絕緣紙的性能及Nomex絕緣紙的特性和應用

肖鵬遠焦曉寧

(1.天津工業(yè)大學紡織學院，天津，300160;2.天津工業(yè)大學改性與功能纖維天津市重點實驗室，天津，300160)

絕緣紙的性能及Nomex絕緣紙的特性和應用

肖鵬遠1焦曉寧2

(1.天津工業(yè)大學紡織學院，天津，300160;2.天津工業(yè)大學改性與功能纖維天津市重點實驗室，天津，300160)

論述了絕緣紙在機械性能、熱穩(wěn)定性和電氣性能等主要性能方面的要求，重點分析了采用Nomex制成的絕緣紙的性能優(yōu)勢，并比較了Nomex絕緣紙和幾種國產(chǎn)絕緣紙的功能。

絕緣紙，性能，應用，Nomex

絕緣紙通常是由植物纖維、礦物纖維、合成纖維或其混合物，通過水或其他介質(zhì)將纖維沉積在造紙機上而形成的薄頁狀材料。絕緣紙具有高的抗撕裂強度、伸長率小、絕緣性好，因此廣泛用作電機、電纜、電容器和變壓器中的絕緣材料，也是層壓制品、復合材料和預浸材料等絕緣材料的主要組成材料［1］。

紙作為電氣設備的絕緣材料已有悠久的歷史，表1是絕緣紙用材料的發(fā)展歷程。早在1861年人們就已經(jīng)用紙作為電容器的介質(zhì)，1893年開始用作電纜的線芯絕緣［2］，絕緣紙在電工設備中，如電機、變壓器、電纜和電容器中都有著非常廣泛的用途。絕緣紙的性能直接影響到相關設備的運行可靠性和使用壽命。

傳統(tǒng)的以植物纖維為原料的各種絕緣紙如快巴紙、牛皮紙等，最大缺點是耐熱性差，其最大耐溫極限為105℃。當絕緣紙?zhí)幵诟邷丨h(huán)境中時，纖維素分子鏈會逐漸斷裂降解，從而使絕緣紙的機械強度急劇下降;吸濕性大，水分不易排出，極易受潮，影響絕緣性能;介質(zhì)損耗角正切值大，容易老化，滿足不了電工設備耐高電壓、大容量、耐高溫和耐環(huán)境因素影響的要求。同時，植物纖維造紙要消耗大量的木材、棉花和麻等。礦物纖維造紙因在開采和造紙過程中粉塵大，對操作工人的健康有影響已停止使用，有的礦物纖維在造紙時需添加膠黏劑，使用不普遍。長期以來，我國電機工業(yè)以云母等為主要絕緣材料，由于云母等材料的耐熱性能差，絕緣層厚度大，因此制成的電機功率較小，體積較大，并且大部分電機是E級和B級絕緣(長期工作溫度分別為120℃和130℃)。若要制造F級或H級電機(長期工作溫度分別為155℃和180℃)，則由于采用的云母紙厚度較大，機械強度差，所制成的電機體積較大，功率還是較小，電機的可靠性較差［2-5］。

表1 絕緣紙用材料發(fā)展歷程

近年來隨著電力行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代發(fā)電設備與輸電設備向高壓大容量發(fā)展，伴隨著世界科學技術的飛躍發(fā)展，研發(fā)和生產(chǎn)出了多種高性能合成纖維并應用于造紙工業(yè)上，如聚酯纖維紙、聚芳酰胺纖維紙、聚砜纖維紙、聚噁二唑纖維紙等，成功地應用在電瓶、變壓器、電容器等電氣設備上，特別是芳綸絕緣紙的應用最為普遍和成功。

1 絕緣紙的性能要求

由于絕緣紙的特殊用途，要求其必須具備一些不同于其他紙種的特性，主要包括機械性能、電氣性能和熱穩(wěn)定性［6］。

1.1 機械性能

絕緣紙在使用過程中會受到各種外力的影響，如高壓大容量發(fā)電機所用的絕緣紙要能承受高速旋轉、起動停止以及突然短路造成的很大機械應力，因此要求有較高的機械性能，主要包括抗張強度和斷裂伸長率。不同的電氣設備對絕緣紙的要求不同，如電力電纜絕緣紙一般用于額定電壓不高于35kV的電氣設備，GB 7969—2003標準對其機械性能的規(guī)定見表2;500 kV變壓器匝間絕緣紙主要適用于額定電壓不大于500 kV的變壓器、電抗器等匝間絕緣，QB/T 3521—1999標準對其機械性能規(guī)定見表3。

