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(1哈爾濱慶緣電工材料股份有限公司，哈爾濱 150040；

0 引言

少膠云母VPI絕緣是用少膠粉云母帶包繞線圈和繞組，并經(jīng)真空壓力浸漬(VPI)無溶劑浸漬樹脂而成型的絕緣。少膠云母VPI絕緣具有絕緣厚度小、云母含量大，電、熱、機(jī)械性能優(yōu)良，耐環(huán)境因素性能好等特點(diǎn)，是各種交直流電機(jī)絕緣發(fā)展方向和主攻目標(biāo)[1]。

交流電機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)的主要拖動(dòng)設(shè)備，其應(yīng)用面廣、量大，重要性越來越受到人們的重視。但交流電機(jī)的工作條件大都比較惡劣，起動(dòng)頻繁、負(fù)載波動(dòng)，受油、水和化學(xué)物質(zhì)污染嚴(yán)重等，這對(duì)交流電機(jī)絕緣提出很高的要求。正是基于這些原因，使少膠云母VPI整浸絕緣系統(tǒng)成為世界上大部分電機(jī)廠競(jìng)相開發(fā)和采用的絕緣方式。

1 主要原材料

交流電機(jī)少膠云母VPI整浸絕緣系統(tǒng)使用的絕緣材料主要有：少膠云母帶、無溶劑浸漬樹脂、防電暈材料、絕緣表面防護(hù)帶等。

1.1 少膠云母帶

少膠云母帶是少膠VPI絕緣基礎(chǔ)材料，它的性能對(duì)電機(jī)線圈絕緣有重要影響。VPI用少膠云母帶除了采用大鱗片粉云母紙外，還需要采用補(bǔ)強(qiáng)材料來提高云母帶的機(jī)械強(qiáng)度，使之適合包扎工藝。為了提高少膠云母帶的云母含量，減少補(bǔ)強(qiáng)材料的含量，主絕緣包扎用少膠云母帶常采用單面補(bǔ)強(qiáng)方式。少膠云母帶的膠粘劑除了作為粉云母紙與補(bǔ)強(qiáng)材料的粘結(jié)劑外，它本身也是少膠云母絕緣的組成部分，在絕緣浸漬及固化過程中，云母帶中膠粘劑要參與浸漬樹脂的反應(yīng)，并一起固化成型。

1.2 無溶劑浸漬樹脂

無溶劑浸漬樹脂是VPI絕緣的關(guān)鍵材料，直接影響電機(jī)絕緣的性能和應(yīng)用工藝性。對(duì)VPI絕緣用無溶劑浸漬樹脂主要有如下要求：粘度低，以便能有效地浸漬；飽和蒸汽壓力小，使之能夠低真空運(yùn)行；在適宜的溫度下的膠化時(shí)間短，能在烘焙時(shí)減小流膠；毒性小，閃點(diǎn)高；固化不受金屬等物質(zhì)的影響；即使受到催化劑作用，仍有較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期；成本低。

我們選擇了H9145低揮發(fā)性VPI用環(huán)氧酸酐浸漬樹脂作為少膠云母VPI整浸絕緣系統(tǒng)的浸漬樹脂。這種浸漬樹脂具有以下特點(diǎn)。

(1)浸漬樹脂中不含稀釋劑，僅由低粘度環(huán)氧樹脂(無羥基)和低粘度液態(tài)固化劑組成。浸漬樹脂的飽和蒸汽壓較低，不易揮發(fā)，毒性小，閃點(diǎn)高(145℃以上)，對(duì)環(huán)境污染小，是一種安全環(huán)保浸漬樹脂。

(2)浸漬樹脂中不含促進(jìn)劑，而在無促進(jìn)劑的條件下，該浸漬樹脂的固化(或膠化)非常緩慢，有利于延長(zhǎng)浸漬樹脂的儲(chǔ)存期和使用壽命。

(3)浸漬樹脂在室溫下的粘度即可達(dá)到浸漬要求，儲(chǔ)存期較長(zhǎng)。

1.3 防電暈材料

少膠VPI絕緣用的防電暈材料有定子線圈用低電阻防電暈材料和高電阻防電暈材料以及定子鐵心槽部用防電暈材料等，其中定子線圈用防電暈材料主要是線圈槽部用低電阻防電暈帶和線圈端部用高電阻防電暈帶或高電阻防電暈漆。

