多膠模壓絕緣及其膠黏劑耐鹽霧性能實(shí)驗(yàn)研究

劉 東，付 強(qiáng)，張 影，黃程偉，馮 超

?

多膠模壓絕緣及其膠黏劑耐鹽霧性能實(shí)驗(yàn)研究

劉 東，付 強(qiáng)，張 影，黃程偉，馮 超

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

海洋能電機(jī)絕緣在海水環(huán)境下受鹽度、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，電學(xué)性能會發(fā)生一定變化。海洋能電機(jī)線圈絕緣電性能的優(yōu)劣關(guān)系著整個(gè)電機(jī)的使用壽命。為了對多膠模壓（Resin-Rich Molding，RRM）絕緣及其膠黏劑耐鹽霧性能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了利用阻抗譜測試分析多膠模壓絕緣的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、電阻率等電性能的試驗(yàn)，通過對不同鹽霧試驗(yàn)周期下的試樣進(jìn)行相關(guān)電性能測量，總結(jié)多膠模壓絕緣及其膠黏劑耐鹽霧性能的關(guān)系，從而研究多膠模壓絕緣及其膠黏劑絕緣性能的老化規(guī)律，為海洋能電機(jī)絕緣系統(tǒng)耐鹽霧腐蝕能力研究提供試驗(yàn)依據(jù)。

鹽霧濕熱老化；多膠模壓絕緣；吸水率；介質(zhì)損耗；介電常數(shù)；電阻率

0 前言

目前，我國約70%的電力生產(chǎn)來源于火力發(fā)電，火力發(fā)電使用大量的燃煤、燃油等化石燃料，不但造成環(huán)境污染，而且石化燃料的儲備有限，因此需要開發(fā)清潔且能循環(huán)使用的能源。

海洋能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，我國有18000km的海岸線，300多萬km2的海域，海洋能資源十分豐富，我國近海海洋能理論裝機(jī)容量總和超過27.5億千瓦。然而，無論何種形式的海洋能，均需要通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。由于海洋能電站地處海邊，空氣不僅潮濕，且?guī)в宣}霧，除對發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)件、定子鐵心等造成損害外，還可能在定子繞組表面產(chǎn)生放電現(xiàn)象，損傷絕緣結(jié)構(gòu)。國內(nèi)陳健等研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)耐鹽霧性能[1]，對發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣及相關(guān)絕緣材料的研究較少。本文通過對定子線棒多膠模壓絕緣的耐鹽霧濕熱性能進(jìn)行研究，檢測不同鹽霧、濕熱周期對該絕緣性能的影響，為開發(fā)大容量潮汐電機(jī)及海洋能電機(jī)奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制作

多膠模壓絕緣試樣：從試制線圈主絕緣上拆取制作，裁取試樣邊長為15mm×15mm、厚度為2mm的長方體。

膠黏劑試樣：多膠模壓膠黏劑固化后，制備成直徑20mm、厚度為2mm的圓片。

吸水率試樣：規(guī)格同膠黏劑試驗(yàn)。

1.2 鹽霧試驗(yàn)

設(shè)備：鹽霧箱內(nèi)腔尺寸為1000×2000×800mm，鹽霧沉降量為1～2ml/80cm2。

方法：質(zhì)量百分比為5%的噴霧鹽溶液進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。根據(jù)國標(biāo)《GBT2423.18-2000電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分試驗(yàn)》，將鹽霧試驗(yàn)的一個(gè)周期分為三個(gè)噴霧周期，每個(gè)噴霧周期2h，后有一個(gè)為期22h的濕熱貯存周期。

1.3 電性能參數(shù)測量

設(shè)備：寬頻介電阻抗譜儀型號Concept 40, 德國NOVOCONTROL Technologies GmbH & Co. KG產(chǎn)品，用液氮控制溫度，測量溫度：40～80℃，頻率：10-3-107Hz。測量不同實(shí)驗(yàn)周期樣品的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、電阻率等多項(xiàng)參數(shù)。

方法：將試樣兩面涂銀漿，烘干，形成電極，消除空氣隙對介電常數(shù)的影響，工頻下進(jìn)行測量。

1.4 吸水率的測量和計(jì)算

多膠模壓絕緣、膠黏劑的吸水率參考GB/TI462-2005制備試樣，要求試樣表面平整，無氣泡和裂紋，將試樣在實(shí)驗(yàn)室放置至恒重，用電子天平稱取試樣的初始質(zhì)量，然后將試樣進(jìn)行濕熱老化實(shí)驗(yàn)，間隔一定的實(shí)驗(yàn)周期取出，用濾紙吸干表面水分后立即用精密天平稱量，整個(gè)過程在lmin內(nèi)完成。試樣在鹽霧試驗(yàn)中的吸水率，按下面的公式[2]進(jìn)行計(jì)算。取10個(gè)試樣的平均值作為測試結(jié)果。

