耐高压绝缘材料的研究现状及发展

耐高压绝缘材料的研究现状及进展摘要:从高导热、耐高温、环保型、纳米颗粒改性等方面对国内外耐高压绝缘材料的研究现状和进展进行了综述。高导热、耐高温绝缘材料方面国外多家知名公司保持着领先优势,国内虽取得较多的成果,其产品仅适用于中小型高温电机,不能满足高压大电机的使用要求。环保型绝缘材料方面,通过提高绝缘漆中的固体含量和降低粘度,减少有毒溶剂的含量,或用无毒溶剂及水代替,以达到环保要求。生物可降解绝缘材料及环境降解绝缘材料的可行性方面也进行了探索性试验。利用无机纳米粒子改性电气绝缘材料,不但能大幅度提高绝缘材料耐压和耐电晕等方面的性能,还提高了电机的使用寿命。关键词:高导热;耐热;纳米改性;ResearchStatusandProgressofHighVoltageResistantInsulationMaterialsAbstract:Thestatusandprogressofhighpressureresistantinsulationmaterialathomeandabroadwerereviewedfromaspectslikehighthermalconductivity,high_temperatureresistance,environmentalprotectionandmodificationofnano-particles.Highthermalconductivityinsulationmaterialscanimprovetheefficiencyofcoolingsystemanddecreasetheenergylossofelectricmachines.Somefamousforeigncompanieskeepaheadinthisfield.Currentdomestichigh_temperatureresis-tantsolventlessinsulatingvarnishcanonlybeusedinsmallandmedium_sizedgeneratorsinsteadofhighvoltagegenerators.Thereforethiskindofmaterialshouldbeimprovedineitherresin_richorresin_lessinsulationsystems.Thetoxicmaterialproblemininsulationmaterialsshouldberesolvedbyimprovingsolidcontentandreducingviscosityininsulatingvarnish.Anothersolutionistouseinnoxioussolventorwaterassolventininsulatingvarnish.Exploratoryexperimentsweremadeinbiodegradableandenvironmentdegradableinsulatingmaterials.Withinorganicnanometerparticle_modifiedelectricalinsulationmaterials,notonlycanthebreakdownvoltageandcoronaresistanceofinsulationmaterialbeincreasedbutalsotheservicelifeofgeneratorbeextended.Thehybridizationoforganic_inorganicmaterialscanprovideamethodtosolvetheagglomerationofnanometerparticlesandimprovetheelectricalpropertyofinsulationmaterials.Keywords:highthermalconduction;heatresistance;nano_modified;environmentalprotection;insulationmaterials1前言随着我国经济的迅速发展,能源需求不断增加。