主絕緣中可揮發(fā)物對(duì)多膠模壓線棒耐熱性的影響

付新星，饒保林，韋衍樂，曾栢順

（桂林理工大學(xué) 有色金屬及材料加工新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

前言

多膠模壓絕緣是我國大型高壓電機(jī)定子線圈主絕緣的傳統(tǒng)絕緣體系，但由于近十余年來隨著VPI技術(shù)的引進(jìn)和發(fā)展，我國VPI技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，不少電機(jī)廠紛紛投入資金進(jìn)行技術(shù)改造，放棄傳統(tǒng)的多膠模壓工藝轉(zhuǎn)而采用少膠VPI工藝，多膠模壓絕緣體系的傳統(tǒng)主導(dǎo)地位開始受到動(dòng)搖。不少人認(rèn)為，少膠VPI絕緣體系比多膠熱壓絕緣體系先進(jìn)，多膠熱壓絕緣體系將會(huì)逐步被淘汰，故近期關(guān)于多膠熱壓絕緣體系的研究已經(jīng)越來越少了。

客觀地說，少膠VPI和多膠熱壓兩種絕緣體系各有優(yōu)缺點(diǎn)[1-2]，不應(yīng)簡(jiǎn)單地說哪種技術(shù)更先進(jìn)。能不能制造出性能優(yōu)良的主絕緣，關(guān)鍵還在于原材料的質(zhì)量水平、生產(chǎn)設(shè)備的先進(jìn)程度、生產(chǎn)管理水平和對(duì)該技術(shù)的掌握程度。我國從上世紀(jì)六十年代開始制造大型高壓發(fā)電機(jī)以來，線圈主絕緣一直采用多膠模壓絕緣體系，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)非常熟悉，作者認(rèn)為應(yīng)該繼續(xù)研究和完善，以求得進(jìn)一步發(fā)展是有必要的。

實(shí)際上，目前國外一些著名的公司，例如 GE公司的Micapal絕緣體系、Alston公司的Isotenax絕緣體系、GEC公司的 Micamal絕緣體系和東芝公司的Tisrich絕緣體系，采用的都是多膠熱壓工藝，只不過這些公司大都采用液壓成型，我國則以模壓成型為主。

作者認(rèn)為，液壓線棒和模壓線棒在成型工藝控制方面還是有一定差別的，其差別主要在于云母帶揮發(fā)分的脫除方面。液壓線棒在加壓固化前，經(jīng)歷了真空脫除氣隙和揮發(fā)分的工藝過程，理論上可以象VPI線棒那樣做到無氣隙。模壓線棒由于成型過程中不能抽真空，只能在加壓前通過緩慢升溫，盡可能脫除揮發(fā)分，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)加壓，才能保證線棒的整體性和主絕緣的性能，故線棒主絕緣中或多或少會(huì)殘留一些可揮發(fā)物。這些殘留的可揮發(fā)物對(duì)主絕緣的性能無疑是有害的，但到底有多大影響，尚未見報(bào)道。

本文為探討主絕緣中的可揮發(fā)物對(duì)多膠模壓線棒性能的影響，制備了模擬線棒，對(duì)模壓前經(jīng)真空脫除揮發(fā)分和沒有專門脫除揮發(fā)分的兩種線棒進(jìn)行了冷熱循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

云母帶：5440-1G高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃粉云母帶，蘇州巨峰絕緣系統(tǒng)股份有限公司生產(chǎn)，厚度0.14mm，揮發(fā)分 1.1%，膠含量 34～39%；鋁排：橫截面尺寸15mm×45mm，圓角1mm。

1.2 線棒包扎工藝

按25～33%的壓縮量預(yù)計(jì)，手工半疊包19層，成型后線棒的單邊絕緣厚度為3.5mm。

1.3 線棒壓制工藝

預(yù)先不脫揮發(fā)分的線棒：室溫送入壓機(jī)，給接觸壓力后升溫，以 0.8～1.0℃/min升溫速度，先升至130～140℃保溫 60min，期間放氣2～3次，給半壓后繼續(xù)升溫，再升至150-155℃保持至流膠快要膠化時(shí)給全壓（5MPa），樹脂凝膠后升至170±3℃保溫保壓5h，冷卻至50℃以下卸模。

預(yù)先真空脫揮發(fā)分的線棒：不帶模具放入預(yù)熱在120℃的真空箱，120～125℃0.3kPa保持 90min，期間解除真空 2次。脫完揮發(fā)分后立即轉(zhuǎn)移到預(yù)熱在125～130℃的模具中，送入壓機(jī)并給半壓后以0.8～1.0℃/min升溫速度升溫，升至150-155℃保持至流膠快要膠化時(shí)給全壓（5MPa），樹脂凝膠后升至170±3℃，保溫保壓5h，冷卻至50℃以下卸模。

