王 健, 于英雙

(1. 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411101；2. 湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101)

0 引 言

絕大多數(shù)高壓電機制造廠家，電機絕緣浸漬處理均采用最先進的真空壓力浸漬(Vacuum Pressure Impregnating,VPI)工藝，采用VPI工藝制備的線圈緊密無氣隙，連續(xù)性整體性好，電氣及機械性能優(yōu)異[1]。要達到優(yōu)異的電氣機械性能，離不開構(gòu)成主絕緣的浸漬樹脂及少膠云母帶等關(guān)鍵材料。

隨著電機向高電壓等級、大容量、高性能等發(fā)展，以及環(huán)保等要求，對VPI樹脂提出了如下技術(shù)要求：(1) 高耐熱等級：電機工作的電壓等級提高、容量增大，使得電機在工作時放出的熱量大幅度增加，因此必須提高絕緣材料的耐熱等級才能保證電機的正常使用；(2) 高性能：包括電氣性能、機械性能、耐化學(xué)性、耐環(huán)境性等；(3) 減薄絕緣厚度：由于電機放熱的增加，為保證電機的使用要求，必須要降低電機溫升，因此需要降低絕緣厚度；(4) 環(huán)保：符合環(huán)保要求，低毒或無毒，揮發(fā)損失?。?5) 低成本：包括使用低成本的原材料，以及低成本的工藝技術(shù)和質(zhì)量控制等方面[2]。

目前國內(nèi)高壓及風(fēng)電電機制造中，VPI樹脂主要有：環(huán)氧酯體系、環(huán)氧改性聚酯/聚酯亞胺體系、聚酯改性環(huán)氧酸酐體系、環(huán)氧酸酐及單純環(huán)氧體系[3]。在幾大類樹脂體系中，活性稀釋劑有苯乙烯、乙烯基甲苯、丙烯酸酯及小分子環(huán)氧，其中丙烯酸酯及小分子環(huán)氧是為了符合環(huán)保而代替苯乙烯的。單從電氣性能和機械性能上來說，公認以環(huán)氧酸酐樹脂為最優(yōu)，國內(nèi)外很多電機廠家都采用環(huán)氧酸酐的絕緣系統(tǒng)[4]。只是在長期的使用中發(fā)現(xiàn)，在烘焙中，酸酐雖然沸點高但是極易汽化，容易進入烘箱保溫層聚集，也很容易冷凝聚集到地面、煙囪及回收塔，揮發(fā)損失很嚴重；且對工人操作和設(shè)備的要求極高，因為酸酐容易吸潮，若是操作不當或設(shè)備氣密性及使用環(huán)境的溫濕度不達標，極易使得酸酐吸潮從而樹脂黏度飛速增長[5]，最終報廢，增加電機廠的使用及維護成本。

為規(guī)避環(huán)氧酸酐使用中的問題，本文尋找一種性能與環(huán)氧酸酐相差不大，但是對使用及維護要求不高的VPI樹脂。以環(huán)氧酸酐為標桿，選取國內(nèi)較為常用的兩種樹脂，與環(huán)氧酸酐做同比試驗，分別從樹脂性能、穩(wěn)定性、干燥性及浸漬線圈(棒)后的性能同比，希望能找到較為優(yōu)異的樹脂，代替環(huán)氧酸酐浸漬樹脂。

1 試驗材料及方法

1. 1 原材料

環(huán)氧酸酐：工業(yè)品；1號樹脂：工業(yè)品；2號樹脂：工業(yè)品；云母帶：工業(yè)品；電磁線：工業(yè)品。

1. 2 試驗方法

按GB/T 15022.2——2007《電氣絕緣無溶劑可聚合樹脂復(fù)合物試驗方法》檢測性能。按JB/T 50133——1999《中大型高壓電機整浸線圈質(zhì)量分等》標準評判線圈質(zhì)量等級。

1. 3 試驗儀器及設(shè)備

旋轉(zhuǎn)黏度：Brookfiled CAP 2000+；介質(zhì)損耗因數(shù)：上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)QS37型介質(zhì)損耗測試儀；擊穿電壓：HT-50C型擊穿電壓測試儀；溫度指數(shù)：耐馳TG209F3、玻璃化溫度：耐馳DSC209F3。