經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比，我們選擇了以玻璃帶為底材的低電阻和高電阻防電暈帶，其中高電阻防電暈帶含有碳化硅成分，其電阻值會(huì)隨所加電壓而調(diào)整，有利于提高定子線圈的起始電暈電壓。

1.4 表面保護(hù)帶

少膠VPI絕緣的表面保護(hù)帶是指繞包在線圈和繞組少膠云母帶層外面的保護(hù)帶，通常是包繞在線圈的槽部(當(dāng)線圈需防電暈時(shí)，槽部為低電阻防電暈帶)和端部。表面保護(hù)帶的功能主要有兩個(gè)：一個(gè)是保護(hù)線圈的云母帶絕緣，使其免受或少受機(jī)械損傷；二是在定子浸漬后烘焙時(shí)，保護(hù)帶在開始升溫時(shí)即受熱收縮，封住絕緣層表面，從而減少或防止絕緣層內(nèi)浸漬樹脂從絕緣層表面流失(浸漬樹脂加熱后粘度小，極易流出)，以保證絕緣密實(shí)。

2 少膠VPI整浸絕緣工藝的研究

少膠VPI整浸絕緣工藝是獲得高質(zhì)量絕緣的重要環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)中，電機(jī)和定子絕緣要經(jīng)過十幾道工序才能完成，其中的每道工序?qū)^緣都有影響，相對(duì)來說，定子線圈主絕緣包扎，定子線圈下線以及定子VPI和烘焙是最重要的。

2.1 主絕緣包扎

定子線圈主絕緣包扎是傳統(tǒng)的絕緣工藝。但因?yàn)閱蚊嫜a(bǔ)強(qiáng)的少膠云母帶機(jī)械強(qiáng)度較差，粉云母紙因膠粘劑少而飛粉，包扎不好(如包扎拉力過大，包扎角度不好，包扎速度過快等)時(shí)容易使云母帶受損傷，另外對(duì)云母帶包扎的松緊度也有要求，既不能太緊(會(huì)影響浸漬樹脂浸入)，也不能太松(會(huì)影響嵌線)，因此不能使用老式包帶機(jī)來包繞少膠云母帶，而采用恒張力的數(shù)控包帶機(jī)來包繞或者采用手工包扎。

2.2 定子線圈嵌線

定子線圈嵌線對(duì)絕緣的影響主要在于嵌線不當(dāng)會(huì)引起線圈絕緣機(jī)械損傷。例如，用少膠粉云母帶包繞的線圈在包繞后會(huì)松脹，使線圈尺寸增大。如果在嵌線時(shí)硬性地把線圈敲打入鐵心槽內(nèi)，就會(huì)使線圈絕緣受損傷。為了防止出現(xiàn)這種情況，除了要嚴(yán)格控制線圈主絕緣的包繞質(zhì)量(云母帶包繞層數(shù)，包繞松緊度等)，還可以在嵌線前對(duì)線圈進(jìn)行壓型，在槽口處墊一層導(dǎo)引紙(如0.13厚Nomex等),防止槽口處齒尖損傷絕緣(導(dǎo)引紙?jiān)谇毒€后抽出或留在槽口)。

少膠云母VPI整浸絕緣的VPI工藝是整個(gè)VPI絕緣工藝的關(guān)鍵，它關(guān)系到絕緣能否被浸透，絕緣性能能否滿足要求，甚至關(guān)系到絕緣能否長(zhǎng)期安全進(jìn)運(yùn)行。影響較大的VPI工藝參數(shù)主要有三個(gè)：工件預(yù)干燥溫度和時(shí)間，真空度和真空時(shí)間，浸漬壓力和時(shí)間。

2.3 預(yù)干燥溫度和時(shí)間

定子在VPI之前需預(yù)干燥，其目的是驅(qū)除定子繞組和絕緣中的低分子揮發(fā)物和水份，同時(shí)使絕緣內(nèi)部達(dá)到一定溫度，以利于提高真空效果，同時(shí)避免環(huán)境潮氣在真空前再次侵入(潮氣或蒸汽不會(huì)在高于環(huán)境溫度的物件上附著)。單從驅(qū)除潮氣的觀點(diǎn)出發(fā)，預(yù)干燥溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，效果會(huì)越好。但要考慮溫度對(duì)云母帶和表面保護(hù)帶的影響。因?yàn)橛械纳倌z云母帶中含有促進(jìn)劑甚至含有固化劑，預(yù)干燥溫度應(yīng)在其反應(yīng)溫度以下。而表面保護(hù)帶常具有熱收縮性，預(yù)干燥溫度應(yīng)在其較大收縮的溫度以下。