1.4 性能測(cè)試

線棒主絕緣工頻介電損耗：直接用模擬線棒測(cè)試，采用三電極系統(tǒng)，電極長(zhǎng)度 250mm，保護(hù)電極間隙2mm，其余按JB/T 7608-1994高壓交流電機(jī)線圈介質(zhì)損耗角正切試驗(yàn)方法及限值。主絕緣的機(jī)械性能、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等性能則先用機(jī)加工方法從線棒上剝下主絕緣，然后按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)要求加工試樣、檢測(cè)其性能。其中，主絕緣的彎曲性能：試驗(yàn)方向沿線棒縱向，試樣跨距 64mm，試驗(yàn)速度 2mm/min，其余按GB/T 9341-2000塑料彎曲性能試驗(yàn)方法；主絕緣的沖擊強(qiáng)度：簡(jiǎn)支梁法無缺口試樣，支點(diǎn)跨距70mm ，其余按GB/T 1043.1-2008塑料簡(jiǎn)支梁沖擊性能；主絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)：試樣尺寸 25.4mm×25.4mm×4.0mm，熱流方向垂直于線棒縱向，取2個(gè)試樣的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，其余按 ASTM E 1530-2006 Standard Test Method for Evaluating the Resistance to Thermal Transmission of Materials by the Guarded Heat Flow Meter Technique；主絕緣的密度：試樣尺寸與導(dǎo)熱系數(shù)試樣相同，其余按GB/T 1033.1-2008塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定 第 1部分 浸漬法、液體比重瓶法和滴定法中的方法A(浸漬法)；主絕緣的熱失重：稱量主絕緣冷熱循環(huán)前后質(zhì)量的變化，精確至 0.001g，試樣原始質(zhì)量 150～200g。

1.5 冷熱循環(huán)試驗(yàn)程序

室溫→直接放入恒定在 180℃的老化烘箱內(nèi)保持21h→從烘箱取出放入25℃環(huán)境中保持3h，每24h一個(gè)試驗(yàn)周期。

2 結(jié)果與討論

2.1 真空條件下脫除的揮發(fā)分

對(duì)于真空脫除揮發(fā)分的線棒，事先稱量好鋁排的質(zhì)量，并稱量包扎云母帶后真空處理前和真空處理后線棒的質(zhì)量，進(jìn)而得到真空處理后云母帶的失重即脫除的揮發(fā)分。進(jìn)行真空處理后，云母帶脫除的揮發(fā)分為1.0～1.2%（見表1），與云母帶中原有的揮發(fā)分基本相符，說明在此條件下云母帶中的揮發(fā)分已基本全部脫除，線棒主絕緣中已沒有可揮發(fā)物，稱這種線棒為主絕緣中無揮發(fā)物的線棒。

表1 真空條件下脫除的揮發(fā)分

2.2 主絕緣中的可揮發(fā)物對(duì)線棒介電性能的影響

對(duì)于模壓前未經(jīng)真空處理的線棒，盡管采用了緩慢升溫的壓制工藝，比較有利于脫除揮發(fā)分，但理論上講也不可能完全脫盡揮發(fā)分，我們假設(shè)這種線棒主絕緣中或多或少存在一些可揮發(fā)物，為方便起見，本文稱這種線棒為“主絕緣中有揮發(fā)物的線棒”。這兩種線棒在進(jìn)行冷熱循環(huán)處理之前，常態(tài)介電損耗、高溫介電損耗和損耗增量都很?。ㄒ姳?、表3），看不出明顯差別。但按1.5的試驗(yàn)程序?qū)@兩種類型的線棒進(jìn)行180→25℃冷熱循環(huán)處理后，損耗增量的差別就大了（見圖1）。

圖1

主絕緣中有揮發(fā)物的線棒，冷熱循環(huán) 6個(gè)周期后（180℃累計(jì)歷時(shí) 21×6=126h），損耗增量就開始急劇增大，線棒敲擊聲聽起來已經(jīng)開始發(fā)空。

主絕緣中無揮發(fā)物的線棒，損耗增量?jī)H在冷熱循環(huán)前 2個(gè)周期稍有增大，14個(gè)周期后（180℃累計(jì)歷時(shí)21×14≈300h）損耗增量仍基本保持不變，甚至略有下降，線棒敲擊聲聽起來仍非常清脆。

