高壓電機絕緣浸漬漆熱老化絕緣性能及提升方法研究

尚爾發

(內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司電力分公司,內蒙古霍林郭勒 029200)

額定電壓在1000V 以上的電動機稱為高壓電動機,具有功率大、承受沖擊力強等優點[1],廣泛應用于運輸機械、石油化工等領域[2-3]。高壓電動機在作業過程中,受溫度升高、電壓、電流等影響[4],其絕緣性能也隨之受影響。絕緣性能高低是高壓電機使用壽命長短的關鍵之一。絕緣浸漬漆也稱絕緣涂料,具有較高電化性能、熱性能的高壓電動機多采用該材料實現絕緣功能[5-6]。目前,機電領域發展迅速,高壓電機電壓可增加至6600V,現有高壓電機絕緣浸漬漆絕緣性能難以滿足高壓電機實際絕緣需求,因此需提升高壓電機絕緣浸漬漆熱老化絕緣性,并對其展開研究。

1 材料制備

1.1 原材料

利用分子蒸餾技術對雙酚A二縮水甘油醚提純[7-8],使其聚合度為0,武漢富鑫遠科技有限公司；甲基四氫苯酐,湖北平春生物科技有限公司；異辛酸鋅,廣州卡芬生物科技有限公司；納米SiО2,探擎(上海)技術服務有限公司；鈦酸酯偶聯劑,上海曙燦實業有限公司；芐胺,南通潤洲化工有限公司。

1.2 納米SiО2表面改性

(1)二甲苯中加入適量納米SiО2在轉速為2000～ 6000 r/min的攪拌機內,攪拌1.5h,然后將納米SiО2與二甲苯混合物放入納米研磨機中,研磨至D50 小于150nm 后得到二甲苯/ 納米SiО2乳液并加熱至80℃,隨后將適量鈦酸酯偶聯劑加入乳液中,恒溫80℃情況下放置6h,可形成二氧化硅羧化物[9],其分子式為SiО2-CООН。

(2)按照摩爾比1:1 將適量芐胺、雙酚A二縮水甘油醚放置反應器中,加熱到150℃,恒溫攪拌到酸值小于5,將攪拌后的溶液放置于真空環境中,將二甲苯和丙醇分離后,使用丙酮對其進行清洗6 次,并干燥,然后將所得物研磨成粉末狀,該粉末便是表面改性的納米mSiО2。

1.3 EA 浸漬漆與EA/mSiО2浸漬漆制備

依據摩爾比1:1,將適量甲基四氫苯酐和雙酚A二縮水甘油醚放置密閉容器中,攪拌1.5h,使其均勻混合。使用250 目過濾器將混合物過濾[10-11],可得到EA 浸漬漆。

在EA浸漬漆中加入適量納米mSiО2后,在4000～12000 r/min 轉速下攪拌1.5h,而后將混合物放入納米研磨機中,研磨至粉末粒直徑小于150nm,利用6000 目高壓過濾器對混合物過濾,可得到EA/mSiО2浸漬漆。

在EA 和EA/mSiО2浸漬漆中添加適量異辛酸鋅,混合時間為1.5h,將硅脂均勻涂抹在鋼盤內,經過4.5h加熱后,置于室內冷卻至室溫時,未固化的浸漬漆置于模具中,并將其放置烘箱內,先將溫度設置為150℃烘焙1.5h,然后將溫度設置為180℃烘焙6h 后,可得固化浸漬漆。

1.4 制造模擬線棒

使用SBEFB-40/155N 電磁線,制作8KV 定子線圈,JF-5331-1T 干法云母帶包裹5 次,線圈兩端使用高阻帶包裹,中部使用低阻帶包裹,絕緣厚度為2.0mm,誤差不高于0.03mm。利用特氟龍隔離膜將模擬線棒包裹好,用夾具加緊,溫度為150℃,將其預熱1.5h,去除揮發物和水分。然后將模擬線棒放置于壓力為150Pa 真空環境中5h。使用EA 浸漬漆與EA/mSiО2浸漬漆模擬線棒,在溫度50℃,壓力1.0MPa的環境中放置6h。然后放置于溫度150℃環境中冷卻固化10h,即可得到EA 浸漬漆模擬線棒和EA/mSiО2浸漬漆模擬線棒。

1.5 結構表征與性能測試

絕緣老化表征情況使用高倍掃描電子顯微鏡SGО500НCX 觀察(深圳市深視光谷光學儀器有限公司)；介電常數測試設備為安規綜合測試儀MN4275A(余姚市永城電子設備有限公司)；耐電壓使用耐壓絕緣測試儀,ECC 華儀EST-300 系列(詠繹科技(上海)有限公司)；高溫熱老化試驗箱104 型,江蘇正瑞泰邦電子科技有限公司。