表2 電力電纜絕緣紙機械性能指標

表3 500 kV變壓器匝間絕緣紙的機械性能指標

1.2 熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性是絕緣紙很重要的一個指標，是產(chǎn)生低壓絕緣老化的一個主要因素，決定其使用壽命。在正常運行情況下，電場強度對絕緣老化過程僅產(chǎn)生輕微的影響。絕緣紙長時間在溫度比較高的環(huán)境下使用，會因熱老化而發(fā)脆，逐步喪失其機械性能和電氣性能。國內(nèi)外許多學者采用加速老化的方式對絕緣紙的熱老化進行了研究［7］，通過采用原子力顯微鏡及光譜分析等方式［8］發(fā)現(xiàn)絕緣紙在熱應力的作用下，纖維形態(tài)及分子結構受到破壞，聚合度降低，抗張強度下降［9］。國際電工委員會(IEC)絕緣系統(tǒng)技術委員會(TC98)根據(jù)絕緣紙的使用壽命，把電機絕緣系統(tǒng)按耐熱性能分類為Y、A、E、B、F、H、C、N和R等9級，對應極限溫度分別為90、105、120、130、155、180、200、220和250℃。

1.3 電氣性能

絕緣紙廣泛應用在電氣設備上，因此需滿足一定的電氣性能。絕緣紙的電氣性能是指其在電場作用下發(fā)生的極化、電導、介質(zhì)損耗和擊穿特性。

電介質(zhì)在電壓作用下會有能量損耗，人們一般習慣用電介質(zhì)損耗角正切tanδ來描述電介質(zhì)的損耗，tanδ僅取決于材料特性。tanδ值越高，則電介質(zhì)引起的損耗就越大，可能會引起電介質(zhì)劇烈發(fā)熱而導致絕緣破壞，因此在高電壓電氣設備中要選取低tanδ值的絕緣紙材料。絕緣紙的電導性和介質(zhì)損耗受雜質(zhì)和水分的影響非常大。當絕緣紙中雜質(zhì)和水分的含量多時，其絕緣電阻值會增大，尤其當含有金屬離子時會增加紙的絕緣損耗［9-10］。

當作用于電介質(zhì)的外施場強升高到某一定值時，電介質(zhì)便由介電狀態(tài)突變?yōu)橥耆珜щ姞顟B(tài)，該過程稱為電介質(zhì)擊穿，此時的電場強度稱為擊穿場強，也稱擊穿強度。絕緣紙的擊穿強度受其緊度和透氣度的影響最大。緊度過大或過小都會降低絕緣紙的擊穿強度，當緊度相同時絕緣紙的透氣度越小，其擊穿強度越大。

絕緣紙的各項性能是相互關聯(lián)的，不能分開孤立地看。在選用和開發(fā)材料的過程中，要綜合地平衡各種材料的優(yōu)缺點。此外，要制造出具有電氣性能良好的的絕緣紙，在生產(chǎn)過程中還要盡量避免金屬離子等雜質(zhì)和氣泡、水分的存在，并且絕緣紙要具有較高的均勻性。應用在不同場合和設備上的絕緣紙有不同的規(guī)格，如適用于層壓絕緣制品面密度為60 g/m2的未漂浸漬絕緣紙，其工頻擊穿電壓為550 V/層，水分含量5.0%～8.0%，灰分含量不大于0.8%;適用于500 kV級油紙電容式套管用絕緣紙，其干紙tanδ不大于0.23%，工頻擊穿強度不小于7.5 kV/mm，水分含量6.0%～9.0%。

由于電機應用在不同的環(huán)境中，如有在濕熱帶條件下運行的電機，有在放射性輻射下運行的電機，化工廠用電機經(jīng)常會接觸高濃度的腐蝕性化學介質(zhì)，船用或沿海地區(qū)使用的電機要接觸海水鹽霧等，絕緣紙的壽命會受到不同環(huán)境條件的影響，因此絕緣紙還要滿足一定的物理化學性能要求，如耐日光、紫外線和X光等照射，耐酸、堿等其他腐蝕性氣體，防潮、抗老化和抗氧化等。此外，由于絕緣紙是在直流或低頻電壓作用下使用，其耐電解性能也是一項重要的指標。