其中：——吸水率；

——鹽霧試驗(yàn)后的質(zhì)量；

0——鹽霧試驗(yàn)前的質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 多膠模壓絕緣耐鹽霧性能

圖1是在不同鹽霧試驗(yàn)周期時(shí)測試的絕緣材料體積電阻率的變化趨勢。隨著試驗(yàn)周期數(shù)增加，材料的體積電阻率逐漸降低，20周期左右會降低1個(gè)數(shù)量級，此后降低速率變緩。這是因?yàn)椴牧现械乃菔鼓z黏劑溶脹后，緩慢作用后致使玻璃絲、云母粉之間的粘接能力也緩慢地降低，導(dǎo)致阻值下降。

圖1 體積電阻率的對數(shù)值隨實(shí)驗(yàn)周期數(shù)的變化

從圖2與圖3可以看出，從0周期到12周期左右，材料的介電常數(shù)和介損值都逐漸增加，而后變化緩慢，整體呈現(xiàn)增加趨勢。徐任信[3]等研究了高溫高壓濕熱處理對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨濕熱處理時(shí)間的延長，介電常數(shù)和介電損耗均隨時(shí)間延長而上升。

圖2 介電常數(shù)隨實(shí)驗(yàn)周期數(shù)的變化

圖3 介損值隨不同實(shí)驗(yàn)周期數(shù)的變化

圖4 不同周期數(shù)的吸水率

材料的損耗隨著鹽霧實(shí)驗(yàn)周期的增加而提高，這是因?yàn)閺?fù)合材料中吸入的水分對樹脂基體產(chǎn)生了一定的溶脹作用。由于復(fù)合材料中的玻璃纖維是不吸濕的，則吸濕的樹脂與不吸濕的纖維之間必然存在濕膨脹的差別。這種不匹配必然在纖維/樹脂基體界面上產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，如果內(nèi)應(yīng)力足夠高，就勢必導(dǎo)致界面脫粘與開裂。這樣脫粘的纖維和基體之間的摩擦導(dǎo)致了材料損耗的提高。有資料顯示在不同介質(zhì)中由于復(fù)合材料吸濕量和作用機(jī)理的不同，對界面的破壞程度不同，進(jìn)而損耗增加的幅度也不同[4-5]。

2.2 膠黏劑耐鹽霧性能

多膠模壓絕緣材料中的膠黏劑是環(huán)氧桐馬酸酐粘合樹脂，它具有酸酐基團(tuán)、酰亞胺基團(tuán)及環(huán)氧基團(tuán)等極性基團(tuán)，因此具有一定的吸水率。圖5給出膠黏劑在不同鹽霧周期中的體積電阻率的變化，測量溫度從40℃增加到80℃時(shí)，體積電阻率隨著測量溫度的升高逐漸減小，這個(gè)現(xiàn)象符合常識。從圖5可知，0周期到10周期，材料的體積電阻率幾乎沒有變化，雖然0周期到10周期之間，材料的吸水速率較快（如圖8所示），但沒有達(dá)到飽和，可知材料吸水在達(dá)到飽和前，還沒有對材料的性能有影響。從10周期后達(dá)到飽和后，材料的體積電阻率逐漸增加。

圖5 不同周期數(shù)的電阻率

圖8 不同周期數(shù)的吸水率

如圖6所示，膠黏劑在不同鹽霧周期中的介電常數(shù)的變化，隨著測量溫度的升高，材料的介電常數(shù)逐漸增大。0周期到10周期，材料的介電常數(shù)幾乎沒有變化，從10周期后，材料的介電常數(shù)逐漸減小。

圖6 不同周期數(shù)的介電常數(shù)

如圖7所示，隨著測量溫度的升高，膠黏劑的介損逐漸增大。隨著鹽霧實(shí)驗(yàn)周期增加，膠黏劑的介損逐漸減小，只是80℃時(shí)數(shù)據(jù)略有不同。

