绝缘效果的因素，在绝缘的过程中，绝缘结构直接或间接地与空气接触，而空气中的湿度，大气温度以及绝缘结构使用的材料本身都会干扰到绝缘机构的使用效果，最终也会导致安全隐患。

而且，双馈风力发电机（DFIG）转子由变频器供电2，变频器在使用中会产生高频脉冲电压，在这种高频脉冲电压作用下DFIG转子绕组绝缘表面和绝缘内部微小气隙会产生局部放电，绝缘系统将承受更严酷的电、热应力，造成绝缘材料和绝缘结构的损害3，导致绝缘系统过早失效4。

从目前的研究和发展来看，国内的绝缘结构设计还存在着许多的专业问题，目前尚未出现有效地使绝缘结构的绝缘效果达到最佳的解决方法。在风力发电过程中，发电机的外壳必须要有良好的绝缘性能，这是目前的技术无法做到的。上述种种因素都制约着我国绝缘结构的技术设计与开发。而解决了上述问题，将有助于我国的科技进步，促进绝缘结构的推广。

二、双馈风力发电机绝缘结构设计及优化

1．绝缘结构材料使用的优化

各种绝缘材料的优点、缺点、作用也各不相同，所以在不同的环境下，其应用的方法和场所也不尽相同。因此，研究人员必须从绝缘结构的特性和功能特性出发，选择最合适的绝缘材料。选用正确的绝缘材料，能在设计和应用中起到事半功倍的作用。所以，在进行绝缘结构的设计时，必须要仔细的分析所需的绝缘位置，以及所要使用的环境、气候、海拔等等，然后才能进行材料的筛选，最终得出最适合的绝缘材料。

由于风力发电属于变频器电机，转子线圈在工作时会受到较高频率脉冲电压的冲击，如果线圈内部有问题，则会在空气间隙内发生高频脉冲放电，使线圈绝缘受到电侵蚀、化学侵蚀，使其绝缘性能下降，缩短使用寿命。为了解决因局部放电而造成的绝缘腐蚀问题，应选用具有良好耐电晕特性的绝缘材料，以提高其耐电压寿命。结果表明：采用单边玻璃丝补强的少胶云母可以改善绝缘结构的整体性能，减少线圈内部空隙缺陷，有利于改善绝缘结构局部放电的启动电压，减少介质损失系数5。

2.绝缘结构的结构优化

高压定子绕组在通风槽口及端部处槽口，由于绝缘表面的电场分布不均匀，当局不电场强度达到一定数值时，气体产生局部电离，在电离处出现蓝色的荧光，并伴有轻微的嗤嗤声，这种现象就被称为电晕6。电晕产生的气体与潮气结合会形成有害的酸性物质腐蚀绕组的绝缘材料；电晕还会使绝缘结构局部发热，加速绝缘老化，严重的时候还会直接破坏绝缘结构，因此防电晕是非常重要的。

为了提高转子线圈绝缘的耐电晕性能，应采用了复合绝缘结构，前人研究表明采用复合绝缘结构，常态介损及增量、热态介损和只使用普通亚胺薄膜少胶带相比均得到减小，电气性能更好。

三、总结

    因此综上所述，在目前的双馈风电机组中，最大限度地提高其绝缘性能，优化风力发电机的绝缘结构，首先要做好绝缘材料的研制工作。需要国家支持相关的研究工作，加强相关人员的对绝缘结构的学习，学习了解并借鉴他国先进技术，尽快研制出符合中国国情、实用、安全的绝缘材料。通过对绝缘结构进行优化，不仅可以间接地提高其运行效率，而且还可以减少维护费用，从而延长其使用寿命，使其在运行期间达到最佳的性能。

参考文献

1 双馈风力发电机设计与研究.扬州大学本科毕业论文

2李松田，贺建华.2.5MW双馈绕线型三相异步风力发电机的研制和开发[J].东方电机，2009（4）：52.

3潘庆辉，何明鹏，张小俊等.风力发电机定子线圈绝缘高频脉冲点老化性能研究[J].绝缘材料，2014，47（6）：70.

4张德生，汪双灿，赵超.电机绝缘系统在高频冲击下局部放电试验研究[J].电机与控制应用，2018，45（2）：102.

5 张道朋.双馈风力发电机转子绝缘结构优化研究[J].电机与控制应用,2021,48(7):73.

6 包蕾.高压电机定子绕组绝缘结构的设计[J].硅谷，2008（17）：16.