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1、耐高压绝缘材料的研究现状及进展卢春莲（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨，150040）摘要：本文对国内外耐高压绝缘材料的研究现状和进展进行了综述，介绍了耐高压绝缘材料在高导热性、耐热性、环保性及纳米改性等方面发展状况。为进一步的研究、制备新型耐高压绝缘材料，提高材料的性能提供了可能地参考方向。关键词：高导热，耐热，纳米改性，环保，绝缘材料Research Status and Progress of High Voltage Insulation MaterialsLu chun lian(Harbin Institute of Large Electric Machinery, Harbin, 1
2、50040, China )Abstract: This paper presents the status and progress of high voltage insulation materials in the world. And it introduces the develop trends on high voltage insulation materials of high thermal conductivity, heat resistance, environmental protection and nano material modification. The
3、 paper provides reference methods to research and fabricate any new high voltage insulation materials and further improve the performance of the insulation materials. Key words: high thermal conductivity; heat resistance; nano material modification; environmental protection; insulation materials随着中国
4、的经济发展规模不断扩大，经济发展的基础能源的需求不断增加。2005 年我国人均年发电量 1897 亿度，到 2007 年增长为 2512 亿度。在2008 年，虽然国际金融危机影响了我国的经济的发展速度，但是能源需求仍在增长，人均年发电量增加到 2631 亿度。而发达国家人均年发电量一直在 6600-15000 亿度之间，我国与发达国家相比，还有很大的差距，这说明我国装机容量仍有很大的发展空间。原电力部计划司司长吴敬儒预计，到 2015 年我国人均年发电量将达 4153 亿度，进一步接近发达国家的水平。从节省资源、减少排放、保护环境角度看，发展高电压、大容量、高性能的百万千瓦级以上大型发电机组
5、，是今后发展的趋势。2009 年由东方电机厂、哈尔滨电机厂、西安交通大学等单位共同研究 1000MW 水轮发电机组耐环境因素试验，模拟长期运行时的环境如潮湿、油污、粉尘等因素对定子绕组绝缘性能的影响。此项试验研究在国际上尚属首例，试验结果表明哈电的局部放电量和耐电压试验两项实验参数均明显占优势。同年由哈尔滨理工大学和哈尔滨电机厂等单位共同完成 1000MW 水轮发电机组冷热循环试验，经过 500 个循环周期，局部放电量和介质损耗等参数没有明显变化。尽管我国水电百万千瓦级机组的制备质量已居世界领先地位，但是发电机需要的主绝缘材料仍需进一步开发具备良好的热态机械强度、高云母含量、较高的耐热性和导热
