11472真空压力浸渍用环氧浸渍树脂及其在高压电机上的应用.docx
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11472真空压力浸渍用环氧浸渍树脂及其在高压电机上的应用
1147-2真空压力浸渍用环氧浸渍树脂及其在高压电机上的应用
杨杰1,2,张奕黄2,李雪3,陈红生4,薛长志4
(1.国电联合动力技术(宜兴有限公司,江苏宜兴214203;2.北京交通大学,北京100044;3.上海
同立电工材料有限公司,上海201605;4.南车株洲电机有限公司,湖南株洲412001
概要:
主要介绍了1147-2真空压力浸渍用环氧浸渍树脂的性能指标、常规电性能及其在高压电机上的应用情况,结果表明1147-2浸渍树脂是一种更适宜国内工艺技术条件的环保型高性能浸渍树脂。
关键词:
环氧酸酐;真空压力浸渍;高压电机
1147-2EpoxyVPIResinandItsApplicationonHighVoltageMotor
YangJie1,2,ZhangYi-huang2,LiXue3,ChenHong-sheng4,XueChang-zhi4
(1.GuodianUnitedPowerTechnology(YixingCompanyLTD.,Yixing214203,China;2.BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;3.ShanghaiTongliElectricMaterialCO.,LTD,Shanghai201605,China;4.CSRZhuzhouElectricCO.,LTD.,Zhuzhou412001,China
Abstract:
Theperformancesandconventionalelectricalpropertiesof1147-2epoxyVPIresinanditsapplicationsonhighvoltagemotorswereintroducedmainly.Resultsshowthat1147-2impregnatedresinisakindofenvironmentalfriendlyimpregnatedresinwithhighperformance,whichismoresuitableforthedomestictechnologycondition.
Keywords:
epoxyanhydride;vacuumpressureimpregnation;highvoltagemotor
1前言
目前高压电机定子主绝缘系统可以分为两条技术路线:
一是以美国GE公司Micadur绝缘和法国A-A公司isotenax-N绝缘为代表的环氧粉云母带多胶体系,采用液压或模压成型的连续式绝缘;另一是以美国西屋公司Thermalastic绝缘和瑞士ABB公司Micadur绝缘为代表的环氧粉云母少胶体系,采用真空压力浸渍(VPI的连续式绝缘。
对于高压电机而言,采用真空压力浸渍(VPI绝缘结构,云母含量显著提高,有利于提高绝缘的电气性能、耐电晕性和耐电寿命;绝缘内部无气隙,整体性良好,导热性提高,从而提高电机的技术指标、运行寿命及运行可靠性;同时大大简化线圈制造工艺,缩短生产周期,降低制造成本,有利于提高线圈绝缘质量的稳定性。
根据VPI整浸浸渍树脂来划分,目前VPI技术线路有三类,一类是环氧酸酐-苯乙烯树脂(典型产品为Thermalastic绝缘体系53841WS和53841PU树脂,第二类是纯环氧-酸酐树脂(典型产品为西门子Micalastic绝缘体系ET884树脂,第三类为其它类树脂,主要包括一般耐热不饱和聚酯树脂(如吴江太湖1149-2树脂、改性不饱和环氧酯树脂(如苏州巨峰JF9950树脂、改性不饱和聚酯亚胺树脂(如哈绝H9110树脂等。
其中,除第二类纯环氧酸酐无溶剂浸渍树脂外,其它树脂都含有苯乙烯、甲基苯乙烯等溶剂作为稀释剂,在烘焙过程中,树脂中的活性稀释剂普遍存在沸点较低、易挥发的现象,可能会使绝缘存在气隙和尺寸收缩,只有纯环氧酸酐无溶剂浸渍树脂才能真正做到无溶剂、基本零挥发、零气隙,VPI后绝缘整体性好,代表着当前世界最先进的VPI水平。
