國內電機絕緣材料和工藝及絕緣結構現狀及分析

管兆杰， 黃慧潔， 康 駿

(上海電器科學研究所(集團)有限公司上海電器設備檢測所，上海 200063)

0 引言

電機所采用的絕緣材料、絕緣結構、絕緣工藝，不僅涉及到電機設計參數的選擇和整體結構的布局，還關系到電機運行的可靠性和運行壽命。絕緣系統各項技術經濟指標，在很大程度上反映電機的設計和制造水平。隨著科學技術的進步，對絕緣可靠性提出了更高的要求。為此必須開發和應用新型絕緣材料、合理的絕緣結構、先進的制造工藝和科學的絕緣試驗手段，最大限度地滿足電氣絕緣系統長期承受電、熱、機械及各種苛刻運行工況的要求。

1 絕緣材料及工藝

我國絕緣材料行業是一個高度分散的行業，絕緣材料分為電氣絕緣用漆，電氣絕緣用樹脂浸漬纖維制品，電氣絕緣用層壓制品、卷繞制品、真空壓力浸膠制品和引拔制品，電氣絕緣用塑膠制品，電氣絕緣用云母制品，電氣絕緣用膠粘帶、薄膜、柔軟復合材料，電氣絕緣用纖維制品，絕緣液體八大類。其中電機用絕緣材料生產企業有數百家，遍布全國，產品質量良莠不齊，對電機生產企業而言材料很難篩選。電機用絕緣材料中，作為絕緣結構中主要組分的為電磁線、浸漬漆和槽絕緣，其性能和加工工藝對電機絕緣結構有著決定性的影響，下文將對這三者的現狀及如何控制其性能質量進行初步分析。

1.1 電磁線

國內額定電壓為380～690 V的電動機所用標準漆包線大多為兩級漆膜，其耐電壓強度不夠高，而且多數漆包線都有小孔。在使用期間出現熱老化，這種漆變得越來越脆，產生裂紋的危險性增大。目前，國內的電磁線只需生產許可證便可通過3C安全認證，但這并沒有對其相應的溫度指數進行測試，所以無法證明電磁線的溫度指數是否達到了對應的需求。

對于傳統電動機，其電磁線應根據GB/T 6109進行性能測試，必須測試溫度指數，按GB/T 4074.7或GB/T 4074.8進行試驗。對于變頻電機，根據GB/T 6109測試常規性能之外，還要根據GB/T 21707進行耐電暈性能測試。

1.2 浸漬漆與浸漬工藝

目前國內B、F、H級浸漬漆分為有溶劑漆和無溶劑漆。B級浸漬漆一般用于小功率電機，而F級浸漬漆一般用于Y、Y2系列電機，H級浸漬漆一般用于冶金、防爆、礦山和鐵道牽引電機等特種電機。

對于傳統的有溶劑浸漬漆，由于含有約50%的溶劑，在烘培過程中溶劑大量揮發，固化后，僅有45%的固體含量，繞組間含有大量氣隙;且溶劑一般為苯系的芳香族化合物，存在一定的毒性，固化烘培中污染環境。無溶劑浸漬漆具有粘結性好、滲透填充性好、內干性好、固化物整體性好、電機溫升低、絕緣質量高等特性。在討論無溶劑漆時，要特別強調發展非苯乙烯體系的低揮發無溶劑漆。對于環氧型無溶劑樹脂，在高溫固化時，也約有20%的揮發物，同樣不能形成無氣隙絕緣。低揮發份聚酯型無溶劑樹脂是國際上第三代浸漬樹脂，其固化速度快，固化過程中揮發物小于5%。采用適當的浸漬工藝，基本上可以形成“無氣隙絕緣”。

由上述可以看出，絕緣漆或樹脂的溫度指數以及與電磁線的化學相容性對電機絕緣而言至關重要，但國內絕大部分產品沒有進行相關評定。變頻電機對絕緣漆的要求更高，要求其揮發份越小越好，做到無氣隙絕緣，提高電機絕緣結構的局部放電起始電壓，提高絕緣結構壽命。