6、性的新型绝缘材料。在开发新型绝缘材料的同时，更要兼顾环保问题，开发绿色材料，保护我们的生态环境。因此，从今后趋势来看，高导热绝缘、耐热绝缘、环保型绝缘、纳米改性绝缘是研究开发重点关注的方向。1 高导热绝缘材料 空冷汽轮发电机的制备、运行和维护的成本低，降低了电磁力及机械力造成的损耗，设计到制备的时间周期短，所以大型空冷发电机是目前研究和应用的热点产品。济南发电设备厂 2008 年制备了国内最大容量的 330MW 空冷汽轮发电机 1。哈电公司采用新的全空冷技术，制备了三峡 700MW 水轮发电机，填补了大容量空冷水轮发电机国内制备空白，达到了世界先进水平。目前哈电公司正在研制 350MW 空冷汽
7、轮发电机，是目前国内最大容量的空冷型汽轮发电机。为了提高空冷发电机的容量和工作效率，高导热的绝缘体系逐步发展起来 2。因为线棒中没有冷却回路，省却了相关的辅助设备，电机的可靠性和维护性得到提高。使用高导热的绝缘体系，简化了冷却系统和减少了电气损耗，发电机的效率得到提高。电机定子线棒的高导热绕组绝缘体系有：高导热的丝包电磁线、高导热的主绝缘材料、槽内绝缘和固定绝缘等。日本日立公司、瑞士依索拉公司、德国西门子公司及美国杜邦公司等国际知名企业在研制高导热材料方面保持着领先优势 3。国内高导热主绝缘材料的研究历史很短，1997 年桂林电器科学研究所、哈尔滨大电机研究所、哈尔滨绝缘材料厂和哈尔滨理工大学
8、开始联合立项研究。重点的研究方向是高导热多胶粉云母带和高导热半导体填充胶。虽然在研制过程中遇到很多困难，没有达到实用的程度，但是为今后研究和使用高导热绝缘材料奠定了基础 4,5。国外研究大约起源于20世纪80年代。大部分的高导热绝缘材料研究，还仅限于复合材料范围内，即高导热陶瓷材料和高分子绝缘材料的共混复合，所得材料的导热系数还不高，导热绝缘高分子复合材料在导热机理和应用开发等方面的研究还远不如导电材料的研究深入，对于导热主绝缘材料的导热机理、导热模型、导热性能测试及仪器的研究和认识都相对肤浅 。因此，纳米导热填料的研究和开发；聚合物基体的物理化学改性；聚合物基体与纳米导热填料复合新技术的探索
9、；导热机理的研究等将成为高导热绝缘高分子复合材料研究的方向 6，目前哈尔滨大电机研究所在此方向做进一步的研究工作。据J.Allison， R.rutsch, A.lutz（瑞士依索拉公司） 7, 8, 9近期的研究报导，在保持绝缘材料导热系数0.5W/mK 的同时，导热填料总量比以前减少了50左右，有效地改善高导热少胶粉云母带的生产工艺性。数据结果显示BN是比Al 2O3更高效的导热填料，填料的添加量降低可能是使用氮化硼和三氧化二铝复合填料，具体工艺及比例还处于保密状态。 日本东芝公司和瑞士依索拉公司合作，在VPI少胶云母带的胶中添加无机高导热材料BN，制备出高导热主绝缘材料，2001年成功应
10、用在250MVA空冷汽轮发电机和350MVA氢冷汽轮发电机上。添加高导热BN颗粒，没有降低云母带的耐电压水平和介质损耗水平。与同容量的电机相比，电机的正常运行温度降低了10左右。从M. Tari与J. Allison等人研究结果看，用高导热的绝缘体系，提高了电机冷却系统的效率，扩大了电机的容量，空冷电机的容量可以达到400MVA，氢冷电机的容量能达到600MVA 10。由于高导热绝缘技术的研究，降低发电机定子铁心、绕组铜导线及其绝缘温差和均匀温度分布问题，在空冷方式的1000 MW级水电机组中，将继续进行高导热绝缘技术研究和推广应用 11。 高导热绝缘材料已成为现代电机技术研究的重点方向之一
11、12。2 耐热绝缘材料耐热绝缘材料对各种电机实现小型化、大容量化有重要意义，是现代绝缘材料产品的重点发展方向之一。新型耐高温无溶剂漆是重要的绝缘材料之一，主要包括有机硅类、环氧类、聚酰亚胺类、二苯醚类、聚酯酰亚胺类、不饱和聚酯类等，每种材料都有各自的优缺点，而且其它方向也有新产品相继问世 13。我国在耐高温无溶剂漆方面一直在做研究工作。陈月辉等 14以甲氧基二苯醚和乙酰苯胺为原料,合成一种新型的苯胺二苯醚树酯,并与环氧树脂共聚,共聚物的热分解温度可达365.25,温度指数为187.14，可作为耐高温绝缘材料应用于电机电器领域。俞翔霄 15等研究了环氧改性耐热聚酯无溶剂漆，将聚酯无溶剂漆的耐热等