1. 4 制備試驗線圈材料及規(guī)格

電磁線：SBEMB-40/155自粘性雙玻璃絲包薄膜繞包銅扁線；SBEFB-70/155-2N自粘性雙玻璃絲包云母帶繞包銅扁線；云母帶：5446-1D(0.14×25)薄膜補強云母帶，5442-1(0.15×25)玻璃布補強云母帶；低阻帶(0.08×25)。

1. 5 試驗線圈的絕緣結(jié)構(gòu)

風(fēng)電電機及6 kV高壓電機的絕緣結(jié)構(gòu)：SBEMB-40/155；對地絕緣采用5446-1D薄膜補強云母帶半疊包；低阻帶平包。

10 kV高壓電機絕緣結(jié)構(gòu)：SBEFB-70/155-2N；對地絕緣采用5446-1D(0.14×25)薄膜補強云母帶及5442-1(0.15×25)玻璃布補強云母帶按1…1混包，低阻帶半疊包。

1. 6 試驗線圈浸漬工藝

浸漬均采用相同的10 kV電機浸漬工藝，只是保證在浸漬時樹脂的黏度在100 MPa·s左右，所以黏度高的樹脂需要加熱浸漆。

預(yù)烘：線圈預(yù)烘100 ℃/2 h；

真空：抽真空至100 Pa以下計時，保真空1 h；

輸漆：將樹脂預(yù)烘在達到黏度為100 MPa·s時的溫度后，在負壓狀態(tài)下開始輸漆，漆液面高于工件最高點100 mm；

浙江省金華市相繼出臺了《金華市區(qū)傳統(tǒng)村落保護專項資金管理辦法》《金華市傳統(tǒng)村落名錄申報認定辦法》《金華歷史文化名城保護規(guī)劃》《金華市歷史文化街區(qū)管理辦法》等政策。由此可見，金華市政府與社會各界在保護傳統(tǒng)村落方面投入了大量的人力、物力。

加壓：干燥壓縮空氣 0.6 MPa/5 h；

卸壓回漆，出罐滴漆，

烘焙工藝： 130 ℃/2 h，170 ℃/8 h

烘焙結(jié)束后，冷卻至室溫后拆去模具及聚四氟乙烯薄膜，進行清理后測試。

1. 7 線圈電老化試驗

對線圈施加2倍額定電壓的高壓電，記錄線圈因電因子而引起的主絕緣性能不可逆變化而導(dǎo)致絕緣失效的時間。

2 結(jié)果與討論

2. 1 常規(guī)性能測試

3種樹脂常規(guī)性能測試數(shù)據(jù)如表1所示。測試標準參照GB/T 15022.2——2007，樹脂固化條件按廠家提供。從測試的數(shù)據(jù)上看，環(huán)氧酸酐樹脂黏度相對高，而固化揮發(fā)份也相對偏高，2號樹脂的揮發(fā)份最好；介質(zhì)損耗因數(shù)的數(shù)據(jù)是2號樹脂最優(yōu)，尤其在熱態(tài)條件下。

2. 2 樹脂穩(wěn)定性測試對比

表1 3種樹脂的常規(guī)性能測試數(shù)據(jù)

表2 樹脂穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

從表2中數(shù)據(jù)可看出，相對來說，1號樹脂穩(wěn)定性最為優(yōu)異,2號樹脂次之。

2. 3 樹脂耐熱性測試對比

熱失重曲線作為評價耐熱性的標準有局限性，已經(jīng)被材料常規(guī)老化試驗所取代，但在相同的條件下其能快速地比較材料的耐熱性，在樹脂篩選上具有快速、方便等優(yōu)點，常常被采用。將樹脂固化后的漆片在TG 209F3儀器上測試，氮氣氣氛，升溫速率為5 K/min，溫度范圍從室溫到700 ℃，結(jié)果如圖1所示。可看出，1號樹脂在失重5%及殘?zhí)悸史矫婢鶅?yōu)于2號及環(huán)氧酸酐樹脂，說明1號樹脂相對耐熱指數(shù)高一些。

圖1 3種樹脂的耐熱曲線圖

2. 4 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

圖2 3種樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度曲線

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是表征高聚物性能的重要參數(shù)之一。浸漬樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度太高，表明其樹脂太硬，剛性太大，柔韌性差，電機在制造和長期運行過程中容易產(chǎn)生微小裂紋；而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度太低，樹脂柔韌性好，但剛性差，其熱態(tài)機械性能和電氣性能不好。有文獻[4-5]明確指出：“如果浸漬樹脂玻璃轉(zhuǎn)變溫度較高，則主絕緣破裂的危險性較大”?！按笮碗姍C所用的樹脂的玻璃轉(zhuǎn)變溫度范圍在95～120 ℃?！眻D2為3種樹脂采用差示掃描量熱儀測試的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，對比可看出，2號樹脂及環(huán)氧酸酐樹脂的玻璃化溫度偏高。