對于傳統電動機，其浸漬漆應根據GB/T 1981.2進行性能測試，溫度指數根據GB/T 11028進行測試，并根據 GB/T 17948.2進行相容性試驗評定。變頻電機用絕緣樹脂在上述評定的基礎上，根據GB/T 7354對固化后的絕緣結構進行局部放電測試，有效控制絕緣結構的質量。

1.3 槽絕緣

槽絕緣材料目前使用NHN、NMN、DMD或F級DMD等由幾種混合物制成。復合材料一般用于傳統電動機的槽絕緣，但這類材料由于具有有機性，它們不能耐電暈，不適用于變頻電機用槽絕緣。

現在NHN、NMN或F級DMD和薄膜組成的組合絕緣非常普及。表面貼有聚酯絨布的產品應優先選用，而通常需要的是浸漬處理后全部為F級的材料。因此，兩層聚酯絨布間夾一層聚酯薄膜的絕緣是一種良好的材料。同其他材料相比，它在吸收樹脂方面占有優勢。這就意味著，漆或樹脂流出的危險性減少，可以實現與導線更好的粘接。此外，固化前定子搬運期滑動減少。槽絕緣、相間絕緣和線圈絕緣最好提高到H級。采用成本低廉的厚云母絕緣可能是一個良好的解決辦法。

對于傳統電動機，其槽絕緣應根據GB/T 5591.2進行性能測試，溫度指數根據GB/T 11026進行測試。變頻電機用槽絕緣在上述評定的基礎上，根據GB/T 7354對槽絕緣進行局部放電測試，有效控制絕緣結構的質量。

2 絕緣結構

電氣設備的運行壽命通常由其電氣絕緣結構(也稱作電氣絕緣系統)的壽命來確定，絕緣結構的好壞決定著電機的壽命，同時也是電機安全運行的基礎。

隨著全球能源緊張，新能源技術、新材料、新工藝的快速發展，電機正處于高能效、節能的發展階段，對絕緣結構的要求也與傳統的大不一樣，如果沒有一個權威專業的認證體系，產品的安全性和可靠性得不到保障，將會大大制約我國電機行業的發展，使電機在發展轉變的過程中投入巨大的成本。

新型電機中最具代表性的就屬變頻電機。采用交流變頻調速電機比直流調速電機具有顯著的優點。近年來，國際上變頻調速傳動裝置以每年13%～16% 的增長率發展，并有逐步取代大部分直流調速傳動裝置的趨勢。由于以恒頻、恒壓電源進行工作的普通異步電機應用于變頻調速系統時，存在著很大的局限性，國外發展了根據使用場合和使用要求而設計的專用變頻交流電動機。例如，有低噪聲、低振動用的電機，有提高低速轉矩特性的電機，有高速電機，有帶測速發電機的電機及矢量控制電機等。在交流變頻電動機的推廣應用過程中，曾出現大批交流變頻調速電動機絕緣早期損壞的情況。許多交流變頻電機運行的壽命只有1～2年，有的只有幾個星期，甚至在試運行中電機絕緣就出現損壞。

電機絕緣結構破壞一般是由于老化引起絕緣失效。

(1)熱老化。以電纜、導線為例，隨著溫度升高，絕緣體變軟，其抗剪強度就會喪失。在高溫下如果被其他物體擠壓，則絕緣體有可能會發生塑變甚至使導體外露最終釀成短路;當溫度超過絕緣體的額定值時，將導致絕緣退化(壽命縮短)，還可能造成塑變或炭化，引起過度退化;因過熱而老化并硬化的絕緣體如受到彎曲，就有可能出現裂紋。若溫度低于絕緣體的額定值，如果冷導線或電纜受到劇烈彎曲或沖擊時，絕緣體也會破裂。

(2)電氣老化。當絕緣材料承受高壓電場時，絕緣材料的表面或內部空隙會發生放電。屢次放電所產生的離子電弧和離子運動將嚴重侵蝕絕緣材料，使其絕緣性能下降。

(3)環境因素引起的老化。電機周圍有灰塵、腐蝕性氣體、水分、附著的油類和放射線等，使其加速老化。由于雜質離子的存在更容易產生離子電流和發生離子碰撞，因此一般的電線等導體表面會加防護套或涂防護漆，一方面起絕緣作用，另一方面可以保護導體不受周圍灰塵、氣體的侵蝕。

