應用磁控濺射技術的大功率海上風力發電機線圈

王德山 蘆澤仲

蘇州大學 機電工程學院 江蘇蘇州 215131

1 研究背景

能源供應和環境保護是一個國家經濟持續發展的基本條件,化石能源的日益短缺及其所帶來的環境污染困擾,使代替能源的開發利用越來越受到世界各國的重視。風能作為一種綠色無污染的清潔能源,具有大規模開發和商業化發展前景。風能的開發利用對于增加能源供給,調整能源結構,緩解環境污染,促進經濟發展起到重要的作用。

目前,風能最好的利用方式是風力發電。當陸上風場資源趨向飽和時,海上風力發電成為未來新能源的主場。我國海洋風能資源豐富,風力發電機發電不占用大量土地資源,成為國內能源發展的新領域。

與陸上風力發電機工作環境不同,海上風力發電機長期在惡劣的海洋環境中工作,受到各種不利工況的交互損害,如狂風載荷、海浪載荷、低溫影響等,有時還要受到地震、海嘯、臺風等意外的損害。在海洋環境中,海上腐蝕也是較為嚴重的,海上腐蝕無處不在,無孔不入,會伴隨被腐蝕物體表面積的增大而更容易腐蝕。筆者就此研究應用磁控濺射技術的大功率海上風力發電機線圈。

2 磁控濺射技術的應用

針對海洋的嚴酷環境和種種惡劣條件,對海上風力發電機的核心部件線圈采取一系列的防腐蝕保護措施,成為目前研究的關鍵。目前,國內外研發團隊對海上風力發電機線圈防腐蝕的保護措施大多是對線圈的表面采用化學電鍍處理工藝,而化學電鍍對環境造成極大污染,這顯然不符合環境保護的要求。因此,在保護環境的前提下,針對海上風力發電機線圈防腐蝕的措施,采用磁控濺射技術成為關鍵。

磁控濺射技術可以取代傳統的化學鍍膜和電鍍技術,能夠在線圈表面產生厚度均勻、密度較高的功能性薄膜。對線圈表面采取磁控濺射技術來取代化學電鍍工藝,能有效解決污染問題,同時還可以獲得較高質量的功能保護薄膜,使線圈達到在惡劣的環境中穩定工作的要求。

3 磁控濺射技術研究現狀

物理氣相沉積技術指在真空條件下,利用某種物理過程將固態的靶材轉化為分子、原子或離子的氣相物質后,再沉積于被鍍材料表面,形成固體膜層的可控轉移。濺射沉積技術屬于物理氣相沉積技術。

磁控濺射是為了提高二級濺射的濺射速率,減弱基片由于二次電子撞擊發熱對膜層產生不利影響而發展起來的濺射技術。磁控濺射技術的關鍵是在陰極靶材處引入磁場,利用磁場的洛倫茲力束縛,并控制電子在真空場中的運動軌跡,這樣電子與氣體原子的碰撞頻率會被大大提高,并提高氣體原子的離化率,對基片轟擊的高能電子會減少,轟擊靶材的離子能量會增加。磁控濺射原理如圖1所示。電子運動方向靠磁場來改變,控制和延長電子的運動軌跡是磁控濺射的基本原理。磁控濺射不僅使電子的能量得到有效利用,而且使電子對工作氣體的電離率得到提高,從而提高正離子對靶材表面的轟擊效能。

圖1 磁控濺射原理

磁控濺射技術相比其它濺射技術,有著更高的濺射速率。一般射頻濺射和二級濺射的速率為25～260 nm/min,三級濺射的速率為60～500 nm/min,而磁控濺射的速率可以達到300～2 100 nm/min。

在磁控濺射技術發展的幾十年里,鍍膜保護產業已經廣泛應用磁控濺射技術。隨著產品的高標準化、高質量化,鍍膜技術的發展還可以得到提升。磁控濺射薄膜相比于其它薄膜有著更好的性能,因此,磁控濺射技術應用于在腐蝕性環境中工作的設備非常合理。

隨著磁控濺射技術的發展,追求高質量的產品和環境協調發展成為發展趨勢,磁控濺射鍍膜必是未來的大勢所趨。針對海上風力發電機線圈在極其惡劣的環境下工作的情景,使用磁控濺射鍍膜可以起到有效的保護作用。磁控濺射鍍膜相比其它鍍膜保護措施,不會帶來化學污染、重金屬污染和污水排放,可以為污染治理做出貢獻。與此同時,磁控濺射技術不會伴隨任何化學反應,相當于原子級別的物理氣相沉積,即使有20%左右的濺射金屬不能變為所需要的鍍層,也可以做到完全的原料回收?？梢?磁控濺射技術對各種類型表面的保護有積極作用,而且對國家未來的發展有積極的促進作用。

