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环氧树脂在高压电机主绝缘中的应用
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本文简述了高压电机主绝缘发展历史、国内外慨况。主绝缘研究重点是粉云母带粘合树脂和浸渍树脂，而这二类树脂都是环氧树脂固化体系。本文还介绍了主绝缘材料组份及制造工艺。包括粘合树脂与恫油酸酐、桐马和硼胺固化剂制备方法。对各种主绝缘体系提出所存在问题及今后发展方向。
[关键词]环氧树脂电机定子绝缘云母带
一、前言
高压电机有发电机和电动机之分，从发展历史来看是随着发电容量增加发电机越造越大，对发电机技术要求也越来越高，大容量发电机的技术发展也带动了电动机技术发展。发电机产生虽有一百余年历史，但基本结构未显着变化，仅是冷却和绝缘技术进行改进，由此可知绝缘在电机中的重要性。电机的寿命主要也取决于绝缘的寿命，因此把绝缘称作电机的心脏。在电机中有许多种绝缘材料，重要的是大型高压电机定子绕组导体的对地绝缘，又称主绝缘。主绝缘在电机绝缘系统中起着决定性作用。国内外有关科技人员一直在竞相研制或改进新的主绝缘材料，以提高主绝缘性能，使电机具有更大市场竞争力。比如德国西门子公司，1957年引进美国西屋公司VPI技术，于六十年代初建立起自已的Micalastic绝缘。七十年代作了改进，名称仍为Micalastic，属于笫二代绝缘系统。1987年又作了进一步改进，属第三代Micalastic绝缘。至今世界各大电机公司仍在不断改进各自的绝缘系统，因此主绝缘被认为是可持续发展的课题。而主绝缘材料中改进的主要内容和重点却正是环氧树脂固化体系。
二、国内外主绝缘才既况
1、国外主绝缘材料演变早在1910年瑞士哈佛莱公司首先采用虫胶粘合白云母片贴制成云母箔，卷包在线圈上，加热、加压制造出高压定子线圈主绝缘。1919年美国通用电气公司用沥青代替虫胶粘贴片云母制成云母带，然后包绕在线圈上实现了连续绝缘，在绝缘处理上采用真空干燥、真空浸沥青步骤，排除了绝缘内部空隙，减少了放电破坏，使绝缘质量有较大提高。三十至五十年代各国就采用沥青真空浸渍。五十年代初美国西屋公司用不饱和聚酯树脂作浸渍树脂，用聚苯乙烯作片云母粘台剂，研制出Thermalastic热弹性绝缘。以后美国通用电气公司用改性环氧树脂粘结粉云母片混合带子用于汽轮发电机，该液压绝缘称Micapal。六十年代瑞士BBC研制出Micadur绝缘、法国Alsthom公司为lsotenex绝缘、英国EEC为Novobond多胶绝缘、曰立公司为Hipact环氧绝缘、三菱电机公司为Dialastic绝缘、富士电机公司称F树脂等。上述各公司的绝缘全部使用环氧树脂，包括西屋公司七十年代也改用了环氧树脂。
2、国内主绝缘材料概况我国于1962年开始研制大电机主绝缘，首先就确立以多胶模压工艺为基础，用酸性聚酯做双酚A环氧固化剂的粘合剂。以后结合我国实际需求研制出桐油酸酐(TOA)为双酚A环氧固化剂的多胶绝缘粘合剂，1965年在哈尔滨电机厂应用成功，1966年开始在上海电机厂的定子线棒主绝缘中进行应用工作。七十年代初，TOA环氧粉云母绝缘已在全国全面替代沥青片云母绝缘。
