主绝缘中可挥发物对多胶模压线棒耐热性的影响

2012-01-22付新星饶保林韦衍乐曾栢顺

大电机技术 2012年3期

付新星，饶保林，韦衍乐，曾栢顺

（桂林理工大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室，广西桂林 541004）

前言

多胶模压绝缘是我国大型高压电机定子线圈主绝缘的传统绝缘体系，但由于近十余年来随着VPI技术的引进和发展，我国VPI技术取得了长足的进步，不少电机厂纷纷投入资金进行技术改造，放弃传统的多胶模压工艺转而采用少胶VPI工艺，多胶模压绝缘体系的传统主导地位开始受到动摇。不少人认为，少胶VPI绝缘体系比多胶热压绝缘体系先进，多胶热压绝缘体系将会逐步被淘汰，故近期关于多胶热压绝缘体系的研究已经越来越少了。

客观地说，少胶VPI和多胶热压两种绝缘体系各有优缺点[1-2]，不应简单地说哪种技术更先进。能不能制造出性能优良的主绝缘，关键还在于原材料的质量水平、生产设备的先进程度、生产管理水平和对该技术的掌握程度。我国从上世纪六十年代开始制造大型高压发电机以来，线圈主绝缘一直采用多胶模压绝缘体系，对该项技术已经非常熟悉，作者认为应该继续研究和完善，以求得进一步发展是有必要的。

实际上，目前国外一些著名的公司，例如 GE公司的Micapal绝缘体系、Alston公司的Isotenax绝缘体系、GEC公司的 Micamal绝缘体系和东芝公司的Tisrich绝缘体系，采用的都是多胶热压工艺，只不过这些公司大都采用液压成型，我国则以模压成型为主。

作者认为，液压线棒和模压线棒在成型工艺控制方面还是有一定差别的，其差别主要在于云母带挥发分的脱除方面。液压线棒在加压固化前，经历了真空脱除气隙和挥发分的工艺过程，理论上可以象VPI线棒那样做到无气隙。模压线棒由于成型过程中不能抽真空，只能在加压前通过缓慢升温，尽可能脱除挥发分，并在适当的时机加压，才能保证线棒的整体性和主绝缘的性能，故线棒主绝缘中或多或少会残留一些可挥发物。这些残留的可挥发物对主绝缘的性能无疑是有害的，但到底有多大影响，尚未见报道。

本文为探讨主绝缘中的可挥发物对多胶模压线棒性能的影响，制备了模拟线棒，对模压前经真空脱除挥发分和没有专门脱除挥发分的两种线棒进行了冷热循环对比试验。

1 试验

1.1 原材料

云母带：5440-1G高强度环氧玻璃粉云母带，苏州巨峰绝缘系统股份有限公司生产，厚度0.14mm，挥发分 1.1%，胶含量 34～39%；铝排：横截面尺寸15mm×45mm，圆角1mm。

1.2 线棒包扎工艺

按25～33%的压缩量预计，手工半叠包19层，成型后线棒的单边绝缘厚度为3.5mm。

1.3 线棒压制工艺

预先不脱挥发分的线棒：室温送入压机，给接触压力后升温，以 0.8～1.0℃/min升温速度，先升至130～140℃保温 60min，期间放气2～3次，给半压后继续升温，再升至150-155℃保持至流胶快要胶化时给全压（5MPa），树脂凝胶后升至170±3℃保温保压5h，冷却至50℃以下卸模。

预先真空脱挥发分的线棒：不带模具放入预热在120℃的真空箱，120～125℃0.3kPa保持 90min，期间解除真空 2次。脱完挥发分后立即转移到预热在125～130℃的模具中，送入压机并给半压后以0.8～1.0℃/min升温速度升温，升至150-155℃保持至流胶快要胶化时给全压（5MPa），树脂凝胶后升至170±3℃，保温保压5h，冷却至50℃以下卸模。

1.4 性能测试

线棒主绝缘工频介电损耗：直接用模拟线棒测试，采用三电极系统，电极长度 250mm，保护电极间隙2mm，其余按JB/T 7608-1994高压交流电机线圈介质损耗角正切试验方法及限值。主绝缘的机械性能、导热系数、密度等性能则先用机加工方法从线棒上剥下主绝缘，然后按相应的国家标准要求加工试样、检测其性能。其中，主绝缘的弯曲性能：试验方向沿线棒纵向，试样跨距 64mm，试验速度 2mm/min，其余按GB/T 9341-2000塑料弯曲性能试验方法；主绝缘的冲击强度：简支梁法无缺口试样，支点跨距70mm ，其余按GB/T 1043.1-2008塑料简支梁冲击性能；主绝缘的导热系数：试样尺寸 25.4mm×25.4mm×4.0mm，热流方向垂直于线棒纵向，取2个试样的平均值作为试验结果，其余按 ASTM E 1530-2006 Standard Test Method for Evaluating the Resistance to Thermal Transmission of Materials by the Guarded Heat Flow Meter Technique；主绝缘的密度：试样尺寸与导热系数试样相同，其余按GB/T 1033.1-2008塑料非泡沫塑料密度的测定第 1部分浸渍法、液体比重瓶法和滴定法中的方法A(浸渍法)；主绝缘的热失重：称量主绝缘冷热循环前后质量的变化，精确至 0.001g，试样原始质量 150～200g。

