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绝缘材料专题讲座解析

变压器用绝缘材料专题讲座

-----2013.03

绝缘材料是变压器中最重要的材料之一，其性能及质量直接影响变压器运行的可靠性和变压器使用寿命。

近年来，变压器产品所采用的新绝缘材料层出不穷。

作为一个天天和绝缘件打交道的绝缘组员工，应该了解到更多更全面的绝缘材料知识。

在这次培训中将介绍变压器绝缘材料的基础知识、最新进展等。

希望通过培训能丰富大家的绝缘知识，并对今后的绝缘件的生产有所帮助。

1、变压器绝缘材料概述。

  随着科学技术的迅速发展，电机、变压器等电气设备的应用日益广泛。

而变压器运行的可靠性和使用寿命却在很大程度上取决于其所使用的绝缘材料。

绝缘材料越来越为从事变压器设计和制造人员所重视。

  近二十年来，变压器绝缘材料方面的新产品、新技术、新理论不断地涌现和发展，从而使变压器绝缘材料及其应用形成了一门很重要的学科。

1．1绝缘材料概论  

绝缘材料又称电介质，是电阻率高、导电能力低的物资。

绝缘材料可用于隔离带电或不同电位的导体，使电流按一定方向流通。

在变压器产品中，绝缘材料还起着散热、冷却、支撑、固定、灭弧、改善电位梯度、防潮、防霉和保护导体等作用。

  绝缘材料按电压等级分类：

一般分为：

Y（90℃）、A（105）、E（120℃）、B（130℃）、F（155℃）、H（180℃）、C（大于180℃）。

  变压器绝缘材料的耐热等级是指绝缘材料在变压器所允许承受的最高温度。

如果正确地使用绝缘材料，就能保证材料20年的使用寿命。

否则就会依据8℃定律（A级绝缘温度每升高8℃，使用寿命降低一半、B级绝缘是10℃，H级是12℃。

这一规律被称为热老化的8℃规律）降低使用寿命。

由高聚物组成的绝缘材料的耐热性一半比无机电介质低。

  绝缘材料性能与其分子组成和分子结构密切相关。

  变压器绝缘材料品种很多，按其形态一般可分气体绝缘材料、液体绝缘材料和固体绝缘材料。

2、变压器绝缘材料电器性能的四个基本参数。

变压器绝缘材料电气性能的四个基本参数包括绝缘电阻、介电系数、介质损耗因数和绝缘强度。

2.1绝缘电阻

2.1.1绝缘电阻的概念

  绝缘材料的电阻是指绝缘材料在直流电压的作用下，加压时间较长，且使线路上的充电电流和吸收电流消失，只有漏电电流通过时的电阻值/一般规定为电压加上一分钟后，所测得的电阻值即绝缘电阻值。