我国在七十年代和八十年代一直紧跟世界主绝缘材料发展的步伐。由于TOA环氧的热态机械强度与国外主绝缘材料相比还有一定差距，因此开展大量试验。较有成效的技术路线有：硼胺环氧体系、金属羧酸盐环氧、钛环氧TOA、间苯二酚甲醛缩合物环氧、双马桐油酸酐环氧等。通过各项技术测试和评定，较为成功的是桐油酸酐与双马加成物作双酚A环氧多胶粉云母带模压主绝缘。
七十年代初我国开始对真空压力浸渍(VPI)工艺进行探索，鉴于当时实际情况，虽购进了进口VPI设备.但缺乏浸渍树脂和少胶粉云母带，因而寻找出一条较切合实际的所谓“多胶”VPI绝缘工艺过渡路线，该“多胶”按IEC标准考核的称谓，而在实际生产中则称“中胶”带。它使用环氧硼胺作粉云母带粘合剂，用环氧硼胺和稀释剂作浸渍树脂。该种体系既有多胶模压的优点，又有少胶VPI工艺的优点。1978年首先在上海电机厂批量用于生产。但这种过渡性路线的绝缘质量与国际水平相比仍有一定差距。八十年代初各电机厂分别引进了西屋、BBC和西门子绝缘技术，使用的全是少胶VPI绝缘工艺，因此重又掀起少胶VPI的研究热潮。
三、主绝缘制造工艺分类及材料组份
1、主绝缘制造工艺分类
尽管国内外大电机厂都有各自的绝缘结构，但从工艺上可分成二大类：少胶VPI和多胶模(液)压绝缘。少胶VPI又分真空浸渍线捧法，即单根线棒浸渍成型和真空浸渍绕组法，即整个绕组浸渍简称整浸，前者用于大型发电机的定子线捧，而后者用于高压电动机。ABB公司用外压装铁芯，对三十万发电机也用整浸工艺。
多胶模(液)压型绝缘是以环氧玻璃粉云母带包绕线捧后，然后模压固化，它是单只进行的。
2、主绝缘材料组成
不论主绝缘由何种工艺制造而成，终绝缘产品由三部份组成.即粉云母、玻璃布和环氧树脂。
(1)粉云母云母属硅酸盐类化合物，作为主绝缘材料主要使用白云母，因为它具有
很高的电绝缘性和较低的介质损耗正切以及抗电弧、耐电晕等性能，又具有耐高温、耐腐蚀等优良性能。片云母在自然界量很少，故利用碎云母制成粉云母纸，它是电机承受高电压的基本材料。
(2)玻璃布玻璃布在粉云母带中起补强作用，它既具有适当拉伸强度，还具有与粘合剂良好的粘结性。国内玻璃布因织布工艺需要添加2～3%石蜡浸润剂，影响了玻璃布的粘结性，故而在制粉云母带前必须对玻璃布进行脱蜡处理。为了确保主绝缘优良性能必须使用电工用无碱玻璃布。
(3)粘合树脂和浸渍树脂
粘合树脂是少胶粉云母带或多胶粉云母带中把粉云母纸粘贴在补强材料成为可使用的带材。浸渍树脂是供VPI工艺浸渍用。电机主绝缘对此二种树脂要求是电性能优良，主要指tanδ和△tanδ要小;机械强度高，导热性优良，能耐电、热老化;工艺性好和尽量少受环境影响。
在主绝缘三种材料中，云母和玻璃布是无机材料，具有很好的耐热性和电气性能，因此剩下的树脂性能对绝缘起着举足轻重的作用。国内外大公司绝缘系统的变化主要指的也是粘合树脂和浸渍树脂，因此主绝缘的改进也就是树脂性能的提高。而研究内容都离不开环氧树脂。
四，主绝缘及材料的制造
1、多胶模压主绝缘
(1)粉云母带粘合树脂制备
a.环氧桐油酸酐粘合树脂制备
首先制备桐油酸酐(TOA)，桐油主要成份是甘油三桐油酸酯。桐油酯学名为：十八碳三烯酸(9.11.13)。它的共轭双键很容易与顺丁烯二酸酐的双键起加成反应，因此它们的克分子比应为1：3，桐油中桐油酸仅含80%多一些，因此顺酐量还要少一些，实际生产中桐油与顺酐的重量比为3：(1～0.75)。制备工艺是将桐油升温至85℃左右，加入顺酐，自动放热升温至160℃左右，保持0.5～1小时，稍冷出料，产品为黄棕包透明粘稠液体。