1.5 冷热循环试验程序

室温→直接放入恒定在 180℃的老化烘箱内保持21h→从烘箱取出放入25℃环境中保持3h，每24h一个试验周期。

2 结果与讨论

2.1 真空条件下脱除的挥发分

对于真空脱除挥发分的线棒，事先称量好铝排的质量，并称量包扎云母带后真空处理前和真空处理后线棒的质量，进而得到真空处理后云母带的失重即脱除的挥发分。进行真空处理后，云母带脱除的挥发分为1.0～1.2%（见表1），与云母带中原有的挥发分基本相符，说明在此条件下云母带中的挥发分已基本全部脱除，线棒主绝缘中已没有可挥发物，称这种线棒为主绝缘中无挥发物的线棒。

表1 真空条件下脱除的挥发分

2.2 主绝缘中的可挥发物对线棒介电性能的影响

对于模压前未经真空处理的线棒，尽管采用了缓慢升温的压制工艺，比较有利于脱除挥发分，但理论上讲也不可能完全脱尽挥发分，我们假设这种线棒主绝缘中或多或少存在一些可挥发物，为方便起见，本文称这种线棒为“主绝缘中有挥发物的线棒”。这两种线棒在进行冷热循环处理之前，常态介电损耗、高温介电损耗和损耗增量都很小（见表2、表3），看不出明显差别。但按1.5的试验程序对这两种类型的线棒进行180→25℃冷热循环处理后，损耗增量的差别就大了（见图1）。

图1

主绝缘中有挥发物的线棒，冷热循环 6个周期后（180℃累计历时 21×6=126h），损耗增量就开始急剧增大，线棒敲击声听起来已经开始发空。

主绝缘中无挥发物的线棒，损耗增量仅在冷热循环前 2个周期稍有增大，14个周期后（180℃累计历时21×14≈300h）损耗增量仍基本保持不变，甚至略有下降，线棒敲击声听起来仍非常清脆。

表2 主绝缘中的挥发物对冷热循环后线棒室温介电损耗及损耗增量的影响（%）

表3 主绝缘中的挥发物对冷热循环后线棒155℃介电损耗的影响（试验电压3kV）（%）

2.3 主绝缘中的挥发物对线棒主绝缘力学性能的影响

主绝缘中的挥发物对线棒主绝缘力学性能的影响也非常严重（见表4）。线棒经过14个周期的冷热循环后，有挥发物的线棒主绝缘的层间粘接力已经很小，用机加工方法从线棒上剥下主绝缘时和加工试样时，主绝缘分层很严重，已经没有多少机械强度。而无可挥发物的线棒主绝缘在经历14个周期的冷热循环后，机械强度仍几乎保持不变，线棒敲击声仍然非常清脆，表明主绝缘的整体性仍然很好。

2.4 主绝缘中的挥发物引起线棒主绝缘耐热性下降机理的讨论

参见表5和表6，主绝缘中存在挥发物时，经冷热循环14个周期后，主绝缘的导热系数由0.30下降至0.21 W/(m·K)，密度由1.94下降至1.79g/cm3，线棒厚度增大了1.25～1.70mm，线棒宽度增大了0.24～0.44mm。主绝缘无挥发物时，主绝缘的导热系数、密度仅略有下降而已，线棒尺寸变化也很小。主绝缘中存在挥发物时，主绝缘的热失重也比无挥发物的主绝缘大得多（见图2）。

主绝缘中有、无挥发物两种情况下，主绝缘的耐热性或耐冷热循环能力为什么会产生如此大的差异？作者认为，多胶模压线棒主绝缘的挥发物主要来自云母带中残留的丙酮、甲苯等挥发性溶剂，这些溶剂沸点低、蒸气压大，高温下将产生很大蒸气压。例如丙酮在150℃下的蒸气压为1.17MPa，相当于大气压的11.5倍；甲苯在136℃下的蒸气压为0.2MPa，相当于大气压的2倍[3]。尽管在主绝缘中只是残留微量甚至是迹量的溶剂，但由于溶剂蒸气受到主绝缘的隔阻不能立即迁移到主绝缘的外面，必定会导致产生一定的压力，并在主绝缘的层间形成内应力，造成主绝缘的层间粘接性下降并产生气隙，导致主绝缘介电损耗增量急剧增大、力学性能急剧下降、导热系数的下降、密度下降、线棒尺寸增大、热失重加快。