目前国外纯环氧酸酐无溶剂浸渍树脂典型代表---西门子公司ET884树脂,其主要由低粘度环氧树脂和液态酸酐组成,不含其他稀释剂,固化挥发物小,比较符合环保要求,因而在国内逐渐得到应用和认可。
但ET884树脂的室温粘度大,在使用时要加热到60℃~70℃时粘度才能达到使用要求,在树脂不用时需要冷却至10℃以下储存,在工业生产中,浸渍树脂反复加热冷却,不仅会增加很多电能消耗和工时消耗,而且在反复使用过程中不可避免的会有部分杂质和促进剂流入浸渍树脂中,在热的作用下,浸渍树脂的使用寿命会大幅度缩短,严重的会导致树脂提前报废。
加上ET884树脂从国外进口,价格较高,极大的限制了ET884浸渍树脂的在国内进一步推广和普及。
21147-2树脂性能介绍
上海同立电工材料有限公司在对国外各种浸渍树脂深入研究的基础上,进行了一些有益的改进,开
发出了1147-2真空压力浸渍用环氧浸渍树脂,经过产品鉴定和反复验证试验表明其性能基本达到了ET884树脂的水平。
与ET884树脂相比,其室温粘度有明显下降,可以满足常温下浸渍的工艺条件,缩短了浸渍树脂的加热时间和制冷时间,减少能源消耗,并且大幅度减缓了由于促进剂流失到树脂中造成的树脂粘度快速增长,有利于延长浸渍树脂的使用寿命。
此外,1147-2与ET884树脂同样都不含任何易挥发性成分,相对于其他含苯乙烯类稀释剂的无溶剂浸渍树脂,减少了在真空和烘培过程中挥发物气体的排放,有利于改善环境,是更适宜国内工艺条件的环保型高性能VPI浸渍树脂。
表1为西门子ET884树脂与上海同立1147-2树脂的性能对比。
表1两种浸渍树脂的性能对比
序号检测项目单位1147-2ET884(实测值
1外观—淡黄色透明液体,无
机械杂质、不溶粒子
无色透明液体
2
粘度
(23℃±1℃,旋转粘度计
mPa·s139
16.0-17.0
(70℃
3
固化挥发份
(140℃/10h
%≤5≤5
4密度g/cm31.15±0.11.16±0.01
5树脂在闭口容器中的稳定性
(60℃±2℃/96h
—粘度增长倍数≤0.5—
6体积电阻率
常态
Ω·m
≥1×10125.3×1012浸水48h≥1×10125.2×1012
7表面电阻率
常态
Ω
≥1×10143.0×1013浸水48h≥3×10131.8×1012
8介质损耗因数—≤1.0×10-20.001
9相对介电常数—≤3.53.1
10
电气强度
(快速升压
常态
MV/m
≥2223.2155±2℃≥20—
浸水48h≥20—
1147-2真空压力浸渍用环氧浸渍树脂是由高纯度环氧树脂与酸酐固化剂配制而成的高压电机(VPI无溶剂浸渍树脂。
与国外西门子ET884树脂、VonRollISOLA3407同属环氧酸酐类低挥发无溶剂绝缘浸渍树脂。
与国外同类型产品相比,其最大的优点在于采用独创的降粘技术,降低了树脂体系的粘度,实现了室温浸渍,节约了大量能源,缩短生产周期,提高经济效益,填补国内空白。
2.11147-2树脂固化挥发份
为验证含苯乙烯类活性稀释剂的浸渍树脂和1147-2树脂在固化过程中质量损失的巨大差异,采用Φ105的钢盘浇注1.0mm厚的胶片方法,比较不同种类的浸渍树脂所产生的挥发份的大小程度。
实验数据分别见下表2所示。
试验只是间接地反映浸渍树脂的固化挥发物水平,无法正确反映电机定子在VPI处理过程中的真正挥发物水平。
考虑到敞口浇片都是在烘箱中进行,升温速率较快,使树脂体系能在较短的时间内实现固化。
而电机定子体积、重量较大,烘房的空间又很大,很难实现在同样短的时间内达到与上述方法类似的升温效果。
如果使用传统的苯乙烯为活性稀释剂的浸渍树脂,势必会出现在升温过程中,苯乙烯在未达到固化温度点时大量挥发,就树脂体系而言,这种挥发量应该比上述试验所测的数值还要大许多。
但是,1147-2树脂的挥发份指标都不会超过5%,这对于提高主绝缘的致密性、电气强度和机械强度都是至关重要的。
1147-2树脂在固化过程中可以达到极低的排放量,从环保角度来考虑1147-2树脂是真正的无溶剂浸渍树脂。