考虑到主绝缘是玻璃布和粉云母纸和环氧树脂的复合层压制品，要经过加热加压固化的工艺。因此在粘合树脂配方设计时，在低分予环氧树脂中要加入些较高分子量的环氧树脂，通常加入1/3～1/2重量的E-20或E-12环氧树脂，否则在绝缘热压成型时树脂会大量流失而使绝缘发空。
b.环氧桐马酸酐粘合树脂制备
该树脂粘合剂是在环氧桐油酸酐的技术路线上发展起来的，由于加入双马来酰亚胺而提高了耐热性。双马来酰亚胺是俗称.学名是NN’二苯甲烷双马来酰亚胺，由44’二胺基二苯甲烷与顺丁烯二酸酐在二甲苯回流脱水下制备而成，它是聚酰亚胺树脂制备过程中的中问体。桐马树脂制备方法如下：先把桐油与顺酐按1：2～2.5克分子比进行加成反应，然后再加入0.5～1.0克分子的双马来酰亚胺继续反应。这二个反应都是加成放热反应，要严格控制其反应温度。反应产物即为桐马树脂，它既具有酸酐基团，又有酰亚胺基团可继续进行反应。在实际生产中桐马树脂可直接配成溶液，以后再与环氧混合后即成粘合树脂液。
c.环氧硼胺粘合树脂制备
上述两种粘合树脂的热态机械强度都不太高，在80～100℃时，机械强度下降都超过室温时的50%。而环氧硼胺树脂的马丁耐热较高，使主绝缘的热态机械性能大大提高。硼胺固化剂是由一缩乙二醇、硼酸和二甲氨基乙醇克分子比1：0.8：0.4缩合面成。硼胺固化剂在E-44环氧树脂中用量为5～10phr。
国内通常在宽1米长15米的云母带床上进行，把0.025～O.030mm玻璃布通过环氧粘合树脂漆槽浸渍后，把O.05mm粉云母纸覆在上面，再把浸过漆的玻璃布复合在上面。经过6～10米长，温度为60～120℃的烘房驱除溶剂，然后收卷，切割成25mm宽带子即成产品。多胶带中树脂含量约为38%，玻璃布约20%，粉云母约为42%。
(2)主绝缘制造工艺
将上述多胶粉云母带包绕在电机定子绕组线捧上，达到规定尺寸放入模子内，加热升温至170℃左右，加压保持2～6小时从模内取出即为绝缘线棒。
2、VPI主绝缘
(1)少胶粉云母带它是目前国内推进VPI工艺的关键材料，它要满足三方面的要求：其一是满足IEC371-3-5(1992)具体技术指标上要求。如：树脂含量为8&pmn;3%，抗张强度大于60N/10mm宽等。其二是满足车间生产绕包工艺上要求，如柔软好包，不落粉等要求。其三是经VPl浸渍树脂处理后主绝缘性能上要求，如155℃tanδ值要小于0.1和△tanδ要小于0.0025等。国外少胶带主要有Isola、Cogebi、Isovoita和Micafit四家公司产品.其中Isola公司产品较好。国内有桂林电科所，上海云母厂、嘉兴绝缘材料厂和东方绝缘材料厂等产品。少胶粉云母带研制在国内已开展了近二十年历史，但至今仍没能得到较满意的产品。这有材料上问题同时也有工艺制备上问题。从材料上看，国内尚无0.04mm无碱无捻网格玻璃布生产，粉云母纸的质量也欠佳，但主要还是未能研制出较为满意的环氧粘结树脂。用环氧树脂考虑到与VPl浸渍树脂有很好的相容性.通常也不含固化剂式促进剂，这样使少胶粉带具有较长贮存朔。那么选用什幺样环氧树脂较合适呢?如选用E-51或E-44环氧树脂，做出带予很柔软，但会发生反粘。如选用E-20或E-12环氧树脂制出带子太硬脆，不能包绕线圈，那只能选用高低分子混合环氧树脂，但这样制得少胶带仍有问题，即包绕环境温度的影响。如果在30℃房间柔软较合适的少胶带而在15℃该少胶带就很硬了。如在15℃房间柔较合适的少胶带而在30℃时一定会发生反粘。介决的办法是加入一定量的聚酯树脂，因为聚酯树脂的粘度对温度的敏感性要小碍多。但聚酯的加入将影响终主绝缘的tanδ数值，这就不能加得太多。