2005年我国人均年发电量为1897度,到2007年增长为2512度。2008年受国际金融危机的影响,我国的经济发展速度有所降低,但是能源需求仍在增长,人均年发电量增加到2631度。而发达国家人均年发电量一直在6600～15000度之间。我国与发达国家相比,还有很大的差距,装机容量仍有很大的发展空间。原电力部计划司司长吴敬儒预计,到2015年我国人均年发电量将达4153度,进一步接近发达国家的水平.尽管我国水电百万千瓦级机组的制造水平已居世界领先地位,但是发电机需要的具有良好热态机械强度、高云母含量、较高耐热性和导热性的主绝缘材料仍需进一步研发。在开发新型绝缘材料的同时,更要兼顾环保问题。从发展趋势来看,高导热绝缘、耐热绝缘、环保型绝缘、纳米改性绝缘是研究开发的重点关注方向。2高导热绝缘材料空冷汽轮发电机具有制备、运行和维护成本低,电磁力及机械力造成的损耗小,设计到制备的时间周期短等优点,使得大型空冷发电机成为目前研究和应用的热点产品。济南发电设备厂2008年制备了国内最大容量的330MW空冷汽轮发电机[1]。哈电公司采用新的全空冷技术,制备了三峡700MW水轮发电机,填补了大容量空冷水轮发电机国内制备空白，达到了世界先进水平。目前,哈电公司正在研制的350MW空冷汽轮发电机,是目前国内最大容量的空冷型汽轮发电机。为了提高空冷发电机的容量和工作效率,高导热的绝缘体系逐步发展起来[2]。因为线棒中没有冷却回路,省却了相关的辅助设备,电机的可靠性和维护性得到提高。使用高导热的绝缘体系,简化了冷却系统,减少了损耗,发电机的效率得到提高。电机定子线棒的高导热绝缘体系由高导热的丝包电磁线、高导热的主绝缘材料、槽内绝缘和固定绝缘等组成。日本日立公司、瑞士依索拉公司、德国西门子公司及美国杜邦公司等国际知名企业在研制高导热材料方面保持着领先优势[3]。国内高导热主绝缘材料的研究历史很短,1997年桂林电器科学研究所、哈尔滨大电机研究所、哈尔滨绝缘材料厂和哈尔滨理工大学开始联合立项研究。研究的重点方向是高导热多胶粉云母带和高导热半导体填充胶。虽然在研制过程中遇到很多困难,没有达到实用的程度,但是为今后研究和使用高导热绝缘材料奠定了基础[4-5]。国外研究起源于20世纪80年代。当时大部分的高导热绝缘材料研究,还仅限于复合材料范围内,即高导热陶瓷材料和高分子绝缘材料的共混复合,所得材料的导热系数不高,导热绝缘高分子复合材料在导热机理和应用开发等方面的研究远不如导电材料的研究深入,对于导热主绝缘材料的导热机理、导热模型、导热性能测试及仪器的研究和认识都相对肤浅。随着纳米导热填料的研究和开发、聚合物基体的物理化学改性、聚合物基体与纳米导热填料复合新技术的探索、导热机理的研究等将成为高导热绝缘高分子复合材料研究的方向[6]。目前哈尔滨大电机研究所正向此方向做进一步的研究工作。据JAllison,RRutsch,ALutz(瑞士依索拉公司)近期的研究表明，在保持绝缘材料导热系数0.5W/m·K的同时,导热填料总量比以前减少了50%左右,能有效地改善高导热少胶粉云母带的生产工艺。研究结果显示BN是比Al2O3更高效的导热填料,填料的添加量降低可能是使用BN和Al2O3复合填料,具体工艺及比例还处于保密状态。日本东芝公司和瑞士依索拉公司合作,在VPI(VacuumPressureImpregnated,真空压力浸渍)少胶云母带的胶中添加无机高导热材料BN,制备出高导热主绝缘材料,2001年成功应用在250MVA空冷汽轮发电机和350MVA氢冷汽轮发电机上。添加高导热BN颗粒,不但没有降低云母带的耐电压和介质损耗,而且与同容量的电机相比,电机的正常运行温度降低了10℃左右。从MTari与JAllison等[10]人研究结果看,用高导热的绝缘体系,提高了电机冷却系统的效率,扩大了电机的容量,空冷电机的容量可达400MVA,氢冷电机的容量可达600MVA。