分子蒸餾環氧酸酐VPI樹脂的性能及其在風電上的應用

1 前言

風能因具有清潔環保、可再生、蘊藏量大、分布廣泛等特點而受到越來越多的開發利用，風力發電是風能利用最主要的方式之一[1]。相比于其它新能源，風力發電技術相對成熟、發電成本更低，使得風電成為目前最具開發利用前景的新能源。近年來,在國家政策的大力支持下,我國的風力發電事業得到迅速發展。目前風力發電機的單機容量也越來越大，兆瓦級風力發電機已成為主流,5MW、10MW風力發電機已進入應用階段。但是，由于風速的多變性，使得目前99%的風電需要依靠逆變器變頻、變流后方能接入電網，而在變頻脈寬調制過程中會產生2～5倍于額定電壓的高頻尖峰脈沖，對變頻電機絕緣造成連續性重大沖擊。隨著風力發電機單機容量和電壓的不斷增加，由高頻脈沖引發局部放電造成的風力發電機絕緣失效問題，特別是匝間絕緣和端部絕緣失效也日益突顯出來[2-4]。風力發電機多在沙漠、草原、海邊或海中等惡劣環境中長期運行，因此對絕緣材料及絕緣技術提出更高的要求，對絕緣整體致密性、絕緣壽命、耐電暈、局放、長期電熱老化、耐水、耐鹽霧、耐霉菌等方面的性能也要求越來越高。

VPI技術是當今世界上最先進的絕緣處理技術。VPI技術應用于發電機定子線圈的制造，可以最大限度地減少定子線圈主絕緣內部的氣隙，從而降低線圈的介質損耗，減少局部放電的可能性，增加主絕緣的電氣強度，提高主絕緣的導熱性、耐電暈性，減少環境、化學等外因對主絕緣的損傷，延長絕緣壽命[5]。環氧酸酐樹脂體系是國外三大主流VPI樹脂之一，是真正的無溶劑VPI樹脂，VOC排放幾乎為零、閃點高、飽和蒸汽壓低、固化時揮發份小于1%，絕緣整體結構致密性好，無氣隙，可有效降低高頻脈沖引發的局部放電，延長風力發電機絕緣系統的耐變頻能力和絕緣壽命。因此，在國外，環氧酸酐VPI樹脂除廣泛應用于大中型高壓發電機外，也廣泛應用于兆瓦級以上風力發電機的制造。

蘇州巨峰電氣絕緣系統股份有限公司于2007年成功研發出雙酚A環氧樹脂的分子蒸餾技術，首先實現雙酚A單分子環氧（n≈0）的國產化。經過多年在電機生產企業的大面積推廣應用，為滿足不同電機生產企業生產應用的不同需求，目前JF-9955環氧酸酐VPI樹脂已經發展為三大系列:滿足大型高壓電機生產使用的加熱型JF-9955-1樹脂；滿足中高壓電機、風電電機生產使用的常溫型JF-9955 -2樹脂；滿足風電電機、重型電機生產使用的含促進劑JF-9955-3樹脂。加熱型和常溫型樹脂必須與含有特定促進劑的云母帶配合使用，區別在于浸漬溫度、生產產品種類不同；含促進劑JF-9955-3樹脂用于室溫浸漬，對配合使用的云母帶是否含有促進劑沒有要求，生產廠家可選擇范圍較廣。本文對JF-9955三大系列的環氧酸酐VPI樹脂的常規性能、固化物的力學性能、電氣絕緣性能進行對比研究。并針對風電運行環境的特殊性，進行2.5MW風電模擬線棒冷熱循環試驗，結果表明JF-9955系列VPI樹脂具有極其優異的耐冷熱循環沖擊性能，完全滿足風力發電機的極端運行環境。

2 實驗

2.1 原材料

雙酚A分子蒸餾環氧樹脂，自制；低粘度活性環氧稀釋劑，工業品；固化劑，液體酸酐，工業品；潛伏性固化促進劑，工業品。

2.2 測試儀器

CAP2000+旋轉粘度計；電子萬能材料試驗機KQL；JBL-5簡支梁沖擊試驗機；QS30型高壓電橋；ZC36型高阻計；HT-50C型擊穿電壓測試儀。

2.3 測試方法

2.3.1 JF-9955三大系列樹脂體系儲存穩定性對比

環氧酸酐重量比1:1（即JF-9955-1型樹脂）為基礎，加入活性稀釋劑即命名為JF-9955-2樹脂，加入潛伏性固化促進劑命名為JF-9955-3樹脂，混合均勻。采用250ml玻璃瓶裝入200ml（大約230g）樹脂，在規定溫度下密封存放。JF-9955-1儲存穩定性對比實驗溫度為60℃±2℃，JF-9955-2和JF-9955-3實驗溫度為40℃±2℃。采用Brookfield2000+旋轉粘度計測試各樹脂在23℃下的粘度，4天為一個測試周期。

