少胶云母VPI整浸绝缘技术的应用

2014-08-30，

防爆电机 2014年3期

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(1哈尔滨庆缘电工材料股份有限公司，哈尔滨 150040；

0 引言

少胶云母VPI绝缘是用少胶粉云母带包绕线圈和绕组，并经真空压力浸渍(VPI)无溶剂浸渍树脂而成型的绝缘。少胶云母VPI绝缘具有绝缘厚度小、云母含量大，电、热、机械性能优良，耐环境因素性能好等特点，是各种交直流电机绝缘发展方向和主攻目标[1]。

交流电机作为现代工业的主要拖动设备，其应用面广、量大，重要性越来越受到人们的重视。但交流电机的工作条件大都比较恶劣，起动频繁、负载波动，受油、水和化学物质污染严重等，这对交流电机绝缘提出很高的要求。正是基于这些原因，使少胶云母VPI整浸绝缘系统成为世界上大部分电机厂竞相开发和采用的绝缘方式。

1 主要原材料

交流电机少胶云母VPI整浸绝缘系统使用的绝缘材料主要有：少胶云母带、无溶剂浸渍树脂、防电晕材料、绝缘表面防护带等。

1.1 少胶云母带

少胶云母带是少胶VPI绝缘基础材料，它的性能对电机线圈绝缘有重要影响。VPI用少胶云母带除了采用大鳞片粉云母纸外，还需要采用补强材料来提高云母带的机械强度，使之适合包扎工艺。为了提高少胶云母带的云母含量，减少补强材料的含量，主绝缘包扎用少胶云母带常采用单面补强方式。少胶云母带的胶粘剂除了作为粉云母纸与补强材料的粘结剂外，它本身也是少胶云母绝缘的组成部分，在绝缘浸渍及固化过程中，云母带中胶粘剂要参与浸渍树脂的反应，并一起固化成型。

1.2 无溶剂浸渍树脂

无溶剂浸渍树脂是VPI绝缘的关键材料，直接影响电机绝缘的性能和应用工艺性。对VPI绝缘用无溶剂浸渍树脂主要有如下要求：粘度低，以便能有效地浸渍；饱和蒸汽压力小，使之能够低真空运行；在适宜的温度下的胶化时间短，能在烘焙时减小流胶；毒性小，闪点高；固化不受金属等物质的影响；即使受到催化剂作用，仍有较长的储存期；成本低。

我们选择了H9145低挥发性VPI用环氧酸酐浸渍树脂作为少胶云母VPI整浸绝缘系统的浸渍树脂。这种浸渍树脂具有以下特点。

(1)浸渍树脂中不含稀释剂，仅由低粘度环氧树脂(无羟基)和低粘度液态固化剂组成。浸渍树脂的饱和蒸汽压较低，不易挥发，毒性小，闪点高(145℃以上)，对环境污染小，是一种安全环保浸渍树脂。

(2)浸渍树脂中不含促进剂，而在无促进剂的条件下，该浸渍树脂的固化(或胶化)非常缓慢，有利于延长浸渍树脂的储存期和使用寿命。

(3)浸渍树脂在室温下的粘度即可达到浸渍要求，储存期较长。

1.3 防电晕材料

少胶VPI绝缘用的防电晕材料有定子线圈用低电阻防电晕材料和高电阻防电晕材料以及定子铁心槽部用防电晕材料等，其中定子线圈用防电晕材料主要是线圈槽部用低电阻防电晕带和线圈端部用高电阻防电晕带或高电阻防电晕漆。

经过试验对比，我们选择了以玻璃带为底材的低电阻和高电阻防电晕带，其中高电阻防电晕带含有碳化硅成分，其电阻值会随所加电压而调整，有利于提高定子线圈的起始电晕电压。

1.4 表面保护带

少胶VPI绝缘的表面保护带是指绕包在线圈和绕组少胶云母带层外面的保护带，通常是包绕在线圈的槽部(当线圈需防电晕时，槽部为低电阻防电晕带)和端部。表面保护带的功能主要有两个：一个是保护线圈的云母带绝缘，使其免受或少受机械损伤；二是在定子浸渍后烘焙时，保护带在开始升温时即受热收缩，封住绝缘层表面，从而减少或防止绝缘层内浸渍树脂从绝缘层表面流失(浸渍树脂加热后粘度小，极易流出)，以保证绝缘密实。

