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高壓電機絕緣雲母帶用膠粘劑的發展現狀及趨勢
雲母帶因可滿足高壓電機對絕緣的一些要求,所以應用非常廣泛。隨著電機電壓等級的提高,容量的不斷提升及高性能的不斷發展,對電機絕緣的要求也在不斷地提高,相應的絕緣材料的研究也在進行之中。
1 高壓電機絕緣用少膠雲母帶
  雲母帶是一種複合絕緣材料,主要由三種材料組成:介電材料,補強材料,膠粘劑。按IEC371的標準,雲母帶可以以膠粘劑的含量多少分為兩種,即多膠帶和少膠帶。這兩種雲母帶在高壓電機的絕緣中都有應用。多膠帶是指膠粘劑含量在35%以上的雲母帶,通過液壓或模壓工藝作為電機絕緣。少膠帶則是指膠粘劑含量在4%~8%的雲母帶,經真空壓力浸漬(VPI)工藝成為電機絕緣的一部分。以多膠帶為主體的電機絕緣,其雲母含量不高,電氣性能、整體性、熱態性能均較差;不能耐電熱老化,導熱較差,導致電機溫升較大,因而不能滿足電機在向高電壓等級、大容量發展過程中提出的要求。而以少膠雲母帶作為主體的電機絕緣,結合真空壓力浸漬(VPI)工藝,可以為電機提供良好的絕緣性能,作為新一代主絕緣材料已受到越來越多的重視。
1.1 少膠雲母帶簡介
  少膠雲母帶,簡稱少膠帶,具有與多膠帶完全不同的工藝體係,即真空壓力浸漬(VPI)工藝。其大致過程是:在用少膠帶包繞線圈後,將線圈浸入浸漬樹脂中,經過抽真空、輸漆、加壓、降壓、滴漆、烘焙固化幾個過程,得到成品。這是一種先進的絕緣工藝,具有雲母含量高、電氣性能優良,絕緣壽命長、整體性好、耐熱性及耐熱老化性能優良,可減薄絕緣厚度、導熱性好,可有效降低電機溫升及工藝簡單,生產周期短等特點。
  少膠雲母帶中的介電材料主要采用的是大鱗片粉雲母紙。補強材料一般采用電工用無堿玻璃布, 還有各種薄膜,如聚酯薄膜、聚酰亞胺薄膜等,且一般采用單麵補強。使用補強材料主要是為了提高雲母帶的機械強度,使其能夠承受包紮過程中較大的張力,避免雲母帶受到大的損傷,同時它也成為固化後絕緣的骨架。目前有些公司也在部分采用價格便宜的聚酯無紡布作補強材料。
  在少膠雲母帶的3個組分中,膠粘劑是最重要的組成部分。目前大都采用環氧樹脂作為膠粘劑的主體成份,主要是因為環氧樹脂固化後粘結性好,固化收縮率小,並且具有良好的電氣、機械性能和耐潮耐化學性。同時還有不飽和聚酯樹脂、聚酰亞胺樹脂、有機矽樹脂、改性二苯醚樹脂等。
1.2 少膠雲母帶中的膠粘劑
  膠粘劑影響線圈絕緣性能的表現主要有二個方麵,其一是膠粘劑含量,一般是越少越好。在包繞線圈後,經VPI工藝處理時,線圈內部的空氣是否容易排出,與膠粘劑含量有直接的關係。另外,膠粘劑含量高則使浸漬樹脂的相容難度增大,同時使高溫(155℃)時的tanδ值也增大,這也說明了VPI工藝必須采用少膠雲母帶的原因。其二是膠粘劑本身性能問題,因為膠粘劑既要能夠滿足少膠雲母帶的粘合性能,在高溫(155℃)時具有很低的tanδ值,又要同時與浸漬樹脂有很好的相容性。另要求製成的少膠帶應具有足夠的柔軟性,以利於包繞線圈;具有良好的透氣度和滲透性,以利於在VPI浸漬過程中絕緣層內空氣與揮發物的抽出,以及樹脂的浸透。