2 Nomex絕緣紙的特性及其應用

1960年美國杜邦公司研制生產(chǎn)出了屬H級絕緣的耐高溫材料諾梅克斯纖維紙(Nomex絕緣紙)。1967年真正形成了Nomex絕緣紙工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。由于Nomex絕緣紙的出現(xiàn)，在電工用耐高溫絕緣材料領域引起了一場變革［11］。

Nomex絕緣紙是以聚間苯二甲酰間苯二胺短纖維和沉析纖維(也即漿粕)為原料，采用斜網(wǎng)成型濕法抄紙，隨后干燥熱軋得到Nomex絕緣紙［12］。聚間苯二甲酰間苯二胺是由酰胺鍵間芳香環(huán)所構成的線性大分子，其短纖維提供機械強度;沉析纖維提供介電強度，起填充劑和膠黏作用。沉析纖維是Nomex絕緣紙的重要原料，也是生產(chǎn)Nomex絕緣紙的一個重大難點［13-14］。

2.1 Nomex絕緣紙的性能

Nomex絕緣紙廣泛應用于F、H級電機，具有良好的熱穩(wěn)定性、電氣性能、機械強度、化學兼容性和適應性等特性。

2.1.1 熱穩(wěn)定性

Nomex絕緣紙最重要的特性是長久熱穩(wěn)定性，即使溫度超過220℃依然能保持良好的穩(wěn)定性，在液體冷卻介質(zhì)中高溫運行不會裂解，在正常工作狀態(tài)下，該絕緣紙可耐受180℃溫度(變壓器中普通絕緣紙為A級絕緣，耐受溫度105℃)，在180℃下可使用10年以上，使用壽命高于工業(yè)用有機耐高溫紙［15］。Nomex絕緣紙在200℃干熱狀態(tài)下放置1 000 h，機械強度保持率為75%;在120℃濕熱狀態(tài)下放置1 000 h，機械強度保持率仍有60%以上;在370℃以上分解出少量CO2、CO和N2氣體［16］。

2.1.2 阻燃性能

Nomex絕緣紙的阻燃性很好，極限氧指數(shù)(LOI)≥28%，不會在空氣中燃燒、熔化或產(chǎn)生熔滴，而只在極高的溫度下(>370℃)才開始分解。Nomex的阻燃性能是由其自身化學結構決定的，不會隨著使用過程的進行而減弱或消失。從分子結構上看［17］，由于聚合物的主鏈上含有大量芳基，在燃燒時可縮合成芳構型碳，產(chǎn)生的氣態(tài)可燃性產(chǎn)物少，而碳不僅本身的LOI值高達65%，而且形成的炭層能覆蓋于燃燒著的高聚物表面使火焰熄滅。

2.1.3 電氣性能

Nomex絕緣紙具有優(yōu)異的電氣特性。與一些常用的絕緣材料相比，Nomex制品的介電常數(shù)為1.5～2.5，與空氣的介電常數(shù)接近。當冷卻介質(zhì)為空氣時，Nomex絕緣紙與冷卻介質(zhì)間的電場分布較為均勻，故使用Nomex制品作絕緣系統(tǒng)的高壓電機和變壓器具有較高的抗大氣過電壓和內(nèi)部過電壓能力。結構致密的Nomex絕緣紙在短時間內(nèi)可以承受18～40 kV/mm的電應力，具體取決于其型號及厚度［18］。在工頻電壓下，Nomex絕緣紙具有出色的介電強度，并且介電損耗也較小，故在用作絕緣材料時電機消耗的電量不多，發(fā)熱量少，可以減少材料因過熱而發(fā)生的擊穿現(xiàn)象，不易老化。

2.1.4 機械性能

致密的Nomex絕緣紙強度非常高，且彈性好，較薄級別的產(chǎn)品則具有柔軟性。Nomex絕緣紙的抗撕裂性和耐磨性都很好。

2.1.5 化學穩(wěn)定性

Nomex絕緣紙的分子是由酰胺橋鍵互相連接的芳基所構成的線性大分子，在其晶體中氫鍵在兩個平面內(nèi)排列而形成氫鍵的三維結構［19］。由于較強的氫鍵作用，使之結構穩(wěn)定，具有優(yōu)良的耐化學性，能耐大多數(shù)高濃度的無機酸、有機溶劑和化學試劑。