4 磁控濺射技術試驗

在磁控濺射技術中,鍍膜設備是決定鍍膜質量的最重要因素。磁控濺射鍍膜制備系統如圖2所示,線圈鍍膜如圖3所示。磁控濺射鍍膜制備系統主要由納米膜層控制系統、真空濺射室、真空清洗室、樣品安裝臺、冷卻系統、傳動裝置組成。磁控濺射鍍膜制備系統為雙室設計形式,為膜制作的抽真空過程節省了大量時間。為保持真空濺射室的氣氛清潔,輝光清洗與濺射鍍膜在兩個獨立的真空室中進行。磁控濺射鍍膜制備系統可以制備單層膜、雙層膜、多層膜,可以實現單靶工作和多靶共同工作。設置兩個氣體接口,實現反應濺射的功能,如濺射氧化物薄膜,同時可濺射金屬、化合物、復合物等多種薄膜。

圖2 磁控濺射鍍膜制備系統

圖3 線圈鍍膜

磁控濺射鍍膜制備系統的控制包括分子泵、機械泵、前級閥的開啟與關閉。另外,加工薄膜厚度、氣體流量、真空室和清洗室壓強、靶材電流和電壓都可以進行顯示。

根據在磁控濺射鍍膜過程中的數據記錄,對試驗數據進行分析?；訜釙r溫度與真空度變化關系曲線如圖4所示。隨著溫度的升高,真空度爆炸式增大,之后緩慢減小,在20～160 ℃之間趨于穩定,隨后又急劇減小。濺射速率與濺射氣壓的關系如圖5所示。隨著濺射氣壓的增大,濺射速率逐漸降低。濺射功率與濺射速率的關系如圖6所示。濺射功率與濺射速率成正比例關系,濺射功率越大,濺射速率越大。

圖4 基片加熱時溫度與真空度變化關系曲線

圖5 濺射氣壓與濺射速率關系

圖6 濺射功率與濺射速率關系

5 線圈絕緣技術

風力發電機的快速發展,使風力發電機的裝機容量不斷提高,發電效率也不斷提高,這對風力發電機的品質和性能提出了更高的要求。風力發電機線圈的絕緣性能是保證風力發電機穩定運行的關鍵,線圈的電氣耐受特性決定了風力發電機的運行可靠性和運行壽命。目前,我國對兆瓦級以上風力發電機的設計、研發、制造、運行關鍵技術并未完全掌握,大功率風力發電機應用時間不長,關鍵技術的積累經驗缺乏,對大功率風力發電機線圈的絕緣性、可靠性和運行壽命缺乏認識和基礎研究。所以,保證大功率風力發電機線圈的絕緣性能,達到長期的安全運行,是當前風力發電機設計、研發、運行中迫切需要解決的問題。由此,針對大功率風力發電機線圈絕緣問題進行系統研究與評估分析,對日后提高風力發電機的制造水平和運行可靠性都具有十分重要的意義。絕緣技術研究關鍵點主要有三方面。

第一,線圈絕緣性能指標。

目前國內外對風力發電機線圈的研究,并沒有大功率直驅風力發電機線圈絕緣性能的統一指標。為了保證機組穩定安全運行,根據JB/T 50133—1999《中型高壓電機少膠整浸線圈 產品質量分等》行業標準要求,制訂相關的風力發電機線圈絕緣性能技術指標已迫在眉睫。

第二,線圈絕緣性能試驗方法。目前,企業在風力發電機線圈生產完成之后,會對線圈進行一系列絕緣試驗,試驗項目包括絕緣電阻試驗、局部放電試驗、防暈試驗、工頻交流耐壓試驗、熱態介質損耗試驗、瞬時工頻擊穿試驗等。

第三,線圈匝之間的絕緣方法。線圈匝之間絕緣方法目前主要有下列幾種。

(1) 粉云母的應用。粉云母對絕緣性能的提高有著較大的作用,但其屬于熱固性材料,缺點是若線圈匝之間的絕緣損壞,則不能修復利用,或者說修復的難度極大。

(2) 線圈匝之間絕緣結構和工藝的優化。對線圈匝之間的絕緣性在結構和工藝上進行優化是必須的,結構的改進和工藝的優化可以有效提高絕緣性。對于海上大型風力發電機的線圈,采用每匝三合一帶加隔匝粉帶,在尺寸允許的范圍之內,還可以繼續再加。如在11 MW海上風力發電機上,可以用三層粉帶半迭包作匝間絕緣。

(3) 薄膜繞包線。采用聚酞亞胺薄膜繞包雙玻璃絲包線絕緣。

6 結束語

海洋中的嚴酷環境對大功率海上風力發電機線圈的侵蝕和破壞性極大,采用磁控濺射技術對線圈防腐蝕是有效的方法。磁控濺射技術是鍍膜技術的新興產業,不僅可以做到國家管理與環境保護相一致,而且能夠促進國家經濟和社會的發展。同時,線圈的絕緣性是線圈保護的重要環節,有效提高線圈的絕緣性,可以使風力發電機在惡劣環境中安全工作。