(4)機械老化。受起動－運行－停車或負荷變動所造成的交變負荷和交變沖擊的影響，絕緣材料與導電體之間因溫差及膨脹系數差而產生的反復應力與變形，會使絕緣性能下降。另外，受電磁力、離心力、振動和重力的作用，絕緣劣化也會加速，這方面尤以轉子繞組更明顯。因此，為防止固體電介質絕緣失效，應避免電介質受到振動、沖擊、壓力和其他環境因素所產生的應力，防止固體電介質變形、移位;應使固體電介質遠離酸、堿等腐蝕性很強的液體，或免受強烈射線的照射;電介質所處環境溫度不能過高，這就要求電氣設備超負荷工作時間不能過長。此外，應盡量避免在不均勻電場使用固體電介質，防止固體電介質的電擊穿。在選擇絕緣材料時也應有所側重，比如聚合物絕緣體在高溫環境下趨向于加速退化，而熱固性塑料絕緣材料如酚醛塑料比ABS、聚碳酸脂、聚丙烯或乙縮醛樹脂等工作性能好。

(5)氣體電介質的預防。對于某些電氣設備內部需要真空介質的情況，必須確保設備的嚴格密封，保持其真空度;保持電介質工作環境無污染、無粉塵等顆粒性物質。濕氣和污物積聚會形成腐蝕性物質，損害電容器和其他電子元器件。即使是在標準濕度的大氣條件下，濕氣也很可能圍繞污物積聚起來。如果不工作時設備還要承受潮濕侵蝕，必須有充分的防濕措施(如涂層)來加以保護。

絕緣結構的性能取決于絕緣材料之間的相互作用，合適的組合可有效改善絕緣結構的耐熱性能，絕緣結構只有具備和電機溫升相應的溫度指數，才能提高電機的安全運行壽命，反之，則會嚴重影響電機的絕緣性能，留下安全隱患。

歐美先進國家，在電機設計、生產的過程中，首先做的工作，就是對選用的絕緣結構進行耐熱性評定，評定合格的絕緣結構才能用于電機的生產，在電機批量生產過程中對絕緣結構的組分還有一套嚴格的控制程序。在我國，除少部分規模較大的電機企業外，大部分企業對絕緣結構未經評定就用于生產，而變頻電機絕緣結構還沒有企業進行測試，其產品安全性存在很大的隱患。

對于傳統電動機，其絕緣結構應根據GB/T 17948.1或GB/T 17948.2進行溫度指數或相容性測試。變頻電機絕緣結構根據GB/T 22720.1進行鑒定，證明結構具備相應的溫度指數和高局放性能，有效控制絕緣結構的質量。

3 絕緣材料及絕緣結構基準體系

長期以來，絕緣結構的耐熱性評定與考核代表了國際電機安全認證的最高水準，具有100多年歷史的美國保險商實驗室(Underwriter Laboratories Inc.，UL)絕緣結構認證就是很好的證明。

UL安全試驗所是美國最有權威的，也是世界上從事安全試驗和鑒定的較大的民間機構。它是一個獨立的、非營利的、為公共安全做試驗的專業機構。它采用科學的測試方法來研究確定各種材料、裝置、產品、設備、建筑等對生命、財產有無危害和危害的程度;確定、編寫、發行相應的標準和有助于減少及防止造成生命財產受到損失的資料，同時開展實情調研業務。UL針對絕緣結構的判斷標準為UL1446絕緣材料系統－總則 (Systems of Insulating Materials-General)，其中對于電機絕緣結構的老化評定及組分的替代規則，都有嚴格的控制和測試方法。絕緣系統的每個溫度等級都要經過標準UL1446要求的熱老化等來嚴格測試而確定。測試并非僅對單個材料的性能考慮，還要充分兼顧到整個系統材料的兼容性或相匹配性。因此，系統里會逐一把測試或評估合格的多種類及多規格的材料添加進去，系統也由此建立起來。但UL對于絕緣結構的研究主要著重于其熱老化性能，目前依據的標準只有UL1446。但對于變頻電機和核電用電機等新能源領域的產品，僅僅依據UL1446是不能鑒定電機絕緣結構的。UL目前也只具備傳統工頻供電下的電機絕緣結構鑒定能力，缺乏對于新型電機絕緣結構的測試基礎。

