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环氧树脂在高压电机主绝缘中的应用
作者:山东西子电机 发布日期:2019-08-06 09:03

  

  
  
  
  
  
  
  

[摘要]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(hardener)制备方法。最后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。高压电动机梭型线圈绕制后,用收缩带,黄蜡绸带等绝缘材料包扎,目的是:保护线圈外绝缘、层间绝缘、匝间绝缘不至于损坏。在拉型机时免受模具夹具、鼻端销钉等摩擦,防止松动变形。发电机产生虽有一百余年历史,但基本结构未显著变化,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(lifetime)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,最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(组成:定子铁芯、定子绕组和机座)线圈主绝缘。1919年美国通用电气公司用沥青(成分:沥青质和树脂)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(procedure),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年开始研制大马达主绝缘,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(合成树脂)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TO
  A、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(insulated)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(research)热潮。

  三、主绝缘(insulated)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(组成:定子铁芯、定子绕组和机座)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(Muscovite)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(合成树脂)组成
不论主绝缘由何种工艺制造而成,最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(Muscovite)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(insulated)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。高压电动机差动保护装置发电机两端流过方向相同、大小相等的电流称为穿越性电流,而方向相反的电流称为非穿越性电流。作为主保护,发电机比率制动差动保护是以非穿越性电流作为动作量、以穿越性电流作为制动量,来区分被保护元件的正常状态,故障状态和非正常运行状态的。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(insulated)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-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-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(experiment)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(组成:定子铁芯、定子绕组和机座)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(Oxygen)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(insulated)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著改善,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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