对于高电压大容量的变压器，测量绝缘电阻时规定为加压10分钟。

2.1.2影响绝缘电阻的因素

2.1.2.1温度与绝缘电阻的关系

  随着温度的升高，电阻率呈指数下降，这是因为当温度升高时，分子热运动加剧，分子得平均动能增大，使分子动能达到活化能得几率增加，离子容易转移。

2.1.2.2湿度与绝缘电阻得关系

  水分浸入电介质中，增加了导电离子，又能促进杂质及极性分子离解。

因此绝缘材料随着湿度增大而下降，尤其是绝缘纸或绝缘纸板得绝缘电阻下降的幅度更大。

  电介质表面水分对其表面电阻影响很灵敏，离子晶体极性材料等亲水物资对水的吸引力大于水分子间的内聚力，表面连续的水层降低表面电阻。

因此电器设备由于受潮引起绝缘电阻降低，造成漏电电流过大而损坏设备。

2.1.2.3杂质与绝缘电阻的关系

  电介质的杂质直接增加了导电离子，使电阻下降，杂质又容易混入极性材料中，促进极性分子离解使导电离子更多。

  电介质表面受杂质污染，并吸附水分会使表面电阻率迅速下降、绝缘材料的绝缘电阻是反映材料中杂质多少的最灵敏的参数之一。

在绝缘材料的标准中常常用测量体积电阻率的方法来衡量绝缘材料的杂质含量，为了保证绝缘材料的绝缘水平，绝缘材料厂必须严格地控制生产环境的洁净度。

2.1.2.4电场强度与绝缘电阻的关系

  在电场强度不太高的情况下，电场强度对离子的转移能力和对电阻率的影响都很小。

当电场强度增高时，离子的迁移能力随电场强度升高而增加，使电阻率下降，当电场强度升高到使电介质临近击穿时，由于出现大量电子迁移，使电阻率呈指数下降。

2.2介质损耗

2.2.1电介质损耗

  在交流电压作用下，电介质中部分电能将转变为热能，这部分能量叫做介质损耗，它主要是由导电和缓慢松弛极化引起的，它又是导致电介质发生电击穿的根源。

通常把单位时间内消耗的能量叫做介质损耗功率

2.2.2电介质损耗的形式

  分为：

游离损耗、偶极损耗、电导损耗、不均匀介质损耗

2.3绝缘老化

2.3.1绝缘老化的概念

  在电气设备运行过程中由于长期受各种因素作用，绝缘材料发生一系列不可逆的化学、物理变化，从而导致了电气性能和机械性能的劣化，这种不可逆的变化通常称为老化。

  绝缘老化分为热老化、环境老化和电老化。

造成老化的因素有热、电、光、氧、辐射线及微生物等。

2.3.2热老化

  由于热的原因，使得绝缘材料的老化称为热老化。

在热老化过程中，高分子绝缘材料往往发生热降解、低分子物产生或逸出。

使绝缘材料的绝缘性能和机械性能下降。

2.3.3电老化

  在电气设备中，绝缘材料在电场的作用下，性能发生不可逆的变化直至失效，这个过程称为电老化。

促使绝缘材料电老化的主要原因是局部放电。

由于局部放电产生臭氧，臭氧是强氧化剂，使含双键的大分子起加成反应，材料发生臭氧裂解。

2.3.4环境老化

  环境老化是指绝缘材料在光、氧、辐射和酸碱等因素的作用下而引起的污染性化学反应，其中阳光中的紫外线是主要因素。

3固体绝缘材料

  变压器所用的固体绝缘材料是指材料本身形态为固体的或经过化学反应、物理变化为固体的绝缘材料。

变压器固体绝缘材料种类繁多，如绝缘纸、绝缘纸板、Nomex姿、上胶纸、电工层压木、环氧玻璃布板、低介损层压板、绝缘漆、绝缘胶、棉布带、紧缩带、网状无纬聚脂带等等。