2.3.2 JF-9955三大系列樹脂體系力學和電學性能測

制樣方法:按照JF-9955三大系列樹脂體系配方，在JF-9955-1和JF-9955-2樹脂中添加樹脂質量0.5%的N,N-二甲基芐胺，將樹脂混合均勻，澆注測試力學性能的拉伸樣條、彎曲樣條和沖擊樣條，低溫段70℃時抽真空去除樣條內氣泡；澆注測試電學性能的漆片；按照各自規定固化工藝進行固化。

實驗方法:按照《GB/T 15022.2-2007電氣絕緣用樹脂基活性復合物 第2部分 試驗方法》規定。電子萬能材料試驗機KQL，速度2mm/min，測試拉伸性能和彎曲性能；JBL-5簡支梁沖擊試驗機測試沖擊強度；QS30型高壓電橋測試介質損耗因素和相對介電常數；ZC36型高阻計測試體積電阻率和表面電阻率；HT-50C型擊穿電壓測試儀測試電氣強度。

2.3.3 JF-9955三大系列樹脂體系2.5MW風電模擬線棒冷熱循環試驗

對某電機廠制作的2.5MW風電線圈直線部分模擬線棒進行了冷熱循環試驗，測試不同循環周期后的電氣性能。冷熱循環試驗條件:從常溫降溫至 -40℃/2小時；-40℃保持2小時；從-40℃升至155℃/4小時；155℃保溫2小時；從155℃降溫至常溫/3小時，一個循環需要13小時。

3 結果與討論

3.1 JF-9955三大系列樹脂體系儲存穩定性對比

根據實驗方案，3個周期的粘度變化和粘度增長倍率列于表1。結果顯示JF-9955三大系列樹脂體系在規定的存儲溫度下都具有非常優異的穩定性。

3.2 JF-9955三大系列樹脂體系力學和電學性能對比

按照實驗方案，制作試樣，測試結果如表2。結果顯示，JF-9955三大系列樹脂體系的力學性能和電學性能都非常優異，僅有微小的差別。

3.3 JF-9955三大系列樹脂體系2.5MW風電模擬線棒冷熱循環試驗

模擬線棒的常態電性能數據見表3，-40℃/155℃冷熱循環不同周期后的電性能數據見表4。測試結果表明，樹脂體系的常規性能滿足2.5MW風力發電機的設計使用要求；經過冷熱循環試驗后的介損和絕緣電阻變化不大，具有非常優異的耐冷熱交變性能，滿足風力發電設備在氣溫急劇變化、晝夜溫差大的沙漠、海上等惡劣環境下的運行要求。

4 結論

1、JF-9955三大系列環氧酸酐VPI樹脂的存儲穩定性、力學性能和電學性能相差不大，都非常優異。

2、風電線圈模擬線棒冷熱循環實驗結果表明JF-9955三大系列環氧酸酐VPI樹脂具有非常優異的耐冷熱交變性能，能夠滿足風力發電設備在氣溫急劇變化、晝夜溫差大的沙漠、海上等惡劣環境下的運行要求。

表1 環氧酸酐體系規定溫度下儲存粘度變化及增長倍率

表2 環氧酸酐體系力學和電學性能

表3 模擬線棒的常規性能

表4 模擬線棒冷熱循環測試數據

[1]曾凡輝，姜其斌，陳憲宏，王紅利.風力發電機用表面絕緣涂料的研究.絕緣材料.2010,43（2），17-19.

[2]何恩廣，周升，劉學忠，徐傳驤，陳炳正.PWM變頻電機絕緣技術的研究進展.絕緣材料.2002，(4)，18-25.

[3]李鴻巖, 王峰, 郭磊, 劉斌, 陳壽田.變頻電機的匝間絕緣電老化機理.絕緣材料.2005，(2)，57-60.

[4]徐杰，徐陽.連續方波脈沖電壓下局部放電測量的研究現狀.高壓電氣.2010，46（4），88-92

[5]吳丹，虞鑫海，徐永芬.國內外真空壓力浸漬樹脂的發展現狀.絕緣材料.2008.41（5），23-26.