2.1.6 耐輻射性

Nomex絕緣紙耐β、α和X射線輻射的性能十分優(yōu)異。例如在50 kV的X射線下輻射100 h，其強度保持率為73%，而聚酯和聚酰胺纖維產(chǎn)品在同樣條件下已經(jīng)變成粉末;在β射線輻射量積累到1 000 Mrad時，其強度仍基本保持不變。

Nomex具有很多優(yōu)良的性能，但同時也存在不足。例如，耐光性較差，在人工紫外線或日光照射下，纖維外觀會變?yōu)樯钋嚆~色(固有色澤是白色); Nomex的熱縮性也是個不容忽視的問題，在實際應用中由于Nomex絕緣紙受熱收縮會引起相應設備發(fā)生故障［20］。

2.2 Nomex絕緣紙的分類

為了適應不同的用途，杜邦公司不斷開發(fā)新型號的Nomex絕緣紙，并不斷進行改性，其生產(chǎn)的型號主要有9種，列于表4。

2.3 Nomex絕緣紙的應用

2.3.1 電動機和發(fā)電機中的應用

Nomex絕緣紙廣泛地應用在發(fā)電機和電動機等轉動設備中，其具體應用包括做導線包紙、槽絕緣襯、楔塊中部和頂部的撐條、相絕緣、極片和線圈支架、整流子V形環(huán)、引線絕緣和對地絕緣。如厚度為0.18～0.38 mm的Nomex T-410及T-414由于柔軟易于成型，可方便地插入作為槽絕緣襯;厚度0.51～0.76 mm的Nomex絕緣紙的硬度特別適合于槽楔、頂棒及中棒。

表4 杜邦公司生產(chǎn)的Nomex絕緣紙種類

Nomex絕緣紙應用于發(fā)電機和電動機中用作接地絕緣時，可以防止電動機過早損壞及設備停機。由于Nomex優(yōu)異的耐熱性能，可以使電動機有時由于某些原因而遇到溫度大大高于其設定的額定值的情況下仍能保持良好運轉。由于Nomex絕緣紙耐撕裂，可使無規(guī)則繞組電動機的槽絕緣襯在線圈繞組和成型時不易受損。

2.3.2 變壓器中的應用

Nomex絕緣紙廣泛地應用于各種變壓器，可用作導線包紙、層絕緣、相絕緣、芯線絕緣、線端絕緣、靜電環(huán)、撐條和墊塊等。由于Nomex具有優(yōu)異的性能，以Nomex絕緣的變壓器與普通變壓器相比，具有很多的優(yōu)點:①Nomex為C級絕緣材料，可以減少變壓器的冷卻空間，使變壓器的結構更加緊湊，質(zhì)量相應減少，既降低制造成本，又降低空載損耗;②普通變壓器通過降低基座溫度的升高量來補償運行過程中的熱點溫度，因而增大了變壓器的尺寸，而用Nomex絕緣的變壓器具有很大的溫度儲備能力來承受熱點，增強了變壓器承受諧波負載的能力;③超銘牌額定容量運行能力強，不開裂;④Nomex優(yōu)異的抗潮性使其可以在最潮濕的環(huán)境中應用;⑤環(huán)保性能好，使用Nomex絕緣紙的干式變壓器燃燒時不會放出有毒或有腐蝕性的氣體，在變壓器壽命終結后其絕緣材料可處理降解。

3 幾種國產(chǎn)絕緣紙

3.1 國產(chǎn)芳綸絕緣紙

國內(nèi)芳綸絕緣紙市場曾長期依賴進口，其生產(chǎn)技術曾被美國杜邦公司長期獨家壟斷。為了打破國外技術壟斷，我國自主研發(fā)制造了專用的纖維制造系統(tǒng)，利用獨特的沉析技術生產(chǎn)出更適合濕紙頁抄造成型的芳綸沉析纖維，利用先進的紡絲技術和纖維表面處理工藝制造出更易于分散的芳綸短切纖維，并在此原料基礎上開發(fā)出獨特的纖維分散、紙頁抄造和高溫壓光技術，制造出性能優(yōu)良的芳綸絕緣紙［16］。