2.4 真空度和真空時(shí)間

定子在放入浸漬罐中浸漬前，抽真空可以造成定子繞組絕緣內(nèi)外的壓力差，是排除絕緣內(nèi)氣體及水份的最有效方法。根據(jù)水的飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系曲線可知，當(dāng)真空度為1 000Pa時(shí)，水的沸騰溫度為7℃，而當(dāng)真空度為8 000Pa時(shí)，水的沸騰溫度則到41℃。由此可見，在同一溫度下，真空度越高，越容易排除水份；而在同一真空度下，溫度越高，也越容易除去水份。從浸漬原理來看，絕緣層內(nèi)剩余的氣體越少，浸漬樹脂進(jìn)入絕緣層就越多，占的空間就越大。為此，真空度越高越好，真空時(shí)間也越長(zhǎng)越好，但須考慮工藝時(shí)間和成本。應(yīng)根據(jù)不同電壓試驗(yàn)線圈的試驗(yàn)結(jié)果以及設(shè)備條件確定合理的真空度和真空時(shí)間。定子繞組額定電壓高，真空度應(yīng)高些，真空時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些，反之亦然。

除在浸漬前對(duì)浸漬工件進(jìn)行抽真空外，在浸漬樹脂浸沒浸漬工件過程中和浸沒后一段時(shí)間，最好也要抽真空。在浸漬樹脂浸沒浸漬工件后的真空過程，有時(shí)稱為“濕真空”過程，而把浸漬樹脂浸沒浸漬工件之前的真空過程，稱為“干真空”過程。

2.5 浸漬壓力和加壓時(shí)間

在壓力下把無溶劑浸漬樹脂壓入絕緣中是VPI絕緣重要工藝環(huán)節(jié)，是獲得無氣隙絕緣的關(guān)鍵工藝。浸漬壓力的大小和加壓時(shí)間的長(zhǎng)短與無溶劑浸漬樹脂的粘度、云母帶的包扎層數(shù)、絕緣厚度以及真空度等有關(guān)。不同絕緣的浸漬壓力差別很大。判斷真空度及浸漬壓力的標(biāo)準(zhǔn)是絕緣能夠充分地浸透，表現(xiàn)在絕緣性能上是擊穿電壓高，介質(zhì)損耗因數(shù)及其增量小，局部放電起始電壓高，視在放電量小；在浸漬現(xiàn)場(chǎng)，可通過檢測(cè)定子繞組的電容量變化來判斷絕緣是否被浸漬樹脂浸透。因?yàn)槎ㄗ永@組的對(duì)地電容(定子繞組銅導(dǎo)體對(duì)鐵心槽之間的電容)會(huì)隨其間的介質(zhì)(即絕緣層)的介電系數(shù)變化而變化。當(dāng)浸漬樹脂浸入絕緣層之前，“介質(zhì)”中充滿了介電系數(shù)小的空氣(或真空)，其電容量較?。欢?dāng)浸漬樹脂逐漸浸入絕緣層后，“介質(zhì)”中逐漸由介電系數(shù)較大的浸漬樹脂代替空氣(或真空)，于是電容量逐漸變大，并最終趨于飽和。通過檢測(cè)比較不同階段電容量的變化，就可推斷絕緣的浸透情況。

另外在浸漬階段采用分段加壓也有助于浸漬樹脂逐步進(jìn)入絕緣層并把殘留的氣體從絕緣層中“擠出”，而不會(huì)一下子就用浸漬樹脂把氣體擠出的通道死死堵住，從而有利于絕緣層被浸漬樹脂浸透。

我們?cè)谘芯可倌z云母VPI整浸絕緣時(shí)，按照以上原則并參照國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)制定了有關(guān)工藝，并經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證調(diào)整，最后確定了有關(guān)絕緣工藝，制定了工藝文件。我們的VPI工藝的特點(diǎn)主要有：根據(jù)浸漬樹脂的特點(diǎn)，采用室溫浸漬方式；真空度要求高，“干真空度”要求不大于20Pa，“濕真空度”不大于30Pa；采用分階段解除真空和分階段加壓方式進(jìn)行浸漬；絕緣烘焙時(shí)加熱爐內(nèi)放置催化劑，催化劑受熱蒸發(fā)可加速絕緣表面浸漬樹脂的膠化，從而減少或防止絕緣層內(nèi)浸漬樹脂的流失。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