2 少胶VPI整浸绝缘工艺的研究

少胶VPI整浸绝缘工艺是获得高质量绝缘的重要环节。在生产中，电机和定子绝缘要经过十几道工序才能完成，其中的每道工序对绝缘都有影响，相对来说，定子线圈主绝缘包扎，定子线圈下线以及定子VPI和烘焙是最重要的。

2.1 主绝缘包扎

定子线圈主绝缘包扎是传统的绝缘工艺。但因为单面补强的少胶云母带机械强度较差，粉云母纸因胶粘剂少而飞粉，包扎不好(如包扎拉力过大，包扎角度不好，包扎速度过快等)时容易使云母带受损伤，另外对云母带包扎的松紧度也有要求，既不能太紧(会影响浸渍树脂浸入)，也不能太松(会影响嵌线)，因此不能使用老式包带机来包绕少胶云母带，而采用恒张力的数控包带机来包绕或者采用手工包扎。

2.2 定子线圈嵌线

定子线圈嵌线对绝缘的影响主要在于嵌线不当会引起线圈绝缘机械损伤。例如，用少胶粉云母带包绕的线圈在包绕后会松胀，使线圈尺寸增大。如果在嵌线时硬性地把线圈敲打入铁心槽内，就会使线圈绝缘受损伤。为了防止出现这种情况，除了要严格控制线圈主绝缘的包绕质量(云母带包绕层数，包绕松紧度等)，还可以在嵌线前对线圈进行压型，在槽口处垫一层导引纸(如0.13厚Nomex等),防止槽口处齿尖损伤绝缘(导引纸在嵌线后抽出或留在槽口)。

少胶云母VPI整浸绝缘的VPI工艺是整个VPI绝缘工艺的关键，它关系到绝缘能否被浸透，绝缘性能能否满足要求，甚至关系到绝缘能否长期安全进运行。影响较大的VPI工艺参数主要有三个：工件预干燥温度和时间，真空度和真空时间，浸渍压力和时间。

2.3 预干燥温度和时间

定子在VPI之前需预干燥，其目的是驱除定子绕组和绝缘中的低分子挥发物和水份，同时使绝缘内部达到一定温度，以利于提高真空效果，同时避免环境潮气在真空前再次侵入(潮气或蒸汽不会在高于环境温度的物件上附着)。单从驱除潮气的观点出发，预干燥温度越高，时间越长，效果会越好。但要考虑温度对云母带和表面保护带的影响。因为有的少胶云母带中含有促进剂甚至含有固化剂，预干燥温度应在其反应温度以下。而表面保护带常具有热收缩性，预干燥温度应在其较大收缩的温度以下。

2.4 真空度和真空时间

定子在放入浸渍罐中浸渍前，抽真空可以造成定子绕组绝缘内外的压力差，是排除绝缘内气体及水份的最有效方法。根据水的饱和蒸汽压与温度的关系曲线可知，当真空度为1 000Pa时，水的沸腾温度为7℃，而当真空度为8 000Pa时，水的沸腾温度则到41℃。由此可见，在同一温度下，真空度越高，越容易排除水份；而在同一真空度下，温度越高，也越容易除去水份。从浸渍原理来看，绝缘层内剩余的气体越少，浸渍树脂进入绝缘层就越多，占的空间就越大。为此，真空度越高越好，真空时间也越长越好，但须考虑工艺时间和成本。应根据不同电压试验线圈的试验结果以及设备条件确定合理的真空度和真空时间。定子绕组额定电压高，真空度应高些，真空时间应长些，反之亦然。

除在浸渍前对浸渍工件进行抽真空外，在浸渍树脂浸没浸渍工件过程中和浸没后一段时间，最好也要抽真空。在浸渍树脂浸没浸渍工件后的真空过程，有时称为“湿真空”过程，而把浸渍树脂浸没浸渍工件之前的真空过程，称为“干真空”过程。

