高導(dǎo)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(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 200240）

0 引言

隨著電機(jī)容量的不斷提高，定子絕緣溫升限制逐漸成為電機(jī)設(shè)計(jì)的瓶頸，大容量的機(jī)組尤其是間接冷卻電機(jī)更是受到繞組溫升等指標(biāo)限制而難以設(shè)計(jì)。研究表明[1]，當(dāng)間接冷卻發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣導(dǎo)熱系數(shù)提高1 倍時，在不改變電機(jī)尺寸的條件下，將使發(fā)電機(jī)定子線圈的熱點(diǎn)溫度降低10℃或者能量密度提高10%。若進(jìn)一步配套通風(fēng)優(yōu)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(dǎo)出去，提高主絕緣的導(dǎo)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(jì)80 年代就開展了大型電機(jī)定子線圈高導(dǎo)熱（HTC）材料的研究工作，且開發(fā)的高導(dǎo)熱云母帶已成功應(yīng)用到產(chǎn)品中[2-3]。同期，國內(nèi)科研院所和企業(yè)對高導(dǎo)熱云母帶也開展了大量的研究工作[4-6]，但由于高導(dǎo)熱主絕緣材料的成本高、電氣性能低和工藝性不佳，高導(dǎo)熱絕緣材料并沒有在電機(jī)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著氮化硼（BN）表面處理技術(shù)的改良和高導(dǎo)熱填料涂覆工藝的優(yōu)化，高導(dǎo)熱BN/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究逐漸取得突破[7-8]，高導(dǎo)熱BN 云母帶再次成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)方向。

本文針對應(yīng)用于VPI 工藝的BN 高導(dǎo)熱少膠云母帶開展研究，提出高導(dǎo)熱云母帶導(dǎo)熱系數(shù)的綜合評估方法，并探討未來高導(dǎo)熱云母帶開發(fā)的優(yōu)化方向。

1 電機(jī)主絕緣及導(dǎo)熱填料

高壓電機(jī)定子線圈主絕緣的主要組分為云母紙、玻璃布和環(huán)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(dǎo)熱系數(shù)(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(dǎo)熱系數(shù)較低，會影響主絕緣的導(dǎo)熱性能。為了提高主絕緣的導(dǎo)熱性能，一般在樹脂材料中添加具有高導(dǎo)熱系數(shù)的填料。

高導(dǎo)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(jī)非金屬材料3大類。其中，無機(jī)非金屬材料由于其較好的絕緣特性可應(yīng)用在高導(dǎo)熱主絕緣中。無機(jī)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(dǎo)熱系數(shù)和特性如表2 所示。從表2 可以看出，作為無機(jī)導(dǎo)熱填料，BN 具有介質(zhì)損耗和介電常數(shù)低，電氣強(qiáng)度高和導(dǎo)熱性能好的特點(diǎn)，是研制低介質(zhì)損耗、低介電常數(shù)的高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的良好填充材料[10]。

表2 常見導(dǎo)熱填料導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱少膠云母帶為研究對象，并對其基本性能進(jìn)行測試，結(jié)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(dǎo)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(jìn)行了調(diào)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(dǎo)熱少膠云母帶的透氣性明顯下降，達(dá)不到GB/T 5019.7—2009 中規(guī)定的常規(guī)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(dǎo)熱少膠云母帶的浸透能力。

表3 高導(dǎo)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(cè)的外表面、玻璃布側(cè)的外表面分別進(jìn)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(dǎo)熱BN 膠層緊密涂覆在玻璃布側(cè)，所有云母帶都是這一相同結(jié)構(gòu)。

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

根據(jù)各高導(dǎo)熱云母帶中導(dǎo)熱BN 膠黏劑的SEM圖，對導(dǎo)熱BN 膠黏劑中的BN 尺寸進(jìn)行了測量與統(tǒng)計(jì)，結(jié)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(dǎo)熱云母帶的BN 粒徑較均勻，但4#高導(dǎo)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(tǒng)計(jì)Tab.4 BN particle size statistics of mica tape

文獻(xiàn)[11]研究了不同粒徑的BN 對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)粒徑分別為5～8、15～20、25～30 μm 的BN 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，導(dǎo)熱系數(shù)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(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有更高的導(dǎo)熱性能。