本此培训将把变压器所用的主要固体绝缘材料介绍给大家。

3.1绝缘纸

  这里所述的绝缘纸是指纯硫酸盐木浆纸，其他绝缘纸包括合成纤维纸（如NOMEX纸）、加腈绝缘纸（如丹尼森纸）等等。

3.1.1绝缘纸分为植物纤维纸和合成纤维纸两类。

3.1.2纤维素分子结构与绝缘纸特性的关系

3.1.2.1浸渍性

  由于纤维素分子结构中由羟基和伯醇，因此纤维素有良好的吸湿性。

若纤维素置于潮湿的空气中，水分子便会渗透到纤维素的大分子之间，使纤维素结构中毛细管润涨。

因此绝缘纸具有一定的浸渍性。

  绝缘纸的浸渍性与制浆、打浆和抄纸的工艺密切相观。

从制浆来说，纸浆制造得越纯洁，质量越好，浸渍性越大。

3.1.2.2机械性能

  纸的机械请度首先取决于纤维素分子量得大小。

分子量越大，强度越大。

从这个基本概念出发，如果要求强度更高的绝缘纸，可以不用木材作为原材料而改用麻纤维或棉纤维，因为棉、麻纤维的分子量比木纤维的分子量大得多。

3.1.2.3电气性能

3.1.3油浸变压器用的主要绝缘纸

  在油浸变压器中，经常使用的绝缘纸有电力电缆纸，高压电缆纸和变压器匝间绝缘纸等，下面分别对它们的性能指标加以介绍。

3.1.3.1电力电缆纸

  电力电缆纸用于35KV及以下的电力电缆和变压器或其他电器产品的绝缘。

产品分DLZ-V、DLZ-A和DLZ-B三级，厚度分80μm、130μm和170μm三种。

此电缆纸为卷筒纸。

3.1.3.2高压电缆纸

  高压电缆纸适用于110~330KV变压器，其为卷筒纸

3.1.3.3变压器匝绝缘纸

  变压器匝绝缘纸也是高压电缆纸的一种，纸不过性能更好一些，可用于550KV变压器、互感器和电抗器

  绝缘纸和绝缘纸板所含水分有三种形式；

1、化学结合水。

2、物理化学结合水（吸附水）。

3、物理机械结合水。

  其中化学结合水的结合力最强，一般含量在0.1%以下，如果在变压器干燥时，如果将此结合水处理掉，绝缘纸板的聚合度就会下降，材料就会老化。

对于超高压变压器来说，干燥处理后的材料含水量在0.2%~0.3%之间。

  物理化学结合水指物理吸附结合水，是以材料与水的分子间的作用为基础。

由于纤维素纤维的内外活性，而以物理化学引力吸附液体。

物理化学形式吸收水分含量约在8%~9%之间。

  物理机械结合水是指自由水分，借液体在材料毛细管里的表面张力，存在于大毛细管系统中，即存在于细胞腔和细胞间隙中，于材料呈物理机械结合，在绝缘纸和纸板制造中，在纸和纸板干燥过程中首先去掉自由水，而后是部分吸附水，其含水量控制在6%左右。

3.1.3.4电话纸

  电话纸是用未漂硫酸盐木浆制造的，主要用于生产电话电缆，也有变压器厂把它用在变压器的生产上，电话纸还用做绝缘皱纹纸的原纸。

  电话纸按质量分为A、B、C三等，其中A、B用于制造通讯电缆。

电话纸分为DH-50、DH-75两个规格，电话纸为卷筒纸。

3.1.3.5电容器纸

  电容器纸分为A类和B类，A类用于电子工业金属化纸介电电容器上，B类用于电力电容器的标准电容器纸，特点是紧度大、厚度薄。

3.1.3.6卷缠绝缘纸

  卷缠绝缘纸用作上胶纸的底板（上胶纸有单面上胶纸、双面上胶纸和网格上胶纸，上胶纸用来卷缠绝缘管和电容式套管。

卷缠绝缘纸的特点是吸水度高于电缆纸，低于浸渍纸。

其厚度为0.07mm、0.09mm.

3.1.3.7  浸渍绝缘纸

  浸渍绝缘纸是供浸渍树脂后用来压制层压制品的绝缘纸，根据层压制品的用途，浸渍绝缘纸分为：

硫酸盐木浆纸、亚硫酸盐木浆纸。

浸渍绝缘纸的最大特点是具有良好的浸渍性，其吸水高度是绝缘纸中最高者，浸渍绝缘纸呈中性。

3.2绝缘皱纹纸

  绝缘皱纹纸是由电工用绝缘纸经起皱加工而制成的。

沿其横向有皱纹，拉伸时皱纹被拉开。

因起皱加工程序不同，可制成伸长率不同的皱纹纸。

绝缘纸的厚度一般为0.05mm~0.12mm,伸长率范围为5%~200%。

绝缘皱纹纸常用于油浸式变压器的绕包绝缘，如绕组出头，引线及绝缘屏的绝缘包扎。

3.3丹尼森纸

  改绝缘纸被成为腈化纸，其在制造过程中，在纸浆中加入双腈胺、乙烯氰等。

由美国丹尼森公司生产，特点是该纸起皱后，经过压光，具有交好的机械氰度和适当的延伸率，是大型变压器绕组匝绝缘的理想材料，用它包扎换位导线可保证包紧而不会出现胀包的现象。