實驗對比發(fā)現(xiàn)［21］，我國自主生產(chǎn)的芳綸絕緣紙的各項性能已達到或接近于Nomex T-464型絕緣紙，且成本大幅降低。制造企業(yè)也可以根據(jù)客戶的要求，獨立地改變工藝或技術，生產(chǎn)出不同規(guī)格的產(chǎn)品。但與Nomex絕緣紙相比，國產(chǎn)芳綸絕緣紙仍存在以下不足:①成紙的均勻度不佳，熱軋后更差;②耐熱性不良，熱軋后紙發(fā)黃;③強度不及Nomex T-410，無法滿足高端用戶的使用要求。

3.2 芳砜綸絕緣紙

芳砜綸即聚苯砜對苯二甲酰胺纖維，為對位芳香族纖維。我國科技人員在研制芳砜綸時創(chuàng)造性地引入了對苯結構和砜基，使酰胺基和砜基相互連接對位苯基和間位苯基構成線性大分子［22］。由于大分子鏈上存在強吸電子的砜基基團，通過苯環(huán)的雙鍵共軛作用，使該分子的結構比Nomex具有更優(yōu)異的耐熱性、熱穩(wěn)定性與抗熱氧化性。同時，芳砜綸絕緣紙具有優(yōu)良的阻燃性、機械性能、絕緣性能和化學穩(wěn)定性等。表5和表6列出了芳砜綸絕緣紙和Nomex絕緣紙的部分性能對比。

從表中可以看出，芳砜綸絕緣紙的電氣性能與Nomex絕緣紙不分伯仲，盡管芳砜綸絕緣紙的機械性能與Nomex絕緣紙還有一定差距，但已達到IEC標準，且芳砜綸絕緣紙的耐熱性、阻燃性和熱穩(wěn)定性還好于Nomex絕緣紙，因此目前市場上的芳砜綸絕緣紙已成為F級和H級電機和電器的重要絕緣材料。

表5 芳砜綸絕緣紙和Nomex絕緣紙的機械和熱性能對比

表6 芳砜綸絕緣紙和Nomex絕緣紙的電氣性能對比［11］

3.3 聚噁二唑/聚酯纖維絕緣紙

聚噁二唑/聚酯纖維絕緣紙采用聚噁二唑漿料與聚酯纖維混合抄制而成［23］，該絕緣紙單獨或與電工薄膜復合后，可用于電機、電器中的襯墊絕緣、匝間絕緣、相間絕緣和槽絕緣。產(chǎn)品具有耐熱性能好、電氣性能優(yōu)良及價格低廉等優(yōu)點，并可部分代替Nomex絕緣紙，具有較好的發(fā)展前景，聚噁二唑/聚酯纖維絕緣紙的主要技術指標見表7。

表7 聚噁二唑/聚酯纖維絕緣紙主要技術指標

4 結語

絕緣紙對電力電氣設備的穩(wěn)定運行起著不可忽視的作用。今后的趨勢是要求發(fā)展耐高壓、耐熱絕緣，無溶劑、無公害絕緣，復合絕緣，耐水、耐油、耐深冷絕緣和節(jié)能等高性能、環(huán)保型的絕緣紙，因此要大力加強新材料、新工藝的開發(fā)，增大創(chuàng)新力度，并積極加速傳統(tǒng)電氣設備絕緣紙的更新?lián)Q代。

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The insulation paper’s properties and the performance and application of Nomex paper

Xiao Pengyuan1，Jiao Xiaoning2
(1.School of Textiles，Tianjin Polytechnic Universityl 2.Tianjin Key Laboratory of Fiber Modification and Functional Fiber，Tianjin Polytechnic University)

At the beginning of this thesis，several kinds of raw material used in insulation paper were introduced，and the main properties including mechanical properties，thermal stability and electrical properties were described.The advantages of Nomex insulation paper performances which contrasted with several kinds of domestic insulating paper were analysed in detail.

insulation paper，property，application，Nomex

TM215.6

A

1004－7093(2010)01－0031－06

2009－11－09

肖鵬遠，男，1986年生，在讀碩士研究生。研究方向是功能性非織造材料。