采用高导热绝缘技术,降低了发电机定子铁心、绕组铜导线的绝缘温差,使温度均匀分布,在空冷方式的1000MW级水电机组中,将继续进行高导热绝缘技术研究和推广应用[11]。高导热绝缘材料已成为现代电机技术研究的重点方向之一。3耐热绝缘材料耐热绝缘材料对各种电机实现小型化、大容量化有重要意义,是现代绝缘材料产品的重点发展方向之一。新型耐高温无溶剂漆主要包括有机硅类、环氧类、聚酰亚胺类、二苯醚类、聚酯酰亚胺类、不饱和聚酯类等,每种材料都有各自的优缺点,而且其它方向也有新产品相继问世[13]。我国在耐高温无溶剂漆方面一直在做研究工作。陈月辉等[14]以甲氧基二苯醚和乙酰苯胺为原料,合成一种新型的苯胺二苯醚树酯,并与环氧树脂共聚,共聚物的热分解温度可达365.25℃,温度指数为187.14,可作为耐高温绝缘材料应用于电机电器领域。俞翔霄等[15]研究了环氧改性耐热聚酯无溶剂漆,将聚酯无溶剂漆的耐热等级提高到H级。张建华[16]利用有机硅预聚体与不饱和聚酯进行缩合反应,制备了有机硅改性不饱和聚酯树脂,并以其为基体制备了性能优良的H等[17]研制了一种改性环氧类的H级无溶剂浸渍树脂,该浸渍树脂与环氧类少胶云母带有良好的VPI配套性、不含易挥发性成份、具有良好的贮存稳定性,适用于特种电机H级绝缘的VPI处理工艺。李强军等[18]制得一种亚胺改性不饱和耐热聚酯H级无溶剂浸渍漆,具有良好的贮存稳定性、耐高温、介质损耗因数低和分子量分布窄等特点。无溶剂有机硅浸渍漆是一种高性能绿色环保的新型绝缘材料,其优异的耐高低温性能、绝缘性能满足C级绝缘要求。C级无溶剂有机硅浸渍漆的研究工作在我国起步比较晚,虽然在此方面也做了许多尝试,并取得一定的进展[19],但仍不能满足电机制造业发展的需求,仍依赖于从国外进口。有硅浸渍漆随着其性能的提高不断得到认可,其应用范围逐步扩大,因此无溶剂有机硅浸渍漆是绝缘漆未来的发展方向[20]。尽管我国在新型耐高温无溶剂漆的研究方面投入了较大的人力和物力,取得了较多的成果。但是目前耐高温无溶剂漆仅适用于中小型高温电机,仍不能满足高压大电机的使用要求。在国内外市场需求的拉动下,我国研究者也对大型发电机的VPI浸渍漆体系进行了研究和开发,并参考西门子等公司技术推出了一些产品[21-22]。但其产品质量和档次比较低,无法满足高压大电机的使用要求,此类市场仍被进口产品所占领。满足高压大电机需求的耐高温无溶剂漆是今后需要重点研究的一个方向。在VPI绝缘体系中,定子线棒的主绝缘材料主要由粉云母纸、玻璃布和合成树脂3种组份组成,粉云母纸和玻璃布都是无机材料,本身具有很好的性能,合成树脂的好坏决定了绝缘的性能。而合成树脂又分二部份,一部份是少胶粉云母带中的粘合树脂,另一部份是渗透到绝缘中的浸渍树脂。前者为四分之一,后者达到四分之三,由此可知浸渍树脂在固化绝缘中对性能起决定性影响。所以,选用新型耐高温浸渍树脂,才能提高VPI绝缘体系定子线棒的耐高温性[23]。在模压绝缘体系中,目前国内定子线棒主绝缘材料为双酚A型环氧桐马玻璃粉云母带,其耐热等级已达F级的要求[24]。但双酚A型环氧树脂,其分子链具有一定的柔顺性,使环氧桐马绝缘体系达不到H级绝缘耐热要求,热稳定性离散度大。在提高环氧树脂型胶粘剂性能的同时,可以通过引入耐热性基团,开发一种具有高耐热性的树脂。另外还可以开发非环氧型胶粘剂,比如高性能聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅树脂等耐热胶粘剂,使胶粘剂形成多品种共存的局面。制备大容量百万机组是今后发展趋势,当前发电机工作的电压等级已提高到26kV、容量增大到百万千瓦以上[25],使得电机在工作时放出的热量大幅度增加,因此必须提高绝缘材料的耐热等级才能保证电机的正常使用。4环保型绝缘材料绝缘材料中的有害物质,在制造、检测、安装及维护过程中对人员的身体健康有相当大的危害。欧盟2002年颁布了《电器与