風電及高壓電機用絕緣浸漬漆選型試驗研究

王 健, 于英雙

(1. 海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411101；2. 湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101)

0 引 言

絕大多數高壓電機制造廠家，電機絕緣浸漬處理均采用最先進的真空壓力浸漬(Vacuum Pressure Impregnating,VPI)工藝，采用VPI工藝制備的線圈緊密無氣隙，連續性整體性好，電氣及機械性能優異[1]。要達到優異的電氣機械性能，離不開構成主絕緣的浸漬樹脂及少膠云母帶等關鍵材料。

隨著電機向高電壓等級、大容量、高性能等發展，以及環保等要求，對VPI樹脂提出了如下技術要求：(1) 高耐熱等級：電機工作的電壓等級提高、容量增大，使得電機在工作時放出的熱量大幅度增加，因此必須提高絕緣材料的耐熱等級才能保證電機的正常使用；(2) 高性能：包括電氣性能、機械性能、耐化學性、耐環境性等；(3) 減薄絕緣厚度：由于電機放熱的增加，為保證電機的使用要求，必須要降低電機溫升，因此需要降低絕緣厚度；(4) 環保：符合環保要求，低毒或無毒，揮發損失小；(5) 低成本：包括使用低成本的原材料，以及低成本的工藝技術和質量控制等方面[2]。

目前國內高壓及風電電機制造中，VPI樹脂主要有：環氧酯體系、環氧改性聚酯/聚酯亞胺體系、聚酯改性環氧酸酐體系、環氧酸酐及單純環氧體系[3]。在幾大類樹脂體系中，活性稀釋劑有苯乙烯、乙烯基甲苯、丙烯酸酯及小分子環氧，其中丙烯酸酯及小分子環氧是為了符合環保而代替苯乙烯的。單從電氣性能和機械性能上來說，公認以環氧酸酐樹脂為最優，國內外很多電機廠家都采用環氧酸酐的絕緣系統[4]。只是在長期的使用中發現，在烘焙中，酸酐雖然沸點高但是極易汽化，容易進入烘箱保溫層聚集，也很容易冷凝聚集到地面、煙囪及回收塔，揮發損失很嚴重；且對工人操作和設備的要求極高，因為酸酐容易吸潮，若是操作不當或設備氣密性及使用環境的溫濕度不達標，極易使得酸酐吸潮從而樹脂黏度飛速增長[5]，最終報廢，增加電機廠的使用及維護成本。

為規避環氧酸酐使用中的問題，本文尋找一種性能與環氧酸酐相差不大，但是對使用及維護要求不高的VPI樹脂。以環氧酸酐為標桿，選取國內較為常用的兩種樹脂，與環氧酸酐做同比試驗，分別從樹脂性能、穩定性、干燥性及浸漬線圈(棒)后的性能同比，希望能找到較為優異的樹脂，代替環氧酸酐浸漬樹脂。

1 試驗材料及方法

1. 1 原材料

環氧酸酐：工業品；1號樹脂：工業品；2號樹脂：工業品；云母帶：工業品；電磁線：工業品。

1. 2 試驗方法

按GB/T 15022.2——2007《電氣絕緣無溶劑可聚合樹脂復合物試驗方法》檢測性能。按JB/T 50133——1999《中大型高壓電機整浸線圈質量分等》標準評判線圈質量等級。

1. 3 試驗儀器及設備

旋轉黏度：Brookfiled CAP 2000+；介質損耗因數：上海精密科學儀器有限公司產QS37型介質損耗測試儀；擊穿電壓：HT-50C型擊穿電壓測試儀；溫度指數：耐馳TG209F3、玻璃化溫度：耐馳DSC209F3。

1. 4 制備試驗線圈材料及規格

電磁線：SBEMB-40/155自粘性雙玻璃絲包薄膜繞包銅扁線；SBEFB-70/155-2N自粘性雙玻璃絲包云母帶繞包銅扁線；云母帶：5446-1D(0.14×25)薄膜補強云母帶，5442-1(0.15×25)玻璃布補強云母帶；低阻帶(0.08×25)。

1. 5 試驗線圈的絕緣結構

風電電機及6 kV高壓電機的絕緣結構：SBEMB-40/155；對地絕緣采用5446-1D薄膜補強云母帶半疊包；低阻帶平包。

10 kV高壓電機絕緣結構：SBEFB-70/155-2N；對地絕緣采用5446-1D(0.14×25)薄膜補強云母帶及5442-1(0.15×25)玻璃布補強云母帶按1…1混包，低阻帶半疊包。

1. 6 試驗線圈浸漬工藝

浸漬均采用相同的10 kV電機浸漬工藝，只是保證在浸漬時樹脂的黏度在100 MPa·s左右，所以黏度高的樹脂需要加熱浸漆。

預烘：線圈預烘100 ℃/2 h；

真空：抽真空至100 Pa以下計時，保真空1 h；

輸漆：將樹脂預烘在達到黏度為100 MPa·s時的溫度后，在負壓狀態下開始輸漆，漆液面高于工件最高點100 mm；

浙江省金華市相繼出臺了《金華市區傳統村落保護專項資金管理辦法》《金華市傳統村落名錄申報認定辦法》《金華歷史文化名城保護規劃》《金華市歷史文化街區管理辦法》等政策。由此可見，金華市政府與社會各界在保護傳統村落方面投入了大量的人力、物力。