1.6 實驗設置

EA 浸漬漆與EA/mSiО2浸漬漆性能測試環境為,室溫下樣品干燥8h,樣品尺寸為40×40×0.2(mm),其誤差不高于0.3%。耐電暈測試環境為:頻率2500Нz、脈沖電壓3500V、溫度200℃、脈沖上升時間60ns。熱老化實驗以熱因子作為主線,熱因子及實驗參數見表1。

表1 實驗因子與參數Table 1 Experimental factors and parameters

2 實驗與分析

2.1 熱穩定性能

高壓電機長時間運行,其溫度也隨之增加,高壓電機絕緣性能好壞,取決于浸漬漆的熱穩定性能。通過加熱EA 浸漬漆與EA/mSiО2浸漬漆,檢測其剩余濃度,可對比二者的熱穩定性能,結果如圖1 所示。分析圖1可知,當溫度增加時,浸漬漆的剩余濃度降低,當溫度不超過100℃時,EA 浸漬漆與EA/mSiО2浸漬漆剩余濃度幾乎無差別,當溫度超過100℃時,二者濃度曲線下降明顯；當溫度為300℃時,EA 浸漬漆的濃度已下降到20% 左右,而EA/mSiО2浸漬漆的濃度在50% 左右。原因在于mSiО2因子在EA 分子結構中具有較高分散性,可保護EA 分子。因此,EA/mSiО2浸漬漆熱穩定性能強。

圖1 浸漬漆熱穩定性能Fig.1 Thermal stability of impregnated paint

2.2 介質損耗

絕緣浸漬漆的重要性能指標之一是介質損耗,介質損耗越高,浸漬漆在高壓電機運行過程中發熱迅速可推動熱老化速度。對比EA 浸漬漆和EA/mSiО2浸漬漆的介質損耗與電流頻率和溫度關系,結果如圖2 所示。綜合分析圖2 可知,介電損耗隨著頻率的增加和溫度的增加而增長。結合圖2(a)和圖2(b)可知,EA/mSiО2浸漬漆介電損耗遠低于EA 浸漬漆,其發熱速度慢,可延緩熱老化性能。

圖2 介電損耗與頻率、溫度曲線Fig.2 Dielectric loss and frequency,temperature curve

3.3 絕緣老化性能

為研究同一周期不同溫度下浸漬漆絕緣老化性能,分別檢測EA 浸漬漆和EA/mSiО2浸漬漆的老化時間與絕緣電阻狀況,結果如圖3 所示。

圖3 不同溫度下浸漬漆老化時間與絕緣電阻變化情況Fig.3 Aging time and insulation resistance of impregnated paint at different temperatures

分析圖3 可知,絕緣電阻數值整體趨勢是隨著老化時間增加先增長而后降低。原因在于浸漬漆高溫情況下,進入固化狀態與熱老化狀態。圖3 中,EA/mSiО2浸漬漆的電阻高于EA 浸漬漆的電阻值。說明EA/mSiО2浸漬漆可提升電阻值,增強絕緣性能。

2.4 熱老化壽命

利用阿倫尼烏斯曲線繪制EA 浸漬漆與EA/mSiО2浸漬漆熱老化時間與溫度的關系,結果如圖4 所示。

圖4 浸漬漆熱老化壽命曲線Fig.4 Heat aging life curve of impregnated paint

分析圖4 可知,EA 浸漬漆壽命曲線與EA/mSiО2浸漬漆壽命曲線重合度高,當溫度在175℃、時間為7800h時,二者曲線逐漸分開,溫度數值相同時,EA/mSiО2浸漬漆壽命數值高于EA 浸漬漆。由此可知,EA/mSiО2浸漬漆絕緣性能好,使用壽命長。

3 結論

通過制備EA 浸漬漆與EA/mSiО2浸漬漆,多方面對比二者性能,得出結論如下:EA/mSiО2浸漬漆受mSiО2因子保護,熱穩定性能強；浸漬漆受固化狀態與熱老化狀態影響,隨著時間增加,絕緣電阻數值先增長后降低,EA/mSiО2浸漬漆電阻值始終高于EA 浸漬漆；EA 浸漬漆與EA/mSiО2浸漬漆的介電損耗值與溫度、頻率成正比,且較EA 浸漬漆相比,EA/mSiО2浸漬漆的介電損耗小,可延緩熱老化性能；EA 浸漬漆與EA/mSiО2浸漬漆的熱老化壽命曲線重合度高,當溫度超過175℃后,EA/mSiО2浸漬漆的熱老化壽命值高,其使用壽命長,絕緣性能好。結合以上結論,添加mSiО2的浸漬漆具有熱穩定性能高、介質損耗低、抗擊穿能力強等優點,為此可通過在EA 浸漬漆中加入改性納米SiО2延緩高壓電機絕緣浸漬漆熱老化情況,提升浸漬漆的熱老化絕緣性能。