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絕緣材料的發展與現狀
 
1 電工絕緣材料的重要性
 
電工絕緣材料是能阻止電流通過的材料,它的電阻率很高,通常在106-1019Ω·m範圍內。一般的電機、電氣設備都是由導體材料、碳性材料、絕緣材料和結構材料構成的,除絕緣材料之外,其他都是金屬材料,電機、電氣在運行中,不可避免地要受到溫度、電、機械的應力和振動,有害氣體、化學物質、潮濕、灰塵和輻照等各種因素的作用,這些因素對絕緣材料的影響比對其他材料更明顯,可以說,絕緣材料對這些因素更為敏感,容易變質劣化,致使電工設備損壞。所以絕緣材料是決定電機、電器運行可靠性的關鍵材料。隨著運行時間的延續,絕緣材料必然要老化,並且其老化速度要比其他材料快,所以決定電機、電器使用壽命的關鍵材料也是絕緣材料。
 
 
2 絕緣耐熱分級
 
電工絕緣材料的使用期受多種因素的影響,而溫度通常是對絕緣材料和絕緣結構老化起支配作用的因素,通常將電氣絕緣的耐熱性劃分為若幹耐熱等級。按國家標準GB11021(IEC60085)規定,各耐熱等級及所對應的溫度見附表。
附表
耐熱等級  溫度/℃   耐熱等級   溫度/℃
Y          90           H        180
A          105          200      200
E          120          220      220
B          130          250      250
F          155
 
絕緣結構的溫度極限與其中絕緣材料的溫度極限可能不直接相關。在絕緣結構中,絕緣材料的溫度極限可能因受到其他組成材料的保護而有所提高,也可能因其他材料不相容而使絕緣結構的溫度極限低於各個組成材料的溫度極限。所有這些問題應該通過功能試驗予以評定。
 
 
3 電工絕緣材料的分類
 
電工絕緣材料共分為八大類:
1)        漆、可聚合樹脂和膠類:有溶劑漆,無溶劑可聚合樹脂、覆蓋漆、防暈漆、半導電漆、硬質覆蓋漆、瓷漆、膠粘漆、熔敷粉末、矽鋼片漆、漆包線漆、絲包線漆、灌注膠、包封(澆注)樹脂、膠泥、膩子。
2)        樹脂浸漬纖維製品類:漆布、漆稠、合成纖維漆布、上膠布、玻璃纖維漆布、混織纖維漆布、防暈帶、漆管、樹脂浸漬無緯綁紮帶、樹脂浸漬適型材料。
3)        層壓製品、卷繞製品、真空壓力浸膠和引拔製品類:有機底材層壓板、真空壓力浸膠製品、無機底材層壓板、防暈板及導磁層壓板、有機底材層壓管、無機底材層壓管,有機底材層壓棒、無機底材層壓棒、引拔製品。
4)        模塑料類:木粉填料為主的模塑料、石棉填料為主的模塑料、玻璃纖維填料為主的模塑料、雲母填料為主的模塑料、其他有機填料為主的模塑料、無填料塑料。
5)        雲母製品類:雲母紙、柔軟雲母板、雲母帶、換向器雲母板、電熱設備用雲母板、襯墊雲母板、雲母箔、雲母管。
6)        薄膜、粘帶和柔軟複合材料類:薄膜、薄膜上膠帶、薄膜粘帶、織物粘帶、樹脂浸漬柔軟複合材料、薄膜絕緣紙柔軟複合材料、薄膜漆布柔軟複合材料、薄膜合成纖維紙柔軟複合材料、薄膜合成纖維非織布柔軟複合材料、多種材質柔軟複合材料。
7)        纖維製品類:非織布、合成纖維紙、絕緣紙、絕緣紙板、玻璃纖維製品、玻璃氈、上膠紙。
8)        液體類:變壓器油、電纜油、超變油、合成芳香烴絕緣液體、有機矽絕緣液體。
 
 
4 電工絕緣材料發展趨勢
 
絕緣材料作為基礎材料,其決定電機、電器工業的水平,每一種新型電機、電氣產品的開發,都必須由新型絕緣材料的開發作為先導。
 
20世紀80年代,開始出現新的F、H級絕緣材料體係,相繼開發了聚酯亞胺、聚酰亞胺亞胺、聚酰亞胺、聚馬來酰亞胺、聚二苯醚等耐熱性絕緣漆、粘合劑和薄膜,以及改性環氧、不飽和聚酯、聚芳酰胺纖維紙及其複合材料等係列新產品。電工產品耐熱等級大多提升為B級,在冶金、吊車、機車電機等特殊電機中開始采用新的F、H級絕緣材料。
 
20世紀90年代,相關機構大規模的自主開發F、H級絕緣材料,使其性能得到提高,如改性二苯醚、改性雙馬來酰亞胺、改性聚酯亞胺漆包線漆、聚酰胺酰亞胺漆包線漆、聚酰亞胺漆包線漆、F、H級玻璃纖維製品、高性能聚酰亞胺薄膜、F級環氧粉雲母帶等。無溶劑浸漬樹脂和快幹浸漬漆得到迅速發展,少膠粉雲母帶、VPI(真空壓力浸漬)浸漬樹脂開始應用。
 