交流電機(jī)定子繞組絕緣性能可以很好地反映該絕緣系統(tǒng)的一些基本特性，包括絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣工藝的情況。在少膠云母VPI整浸絕緣研究過程中，我們?cè)捎貌煌牧虾徒^緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次試驗(yàn)，來確定少膠云母VPI整浸絕緣系統(tǒng)。該系統(tǒng)6kV級(jí)少膠云母VPI線圈單面絕緣厚度為1.5mm，10 kV級(jí)少膠云母VPI線圈單面絕緣厚度為2.4mm。

3.1 定子線圈絕緣電氣性能

少膠VPI線圈電氣性能見表1。

表1 少膠云母VPI線圈電氣性能

由表1可見，該少膠云母VPI絕緣定子線圈在室溫和0.2UN下的tgδ均小于1%，大大小于國外標(biāo)準(zhǔn)要求的不大于3%的標(biāo)準(zhǔn)。每0.2UN間隔電壓下的介質(zhì)損耗因數(shù)增量(Δtgδ)，國外標(biāo)準(zhǔn)一般要求不大于0.25%，按表1值計(jì)算，所能間隔0.2UN下的tgδ均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外，從線圈的熱態(tài)(155℃)介質(zhì)損耗因數(shù)和介電強(qiáng)度來看，該少膠云母VPI絕緣定子線圈絕緣介電強(qiáng)度均大大高于原部頒電機(jī)質(zhì)量分等規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)中線圈介電強(qiáng)度一等品的要求(≥30MV/m)。

3.2 定子線圈電老化壽命試驗(yàn)

電機(jī)絕緣電老化壽命是絕緣水平的重要指標(biāo)之一。它可以比較全面地反映絕緣性能。

參照美國GE公司有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出的定子線圈室溫電老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)為10MV/m下。電老化壽命分別為：合格500h，一等800h，優(yōu)等1 000h。

采用該少膠云母帶包繞6個(gè)線圈進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)線圈的室溫電老化中值壽命為1 272h，它們的最短壽命時(shí)間均大于800h。參照桂林電科所的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以認(rèn)為本少膠云母VPI絕緣試驗(yàn)線圈的室溫電老化壽命分別達(dá)到一等和優(yōu)等品水平[2]

3.3 交流電機(jī)定子繞組絕緣性能

少膠云母VPI整浸絕緣定子繞組在經(jīng)VPI處理和烘焙固化后，為了充分了解繞組絕緣的情況，除了進(jìn)行常規(guī)的繞組耐電壓試驗(yàn)以及絕緣電阻和極化指數(shù)試驗(yàn)外，還常常進(jìn)行整個(gè)定子繞組的介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量以及局部放電起始電壓、不同電壓下局部放電量和最大視在放電量等的測(cè)量。通過這些測(cè)量，可以幫助了解繞組絕緣的浸透情況、槽部填充情況以及絕緣固化情況等。

測(cè)量結(jié)果表明，10kV定子繞組在0.2UN下的tgδ均小于1%，既使在1.2UN(12kV)下的tgδ也不大于3.6%，均明顯小于日本三菱公司要求的不大于10%(目標(biāo)值8%)的標(biāo)準(zhǔn)值。

4 結(jié)語

4.1 開發(fā)和應(yīng)用的少膠云母VPI整浸絕緣系統(tǒng)采用了多種性能優(yōu)良絕緣材料，絕緣結(jié)構(gòu)合理，工藝先進(jìn)，性能優(yōu)良。

4.2 本少膠云母VPI整浸絕緣系統(tǒng)可應(yīng)用于13.8kV電壓級(jí)及以下的各種交直流電機(jī)，可減薄絕緣厚度，縮短生產(chǎn)周期，提高電機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，滿足用戶需求，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

[1] 侯力.云母帶等主絕緣材料在發(fā)電機(jī)和高壓大電機(jī)中的應(yīng)用[J].防爆電機(jī)，2004.1.

[2] 蔡巨敏，張秀麗，周健.高壓電機(jī)少膠云母帶配套用VPI浸漬樹脂的研制.絕緣材料，2004.2.