环氧树脂在电机绝缘中应用

环氧树脂在电机绝缘中应用
 
陈宗旻，田建辉
（上海电机厂有限公司·200240）
源自：“第十三次全国环氧树脂应用技术学术交流会”论文集
 
摘  要: 该文论述了环氧树脂在电机绝缘中一般应用，重点描述了在主绝缘、层压制品及风力发电机集电环浇注件中的应用现状及发展方向。
关键词：环氧树脂；大中型电机；主绝缘；VPI
 
0  前言
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在不断进行改进，由此可知绝缘在电机中重要性。电机的寿命主要也取决于绝缘材料的寿命，因此把绝缘称作电机的心脏。电机有许多种类，本文论述的是大中型高压电动机和发电机。在这类电机中又有许多种绝缘类别，它们可以使用各种各样的绝缘材料，但这些材料绝大多数都含有高分子材料。高分子材料也有千百万种，其中在电机中使用最多和最重要的就是环氧树脂。这是因为环氧树脂与其他树脂相比，具有较好的综合性能。环氧树脂中具有羟基和醚健因而有好的粘结力，机电性能也很优异，耐热稳定性也好，它可以有低分子液体树脂，使它的加工工艺性有独特之处（大多数高分子是固体）。因此环氧树脂广泛地应用在电机绝缘中，如：VPI浸渍树脂、云母带或层压制品粘合树脂和浇注料等。
 