為提高絕緣材料的技術水平,20世紀80年代開始引進國外先進製造技術和設備,對提高我國絕緣材料整體水平起到了重要作用,與20年前比較,增加了200多個品種,年產量是20年前的4倍,目前從高壓絕緣到低壓絕緣,從發電設備、輸變電設備到用設備絕緣,從A級絕緣到C級(200℃級)絕緣,基本上可以滿足國內需要,形成產品眾多、門類齊全、符合國情的絕緣材料產品體係,並出口80多個品種到20多個國家和地區,包括美國和歐洲、日本、澳大利亞、韓國等。
 
電機、電氣以及電子工業的發展,對絕緣材料提出了更高的要求,必須促進絕緣材料的發展。今後一段時期將大力發展對電工產品有重大影響的產品以及技術水平高、國內外市場前景好、對行業發展有有較大帶動效用的產品。
1)   大型發電設備配套的關鍵絕緣材料。重點是高性能的F級多膠粉雲母帶、F級少膠粉雲母帶及VPI浸漬樹脂。
大型發電設備和輸變電設備都向著高壓大容量的方向發展,要求絕緣材料具有高的介電強度、低得介電損耗與良好的耐電暈腐蝕能力,大型發電設備還要求具有熱態下的高力學性能。
2)   發展500kv及以上輸變電設備和無油化配電設備用關鍵絕緣材料。重點是高強度無氣隙層壓製品、高壓開關和幹式變壓器用澆注膠及配套材料、戶外用絕緣材料等。
3)   中小型電機用新型F、H、C級絕緣材料、節能絕緣材料和資源保護型絕緣材料。重點是F、H級VPI浸漬樹脂和低溫快固化浸漬漆,高固體量漆包線漆,水溶性浸漬漆、新型F級薄膜及H級柔軟複合材料、F級合成纖維紙和非織布。
4)   高、低壓電器用新型絕緣材料。重點是低壓電器和汽車電器用新型熱固性塑料、增強型熱塑性塑料和高壓電器用耐電弧塑料。
5)   發展高檔電子絕緣材料,重點是聚酰亞胺薄膜繞性覆銅箔板和高性能封裝材料。
6)   家用電器用絕緣材料,擴大絕緣材料應用範圍。
 
在發展各種新產品時,要發展環境協調型產品,重視絕緣材料產品製造工藝中廢氣、廢液的回收,減少排放、減少汙染以及執行環境管理體係認證標準(ISO14000)等都符合我國的長遠國策。今後,開發和選用絕緣材料必須考慮其對環境的可能影響。
 
絕緣材料由化學物質組成,在其製造、使用和廢棄時,對人類生存環境可能造成有害影響,人們應關注以下幾點:①毒性,絕緣材料應是無毒的,或是低毒的,但實踐證明,石棉、有機溶劑等都是重點控製對象②火險性,大多數電器火災常常是由絕緣材料擊穿、燒損或使用不當引起的。為防止火患,各國陸續通過法規或標準加強對使用有機絕緣材料的電氣產品及零部件的防火安全性的要求及管理。現在,阻燃性已成為相當一部分電氣產品及元器件設計時選用絕緣材料的決定性指標。
 
應考慮絕緣材材料對環境的可能影響,目前絕緣材料及其組成在大氣中的含量,還不會i造成實際的影響,但絕緣材料及其揮發性組分多是化學穩定性的,在大氣中不易分解,壽命很長。因此,減少揮發性物質用量和排放以及絕緣材料的回收利用,減少對環境的可能影響,也引起更多的關注。
 
從技術方向考慮,根據國家發展的需要及國內外市場需要,還將發展一批重大關鍵技術。
 
為適應變頻電機的發展,研究開發變頻絕緣材料及製造技術,為變頻電機配套的絕緣材料應具備的特性如下:有較高的耐熱性能,有較優良的耐電暈、耐局部放電、耐腐蝕等方麵和性能。
 
不同耐熱等級的變頻絕緣材料其基本樹脂也不同,如F級可以選用環氧樹脂、聚酯亞胺等。電力機車配套的H級、200級變頻絕緣材料選擇聚酰亞胺等為基本樹脂,再采用納米技術填充足量的TiO2 ,Al(OH)3 SiO2 或雲母粉粒,可以改善其耐電暈、耐局部放電性能,這方麵我國已初獲成功。
 
應用納米技術發展絕緣材料,將納米級(範圍在1-100mm之間)粉料均勻地分散在聚合物樹脂中,也可以采取在聚合物內部形成或外加納米級晶粒或非晶粒物質,還可形成納米級微孔或氣泡,由於納米級粒子的機構特征使複合型材料表現出一係列獨特而又奇異的性能,使納米材料發展成極有前景的新材料領域。目前我國已經開展了這方麵的研究,並獲得一定的成功。納米材料的應用必將為許多傳統的絕緣材料無法達到的新異能性,開辟了新材料、新技術的發展前景。
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