2. 5 線圈常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)測試對比

3種樹脂浸漬的風(fēng)電結(jié)構(gòu)的線圈，其常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)及增量的測試數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表4所示為10 kV絕緣結(jié)構(gòu)線圈的常態(tài)介損及增量測試數(shù)據(jù)對比。

表3 風(fēng)電結(jié)構(gòu)線圈常態(tài)介損及增量

表4 10 kV結(jié)構(gòu)線圈常態(tài)介損及增量

從上述對比數(shù)據(jù)可看出，依據(jù)JB/T 50133——1999《中大型高壓電機整浸線圈質(zhì)量分等》，環(huán)氧酸酐及1號樹脂浸漬的線圈，全部指標均能夠達到優(yōu)等品標準，而2號樹脂浸漬的風(fēng)電線圈有部分指標只能達到一等品標準。

2. 6 線圈熱態(tài)介損及擊穿強度測試對比

風(fēng)電結(jié)構(gòu)的熱態(tài)介損、擊穿強度及評判如表5所示。

表6所示為10 kV絕緣結(jié)構(gòu)線圈的熱態(tài)介損、擊穿強度及評判測試數(shù)據(jù)對比。

表5 風(fēng)電結(jié)構(gòu)熱態(tài)介損、電氣強度及評判

表6 10 kV絕緣結(jié)構(gòu)熱態(tài)介損、電氣強度及評判

續(xù)表6

從表5、表6中數(shù)據(jù)可看出，在所測試的項目中，環(huán)氧酸酐及1號樹脂浸漬的線圈電氣性能相當，所有指標均能達到行業(yè)優(yōu)等品標準，而2號樹脂浸漬的線圈，某幾項要稍差一些，只能達到一等品標準。

2. 7 線圈電老化測試數(shù)據(jù)對比

所有線圈在施加2倍額定電壓的高壓電下，均超過1 200 h未引起線圈絕緣失效，說明3種樹脂所浸漬的線圈均能滿足風(fēng)電電機及高壓電機的絕緣要求。

3 結(jié) 語

通過對3種樹脂的性能測試對比，可得出如下結(jié)論：(1) 常規(guī)性能中，1號樹脂相對揮發(fā)份較低，熱態(tài)下的介質(zhì)損耗因數(shù)也較優(yōu)，樹脂儲存穩(wěn)定性較好，優(yōu)于環(huán)氧酸酐樹脂及2號樹脂；(2) 耐熱性上，3種樹脂相差不大，不過1號樹脂的玻璃化溫度較為適中；(3) 在線圈的測試中，環(huán)氧酸酐及1號樹脂電性能相當，個別數(shù)據(jù)二者稍有差距，而2號樹脂浸漬的線圈電性能普遍次于環(huán)氧酸酐及1號樹脂。從綜合使用工藝來看,1號樹脂最適于風(fēng)電電機及高壓電機的絕緣處理，可替代環(huán)氧酸酐浸漬樹脂。

【參 考 文 獻】

[1] 夏宇,王文,陶純初,等.JF-9955環(huán)氧酸酐常溫浸漬VPI樹脂及其在風(fēng)力發(fā)電機上的應(yīng)用[C]∥全國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第五屆年會論文集,成都,2011: 257-267.

[2] 夏宇,毛繼業(yè),陶純初,等.JF-9955環(huán)保型環(huán)氧酸酐VPI樹脂的性能與應(yīng)用研究[C]∥全國絕緣材料與絕緣技術(shù)專題研討會,2010: 34-40.

[3] ZEN C P,XIA Y.Epoxy-anhydride VPI resin with low viscosity and application in 5 MW permanent magnet synchronous wind-driven generators[C]∥Electrical Insulation Conference, Annapolis,Maryland,5 to 8 June,2011:141-145.

[4] 張光蓉.大型高壓電動機和發(fā)動機絕緣系統(tǒng)的進展[J].東方電機,2001(1): 125-128.

[5] 漆臨生,梁智明,何海洋,等.國產(chǎn)環(huán)氧酸酐無溶劑浸漬樹脂應(yīng)用研究[C]∥中國電工技術(shù)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集,2011: 327-336.