  對膠粘劑的三大性能要求為:(1)膠粘劑自身有良好的機械性能、電氣性能、耐熱性等;(2)膠粘劑要具有良好的工藝性,容易滲透;(3)膠粘劑要與浸漬樹脂有良好的相容性。
  目前,在少膠雲母帶中使用最多的膠粘劑是雙酚A型環氧樹脂,其結構具有如下特征]:①大分子鏈的兩端是反應活性很強的環氧基;②分子主鏈上有許多極性醚鍵;③分子鏈上同時含有較多的羥基;④分子主鏈上還有大量的苯環、次甲基和異丙基;⑤-C-O-鍵的鍵能高;⑥長的分子鏈具有一定的柔順性。
  這些結構特征使得環氧樹脂具有如下一些特點:(1)固化物具有很高的機械強度和粘接強度;(2)固化物具有較高的耐腐蝕性;(3)固化物有良好的電氣性能。雙酚A環氧樹脂既屬於此類物質,上述特點使雙酚A環氧樹脂得到了大量應用。另外,雙酚A環氧的原材料易得,成本較低,產量較大,也是一個廣泛應用的原因。
  但是,雙酚A環氧樹脂的耐熱指數基本上在130℃左右,而且柔韌性較差,不能滿足少膠帶的工藝以及使用要求。因此須對雙酚A環氧樹脂進行改性,提高其耐熱性和柔軟性。改性的方法要不僅可以提高雙酚A環氧樹脂的耐熱性和柔軟性,而且還不能降低其機械性能和電氣性能,以及耐腐蝕性等。作為膠粘劑對其使用的改性方法主要是使用耐熱不飽和聚酯改性。在提高耐熱性和柔軟性的同時,由於聚酯同樣有良好的電氣性能、耐腐蝕性,可以滿足少膠帶的要求。
  其它有機矽和二苯醚類在固化時會有一些小分子放出,這些低分子會有一部分夾在已固化的絕緣層內,嚴重影響絕緣的常態和熱態介質損耗。如果在VPI浸漬時嚴格控製工藝參數,得到的絕緣性能會有一定的改善。
2 國內外發展現狀及趨勢
  目前,電機在向著高電壓等級,高功率、大容量、高性能等方向發展,促使電機絕緣向如下幾個方向發展:(1)高耐熱等級:電機工作的電壓等級的提高、容量的增大,使得電機在工作時放出的熱量大幅度增加,因此必須提高絕緣材料的耐熱等級才能保證電機的正常使用;(2)高性能:包括電氣性能、機械性能、耐化學性、耐環境性等;(3)減薄絕緣厚度:由於電機放熱的增加,為保證電機的使用要求,必須要降低電機溫升,因此需要降低絕緣厚度;(4)低成本:包括使用低成本的原材料,以及低成本的工藝技術和質量控製等方麵。
2.1 國外少膠帶用膠粘劑的發展及現狀
  20世紀40~50年代,國外先後研製成功多膠帶、少膠帶,並將其應用於電機的生產中。當時使用的膠粘劑受材料所限,主要為瀝青、鬆香脂、蟲膠等天然樹脂,或是酚醛、醇酸等合成樹脂。耐熱等級主要是A、E級。20世紀60~70年代環氧樹脂、聚酯樹脂,以及有機矽樹脂得到了發展,並在少膠帶中獲得了應用。並且隨著VPI工藝的發展,這一時期的少膠帶的應用開始逐步擴大。此時的少膠帶的耐熱等級上升到了B級,少數達到了F級。到了20世紀80、90年代,改性環氧樹脂、改性聚酯樹脂的發展,以及高性能薄膜作為補強材料的使用,使得雲母帶的性能有了大幅提升。耐熱等級普遍達到了F、H級。並且在逐步向C級發展[8]。大致可以將國外的少膠帶劃分為表1中所示四種。