3.4Nomex纸

3.4.1Nomex纸是由美国杜邦公司生产的耐热合成纤维纸。

Nomex是这种纤维纸的商品名称。

Nomex的主要成分是芳香聚酰胺，具有良好的热老化性。

可在220℃下长期使用，属于C级绝缘材料

3.4.2Nomex纸的特性

3.4.2.1固有的介电强度

  致密型Nomex纸有较低的介电常数，较低的介质损耗因数。

3.4.2.2机械韧性

  致密的Nomex纸强度非常高，且弹性好。

较薄级别的产品则具有较好的柔韧性、抗撕裂性和耐磨性

3.4.2.3热稳定性

  Nomex纸在温度不高于200℃时，电气性能及机械性能所受其影响极小。

即使连续在220℃温度下，也能够长期保持其机械及电气性能至少10年。

3.4.2.4低温性能

  由于Nomex纸具有独特的分子结构，因此可以用于各种低温状况下。

3.4.2.5耐潮湿性能

  Nomex纸在相对湿度为95%的环境中，其介电强度为完全干燥状态下的90%。

3.4.2.6耐辐射性能

  电离辐射强度即使达到很高时，Nomex纸也基本上不受其影响，而且爱受到多次辐射后，仍保持其有效锝机械性能及电器性能。

3.4.2.7无度、耐燃性

  到目前未发现Nomex纸对人会动物有毒性反应，Nomex纸在空气中不熔化、不助燃，不会燃烧。

  目前，许多变压器厂采用0.05mm厚度的Nomex纸作为H级干式变压器锝匝绝缘纸。

由于H级干式变压器采用Nomex纸，再加上真空压力浸漆，浸漆后干燥固化处理，所以其具有很高的机械强度和较好的电气性能。

3.5上胶纸

  上胶纸可分为单面上胶纸、双面上胶纸和菱格上胶纸三种。

上胶纸式用0.07mm的卷绕纸涂上酚醛树脂或环氧树脂后烘焙干燥制成锝。

3.5.1单面上胶纸

  单面上胶纸又称为酚醛上胶纸，是由卷绕纸涂以酚醛树脂后，经烘焙干燥收卷而成锝。

该产品具有良好的绝缘性和可加工性。

其耐热等级为E级，适用于卷制胶纸筒（又称电木筒）或胶纸管（直径小的电木筒又称电木管）或胶纸管（直径小的电木筒，又称电木管）。

3.5.2双面上胶纸

  双面上胶纸是以卷绕纸或电缆纸涂以酚醛树脂后，经烘焙干燥收卷而制得的。

该材料代替酚醛树脂胶，主要用于压制绝缘层压板

3.5.3菱格上胶纸

  菱格上胶纸又称网格上胶纸或点胶纸，是在0.075mm~0.5mm的电缆纸上单面或双面涂环氧树脂，胶层厚度为0.0125mm~0.025mm。

环氧树脂的固化剂采用潜伏固化剂，因此上胶纸的贮存期为6个月。

  菱格上胶纸可作匝绝缘，以提高绕组的抗短路能力，用作箔式绕组的层绝缘，即一层铝箔一层网格上胶纸。

也可以用作圆筒式绕组的层绝缘。

3.5.4半导电电缆纸

  半导电电缆纸是用100%的本色硫酸盐木浆制造而成的。

在其中加入碳纤维等使表面电阻率控制在104Ω~106Ω之间。

半导体电缆纸又称半导体纸。

分单色和双色两种。

  半导体电缆纸主要用于高压引线和高压电器的屏蔽。

它可使电场均匀。

3.5.5金属化皱纹纸

  用于包扎静电板、静电屏、端环及引线和出头的屏蔽。

金属化皱纹纸的底纸为带色的电缆纸，单面有铝箔。

电缆纸和铝箔用黏合剂粘和后起皱制成。

3.6金属化纸

  金属化纸用于地屏及静电屏。

其底纸为0.2mm厚的绝缘纸，铝箔厚度为0.02mm

3.7绝缘纸板

  由硫酸盐木浆抄纸制成。

其用于饼式绕组的油隙垫块、隔板、纸板筒、瓦楞纸、铁轭绝缘、夹件绝缘和端绝缘绕组压板等。