圖7 不同周期數(shù)的介損值

在一定的相對濕度條件下，溫度越高，周圍空間的水蒸氣壓力越大，水汽向材料體系內(nèi)部的擴(kuò)散能力也加大，從而加速材料的受潮速度。在高濕度的狀態(tài)下，由于熱因素的影響，水分子與復(fù)合材料內(nèi)部的小分子發(fā)生水解反應(yīng)，在材料內(nèi)部造成空隙，有可能發(fā)生水分子的聚集，提高材料容納水的能力[6]。

隨實(shí)驗(yàn)周期增加，同多膠模壓絕緣相比，膠黏劑的電阻率、介電常數(shù)和介損值等指標(biāo)的變化趨勢相反。由于復(fù)合材料中的玻璃纖維不受鹽霧影響，因此復(fù)合介質(zhì)的界面效應(yīng)為產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因。

3 結(jié)論

本文對多膠模壓絕緣及其膠黏劑耐鹽霧性能進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

（1）隨著鹽霧實(shí)驗(yàn)周期增加，多膠模壓絕緣材料的體積電阻率逐漸降低，這主要是因?yàn)榻^緣材料是復(fù)合材料，材料中有界面，隨著鹽霧試驗(yàn)的進(jìn)行，膠黏劑溶脹后其與玻璃絲、云母粉的界面會緩慢出現(xiàn)應(yīng)力變形狀況，影響到材料的體積電阻率。

（2）隨著鹽霧實(shí)驗(yàn)周期增加，多膠模壓絕緣材料中的膠黏劑體積電阻率緩慢增大，體積電阻率逐漸減小；隨著測量溫度的增大，膠黏劑的體積電阻率逐漸減小。

（3）隨著鹽霧實(shí)驗(yàn)周期增加，多膠模壓絕緣材料的介電常數(shù)較鹽霧前增加，而膠黏劑的介電常數(shù)隨著鹽霧周期的延長逐漸降低；絕緣材料的介損逐漸增大，而膠黏劑的介損值卻隨著鹽霧周期的延長而逐漸降低。這種差別主要是由復(fù)合介質(zhì)的界面效應(yīng)造成的。

[1] 陳健, 王洪波, 馬賢好, 劉軍偉. 關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)耐鹽霧性能研究[J].絕緣材料. 5(2011): 43-45.

[2] 歐陽國恩, 歐國榮. 復(fù)合材料試驗(yàn)技術(shù)[M]. 武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社, 1993.

[3] 徐任信, 崔昌盛, 王鈞, 王翔, 楊小利. 高溫高壓濕熱處理對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電性能的影響[J].纖維復(fù)合材料. 2008,32(1): 34.

[4] 董琳琳. 玻璃纖維/不飽和聚酯復(fù)合材料的海水老化研究[D]. 天津工業(yè)大學(xué). 2007.

[5] 付強(qiáng), 孔繁榮, 陳慶國. 桐馬環(huán)氧玻璃絲粉云母絕緣材料的耐鹽霧濕熱老化特性[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2014,31(3): 576-577.

[6] 謝晶. GFRP 在海水環(huán)境下的性能演變規(guī)律與壽命預(yù)測模型[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.

Experimental Study on Salt Spray and Humidity Thermal Ageing of RRM and Adhesive

LIU Dong, FU Qiang, ZHANG Ying, HUANG Chengwei, FENG Chao

(Harbin Electrical Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

In the seawater, ocean energy generators insulation is affected by the environmental factors such as salinity, temperature, humidity and so on. The electrical performance of the insulation layer of ocean energy generators coil is related to the service life of the generator. In order to study salt spray resistance of resin-rich molding（RRM）main insulation and adhesive under salt spray and humidity thermal ageing, we designed experiments which can analyze dielectric constant, dielectric loss, resistivity and other electrical properties of RRM with impedance spectroscopy. Through the measurement of the samples electrical properties in different salt spray and humidity thermal ageing cycles, the salt spray resistance relationship between RRM and adhesive is summed up. The ageing rule of RRM and adhesiveis studied, which can be provided for intensive study on salt spray resistance of insulation system of ocean energy generators.

salt spray and humidity thermal ageing; resin-rich molding insulation; water absorption; dielectric loss; dielectric constant; resistivity

TK730

A

1000-3983(2016)05-0015-04

2016-06-30

劉東（1985-），2011年4月碩士研究生畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動化系高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)，從事發(fā)電機(jī)絕緣技術(shù)相關(guān)工作，工程師。

水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（820-03-1104）

審稿人：孫永鑫