  從表1可看出,少膠帶所使用的膠粘劑是各種經過改性的環氧樹脂,主要是雙酚A環氧樹脂。表1中所列的各種少膠帶,其所使用的膠粘劑中都未含有固化劑,有的甚至連促進劑也沒有。這主要是為了使少膠帶能有較長的儲存期限。但出現了經VPI工藝浸漬後烘焙固化時,如何使少膠帶中的膠粘劑固化問題。因此在浸漬樹脂的配方設計中,應考慮加入過量固化劑,以與少膠帶中的膠粘劑配合固化,最終形成一個整體。

  從表1中也可看出,少膠帶自身的性能是一個重要的方麵,它與浸漬樹脂的相容性同樣在整個VPI工藝中占據重要的位置。少膠帶在包繞線圈後,通過VPI工藝過程,與浸漬樹脂混合在一起,再經過固化處理,而得到成品。成品絕緣效果的好壞,取決於少膠帶與浸漬樹脂的相容性。
  通用型、通用型含促進劑少膠帶可以適用於任何浸漬樹脂,而且通用型含促進劑少膠帶在用於環氧酸酐苯乙烯浸漬樹脂時,有特別優異的高溫tanδ值。含特種促進劑少膠帶則隻適用於特定的浸漬樹脂,在其它浸漬樹脂中使用得不到良好的電氣性能。高導熱少膠帶主要是為滿足空冷汽輪發電機的需要而開發的,它通過添加具有高導熱係數的填料,使得少膠帶的導熱係數提高,可達通用型少膠帶的1 7倍,從而降低電機溫升。
2.2 國內少膠帶用膠粘劑的發展及現狀
  國內發展雲母帶是從國外引進的技術,與國外的發展過程基本上一致,也是經曆了從天然樹脂到合成樹脂,再到高性能合成樹脂的主要發展過程,同時耐溫等級及各種性能不斷提升。但是在發展少膠帶的過程中,走了一些彎路。20世紀80年代,從國外進口的電機上認識了VPI工藝後,AG財富平台引進了先進的VPI絕緣工藝以及少膠帶。但由於當時少膠帶的生產困難太多,於是采取了折中的辦法,用中膠帶代替少膠帶用於VPI工藝。經過一段時間的使用,發現中膠帶雖然能夠用於VPI工藝,但是由於膠粘劑含量較大,在浸漬時產生一係列的問題,於是又回過頭來開發少膠帶。
  到了20世紀90年代,由於改性環氧樹脂、改性聚酯樹脂的發展,基本上解決了少膠帶在製造工藝上的困難。國內有幾家單位相繼開發成功少膠帶,主要有桂林電器科學研究所、上海雲母廠、嘉興絕緣材料廠。國內的少膠帶技術是從國外引進的,使用的膠粘劑也主要是環氧樹脂體係,同時還有改性二苯醚帶、有機矽帶等。國內主要將研發重點麵向浸漬樹脂,開發了多種不同體係的浸漬樹脂。因而對少膠帶的關注較少,目前使用的膠粘劑基本上與國外相同。表2列出了國內外一些少膠帶的組成與性能,以供比較。 


  從表2中可以看出,少膠粉雲母帶的雲母含量在80%左右,遠遠高於多膠粉雲母帶。桂林少膠帶的綜合性能較好,但是存在偏硬和稍有掉粉的現象;上雲少膠帶是用幹法製成的,但包繞工藝性較差;嘉興少膠帶存在反粘現象,性能較好。瑞士Isola公司生產的Isola少膠帶(即表1中的通用型少膠帶)不僅性能良好,而且包繞工藝性較好,基本無掉粉、回粘等問題。
  圖1是Isola少膠帶與國產少膠帶分別包繞線棒,並經VPI浸漬,國產浸漬樹脂後固化樣品對其電氣性能的比較。在該試驗中,除了使用的少膠帶不同,其餘材料及結構完全相同。從圖1可看出,在室溫下兩種帶子的絕緣介質損耗差別不大,高溫下Isola帶子則明顯優於國產帶子。由此可見,國內少膠帶與國外的差距主要表現在工藝性及熱態性能上。目前國產少膠帶的問題主要是熱態損耗增量較大;在應用工藝性能上存在少膠帶柔軟性差,包帶時飛粉嚴重,機包時損傷大,透氣度較小等問題。而且與浸漬樹脂的相容性較差。
  