在國內，除部分規模較大的電機生產企業外，大部分企業對絕緣材料未經篩選及絕緣結構未經評定就用于生產，其產品安全性存在很大的隱患。目前為止，GB/T 17948體系未強制執行，符合中國國情的電機絕緣結構認證體系尚未建立，沒有經過試驗證明的、成熟的材料基準數據庫和絕緣結構基準數據庫。這使得普通電機生產企業在設計絕緣結構時，無法根據自身生產的需要，選擇具有合適的絕緣結構進行參考，無法遴選具有合適溫度指數和其他性能的絕緣材料。

近期，中國質量認證中心(CQC)通過了《電機用絕緣結構性能認證規則》(以下簡稱為《認證規則》)。《認證規則》對于三種不同類型的絕緣結構(已被運行經驗證明的絕緣結構、按相關標準評定過的絕緣結構、未被運行經驗證明且未按相關標準評定過的絕緣結構)如何根據GB/T 17948體系及其他相關國際標準進行絕緣結構評定，做出了詳細規定，使得國內電機用絕緣結構的性能認證有章可循。

根據國標GB/T 17948—2003《旋轉電機絕緣結構功能性評定總則》，已被運行經驗證明的絕緣結構是指穩定運行時間不少于10年的絕緣結構?！墩J證規則》中規定，申請此類絕緣結構的自愿認證，申請人需要提供以下資料:包含主要組分絕緣材料(電磁線、相間絕緣和對地絕緣及浸漬漆)的型號、溫度等級、電性能、機械性能的認證證書或權威第三方報告，以及該絕緣結構穩定運行10年以上的相關證明資料。如果無法提供主要組分材料的性能，則進行隨機試驗;如果絕緣材料通過隨機試驗，則認可其各項性能。同時，絕緣結構中的所有組分材料應送樣至檢測機構，用于樣品封存和一致性控制。一致性控制要求分別對絕緣結構主要組分材料進行紅外光譜圖備份，作為以后絕緣結構組分材料變更或證書有效期滿重新申請認證時進行一致性核驗的依據。在滿足一致性控制要求后，如主要組分絕緣材料性能資料和運行資料通過相關機構的審核，該結構即可獲得認證證書。

如果申請人的絕緣結構按GB/T 17948.1—2000《旋轉電機絕緣結構功能性評定 散繞繞組試驗規程熱評定與分級》標準(或國際上相關標準如 IEC 60034-18-1、IEC61858、UL1004、UL2111等)評定合格，只需提供權威第三方機構出具的絕緣結構評定試驗報告或相關絕緣結構認證證書，即可進行自愿認證。在滿足一致性控制要求后，如絕緣結構評定試驗報告或認證證書通過相關機構的審核，該結構即可獲得認證證書。這樣就避免了某些企業在國內外相關檢測機構進行絕緣結構認證后，為了進行CQC的絕緣結構認證而進行重復試驗，為企業快速通過認證提供了方便。

對于未被運行經驗證明且未按相關標準評定過的絕緣結構，申請人應先將絕緣結構提供給檢測機構。檢測機構將會將該絕緣結構與絕緣結構基準數據庫中的基準結構進行比對，如果部分組分材料相同，可根據 GB/T 17948.2—2006《旋轉電機絕緣結構功能性評定散繞繞組試驗規程變更和絕緣組分替代的分級》中的條款進行組分替代，依據標準選擇下列四種不同的規程之一進行試驗:

(1)根據資料判定屬性相同，接受替代，無需試驗;

(2)密封管相容性試驗;

(3)單點溫度試驗;