1  电机主绝缘的应用
主绝缘是大中型高压电机定子绕组导体的对地绝缘，在电机绝缘中是最重要的。按制造工艺主绝缘可分成二大类，即真空压力浸渍VPI和多胶模压绝缘。这二种工艺都能制造出很好的主绝缘。VPI技术包括浸渍树脂、云母带、VPI设备、VPI工艺和防晕技术，用VPI制造的主绝缘质量好但初始投资较大。用多胶模压制造的主绝缘，也能达到国际上要求的技术指标但初始投资要少得多。不论使用那种工艺，制得主绝缘都应达到一定的技术指标。除了通常要求高的击穿强度和好的抗弯强度外，还有二个指标也很重要：高温介质损耗角正切tanδ和介损增量Δtanδ。155℃tanδ是个关键指标，它的大小直接影响电热老化时电机线棒的绝缘寿命长短，因为热态介损大时，损耗产生的热导致线棒绝缘温升提高，进而促使tanδ进一步增大，致使主绝缘发生热击穿。而Δtanδ通常用来判断主绝缘制造过程的合适与否。通常要求155℃tanδ小于0.1，Δtanδ小于0.0025。从制造主绝缘材料来看主要就是三种材料：VPI浸渍树脂、少胶粉云母带和多胶粉云母带。它们主要都使用环氧树脂，前二者用于VPI，后者用于多胶模压绝缘。
1.1  真空压力浸渍VPI
1.1.1  VPI浸渍树脂
它是决定VPI主绝缘性能的重要组分。国内外目前主要有以下几条技术路线；
⑴ 纯环氧路线
它是由高纯双酚A环氧和甲基六氢苯酐组成。由于树脂粘度较大，所以要在60℃-70℃浸渍。我厂在这方面做过大量工作[1]。目前国内使用的配方都是参照国外Isola的SB3407树脂和西门子的ET884树脂。
⑵ 脂环族环氧路线
2004年我厂引进日本TMEIC绝缘，使用TVB2645树脂。同时我厂也开发了SD1145绝缘系统，它与TMEIC绝缘相当。它是使用脂环族环氧树脂，固化剂为液体酸酐，然后加入丁基缩水甘油醚稀释剂混合而成。日本东芝的TOSTIGHTⅡ绝缘用漆、加拿大和其他一些公司申请的专利中也见到过类似配方。
⑶ 环氧苯乙烯路线
最常见的是D027,是由东方绝缘材料厂研制而成。由双酚A低分子环氧树脂和顺丁烯二酸酐、丙烯酸先制成不饱和环氧酯，然后加入苯乙烯和其他助剂而成。最近有资料报道李志雄等人对其进行了改进[2] 。
⑷ 环氧594硼胺路线
环氧594硼胺路线是我厂七十年代开发VPI且缺乏各种技术条件所用过渡路线。浸渍树脂由双酚A低分子环氧、低分子酚醛环氧树脂、594硼胺固化剂和丁基缩水甘油醚稀释剂混合而成。至今我厂仍在使用。它的特点是高温介损较大，但车间气味不大，贮存期也较长，我们正对介损大的问题进行改进。
⑸ 聚酯亚胺路线
聚酯亚胺路线由哈尔滨庆缘电工材料股份有限公司研制的H9110为典型代表，他们是在德国贝克公司引进的用于低压电机的FT1052基础上改进而成。他们优化分子结构，减少活性基团，采用封端技术使反应可控。改进后树脂tanδ从0.002减少至0.001，155℃tanδ从0.20减少至0.03，贮存期也从6个月延长至12个月。国外Isola公司的3308也是这类树脂。综上所述，浸渍树脂的发展方向是：环保、节能、提高性能和降低成本。我厂原应用SD1149浸渍树脂，但它含有苯乙烯对环保不利，现在使用SD1145是环保型的浸渍树脂。我厂的6895硼胺系统，树脂贮存期虽长，但固化温度高而且长，使树脂很易流失，我们也正在设法改进。我们开展的所有课题都在向这四个方向努力。在提高浸渍树脂的耐热性方面我们一直在努力进行[3] 。四川东材科技集团股份有限公司也开展了这方面的工作[4] 。
加拿大通用电气公司B·J·穆尔在1999年第25届美国电气绝缘制造线圈会议上发表题为‘在开发大型电动机绝缘系统时新概念的应用’文章，这个新概念就是为了提高绝缘材料的电气性能而使用无机填料的结果。他们在八十年代首先把无机填料的涂料用于股间和匝间绝缘上，而现在他们所有大型电动机线圈中都含有无机填料了。九十年代把无机填料用于电磁漆包线上使耐电晕性大大提高，现在已把这个新概念用到绝缘组成物上来。在中国专利CN101302392中，吴江太湖绝缘材料厂用他们的ET-90耐热不饱和聚酯树脂中加入2000-3000目硅微粉后，再加入稀释剂和引发剂制得耐高温绝缘漆，用于高温电机后形成粘结强度大、导热系数高和电气性能好的绝缘。专利中未提及如何应用，但本文作者认为：在浸渍漆中加入无机填料沉淀问题较难介决，但在浇漆和滴浸工艺中使用含填料的漆较易实现。如在浸渍漆中加入纳米级无机填料情况就会好些，这方面工作一定已在开展，但还未见报道。
1.1.2  少胶粉云母带
    少胶粉云母带是由粉云母纸、玻璃布和粘合树脂组成。粉云母纸是承受高电压的基本材料，因此要用玻璃布来补强，而粘合树脂仅把它们粘合起来，这也是必不可少的材料。上述三种材料中粉云母纸和玻璃布是无机材料，具有很好的耐热性和电气性能，因此粘合树脂和浸渍树脂对主绝缘起着举足轻重的作用。以上三个组成仅对一般少胶粉云母带而言，由于补强材料的不同又可以有很多种，如巨酯薄膜、亚胺薄膜和绦纶纸等。按粘合树脂中含不含促进剂来分类有一般少胶和含促进剂少胶粉云母带。
⑴ 一般少胶粉云母带
    少胶粉云母带是VPI技术的重要组成部分，近几年来少胶粉云母带发展很快，国内有很多绝缘厂都能生产多种少胶带，但对粘合树脂配方和制造工艺都很保密。其实生产少胶带的各厂家树脂配方都不一样，都是以环氧树脂为主体，但都要加入很粘稠的高分子量树脂，使粉云母纸和补强材料用很少量树脂就能粘合起来，这样才能制得少胶粉云母带。通常使用的粘稠树脂有聚酯树脂和聚乙烯醇缩丁


醛等。有了配方不一定就一定能制成少胶带，因为各厂制造粉云母带的机床都不一样，一定要模索出


适合于本厂的工艺及调整的配方才能制得合格少胶带。对于已能生产少胶带的厂家来说，应该增加品种，这样才能适应与各种浸渍树脂配合而制得最佳性能主绝缘。


⑵ 含促进剂少胶粉云母带
早在1995年我厂与vonRollIsola合作开发少胶VPI技术时，发现我厂SD1149浸渍树脂与二种进口少胶粉云母带浸渍后数据总是不一样，含促进剂少胶带性能总是好些。表1列出Isola测试数据:


