分子蒸馏环氧酸酐VPI树脂的性能及其在风电上的应用

2012-06-25陶纯初,宁方为,李翠翠等

电器工业 2012年6期

1 前言

风能因具有清洁环保、可再生、蕴藏量大、分布广泛等特点而受到越来越多的开发利用，风力发电是风能利用最主要的方式之一[1]。相比于其它新能源，风力发电技术相对成熟、发电成本更低，使得风电成为目前最具开发利用前景的新能源。近年来,在国家政策的大力支持下,我国的风力发电事业得到迅速发展。目前风力发电机的单机容量也越来越大，兆瓦级风力发电机已成为主流,5MW、10MW风力发电机已进入应用阶段。但是，由于风速的多变性，使得目前99%的风电需要依靠逆变器变频、变流后方能接入电网，而在变频脉宽调制过程中会产生2～5倍于额定电压的高频尖峰脉冲，对变频电机绝缘造成连续性重大冲击。随着风力发电机单机容量和电压的不断增加，由高频脉冲引发局部放电造成的风力发电机绝缘失效问题，特别是匝间绝缘和端部绝缘失效也日益突显出来[2-4]。风力发电机多在沙漠、草原、海边或海中等恶劣环境中长期运行，因此对绝缘材料及绝缘技术提出更高的要求，对绝缘整体致密性、绝缘寿命、耐电晕、局放、长期电热老化、耐水、耐盐雾、耐霉菌等方面的性能也要求越来越高。

VPI技术是当今世界上最先进的绝缘处理技术。VPI技术应用于发电机定子线圈的制造，可以最大限度地减少定子线圈主绝缘内部的气隙，从而降低线圈的介质损耗，减少局部放电的可能性，增加主绝缘的电气强度，提高主绝缘的导热性、耐电晕性，减少环境、化学等外因对主绝缘的损伤，延长绝缘寿命[5]。环氧酸酐树脂体系是国外三大主流VPI树脂之一，是真正的无溶剂VPI树脂，VOC排放几乎为零、闪点高、饱和蒸汽压低、固化时挥发份小于1%，绝缘整体结构致密性好，无气隙，可有效降低高频脉冲引发的局部放电，延长风力发电机绝缘系统的耐变频能力和绝缘寿命。因此，在国外，环氧酸酐VPI树脂除广泛应用于大中型高压发电机外，也广泛应用于兆瓦级以上风力发电机的制造。

苏州巨峰电气绝缘系统股份有限公司于2007年成功研发出双酚A环氧树脂的分子蒸馏技术，首先实现双酚A单分子环氧（n≈0）的国产化。经过多年在电机生产企业的大面积推广应用，为满足不同电机生产企业生产应用的不同需求，目前JF-9955环氧酸酐VPI树脂已经发展为三大系列:满足大型高压电机生产使用的加热型JF-9955-1树脂；满足中高压电机、风电电机生产使用的常温型JF-9955 -2树脂；满足风电电机、重型电机生产使用的含促进剂JF-9955-3树脂。加热型和常温型树脂必须与含有特定促进剂的云母带配合使用，区别在于浸渍温度、生产产品种类不同；含促进剂JF-9955-3树脂用于室温浸渍，对配合使用的云母带是否含有促进剂没有要求，生产厂家可选择范围较广。本文对JF-9955三大系列的环氧酸酐VPI树脂的常规性能、固化物的力学性能、电气绝缘性能进行对比研究。并针对风电运行环境的特殊性，进行2.5MW风电模拟线棒冷热循环试验，结果表明JF-9955系列VPI树脂具有极其优异的耐冷热循环冲击性能，完全满足风力发电机的极端运行环境。

2 实验

2.1 原材料

双酚A分子蒸馏环氧树脂，自制；低粘度活性环氧稀释剂，工业品；固化剂，液体酸酐，工业品；潜伏性固化促进剂，工业品。

2.2 测试仪器

CAP2000+旋转粘度计；电子万能材料试验机KQL；JBL-5简支梁冲击试验机；QS30型高压电桥；ZC36型高阻计；HT-50C型击穿电压测试仪。

2.3 测试方法

2.3.1 JF-9955三大系列树脂体系储存稳定性对比

环氧酸酐重量比1:1（即JF-9955-1型树脂）为基础，加入活性稀释剂即命名为JF-9955-2树脂，加入潜伏性固化促进剂命名为JF-9955-3树脂，混合均匀。采用250ml玻璃瓶装入200ml（大约230g）树脂，在规定温度下密封存放。JF-9955-1储存稳定性对比实验温度为60℃±2℃，JF-9955-2和JF-9955-3实验温度为40℃±2℃。采用Brookfield2000+旋转粘度计测试各树脂在23℃下的粘度，4天为一个测试周期。

2.3.2 JF-9955三大系列树脂体系力学和电学性能测

制样方法:按照JF-9955三大系列树脂体系配方，在JF-9955-1和JF-9955-2树脂中添加树脂质量0.5%的N,N-二甲基苄胺，将树脂混合均匀，浇注测试力学性能的拉伸样条、弯曲样条和冲击样条，低温段70℃时抽真空去除样条内气泡；浇注测试电学性能的漆片；按照各自规定固化工艺进行固化。

实验方法:按照《GB/T 15022.2-2007电气绝缘用树脂基活性复合物第2部分试验方法》规定。电子万能材料试验机KQL，速度2mm/min，测试拉伸性能和弯曲性能；JBL-5简支梁冲击试验机测试冲击强度；QS30型高压电桥测试介质损耗因素和相对介电常数；ZC36型高阻计测试体积电阻率和表面电阻率；HT-50C型击穿电压测试仪测试电气强度。

2.3.3 JF-9955三大系列树脂体系2.5MW风电模拟线棒冷热循环试验

对某电机厂制作的2.5MW风电线圈直线部分模拟线棒进行了冷热循环试验，测试不同循环周期后的电气性能。冷热循环试验条件:从常温降温至 -40℃/2小时；-40℃保持2小时；从-40℃升至155℃/4小时；155℃保温2小时；从155℃降温至常温/3小时，一个循环需要13小时。

3 结果与讨论

3.1 JF-9955三大系列树脂体系储存稳定性对比

根据实验方案，3个周期的粘度变化和粘度增长倍率列于表1。结果显示JF-9955三大系列树脂体系在规定的存储温度下都具有非常优异的稳定性。

3.2 JF-9955三大系列树脂体系力学和电学性能对比

按照实验方案，制作试样，测试结果如表2。结果显示，JF-9955三大系列树脂体系的力学性能和电学性能都非常优异，仅有微小的差别。

3.3 JF-9955三大系列树脂体系2.5MW风电模拟线棒冷热循环试验

模拟线棒的常态电性能数据见表3，-40℃/155℃冷热循环不同周期后的电性能数据见表4。测试结果表明，树脂体系的常规性能满足2.5MW风力发电机的设计使用要求；经过冷热循环试验后的介损和绝缘电阻变化不大，具有非常优异的耐冷热交变性能，满足风力发电设备在气温急剧变化、昼夜温差大的沙漠、海上等恶劣环境下的运行要求。