12、级提高到H级。张建华 16利用有机硅预聚体与不饱和聚酯进行缩合反应，制备了有机硅改性不饱和聚酯树脂，并以其为基体制备了性能优良的H级无溶剂浸渍漆。文清云等 17研制了一种改性环氧类的 H级无溶剂浸渍树脂;,该浸渍树脂与环氧类少胶云母带有良好的VPI配套性、不含易挥发性成份、具有良好的贮存稳定性,能够适用于特种电机H级绝缘的 VPI处理工艺。李强军等 18制得一种亚胺改性不饱和耐热聚酯H级无溶剂浸渍漆，具有良好的贮存稳定性、耐高温、介质损耗因数低和分子量分布窄等特点。无溶剂有机硅浸渍漆是一种高性能绿色环保的新型绝缘材料，其优异的耐高低温性能、绝缘性能满足C级绝缘要求。C 级无溶剂有机硅浸渍漆的研
13、究工作在我国起步比较晚，虽然在此方面也做了许多尝试, 并取得一定的进展 19,但仍不能满足电机制造业发展的需求,不能自给,仍依赖于从国外进口。有机硅浸渍漆随着其性能的提高不断得到认可,其应用范围逐步在扩大,因此无溶剂有机硅浸渍漆是绝缘漆产品未来的发展方向 20。尽管我国在新型耐高温无溶剂漆的研究方面投入了较大的人力和物力，取得了较多的成果。但是目前耐高温无溶剂漆仅能适用于中小型高温电机，仍不能满足高压大电机的使用要求。在国内外市场需求的拉动下，我国研究者也对大型发电机的VPI 浸渍漆体系进行了一些研究和开发，并仿制西门子等公司技术推出了一些产品 21, 22。但产品质量和档次比较低，仍不能满足
14、高压大电机的使用要求，此类市场仍被进口产品所占领。为此，满足高压大电机需求的耐高温无溶剂漆是今后需要重点研究的一个方向。制备大容量百万机组是今后发展趋势，当前发电机工作的电压等级已提高到26kV、容量的增大到百万千瓦以上 23，使得电机在工作时放出的热量大幅度增加，因此必须提高绝缘材料的耐热等级才能保证电机的正常使用。在VPI绝缘体系中，定子线棒的主绝缘材料主要由粉云母纸、玻璃布和合成树脂三种组份组成，粉云母纸和玻璃布都是无机材料，本身具有很好的性能，因此合成树脂的好坏决定了绝缘的性能。而合成树脂又分二部份，一部份是少胶粉云母带中的粘合树脂，另一部份是渗透到绝缘中的浸渍树脂。前者为四分之一，后
15、者达到四分之三，由此可知浸渍树脂在固化绝缘中对性能起决定性影响。所以，选用新型耐高温浸渍树脂，才能提高VPI绝缘体系定子线棒的耐高温性 24。在模压绝缘体系中，目前国内定子线棒主绝缘材料为双酚 A 型环氧桐马玻璃粉云母带，其耐热等级能达到 F 级的要求 25。但 双酚 A 型环氧树脂，其分子链具有一定的柔顺性，使环氧桐马绝缘体系达不到 H 级绝缘耐热要求，热稳定性质离散度大。在提高环氧树脂型胶粘剂性能的同时,可以通过引入耐热性基团,开发一种具有高耐热性的树脂。另外还可以开发非环氧型胶粘剂,比如高性能聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅树脂等耐热胶粘剂，使胶粘剂形成多品种共存的局面。3 环保型绝缘材料
16、 绝缘材料在制备过程中产生的有害物质，在制造、检测、安装及维护过程中对人员的身体健康有相当大的危害。欧盟 2002 年颁布了电器与电子设备废料指令( WEEE)和电器与电子设备所含有毒物质限制指令 ( RoHS)指令。为此，绝缘材料行业开发少、无污染和资源保护型的高环境性能绝缘材料已成当务之急 26。如何解决绝缘材料中所含有的有害物质一直是电气各行业所关注的焦点问题。制备电磁线所用的绝缘漆中，绝大部分用的是甲酚和二甲苯等有毒溶剂，这些有机溶剂毒性较大，目前试制开发低毒或无毒溶剂，用乙二醇醚类，二乙二醇乙醚和 N甲基吡咯烷酮等代替毒性较大的甲酚及二甲苯作溶剂 27,28。另外，通过提高漆的固体含量和降低粘度，减少溶剂甲酚及二甲苯的含量，在国内也被逐步认识 29，高固体含量漆的应用也日益增多。利用水基溶剂漆 30和无溶剂漆 31,32的技术目前也在研制中,但是合成原材料成本较高，还存在技术上的问题有待于解决。目前我国大型
