高導熱少膠云母帶的研究與探討

鄭 剛，朱慧盈，余雙敏

（上海電氣電站設備有限公司發電機廠，上海 200240）

0 引言

隨著電機容量的不斷提高，定子絕緣溫升限制逐漸成為電機設計的瓶頸，大容量的機組尤其是間接冷卻電機更是受到繞組溫升等指標限制而難以設計。研究表明[1]，當間接冷卻發電機定子線圈絕緣導熱系數提高1 倍時，在不改變電機尺寸的條件下，將使發電機定子線圈的熱點溫度降低10℃或者能量密度提高10%。若進一步配套通風優化措施，可以獲得更多的收益。

為了將銅線的熱量更好地傳導出去，提高主絕緣的導熱性能是必要且有效的措施。國外公司豐羅、西門子、三菱等從20 世紀80 年代就開展了大型電機定子線圈高導熱（HTC）材料的研究工作，且開發的高導熱云母帶已成功應用到產品中[2-3]。同期，國內科研院所和企業對高導熱云母帶也開展了大量的研究工作[4-6]，但由于高導熱主絕緣材料的成本高、電氣性能低和工藝性不佳，高導熱絕緣材料并沒有在電機行業得到廣泛應用。近年來，隨著氮化硼（BN）表面處理技術的改良和高導熱填料涂覆工藝的優化，高導熱BN/環氧樹脂復合材料的研究逐漸取得突破[7-8]，高導熱BN 云母帶再次成為行業研究的熱點方向。

本文針對應用于VPI 工藝的BN 高導熱少膠云母帶開展研究，提出高導熱云母帶導熱系數的綜合評估方法，并探討未來高導熱云母帶開發的優化方向。

1 電機主絕緣及導熱填料

高壓電機定子線圈主絕緣的主要組分為云母紙、玻璃布和環氧樹脂，主絕緣截面SEM 圖如圖1所示，各組分含量見表1。

表1 主絕緣成分比例及導熱系數(典型值)Tab.1 Proportion and thermal conductivity(typical value)of main insulation components

從圖1 和表1 可以看出，主絕緣中填充云母之間的樹脂導熱系數較低，會影響主絕緣的導熱性能。為了提高主絕緣的導熱性能，一般在樹脂材料中添加具有高導熱系數的填料。

高導熱填料主要有碳材料（碳納米管、石墨烯）、金屬材料（Cu、Ag）[9]和無機非金屬材料3大類。其中，無機非金屬材料由于其較好的絕緣特性可應用在高導熱主絕緣中。無機非金屬材料包括氮化物，如氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）等；氧化物，如三氧化二鋁（Al2O3）、二氧化硅（SiO2）、氧化鎂（MgO）等；碳化物，如碳化硅（SiC）等。各種材料的導熱系數和特性如表2 所示。從表2 可以看出，作為無機導熱填料，BN 具有介質損耗和介電常數低，電氣強度高和導熱性能好的特點，是研制低介質損耗、低介電常數的高導熱環氧樹脂復合材料的良好填充材料[10]。

表2 常見導熱填料導熱系數及特性Tab.2 Thermal conductivity and properties of common thermal conductive fillers

2 基材性能

選取4 種填料為BN 的高導熱少膠云母帶為研究對象，并對其基本性能進行測試，結果如表3 所示。從表3 可以看出，隨著BN 膠黏劑含量的增加，高導熱少膠帶的厚度逐漸增大，其中4#少膠云母帶為了顯著提升BN 含量，將云母紙含量進行了調整，為后面的研究提供了對比的典型樣本。同時可以看出，添加BN 填料后，高導熱少膠云母帶的透氣性明顯下降，達不到GB/T 5019.7—2009 中規定的常規少膠云母帶透氣度小于1 000 s/100 mL 的要求，這將會影響高導熱少膠云母帶的浸透能力。

表3 高導熱少膠云母帶性能Tab.3 Properties of HTC dry mica tape

3 云母帶微觀形貌分析

對各云母帶云母紙側的外表面、玻璃布側的外表面分別進行了SEM 測試，在此僅展示了1#樣品的SEM 圖，如圖2 所示。從圖2 可以看出，云母帶中高導熱BN 膠層緊密涂覆在玻璃布側，所有云母帶都是這一相同結構。

圖2 含BN云母帶SEM圖Fig.2 SEM images of mica tape with BN

根據各高導熱云母帶中導熱BN 膠黏劑的SEM圖，對導熱BN 膠黏劑中的BN 尺寸進行了測量與統計，結果如圖3和表4所示。

圖3 云母帶中BN粒徑分布Fig.3 BN particle size distribution of mica tape

從圖3和表4可以看到，1#、2#和3#高導熱云母帶的BN 粒徑較均勻，但4#高導熱云母帶的BN 尺寸更大，平均粒徑是其他云母帶中BN的18～33倍。

表4 云母帶中BN粒徑尺寸統計Tab.4 BN particle size statistics of mica tape

文獻[11]研究了不同粒徑的BN 對環氧樹脂復合材料導熱系數的影響，發現粒徑分別為5～8、15～20、25～30 μm 的BN 環氧樹脂復合材料，導熱系數分別為1.103、1.243、1.476 W/(m·K)，表明在BN粒徑為5～30 μm 的情況下，填充較大粒徑的BN 環氧樹脂復合材料具有更高的導熱性能。