表2几种树脂固化后挥发份对比
名称固化条件粘度/涂4杯23℃
(s
固化前重量
(g
固化后重量
(g
挥发份(%
国内T厂树脂
150℃/10h
40s
9.85466.602633.0%9.97846.563034.2%1147-2140℃、8h
33~35s
10.802810.64521.5%10.863610.61982.2%
11.320311.10081.9%11.617211.37282.1%
进口树脂
16.0-17.0mP.s(70℃
11.556711.40881.3%
11.078210.89111.7%
10.989010.70232.6%11.984411.65392.7%
备注:
浇铸模具为直径105mm,深度为5mm,涂有均匀脱模剂的铁质模具,将其放置于烘箱中调至水平并预热至90℃。
将树脂倒入预热好的模具中,升温至浸渍树脂固化温度并开始计时。
烘箱升温速率
≥1℃/min。
2.2温度对1147-2树脂粘度的影响
粘度是决定浸渍树脂流动性和渗透性的主要因素。
图1为1147-2树脂的粘度温度关系曲线。
温度/oC
粘度/mPa·s
图11147-2与国外浸渍树脂粘温关系
由图1可知,1147-2树脂具有良好的粘度温度特性,在23℃到30℃范围内足以满足电机绕组的浸渍要求,树脂的渗透性填充性十分优异;与国外树脂相比,1147-2树脂的室温粘度大幅度下降,在20℃~30℃时粘度处于200mPa·s~80mPa·s之间,完全可以满足电机电气设备的绝缘浸渍,节约了大量能源,缩短生产周期,提高经济效益,填补国内空白。
2.31147-2树脂胶化时间
由于1147-2树脂中没有促进剂成份,所以胶化时间的长短直接取决于少胶粉云母带中所含促进剂的种类与份量。
测试胶化时间时在树脂中另外加入占环氧树脂重量份的1/100的BDMA作为固化促进剂。
在电机实际生产过程中,可以使用含有不同种类促进剂的少胶粉云母带,具体烘培固化时间因促进剂含
量和种类的不同而不同。
2.41147-2树脂储存稳定性试验
正是因为1147-2树脂中没有固化促进剂,所以树脂的储存稳定性十分优异。
图2为1147-2树脂在60℃下储存的粘度变化曲线。
图3为1147-2树脂在30℃下储存的粘度变化曲线。
图260℃储存粘度-温度曲线图330℃储存粘度-温度曲线从图2可以看出,1147-2树脂在60℃下储存28天后,其粘度仍低于300mPa.s,仍可以满足实际使用的粘度要求。
而在图3中,树脂在30℃下储存120天后其粘度只有200mPa.s左右。
综上可知,1147-2树脂的储存稳定性十分优异。
31147-2树脂的应用
3.1线棒结构应用对比试验
3.1.1线棒常规电性能对比
为验证1147-2树脂绝缘体系,针对1147-2树脂绝缘体系和传统的环氧苯乙烯绝缘体系分别制作线棒,并测试线棒试样的介质损耗和电场强度。
⑴模拟线棒制备:
采用7.1×20×800铜排,按相同绝缘厚度分别包扎不同少胶云母带和分别VPI浸渍1147-2和传统环氧苯乙烯绝缘漆包扎。
⑵试样绝缘结构:
5种不同绝缘结构,其中A1结构:
国产含促进剂薄膜补强少胶带和玻璃布补强少胶带混包+1147-2树脂VPI浸渍;A2结构:
国产含促进剂纯薄膜补强少胶带+1147-2树脂VPI浸渍;a1结构和a2结构:
两家国外知名绝缘材料供应商生产的含促进剂纯薄膜补强少胶带+1147-2树脂VPI浸渍,B结构:
国产玻璃布补强少胶带+环氧苯乙烯浸渍漆VPI浸渍。
线棒经VPI处理1次之后烘干固化。
⑶试样检测:
试样检测数据如表3所示。
表3试样检测数据
试样
常态介损
Δtanδ
热态介损
(0.6Un
电气强度
(kV/mm0.2Un0.4Un0.6Un0.8Un1.0Un1.2Un
A10.440.450.510.600.770.880.0357.2552.42
A20.420.420.470.530.620.700.0256.6951.65
a10.550.550.580.630.720.770.01677.5046.94