綜上，4#高導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)最高。

4 材料工藝性評估

云母帶的包扎質(zhì)量直接影響到固化后主絕緣的電氣性能，因此高導(dǎo)熱少膠云母帶的工藝性評估至關(guān)重要。使用4種高導(dǎo)熱少膠云母帶進(jìn)行繞包測試，發(fā)現(xiàn)4 種高導(dǎo)熱少膠云母帶在繞包時均存在少量邊緣拉絲現(xiàn)象，同時褶皺嚴(yán)重。通過調(diào)整張力至80 N，1#少膠云母帶包扎后無褶皺，效果最優(yōu)，4#少膠云母帶包扎質(zhì)量最差，相同包扎尺寸下4#少膠云母帶的包扎層數(shù)也最少，高導(dǎo)熱云母帶繞包效果如圖4所示。

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

經(jīng)分析，高導(dǎo)熱少膠云母帶的厚度對包扎質(zhì)量影響較大，涂覆BN 膠黏劑后，高導(dǎo)熱少膠云母帶手感偏硬，而且隨著BN 含量的提高，1#～4#高導(dǎo)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(dāng)提高包扎張力、調(diào)整包扎速度和包帶角度等。

5 導(dǎo)熱系數(shù)的測量與計(jì)算

5.1 云母帶導(dǎo)熱系數(shù)測量

將1#～4#高導(dǎo)熱少膠云母帶與常規(guī)少膠云母帶采用同一環(huán)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(jī)主絕緣的膠含量相當(dāng)，并對所有試樣進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)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(yīng)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(nèi)；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(jì)法進(jìn)行測試，測試設(shè)備為美國ANTER 公司MODEL 2022 型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，測試時試樣兩側(cè)涂覆導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果。從圖5 和表3 可知，當(dāng)膠含量相同時，高導(dǎo)熱主絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)隨BN 含量的提高而增大，比常規(guī)云母絕緣提升了約27%～46%；理論導(dǎo)熱系數(shù)最高的4#少膠云母帶BN 含量最高，粒徑也最大，但實(shí)測發(fā)現(xiàn)其主絕緣導(dǎo)熱系數(shù)并不是最高。這說明BN達(dá)到一定量后，增加的BN 并未形成有效的導(dǎo)熱路徑，如果將在玻璃布側(cè)多余的那部分BN 膠黏劑轉(zhuǎn)移到云母紙與玻璃布之間，將會優(yōu)化主絕緣的導(dǎo)熱路徑。

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

5.2 綜合導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算

對于處于穩(wěn)態(tài)熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，一般情況下，可以根據(jù)熱力學(xué)基本理論對熱流量進(jìn)行定量描述，如式（1）所示。

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

隨著高導(dǎo)熱無機(jī)填料含量的提高，雖然提高了云母主絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)，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(dǎo)熱云母帶對電機(jī)的貢獻(xiàn)不應(yīng)該只用導(dǎo)熱系數(shù)λ來衡量，還要將其他性能的損失計(jì)算在內(nèi)。本研究將式（1）中的λ/δ定義為綜合導(dǎo)熱系數(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)如式（2）所示。

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

根據(jù)式（2）計(jì)算得到各高導(dǎo)熱云母帶繞包主絕緣的λs如表5所示。

表5 高導(dǎo)熱云母帶繞包主絕緣的λs計(jì)算結(jié)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(dǎo)熱少膠云母帶的主絕緣綜合導(dǎo)熱系數(shù)最高，約為常規(guī)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)的影響不容忽視，因此高導(dǎo)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(yōu)化方向。

6 結(jié)論

（1）在現(xiàn)有VPI體系下，采用高導(dǎo)熱云母帶比常規(guī)云母帶的主絕緣導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)并不隨BN 填料比例增加而上升。

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

（3）配方設(shè)計(jì)時要考慮高導(dǎo)熱填料在主絕緣中能形成有效的導(dǎo)熱路徑，包括優(yōu)化少膠帶的結(jié)構(gòu)和工藝性來降低主絕緣的有機(jī)物含量，同時也應(yīng)關(guān)注主絕緣電氣性能、耐熱性能和力學(xué)性能的變化。