主絕緣中可揮發物對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 有色金屬及材料加工新技術教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004）

前言

多膠模壓絕緣是我國大型高壓電機定子線圈主絕緣的傳統絕緣體系，但由于近十余年來隨著VPI技術的引進和發展，我國VPI技術取得了長足的進步，不少電機廠紛紛投入資金進行技術改造，放棄傳統的多膠模壓工藝轉而采用少膠VPI工藝，多膠模壓絕緣體系的傳統主導地位開始受到動搖。不少人認為，少膠VPI絕緣體系比多膠熱壓絕緣體系先進，多膠熱壓絕緣體系將會逐步被淘汰，故近期關于多膠熱壓絕緣體系的研究已經越來越少了。

客觀地說，少膠VPI和多膠熱壓兩種絕緣體系各有優缺點[1-2]，不應簡單地說哪種技術更先進。能不能制造出性能優良的主絕緣，關鍵還在于原材料的質量水平、生產設備的先進程度、生產管理水平和對該技術的掌握程度。我國從上世紀六十年代開始制造大型高壓發電機以來，線圈主絕緣一直采用多膠模壓絕緣體系，對該項技術已經非常熟悉，作者認為應該繼續研究和完善，以求得進一步發展是有必要的。

實際上，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分的脫除方面。液壓線棒在加壓固化前，經歷了真空脫除氣隙和揮發分的工藝過程，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，盡可能脫除揮發分，并在適當的時機加壓，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殘留一些可揮發物。這些殘留的可揮發物對主絕緣的性能無疑是有害的，但到底有多大影響，尚未見報道。

本文為探討主絕緣中的可揮發物對多膠模壓線棒性能的影響，制備了模擬線棒，對模壓前經真空脫除揮發分和沒有專門脫除揮發分的兩種線棒進行了冷熱循環對比試驗。

1 試驗

1.1 原材料

云母帶：5440-1G高強度環氧玻璃粉云母帶，蘇州巨峰絕緣系統股份有限公司生產，厚度0.14mm，揮發分 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%的壓縮量預計，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

預先不脫揮發分的線棒：室溫送入壓機，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，給半壓后繼續升溫，再升至150-155℃保持至流膠快要膠化時給全壓（5MPa），樹脂凝膠后升至170±3℃保溫保壓5h，冷卻至50℃以下卸模。

預先真空脫揮發分的線棒：不帶模具放入預熱在120℃的真空箱，120～125℃0.3kPa保持 90min，期間解除真空 2次。脫完揮發分后立即轉移到預熱在125～130℃的模具中，送入壓機并給半壓后以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 性能測試

線棒主絕緣工頻介電損耗：直接用模擬線棒測試，采用三電極系統，電極長度 250mm，保護電極間隙2mm，其余按JB/T 7608-1994高壓交流電機線圈介質損耗角正切試驗方法及限值。主絕緣的機械性能、導熱系數、密度等性能則先用機加工方法從線棒上剝下主絕緣，然后按相應的國家標準要求加工試樣、檢測其性能。其中，主絕緣的彎曲性能：試驗方向沿線棒縱向，試樣跨距 64mm，試驗速度 2mm/min，其余按GB/T 9341-2000塑料彎曲性能試驗方法；主絕緣的沖擊強度：簡支梁法無缺口試樣，支點跨距70mm ，其余按GB/T 1043.1-2008塑料簡支梁沖擊性能；主絕緣的導熱系數：試樣尺寸 25.4mm×25.4mm×4.0mm，熱流方向垂直于線棒縱向，取2個試樣的平均值作為試驗結果，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：試樣尺寸與導熱系數試樣相同，其余按GB/T 1033.1-2008塑料 非泡沫塑料密度的測定 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前后質量的變化，精確至 0.001g，試樣原始質量 150～200g。