2.3 少膠帶用膠粘劑的發展趨勢
  從以上可看出,當前電機不斷向著高電壓、大容量、高性能等方向的發展對電機絕緣提出了新的要求,少膠帶用膠粘劑同樣麵臨著新的挑戰,新的發展趨勢。主要表現在:
  (1)通過引入耐熱性基團,開發一種具有高耐熱性的樹脂。電機的工作電壓在不斷提高,容量也在增大,電機工作時產生的熱量也隨之變大,傳統的F級少膠帶已經不能滿足絕緣要求,限製了電機的發展。因此要在F、H級的基礎上,逐步向C級發展。
  (2)提高膠粘劑的介電性能,使得少膠帶具有優良的電氣性能。電機在使用時偶爾產生的短時過電壓,可能會使絕緣發生擊穿等問題,造成破壞;同時長期的使用,絕緣會產生疲勞,從而發生絕緣破壞。而絕緣破壞的主要原因是由於膠粘劑的電氣性能較差,擊穿電壓較低,耐電暈性較弱,因此需要提高膠粘劑的電氣性能
  (3)為保證電機能在各種環境下使用,需要膠粘劑具有良好的機械性能、耐腐蝕性和耐環境性。
  (4)少膠帶是否有良好的工藝性,是否容易繞包,主要取決於膠粘劑在凝膠後的性能。因此膠粘劑要有一定的柔軟性。
  (5)膠粘劑要粘度較低,滲透性良好,適合於少膠帶的生產。
  (6)與浸漬樹脂有良好的相容性。最好是既可以用作膠粘劑,又可以作為浸漬樹脂使用。
3 國內發展建議
  目前我國電機絕緣用少膠帶與國外相比差距主要表現在:產品性能不夠穩定,產品雲母含量低等問題。尤其是高檔次的、高新技術含量的產品不能滿足使用要求,仍然依靠進口;少膠帶產品質量尚欠缺,產品規格少、係列化程度不高;生產規模較小,原材料消耗以及成本居高不下,造成企業效益不好;缺乏相應的新產品研發能力,產品的技術進步較慢[9]。
  差距形成的主要原因是工藝裝備水平落後,設備技術改造、產品技術改造滯後;政府的科研投入減少,企業和科研單位自我投入乏力,製約了產品開發和改性提高;原材料品種少,不配套,質量不穩定,也是製約因素;另外,企業間缺乏協作精神或是企業缺乏整套產品開發思路也是製約因素。例如,生產少膠帶往往不生產浸漬漆,或生產浸漬漆而不生產少膠帶,使兩產品間的相容性配套性難以解決,即使有能力的企業也無法把少膠帶、浸漬漆、防電暈材料作為一整套來開發。
  因此,AG財富平台建議在發展少膠帶的時候,要明確少膠帶的生產是一個係統工程,需要從粉雲母紙的製造、補強材料的生產、膠粘劑的開發,以及浸漬樹脂的開發等角度來整體考慮,尤其應把浸漬樹脂與少膠帶膠粘劑作為一個統一的、完整的體係來進行研究[9]。
  加大新產品的開發力度,在提高環氧樹脂型膠粘劑性能的同時,開發非環氧型膠粘劑,比如高性能聚酯樹脂、聚酰亞胺樹脂,解決有機矽樹脂在用作膠粘劑時的一些問題,使膠粘劑形成多品種共存的局麵。另外,也要開發高性能薄膜作為補強材料使用。實現少膠帶的低成本化。
  在電機絕緣方麵,少膠帶這種複合材料起著重要的作用。當前,高電壓等級、大容量、高性能電機的快速發展,迫使電機絕緣不斷提高性能,滿足電機的要求。在這種情況下,少膠帶由於自身優異的性能,以及VPI工藝的優勢,為電機絕緣的發展提供了一個廣闊的空間。
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