表2 主絕緣中的揮發(fā)物對(duì)冷熱循環(huán)后線棒室溫介電損耗及損耗增量的影響 （%）

表3 主絕緣中的揮發(fā)物對(duì)冷熱循環(huán)后線棒155℃介電損耗的影響（試驗(yàn)電壓3kV） （%）

2.3 主絕緣中的揮發(fā)物對(duì)線棒主絕緣力學(xué)性能的影響

主絕緣中的揮發(fā)物對(duì)線棒主絕緣力學(xué)性能的影響也非常嚴(yán)重（見表4）。線棒經(jīng)過14個(gè)周期的冷熱循環(huán)后，有揮發(fā)物的線棒主絕緣的層間粘接力已經(jīng)很小，用機(jī)加工方法從線棒上剝下主絕緣時(shí)和加工試樣時(shí)，主絕緣分層很嚴(yán)重，已經(jīng)沒有多少機(jī)械強(qiáng)度。而無可揮發(fā)物的線棒主絕緣在經(jīng)歷14個(gè)周期的冷熱循環(huán)后，機(jī)械強(qiáng)度仍幾乎保持不變，線棒敲擊聲仍然非常清脆，表明主絕緣的整體性仍然很好。

2.4 主絕緣中的揮發(fā)物引起線棒主絕緣耐熱性下降機(jī)理的討論

參見表5和表6，主絕緣中存在揮發(fā)物時(shí)，經(jīng)冷熱循環(huán)14個(gè)周期后，主絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)由0.30下降至0.21 W/(m·K)，密度由1.94下降至1.79g/cm3，線棒厚度增大了1.25～1.70mm，線棒寬度增大了0.24～0.44mm。主絕緣無揮發(fā)物時(shí)，主絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)、密度僅略有下降而已，線棒尺寸變化也很小。主絕緣中存在揮發(fā)物時(shí)，主絕緣的熱失重也比無揮發(fā)物的主絕緣大得多（見圖2）。

主絕緣中有、無揮發(fā)物兩種情況下，主絕緣的耐熱性或耐冷熱循環(huán)能力為什么會(huì)產(chǎn)生如此大的差異？作者認(rèn)為，多膠模壓線棒主絕緣的揮發(fā)物主要來自云母帶中殘留的丙酮、甲苯等揮發(fā)性溶劑，這些溶劑沸點(diǎn)低、蒸氣壓大，高溫下將產(chǎn)生很大蒸氣壓。例如丙酮在150℃下的蒸氣壓為1.17MPa，相當(dāng)于大氣壓的11.5倍；甲苯在136℃下的蒸氣壓為0.2MPa，相當(dāng)于大氣壓的2倍[3]。盡管在主絕緣中只是殘留微量甚至是跡量的溶劑，但由于溶劑蒸氣受到主絕緣的隔阻不能立即遷移到主絕緣的外面，必定會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一定的壓力，并在主絕緣的層間形成內(nèi)應(yīng)力，造成主絕緣的層間粘接性下降并產(chǎn)生氣隙，導(dǎo)致主絕緣介電損耗增量急劇增大、力學(xué)性能急劇下降、導(dǎo)熱系數(shù)的下降、密度下降、線棒尺寸增大、熱失重加快。

圖2 揮發(fā)物對(duì)線棒主絕緣熱失重的影響

表4 主絕緣中的可揮發(fā)物對(duì)冷熱循環(huán)后線棒主絕緣力學(xué)性能的影響

表5 主絕緣中的可揮發(fā)物對(duì)冷熱循環(huán)后線棒主絕緣導(dǎo)熱系數(shù)、線棒整體性的影響

表6 主絕緣中的可揮發(fā)物對(duì)冷熱循環(huán)后線棒尺寸的影響

3 結(jié)語

通過對(duì)主絕緣中有、無揮發(fā)物的模擬線棒的耐冷熱循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）盡可能減少或完全消除主絕緣中的任何可揮發(fā)物，對(duì)確保線棒主絕緣的性能是非常重要的。主絕緣中即使存在少量可揮發(fā)物，也會(huì)導(dǎo)致線棒主絕緣的耐熱性和耐冷熱循環(huán)能力大幅度降低。

（2）鑒于我國傳統(tǒng)的多膠模壓工藝中沒有真空脫除揮發(fā)分的工藝過程，為保證主絕緣的耐熱性和耐冷熱循環(huán)能力，壓制線棒時(shí)的升溫速度應(yīng)盡可能慢一些，最好能增加真空脫除揮發(fā)分的工藝過程。

（3）解決多膠模壓線棒主絕緣中存在可揮發(fā)物的最好辦法是采用多膠液壓工藝，呼吁有關(guān)電機(jī)廠恢復(fù)多膠液壓技術(shù)的應(yīng)用和研究，繼續(xù)跟蹤國外先進(jìn)公司該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

[1]何智江. 三峽左岸電站發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣技術(shù)特點(diǎn)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2003, (6)：1-4.

[2]袁曉紅, 王玉田. VPI 與模壓的發(fā)電機(jī)定子線棒之性價(jià)比[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2011, (1)： 37-38,64.

[3]程能林. 溶劑手冊(cè)(第二版)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 1994, 143, 467.