a20.440.440.460.500.570.620.016.8753.96
B1.511.571.702.002.362.570.0914.231.51
Un=4.2kV
从表3数据来看,根据JB/T50133-1999《中型高压电机少胶整浸线圈产品质量分等》评价标准,上述几种纯环氧酸酐体系结构的试验线棒测试结果表明,其几个关键的电气性能指标:
常态介质损耗tanδ、热态介质损耗tanδ、常态介损增量Δtanδ、电气强度Eb等指标的实测数据全面优于传统少胶VPI绝缘体系,都能满足4.2kV额定电压的高压电机要求,全面到达优等品要求,而传统少胶VPI绝缘体系试验数
据相对较差,影响绝缘寿命的介损水平,达不到优等品要求。
含促进剂国产少胶云母带和进口少胶云母带相比,国产材料并不处于劣势。
两种体系对比,1147-2纯环氧-酸酐体系全面优于环氧-苯乙烯胶VPI绝缘体系,特别是影响绝缘寿命的介质损耗水平优势非常明显。
3.1.2线棒结构电老化对比试验
a线棒制作:
按照3.1.1中A2结构和B结构制造试样。
b试验检测项目:
常规检测:
测量试样常态和热态(155℃tanδ(Un=4.2kV和击穿电压Ub;
电老化:
电老化试验参数:
试验电压:
2Un+1kV;试验时间:
1200h;电老化之后检测试样常态和热态(155℃tanδ(Un=4.2kV和击穿电压Ub。
c试验结果如表4所示。
表4电老化试验结果
对比项目1147-2体系传统少胶VPI体系
常规性能常态介损tanδ(0.2Un0.610.91热态介损tanδ(0.6Un3.9718.85介损增量Δtanδ0.020.06电气强度kV/mm40.2438.16
电老化后常态介损(0.2Un0.564.66热态介损(0.6Un1.8021.70介损增量Δtanδ0.020.05电气强度kV/mm43.4935.09
从表4电老化试验数据来看,1147-2纯环氧酸酐绝缘体系的试样,在(2Un+1kV的高电压、155℃的高温条件下经过1200h的电老化后,其常态介质损耗、热态介质损耗和电气强度和电老化前基本保持一致,说明其绝缘性能没有劣化,而传统少胶VPI绝缘体系的试样,常态介质损耗和热态介质损耗上升、电气强度下降,说明此体系的绝缘性能已开始有明显劣化的迹象。
通过比较实验数据,1147-2纯环氧酸酐绝缘体系的性能全面优于传统环氧苯乙烯少胶VPI绝缘体系,尤其是介质损耗水平,1147-2纯环氧酸酐绝缘体系优势明显。
3.2样机应用基本情况
按照美国NEMA标准,采用1147-2树脂绝缘体系制作了NEMA电机样机。
该电机的基本参数如下:
✧电机额定电压:
4.2kV;
✧额定功率:
1500马力;
✧绝缘等级:
F级;
✧主绝缘:
含促进剂少胶云母带+1147-2浸渍树脂;
✧浸渍工艺:
常温VPI(真空压力浸渍处理。
该样机顺利完成了试制,各项指标均完成满足美国NMEA标准要求。
4结论
(1试验验证及样机应用情况表明,1147-2F级浸渍树脂粘度较小,可实现常温浸渍,有利于延长浸渍树脂的使用寿命,减少能源消耗,缩短浸渍准备时间。
(21147-2浸渍树脂具有优良的电气性能,与各种少胶云母带配合使用均能获得很高的电气强度。
(31147-2浸渍树脂的应用工艺性好,因不含易挥发物质,对环境污染小,符合环保要求。
(4经应用证明,1147-2浸渍树脂性能稳定,能用于浸渍各种高低压电机绕组。
作为国外浸渍树脂ET884
的替代和改进产品,更适合国内大多数电机制造企业的实际工艺条件,更利于国内推广应用,有很大的发展前景。
参考文献:
参考文献:
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[3]周键,祝晚华,黄孙息,等.国内外大中型高压电机真空压力浸渍树脂的研究状况及发展趋势[J].绝缘材料,2010/05。
[4]吴丹,虞鑫海,徐永芬,等.国内外真空压力浸渍树脂的发展现状[J].绝缘材料,2008/05。
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