1.5 冷熱循環試驗程序

室溫→直接放入恒定在 180℃的老化烘箱內保持21h→從烘箱取出放入25℃環境中保持3h，每24h一個試驗周期。

2 結果與討論

2.1 真空條件下脫除的揮發分

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

表1 真空條件下脫除的揮發分

2.2 主絕緣中的可揮發物對線棒介電性能的影響

對于模壓前未經真空處理的線棒，盡管采用了緩慢升溫的壓制工藝，比較有利于脫除揮發分，但理論上講也不可能完全脫盡揮發分，我們假設這種線棒主絕緣中或多或少存在一些可揮發物，為方便起見，本文稱這種線棒為“主絕緣中有揮發物的線棒”。這兩種線棒在進行冷熱循環處理之前，常態介電損耗、高溫介電損耗和損耗增量都很小（見表2、表3），看不出明顯差別。但按1.5的試驗程序對這兩種類型的線棒進行180→25℃冷熱循環處理后，損耗增量的差別就大了（見圖1）。

圖1

主絕緣中有揮發物的線棒，冷熱循環 6個周期后（180℃累計歷時 21×6=126h），損耗增量就開始急劇增大，線棒敲擊聲聽起來已經開始發空。

主絕緣中無揮發物的線棒，損耗增量僅在冷熱循環前 2個周期稍有增大，14個周期后（180℃累計歷時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 主絕緣中的揮發物對冷熱循環后線棒室溫介電損耗及損耗增量的影響 （%）

表3 主絕緣中的揮發物對冷熱循環后線棒155℃介電損耗的影響（試驗電壓3kV） （%）

2.3 主絕緣中的揮發物對線棒主絕緣力學性能的影響

主絕緣中的揮發物對線棒主絕緣力學性能的影響也非常嚴重（見表4）。線棒經過14個周期的冷熱循環后，有揮發物的線棒主絕緣的層間粘接力已經很小，用機加工方法從線棒上剝下主絕緣時和加工試樣時，主絕緣分層很嚴重，已經沒有多少機械強度。而無可揮發物的線棒主絕緣在經歷14個周期的冷熱循環后，機械強度仍幾乎保持不變，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 主絕緣中的揮發物引起線棒主絕緣耐熱性下降機理的討論

參見表5和表6，主絕緣中存在揮發物時，經冷熱循環14個周期后，主絕緣的導熱系數由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。主絕緣無揮發物時，主絕緣的導熱系數、密度僅略有下降而已，線棒尺寸變化也很小。主絕緣中存在揮發物時，主絕緣的熱失重也比無揮發物的主絕緣大得多（見圖2）。

主絕緣中有、無揮發物兩種情況下，主絕緣的耐熱性或耐冷熱循環能力為什么會產生如此大的差異？作者認為，多膠模壓線棒主絕緣的揮發物主要來自云母帶中殘留的丙酮、甲苯等揮發性溶劑，這些溶劑沸點低、蒸氣壓大，高溫下將產生很大蒸氣壓。例如丙酮在150℃下的蒸氣壓為1.17MPa，相當于大氣壓的11.5倍；甲苯在136℃下的蒸氣壓為0.2MPa，相當于大氣壓的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，必定會導致產生一定的壓力，并在主絕緣的層間形成內應力，造成主絕緣的層間粘接性下降并產生氣隙，導致主絕緣介電損耗增量急劇增大、力學性能急劇下降、導熱系數的下降、密度下降、線棒尺寸增大、熱失重加快。

圖2 揮發物對線棒主絕緣熱失重的影響

表4 主絕緣中的可揮發物對冷熱循環后線棒主絕緣力學性能的影響

表5 主絕緣中的可揮發物對冷熱循環后線棒主絕緣導熱系數、線棒整體性的影響

表6 主絕緣中的可揮發物對冷熱循環后線棒尺寸的影響

3 結語

通過對主絕緣中有、無揮發物的模擬線棒的耐冷熱循環對比試驗，得到以下結論：

（1）盡可能減少或完全消除主絕緣中的任何可揮發物，對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物，也會導致線棒主絕緣的耐熱性和耐冷熱循環能力大幅度降低。

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

（3）解決多膠模壓線棒主絕緣中存在可揮發物的最好辦法是采用多膠液壓工藝，呼吁有關電機廠恢復多膠液壓技術的應用和研究，繼續跟蹤國外先進公司該項技術的發展。

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

[2]袁曉紅, 王玉田. VPI 與模壓的發電機定子線棒之性價比[J]. 大電機技術, 2011, (1)： 37-38,64.

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