钢模拟线棒40×8×800mm 绝缘厚2mm。   
从表1看出，不论用什么树脂，含促进剂少胶带总是比不含促进剂少胶带性能好。理论上很好解释，促进剂会使树脂交联度增加，高温介损得以提高，另外固化时间和固化温度也得以缩短，这对


性能参数
温度
366.58-18
(不含促进剂)
366.55-10
(含促进剂)
tanδ 2kv
室温
0．3﹪
0．5﹪
Δtanδ(20-2kv)
室温
0．1﹪
0．5﹪
tanδ 2kv
155℃
3．2﹪
2﹪
Δtanδ(20-2kv)
155℃
0．4﹪
0．2﹪
tanδ 2kv
180℃
11﹪
3．8﹪
Δtanδ(20-2kv)
180℃
0．2﹪
0．7﹪
节能大有好处。因此我厂就一直使用含促进剂少胶粉云母带了。对我厂合适对别的厂不一定可行，这


要做试验才能决定。因为目前含促进剂少胶带含的促进剂是环烷酸锌，我厂原SD1149和现在用的SD1145树脂都是环氧酸酐型，所以能起促进作用。
纯环氧酸酐体系用的少胶带含的促进剂也是环烷酸锌，但是它的含量要特别多，即使很多也达不到西门子Micalastic绝缘系统要求。纯环氧酸酐浸渍系统其实有二种：一种是东方电机厂引进Isola公司的SB3407树脂，它由E-58和甲基六氢苯酐组成。使用含促进剂云母带(Samicapor366.55-3)[5] ,粘合树脂由双酚A环氧和环烷酸锌组成。VPI工艺除了在50℃浸渍外，
 
表1线棒性能   ( 进口带配SD1149树脂)


与其他浸渍树脂一样。云母带包绕线圈后嵌入定子，放入热浸渍罐中抽真空，然后输入3407树脂，再加压一定时间后取出，进烘房固化即可；另一种是我厂曾引进的西门子Micalastic绝缘系统，浸渍树脂ET884组份也是纯环氧酸酐，但使用RoGs275含促进剂少胶带，定子线圈在70℃热浸渍罐中加压2小时时，绝缘内树脂就会胶化(如果罐中温度在60℃那需要加压3.5小时)。这就介决了通常浸渍解决不了的流胶问题。这是因为少胶带中粘合树脂由Cy175环氧、乙烯环己烷二氧化物(269环氧)、吗啉和2异丙基咪唑的加成物组成，这种胺类是强促进剂，使进入少胶粉云母带中浸渍树脂能很快胶化，而胺类促进剂在少胶带中与脂环族环氧树脂几乎不起反应，因此少胶粉云母带贮存期仍很长。所以西门子Micalastic绝缘系统是世界上最好的，但至今国内似乎还没有开始研制这种类似少胶带。
1.2  多胶模压绝缘——多胶粉云母带
多胶粉云母带也是由粉云母纸、玻璃布和粘合树脂组成。它是多胶模压绝缘系统主要材料组成，树脂含量为38％以上，树脂性能决定了绝缘系统性能。而少胶VPI中少胶带粘合树脂含量仅为8％左右，制成绝缘性能主要取决于VPI浸渍树脂。多胶粉云母带主要用于发电机单个定子线棒和各种电机的修理。单个定子线棒绝缘制造工艺较简单：把多胶带包绕在线棒上，达到规定尺寸后放入模子内，加热至170℃并加压保持2–6小时，冷却取出即可。
以往多胶粉云母带品种很多，现在应用最多的就是桐马带(5440) 。它的粘合树脂是环氧桐马组成物，桐马固化剂是由桐油与顺丁烯二酸酐加成物再与双马来酰亚胺加成而成。三峡电站的国产水轮发电机和60万KW的汽轮发电机都用的是这种绝缘系统。多胶粉云母带的发展方向是节能和提高导热性，为了节能就有张银川等介绍快固化多胶粉云母带产品报道[6]。关于高导热多胶粉云母带，周键等人在<绝缘材料>杂志发表过多遍文章，本文作者通过资料查阅，认为在各种高导热填料中使用氮化硼较合适。除了用填料来提高主绝缘的导热性外，最近有文章[8]介绍好的环氧固化剂结构有较高的导热系数，如用苯二酚甲醛作固化剂的导热系数比桐马酸酐高20％以上。其实美国GE公司以前发表过好多有关酚类做环氧树脂固化剂的专利，本文作者也曾在1979年<绝缘材料通讯>第二期34页写过这方面的探索试验文章。
综上所述，在VPI真空压力浸渍和多胶模压绝缘中那种绝缘好?回答是肯定的，VPI好。从制得主绝缘产品来看，剖析得主绝缘中树脂含量VPI是24％，而多胶模压绝缘是32％[7] ，这说明VPI绝缘中云母含量多，另外VPI主绝缘中气隙也少得多，因此VPI绝缘电老化性能就好。在三倍运行额定电压老化时，VPI绝缘寿命达几百小时而多胶模压最多仅几十小时。
 