(2)VPI浸渍树脂
它是决定主绝缘性能的组份。国内外通常都采用二类技术路线，一种是纯环氧树脂路线，主要组份是高纯虔低分子量双酚A环氧树脂和酸酐体系，如果存在室温浸渍的话还要加入环氧稀释刺，如丁基环氧醚或新戊二醇缩水甘油醚。另一种是聚酯改性环氧树脂体系，如环氧酸酐聚酯苯乙烯树脂或环氧有机金属盐苯乙烯树脂。本文作者曾在“第四次全国环氧应用技术学术交流会”和第二次技术论文交流会上宣读过“少胶VPI绝缘用F级浸渍树脂SDll48研制”和“VPI浸渍树脂研制与实践”二篇论文。因此本文不再赘述。
(3)主绝缘制造
用包带机把少胶粉云母带绕包在线圈上，绝缘厚度视电机电压等级品定，如1OKV线圈约为2.6mm，包好云母带线圈去VPl处理。处理工艺如下：先把线圈在130℃预热六小时，然后抽真空达133Pa(1乇)时，保持二小时，输入浸渍树脂后加压至5×1O5(5大气压)保持三小时，放空后在130℃固化五小时，150℃后固化十四小时。
3、多胶VPl主绝缘
国际上在七十年代初各大电机制造公司对大中型电动机都采用了少胶VPI整浸工艺来制备主绝缘。国内也立即开始攻关，鉴于当时国内条件都认识到要研制仿国产的少胶粉云母带和浸渍树脂并非易事，因此利用当时的多胶粉云母带和多胶粘合剂技术开展实验室工作。经科研人员努力在上海电机厂车间进行试生产，得到主绝缘各项指标性能都还不错，这样就大批量投入生产应用，至今二十多年已整浸了上万台电机定子线圈，以后国内大厂也部采用了这过渡技术路线——多胶VPI主绝缘。
多胶VPI主绝缘采用的粉云母带是环氧硼胺树脂体系，树脂含量比多胶模压用粉云母带要少一些，为32～38%，浸渍树脂也是环氧硼胺固化剂加环氧稀释剂而成。
五、结束语
1、高压电机主绝缘材料重点研究对象是粘合树脂和浸渍树脂，即环氧树脂固化体系。对主绝缘不断研究及改进促进了环氧树脂应用技术的进步。如八十年代出现的IO树脂，耐热性达H级，它是异氰酸酯和环氧树脂的产物。又如九十年代出现的C级无溶剂树脂，它是三官能团环氧和甲基纳狄克酸酐的混合物。
2、国内模压多胶主绝缘具中国特色，它的粘合树脂环氧TOA(桐马)国外是没有的。与国外同类产品相比并不逊色，热态机械性能虽稍差些，但电性能却相当优良，关于这一点外国专家也不得不表示钦佩。
3、国内多胶VPI主绝缘也具有中国特色，目前国内我们大批使用的整浸电机用户反应良好，返修率下降。多胶VPI绝缘使定子整体性和耐潮性显着改善，但与国外少胶VPI绝缘相比，还有一段差距，因此我们正在加紧努力。
4、我国少胶VPl研制已有十余年历史，对关键少胶粉云母带问题，首先使用lsola公司少胶带，同时对国内现有少胶带开展应用，并自已研制少胶带同时并进方案，目前进展顺利。
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