(4)三點溫度試驗。

屬性相同的定義為化學相同和物理相同，由紅外光譜為基礎，補充熱重分析、DTA和原子吸收分析進行判斷。

密封管試驗規程詳見 GB/T 17948.2—2006《旋轉電機絕緣結構功能性評定散繞繞組試驗規程變更和絕緣組分替代的分級》第7章。

單點溫度試驗規程詳見 GB/T 17948.1—2000《旋轉電機絕緣結構功能性評定 散繞繞組試驗規程熱評定與分級》中的單點溫度規程。

三點溫度試驗規程詳見 GB/T 17948.1—2000《旋轉電機絕緣結構功能性評定散繞繞組試驗規程熱評定與分級》中的三點溫度規程。通過標準規定的規程，即可獲得認證。

如果該絕緣結構與絕緣結構基準數據庫中的基準結構對比，無法進行替代試驗，則根據GB/T 17948.1—2000進行完整的三點溫度試驗。通過相關評定，即可獲得認證證書。

單點溫度試驗和三點溫度試驗，試驗周期較長，分別為60和300個工作日，但老化時間越長，越接近電機的實際老化情況。同時，在單點溫度試驗和三點溫度試驗的診斷周期中，進行了機械試驗、潮濕試驗和耐電壓試驗，對于影響電機絕緣結構的重要因素:熱老化、電氣老化、環境老化、機械老化，都加入了診斷程序，能夠模擬電機的實際運行狀況，從而提供電機絕緣結構老化的詳細資料，促進絕緣結構和絕緣材料的發展。

絕緣結構在通過評定之后，則可進入基準數據庫，成為基準絕緣結構。隨著數據庫的逐步建立壯大，將會為未來的企業進行絕緣結構認證簡化試驗程序，為企業選擇絕緣結構提供便利，促進電機行業的發展。同時，按照此《認證規則》對絕緣結構進行認證時，大量的絕緣材料同時也進行了試驗或者認證，使得未來的材料基準數據庫和絕緣結構基準數據庫可以同時建立起來。

相比UL認證，《認證規則》中對于整體絕緣結構的評定進行了詳細的規定，填補了 GB 14711—2006《中小型旋轉電機安全要求》中7.10條款和GB 12350—2009《小功率電動機的安全要求》中第12章的認證空白，為推動我國電機3C認證工作做出了貢獻。對于變頻電機，因為其絕緣結構的特殊性要求，《認證規則》根據 GB/T 21707—2008、GB/T 22720.1—2008等相關標準，規定了相應的不同于普通電機絕緣結構的試驗要求，相比UL認證，在變頻電機絕緣結構的測試認證方面領先一步。

使用通過自愿認證的絕緣結構的電機在認證證書有效期的4年內可以使用由CQC準許的標志，該標志可以施加于電機本體明顯位置(或說明書/包裝)上，代表電機的絕緣結構經過了國內目前最新的絕緣結構CQC認證，表現了電機優異的絕緣耐老化性能。

4 結語

綜上所述，絕緣材料因為使用環境復雜，老化因素眾多等原因，其性能和產品安全性往往存在很大的隱患。電機絕緣結構和絕緣材料必須證明它們相應的溫度指數和其他相關性能，才能保證電機的使用壽命。只有把相關的標準技術貫徹到底，才能改變電機絕緣質量的現狀，使我國的電機更為可靠、安全，真正做到安全、節能、高效。為了促進我國電機行業健康快速發展，以認證帶動電機絕緣結構和絕緣材料技術的進步，建立我國具有自主知識產權的材料基準數據庫和絕緣結構基準數據庫意義重大。

［1］CQC 26-461312—2010，電機用絕緣結構認證規則［S］.2010.

［2］GB/T 17948—2003，旋轉電機絕緣結構功能性評定總則［S］.2003.

［3］GB/T 17948.1—2000，旋轉電機絕緣結構功能性評定散繞繞組試驗規程熱評定與分級［S］.2000.

［4］GB/T 17948.2—2006，旋轉電機絕緣結構功能性評定散繞繞組試驗規程變更和絕緣組分替代的分級［S］.2006.