2  层压制品的应用
我们通常使用的3240层压板由于电性能优良、机械强度高、耐热性和加工性也都很好，因此在电机中有许多用途。它是由玻璃布浸环氧酚醛树脂粘合漆后，经烘干再在压床上压制而成。目前大部分制品垂直层向介电强度较高，而平行层向电气强度较低，达不到国外NEMA 标准。原因有二：其一是它的粘合树脂是双酚A环氧和苯酚甲醛树脂，制成的环氧板它的马丁耐热温度是超过240℃，但它在130℃时的机械强度太低，只有室温时的20％。严格来说它只能作130℃B级使用。其二是工艺上，国外用卧式浸胶机，玻璃布浸胶液后进入烘箱内是气垫式的烘干，因此压制前很平整，这样平行层向电气强度得以很大提高。目前正式用于F级层压板时一定要提高其耐热性，通常可用酚醛环氧替代双酚A达到目的。3248环氧板它有较高热态机械强度，它是用二氨基二苯砜作固化剂。除了用玻璃布制造环氧板外，还可以用无碱短切玻璃纤维毡浸环氧胶粘剂压制成板材，它具有优良力学性能和可加工性，汽轮发电机绕组端部支撑和固定常用它。随着技术要求不断提高，现在有很多耐热性更高的产品出现，粘合剂可用双马来酰亚胺改性环氧、环氧改性二苯醚、多官能环氧树脂、苯并哑嗪和其他耐高温树脂。如果要使用高平行层向电气强度的层压板，可采用VIP工艺的无气隙层压制品。
 
3   风力发电机集电环浇注件中的应用
风力发电机中集电环又称滑环，国内前段时期引进了不少国外技术，而欧洲用环氧浇注的居多。国内也是前三四年才开始应用，其实这浇注料要求较高，它不仅要求有高的耐热性，而且还要具有很低温度下的耐开裂性。目前国内的浇注料耐高温和耐低温的品种不少，但是兼具高低温的却很少。浇注料基本配方还是双酚A环氧(如E39D)和甲基四氢苯酐加入硅微粉。为了提高耐开裂性可加入各种活性增韧剂，如：聚醚、聚酐、端羧基丁腈橡胶、奇士增韧剂和一些柔软环氧树脂(包括侧链型环氧树脂和聚氨酯环氧树脂)。为了提高耐热性应加入各种耐高温树脂，如双马来酰亚胺树脂和多官能度环氧树脂，但它的加入又使耐开裂性下降。本文作者认为这一对矛盾还是以耐开裂性为重，在文献[9]中提及浇注件开裂的五个原因和一些预防措施中，特别强调了低膨胀系数填料的应用，这种熔融石英粉作为环氧浇注树脂中填料，它能显著提高大中型浇注件的冷热冲击性能。本文作者还在1984年<塑料工业>第五期发表过题为‘硅橡胶增韧环氧胶研究’，但这项工作没能继续下去。
 
4  结语
与聚酯树脂相比，环氧树脂也具有低粘度和类似加工性能，但由于环氧的综合性能好收缩率较小，所以人们在大电机中大都使用环氧VPI浸渍树脂，浇注料和层压制品。
 
参考文献：
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