  按密度分为低密度纸板（T3软纸板）、中密度纸板（T1纸板）、高密度纸板（T4硬纸板）；按纸板成型工艺分为热压型纸板和压光型纸板。

3.8绝缘筒

  变压器中使用的绝缘筒有酚醛胶纸筒、环氧玻璃布筒、玻璃钢筒和纸板筒等。

3.8.1酚醛胶纸筒

  E级绝缘，由单面上胶纸用卷管机卷制而成的。

卷制过程为：

浆上胶纸卷到管芯子上，经加温加压使胶纸上的胶熔合，并初步固化。

卷到规定厚度后，连同管芯一起烘焙，使之完全固化/脱管后的胶纸筒，按图纸的要求尺寸进行加工。

为了防潮可以浸两遍酚醛树脂漆或1032漆

3.8.2环氧玻璃布筒

  为B-F级绝缘，用作B-F级干式变压器绕组支承筒或开关的护筒。

  环氧玻璃布筒是用环氧玻璃布卷制而成的。

其工艺方法基本上与卷制酚醛胶纸筒相同。

环氧玻璃布所用的玻璃布应为无碱玻璃布，即碱含量小于0.8%，否则会影响其电气性能。

3.8.3玻璃钢筒

  玻璃钢筒是以集束玻璃粗纱浸渍树脂后，与轴心形成一定角度进行缠绕。

在缠绕机中带有加热装置，并达到初步固化，达到要求厚度后，进行旋转固化，以防止胶的流失。

  玻璃钢筒耐热等级有B级、F级和H级。

其耐温等级主要由所用的树脂的耐温等级决定。

3.8.4围制的纸板筒

  酚醛胶纸筒优点：

尺寸精确、机械强度好和不易受潮等，但在油变中，其吸油率差，而且难以保证内部没有残存的气泡。

所谓的围制的纸板筒是以多层纸板卷制而成的纸板筒。

3.8.5硬纸板筒

  硬纸板筒又称为厚纸板筒。

其主要用作大型变压器绕组骨架筒。

其电气性能和吸油率比酚醛纸筒好得多。

所用的纸板厚度一般为4、5、6mm，使用T4纸板。

在搭接处用铣边机铣成斜坡，坡口去毛刺后热粘合。

3.9瓦楞纸板

  在高压变压器多层纸筒组成的油板间隙结构中，可用瓦楞纸板代替撑条形成油隙。

这种绝缘结构可在保证绝缘性能的基础上节省绝缘材料。

  有间断大瓦楞和连续小瓦楞纸板两种。

3.10电工层压制品

  电工层压制品是由纸、布及木质单板做底材，浸涂不同的胶粘剂，经热压或卷制而制成的层状结构的绝缘材料。

  层压制品主要包括层压板、层压木、层压管、棒、电容陶管芯和其他特种型材等。

层压制品的性能取决于底材和胶粘剂的性质及其成型工艺。

3.10.1层压玻璃布板

  是以硅烷处理的无碱玻璃布为底材，经浸胶、烘焙、热压而制成的。

根据所浸树脂的不同，可分为不同耐热等级的玻璃布板。

在变压器产品中常使用的有：

环氧玻璃布板、有机硅玻璃布板、双马玻璃布板和改性二苯醚玻璃布板等。

3.10.1.1

  环氧玻璃布板（3240）所用黏合剂树脂是环氧酚醛树脂。

它具有很高的机械强度、电气性能、较好的耐热和耐潮性，并有良好的机械加工性，耐热等级属于B、F级。

主要用于B、F级干式变压器的气隙撑条、气隙垫块、铁轭垫块和隔板等

3.10.1.2有机硅玻璃布板

  3250有机硅环氧层压玻璃布板是用硅烷处理的无碱玻璃布浸以有机硅环氧树脂，经烘焙、干燥、热压处理及加工而成的耐热等级为H级的布板

3.10.1.3改性二苯醚玻璃布板

9331改性二苯醚玻璃布板是用电工专用无碱玻璃布浸以改性二苯醚树脂，经烘焙、热压而成。

该板具有较好的机械性能和浸水后的电器性能，耐热等级为H级，目前H级干式变压器普遍使用9331改性二苯醚玻璃布板做气隙撑条、气隙垫块、铁块和相间隔板等。

3.10.1.4双马来酰亚胺层压玻璃布板

9334双马来酰亚胺层压玻璃布板（简称双马玻璃布板）是用玻璃布浸以双马来酰亚胺树脂，经烘焙、热压而成。