2.5 浸渍压力和加压时间

在压力下把无溶剂浸渍树脂压入绝缘中是VPI绝缘重要工艺环节，是获得无气隙绝缘的关键工艺。浸渍压力的大小和加压时间的长短与无溶剂浸渍树脂的粘度、云母带的包扎层数、绝缘厚度以及真空度等有关。不同绝缘的浸渍压力差别很大。判断真空度及浸渍压力的标准是绝缘能够充分地浸透，表现在绝缘性能上是击穿电压高，介质损耗因数及其增量小，局部放电起始电压高，视在放电量小；在浸渍现场，可通过检测定子绕组的电容量变化来判断绝缘是否被浸渍树脂浸透。因为定子绕组的对地电容(定子绕组铜导体对铁心槽之间的电容)会随其间的介质(即绝缘层)的介电系数变化而变化。当浸渍树脂浸入绝缘层之前，“介质”中充满了介电系数小的空气(或真空)，其电容量较小；而当浸渍树脂逐渐浸入绝缘层后，“介质”中逐渐由介电系数较大的浸渍树脂代替空气(或真空)，于是电容量逐渐变大，并最终趋于饱和。通过检测比较不同阶段电容量的变化，就可推断绝缘的浸透情况。

另外在浸渍阶段采用分段加压也有助于浸渍树脂逐步进入绝缘层并把残留的气体从绝缘层中“挤出”，而不会一下子就用浸渍树脂把气体挤出的通道死死堵住，从而有利于绝缘层被浸渍树脂浸透。

我们在研究少胶云母VPI整浸绝缘时，按照以上原则并参照国内外经验制定了有关工艺，并经多次试验验证调整，最后确定了有关绝缘工艺，制定了工艺文件。我们的VPI工艺的特点主要有：根据浸渍树脂的特点，采用室温浸渍方式；真空度要求高，“干真空度”要求不大于20Pa，“湿真空度”不大于30Pa；采用分阶段解除真空和分阶段加压方式进行浸渍；绝缘烘焙时加热炉内放置催化剂，催化剂受热蒸发可加速绝缘表面浸渍树脂的胶化，从而减少或防止绝缘层内浸渍树脂的流失。

3 实验结果

交流电机定子绕组绝缘性能可以很好地反映该绝缘系统的一些基本特性，包括绝缘材料、绝缘结构和绝缘工艺的情况。在少胶云母VPI整浸绝缘研究过程中，我们曾采用不同材料和绝缘结构进行多次试验，来确定少胶云母VPI整浸绝缘系统。该系统6kV级少胶云母VPI线圈单面绝缘厚度为1.5mm，10 kV级少胶云母VPI线圈单面绝缘厚度为2.4mm。

3.1 定子线圈绝缘电气性能

少胶VPI线圈电气性能见表1。

表1 少胶云母VPI线圈电气性能

由表1可见，该少胶云母VPI绝缘定子线圈在室温和0.2UN下的tgδ均小于1%，大大小于国外标准要求的不大于3%的标准。每0.2UN间隔电压下的介质损耗因数增量(Δtgδ)，国外标准一般要求不大于0.25%，按表1值计算，所能间隔0.2UN下的tgδ均符合标准要求。

另外，从线圈的热态(155℃)介质损耗因数和介电强度来看，该少胶云母VPI绝缘定子线圈绝缘介电强度均大大高于原部颁电机质量分等规定标准中线圈介电强度一等品的要求(≥30MV/m)。

3.2 定子线圈电老化寿命试验

电机绝缘电老化寿命是绝缘水平的重要指标之一。它可以比较全面地反映绝缘性能。

参照美国GE公司有关标准，提出的定子线圈室温电老化试验标准为：试验场强为10MV/m下。电老化寿命分别为：合格500h，一等800h，优等1 000h。

采用该少胶云母带包绕6个线圈进行试验，试验结果，试验线圈的室温电老化中值寿命为1 272h，它们的最短寿命时间均大于800h。参照桂林电科所的有关标准，可以认为本少胶云母VPI绝缘试验线圈的室温电老化寿命分别达到一等和优等品水平[2]

3.3 交流电机定子绕组绝缘性能

少胶云母VPI整浸绝缘定子绕组在经VPI处理和烘焙固化后，为了充分了解绕组绝缘的情况，除了进行常规的绕组耐电压试验以及绝缘电阻和极化指数试验外，还常常进行整个定子绕组的介质损耗因数测量以及局部放电起始电压、不同电压下局部放电量和最大视在放电量等的测量。通过这些测量，可以帮助了解绕组绝缘的浸透情况、槽部填充情况以及绝缘固化情况等。

测量结果表明，10kV定子绕组在0.2UN下的tgδ均小于1%，既使在1.2UN(12kV)下的tgδ也不大于3.6%，均明显小于日本三菱公司要求的不大于10%(目标值8%)的标准值。