加壓：干燥壓縮空氣 0.6 MPa/5 h；

卸壓回漆，出罐滴漆，

烘焙工藝： 130 ℃/2 h，170 ℃/8 h

烘焙結束后，冷卻至室溫后拆去模具及聚四氟乙烯薄膜，進行清理后測試。

1. 7 線圈電老化試驗

對線圈施加2倍額定電壓的高壓電，記錄線圈因電因子而引起的主絕緣性能不可逆變化而導致絕緣失效的時間。

2 結果與討論

2. 1 常規性能測試

3種樹脂常規性能測試數據如表1所示。測試標準參照GB/T 15022.2——2007，樹脂固化條件按廠家提供。從測試的數據上看，環氧酸酐樹脂黏度相對高，而固化揮發份也相對偏高，2號樹脂的揮發份最好；介質損耗因數的數據是2號樹脂最優，尤其在熱態條件下。

2. 2 樹脂穩定性測試對比

表1 3種樹脂的常規性能測試數據

表2 樹脂穩定性測試數據

從表2中數據可看出，相對來說，1號樹脂穩定性最為優異,2號樹脂次之。

2. 3 樹脂耐熱性測試對比

熱失重曲線作為評價耐熱性的標準有局限性，已經被材料常規老化試驗所取代，但在相同的條件下其能快速地比較材料的耐熱性，在樹脂篩選上具有快速、方便等優點，常常被采用。將樹脂固化后的漆片在TG 209F3儀器上測試，氮氣氣氛，升溫速率為5 K/min，溫度范圍從室溫到700 ℃，結果如圖1所示。可看出，1號樹脂在失重5%及殘碳率方面均優于2號及環氧酸酐樹脂，說明1號樹脂相對耐熱指數高一些。

圖1 3種樹脂的耐熱曲線圖

2. 4 玻璃化轉變溫度

圖2 3種樹脂的玻璃化轉變溫度曲線

玻璃化轉變溫度是表征高聚物性能的重要參數之一。浸漬樹脂的玻璃化轉變溫度太高，表明其樹脂太硬，剛性太大，柔韌性差，電機在制造和長期運行過程中容易產生微小裂紋；而玻璃化轉變溫度太低，樹脂柔韌性好，但剛性差，其熱態機械性能和電氣性能不好。有文獻[4-5]明確指出：“如果浸漬樹脂玻璃轉變溫度較高，則主絕緣破裂的危險性較大”。“大型電機所用的樹脂的玻璃轉變溫度范圍在95～120 ℃。”圖2為3種樹脂采用差示掃描量熱儀測試的玻璃化轉變溫度，對比可看出，2號樹脂及環氧酸酐樹脂的玻璃化溫度偏高。

2. 5 線圈常態介質損耗因數測試對比

3種樹脂浸漬的風電結構的線圈，其常態介質損耗因數及增量的測試數據對比如表3所示。

表4所示為10 kV絕緣結構線圈的常態介損及增量測試數據對比。

表3 風電結構線圈常態介損及增量

表4 10 kV結構線圈常態介損及增量

從上述對比數據可看出，依據JB/T 50133——1999《中大型高壓電機整浸線圈質量分等》，環氧酸酐及1號樹脂浸漬的線圈，全部指標均能夠達到優等品標準，而2號樹脂浸漬的風電線圈有部分指標只能達到一等品標準。

2. 6 線圈熱態介損及擊穿強度測試對比

風電結構的熱態介損、擊穿強度及評判如表5所示。

表6所示為10 kV絕緣結構線圈的熱態介損、擊穿強度及評判測試數據對比。

表5 風電結構熱態介損、電氣強度及評判

表6 10 kV絕緣結構熱態介損、電氣強度及評判

續表6

從表5、表6中數據可看出，在所測試的項目中，環氧酸酐及1號樹脂浸漬的線圈電氣性能相當，所有指標均能達到行業優等品標準，而2號樹脂浸漬的線圈，某幾項要稍差一些，只能達到一等品標準。

2. 7 線圈電老化測試數據對比

所有線圈在施加2倍額定電壓的高壓電下，均超過1 200 h未引起線圈絕緣失效，說明3種樹脂所浸漬的線圈均能滿足風電電機及高壓電機的絕緣要求。

3 結 語

通過對3種樹脂的性能測試對比，可得出如下結論：(1) 常規性能中，1號樹脂相對揮發份較低，熱態下的介質損耗因數也較優，樹脂儲存穩定性較好，優于環氧酸酐樹脂及2號樹脂；(2) 耐熱性上，3種樹脂相差不大，不過1號樹脂的玻璃化溫度較為適中；(3) 在線圈的測試中，環氧酸酐及1號樹脂電性能相當，個別數據二者稍有差距，而2號樹脂浸漬的線圈電性能普遍次于環氧酸酐及1號樹脂。從綜合使用工藝來看,1號樹脂最適于風電電機及高壓電機的絕緣處理，可替代環氧酸酐浸漬樹脂。

【參 考 文 獻】

[1] 夏宇,王文,陶純初,等.JF-9955環氧酸酐常溫浸漬VPI樹脂及其在風力發電機上的應用[C]∥全國風力發電技術協作網第五屆年會論文集,成都,2011: 257-267.

[2] 夏宇,毛繼業,陶純初,等.JF-9955環保型環氧酸酐VPI樹脂的性能與應用研究[C]∥全國絕緣材料與絕緣技術專題研討會,2010: 34-40.

[3] ZEN C P,XIA Y.Epoxy-anhydride VPI resin with low viscosity and application in 5 MW permanent magnet synchronous wind-driven generators[C]∥Electrical Insulation Conference, Annapolis,Maryland,5 to 8 June,2011:141-145.

[4] 張光蓉.大型高壓電動機和發動機絕緣系統的進展[J].東方電機,2001(1): 125-128.

[5] 漆臨生,梁智明,何海洋,等.國產環氧酸酐無溶劑浸漬樹脂應用研究[C]∥中國電工技術學會學術年會論文集,2011: 327-336.