其具有较高的机械性能和介电性能，良好的耐潮性和可加工性，耐热等级为H级

3.11Nomex纸板

  Nomex纸板是一种以芳香酰胺纤维为基础的合成材料抄成的纸板。

3.12引拔棒

  干式变压器铁心柱的级间棒、气隙撑条、螺杆和螺钉等往往采用玻璃丝引拔棒。

 引拔棒是用硅烷处理的无碱集束玻璃经过树脂浸渍后，经导向辊，进入外模预热器，再进入固化炉热固成型，再由引拔装置连续拉出。

引拔棒的耐热等级是由所用树脂的耐热等级而决定的。

可以生产出B、F、H级各种不同的耐热等级产品。

如果在树脂中加入磁性材料可以生产出磁性引拔件，如果加入碳纤维等材料可以生产出半导体引拔件。

3.13电工薄模及电工复合材料

  具有优良的介电性能，都属于薄片绝缘材料。

  电工薄膜有聚丙烯薄膜、聚脂薄膜和聚酰亚胺薄膜。

复合材料是由薄膜的一面或两面粘和纤维材料而制成的复合制品。

3.13.16020聚脂薄膜

3.13.26050聚酰亚胺薄膜

3.13.3聚脂薄聚脂纤维非织布柔软复合材料（DMD）

  它是在一层聚脂薄膜（M）两侧粘贴聚脂纤维非织布（D）制成的三层柔软复合材料。

DMD具有优异的电绝缘性、耐热性和机械强度以及优异的浸渍性。

它一般用做B级干式变压器层绝缘。

材料组成为聚脂薄膜两边粘贴0.05mm的聚脂无纺布。

聚脂薄膜与无纺布靠聚氨脂黏合剂粘合。

3.13.4聚脂薄膜芳香胺纤维纸柔软复合材料（NMN）

  由聚脂薄膜（M）两面粘贴聚芳酰胺纤维纸（Nomex）而成的三层（NMN）柔软复合材料。

具有优异的耐热性、介电性和较高的机械强度，它适用于F级的电器绝缘。

3.13.5聚酰亚胺薄膜聚芳酰胺纤维纸柔软复合材料（NHN）

  由聚酰亚胺薄膜两面用H级黏合剂粘合聚芳酰胺纤维纸（Nomex）而成，是目前最高档的薄层绝缘材料，具有优异的耐热性、较好的介电性能、较小的吸水性及优良的防潮能力，它属于H级绝缘材料。

可用于H级干式变压器的四层绝缘。

3.14玻璃漆布

  玻璃漆布是以电工用的无碱玻璃布浸以绝缘漆，经烘焙而成。

用语干式变压器。

3.14.1油性漆绸

  是由精练整理的优质桑蚕丝绸均匀地浸以油性绝缘清漆，经烘干加工而成，该材料具有一定的介电性能和机械性能。

油性漆绸耐热等级为A级，可用于油浸变压器和互感器引线包扎。

3.15变压器绑扎用绝缘材料  

  变压器绑扎用的绝缘材料有棉布带、紧缩带、半干稀线带、网状半干无纬带、玻璃布带和涤纶绳等。

3.15.1玻璃纤维

  玻璃纤维按金属氧化物（Na2O、K2O）的含量可分为有碱纱（大于1%）、中碱纱（1%左右）和无碱纱（小于0.8%）。

按拉丝时表面润滑剂来分：

石蜡和硅烷两种润滑剂。

3.15.2平纹无碱玻璃纤维带

  由无碱玻璃纤维编织而成，厚度为0.06，0.08，0.17mm.

3.15.3浸渍型平纹绑扎带

3.15.4环氧半干稀纬带

3.15.5树脂浸渍玻璃纤维无纬绑扎带

  电工用树脂浸渍玻璃纤维无纬绑扎带（以下简称无纬带）用做电机电枢和变压器铁心紧固绑扎材料。

在我国，1970年开始生产该产品。

由于当时技术水平低，生产的无纬带表面呈网状，易掉丝，使用率70%左右。

近几年引进意大利和美国技术，生产出了网状无纬带。

完全满足铁心机械化绑扎的要求，它具有抗张强度高，有一定的弹性和柔软型。

层间粘合良好能牢固地绑扎铁心而不粘辊。

绑扎用的树脂能长期在105度变压器油中使用，于变压器油有良好的相容性。

  无纬带的厚度为0.17、0.20、0.25、0.30四种规格。