綜上，4#高導熱云母帶的BN粒徑最大，BN涂層含量也最高，以此推測，理論上4#少膠云母帶的導熱系數最高。

4 材料工藝性評估

云母帶的包扎質量直接影響到固化后主絕緣的電氣性能，因此高導熱少膠云母帶的工藝性評估至關重要。使用4種高導熱少膠云母帶進行繞包測試，發現4 種高導熱少膠云母帶在繞包時均存在少量邊緣拉絲現象，同時褶皺嚴重。通過調整張力至80 N，1#少膠云母帶包扎后無褶皺，效果最優，4#少膠云母帶包扎質量最差，相同包扎尺寸下4#少膠云母帶的包扎層數也最少，高導熱云母帶繞包效果如圖4所示。

圖4 高導熱云母帶繞包Fig.4 Wrapping of HTC mica tapes on a coil

經分析，高導熱少膠云母帶的厚度對包扎質量影響較大，涂覆BN 膠黏劑后，高導熱少膠云母帶手感偏硬，而且隨著BN 含量的提高，1#～4#高導熱少膠云母帶試樣的厚度也逐漸增大（即使4#已減少了云母紙的含量）。因此，從包扎效果上來看，BN 膠黏劑含量不宜超過90 g/m2，且繞包時要適當提高包扎張力、調整包扎速度和包帶角度等。

5 導熱系數的測量與計算

5.1 云母帶導熱系數測量

將1#～4#高導熱少膠云母帶與常規少膠云母帶采用同一環氧酸酐VPI 樹脂（Bakelite EPR 162 +EPH 868）浸漬，按相同的包扎、VPI及固化工藝制備試樣，使試樣與電機主絕緣的膠含量相當，并對所有試樣進行導熱系數測試，具體測試方法如下：

（1）試樣尺寸及要求：固化后的主絕緣加工成尺寸為45 mm×45 mm，厚度為1～4 mm 的試樣；試樣上下表面應平行，表面平整；各云母帶材料制成的主絕緣膠含量差異控制在5%范圍內；每種試樣不少于3個。

（2）測試方法：按照ASTM E 1530-2004 采用熱流計法進行測試，測試設備為美國ANTER 公司MODEL 2022 型導熱系數測試儀，測試時試樣兩側涂覆導熱硅脂以消除空氣對測試的干擾，測試溫度為90℃。

圖5為不同云母帶繞包主絕緣的導熱系數測試結果。從圖5 和表3 可知，當膠含量相同時，高導熱主絕緣的導熱系數隨BN 含量的提高而增大，比常規云母絕緣提升了約27%～46%；理論導熱系數最高的4#少膠云母帶BN 含量最高，粒徑也最大，但實測發現其主絕緣導熱系數并不是最高。這說明BN達到一定量后，增加的BN 并未形成有效的導熱路徑，如果將在玻璃布側多余的那部分BN 膠黏劑轉移到云母紙與玻璃布之間，將會優化主絕緣的導熱路徑。

圖5 主絕緣膠含量及導熱系數Fig.5 Resin content and thermal conductivity of main insulation

5.2 綜合導熱系數的計算

對于處于穩態熱平衡狀態的系統，一般情況下，可以根據熱力學基本理論對熱流量進行定量描述，如式（1）所示。

式（1）中：Q為熱流量；λ為導熱系數；A為導熱截面積；δ為絕緣厚度；ΔT為溫差。

隨著高導熱無機填料含量的提高，雖然提高了云母主絕緣的導熱系數，但是也會影響云母帶的厚度、包扎工藝性以及成型后主絕緣的電氣性能，因此高導熱云母帶對電機的貢獻不應該只用導熱系數λ來衡量，還要將其他性能的損失計算在內。本研究將式（1）中的λ/δ定義為綜合導熱系數，用λs表示，單位為W/(m2·K)，即某一額定電壓下云母帶的綜合導熱系數如式（2）所示。

式（2）中：E為材料電氣性能評估場強；U為額定電壓，本研究取值為11 kV。

根據式（2）計算得到各高導熱云母帶繞包主絕緣的λs如表5所示。

表5 高導熱云母帶繞包主絕緣的λs計算結果Tab.5 Calculation results of λs of main insulation warpped by HTC mica tape

從表5 可以看出，在11 kV 下，采用3#高導熱少膠云母帶的主絕緣綜合導熱系數最高，約為常規少膠帶主絕緣的1.33 倍，而BN 含量最高的4#少膠云母帶繞包的主絕緣綜合導熱系數最低，說明在云母帶中提高BN 填料的粒徑和比例并非是提高綜合收益的最佳途徑。

綜上，主絕緣的電氣性能對綜合導熱系數的影響不容忽視，因此高導熱少膠云母帶不宜通過降低云母含量來換取BN 填料含量的提高，在滿足工藝性的情況下，壓縮玻璃布和膠黏劑厚度方向的空間是一個可以考慮的優化方向。

6 結論

（1）在現有VPI體系下，采用高導熱云母帶比常規云母帶的主絕緣導熱系數最高能提升46%，但提高填料含量和增大填料粒徑到一定程度后，少膠云母帶基本性能的變化使得導熱系數并不隨BN 填料比例增加而上升。

（2）用綜合導熱系數λs來衡量高導熱云母帶的貢獻更為客觀全面，采用高導熱云母帶比常規云母帶的主絕緣綜合導熱系數最高能提升33%。

（3）配方設計時要考慮高導熱填料在主絕緣中能形成有效的導熱路徑，包括優化少膠帶的結構和工藝性來降低主絕緣的有機物含量，同時也應關注主絕緣電氣性能、耐熱性能和力學性能的變化。