分子蒸餾環(huán)氧酸酐VPI樹(shù)脂的性能及其在風(fēng)電上的應(yīng)用

1 前言

風(fēng)能因具有清潔環(huán)保、可再生、蘊(yùn)藏量大、分布廣泛等特點(diǎn)而受到越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)利用，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用最主要的方式之一[1]。相比于其它新能源，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟、發(fā)電成本更低，使得風(fēng)電成為目前最具開(kāi)發(fā)利用前景的新能源。近年來(lái),在國(guó)家政策的大力支持下,我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)得到迅速發(fā)展。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也越來(lái)越大，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)已成為主流,5MW、10MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)已進(jìn)入應(yīng)用階段。但是，由于風(fēng)速的多變性，使得目前99%的風(fēng)電需要依靠逆變器變頻、變流后方能接入電網(wǎng)，而在變頻脈寬調(diào)制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生2～5倍于額定電壓的高頻尖峰脈沖，對(duì)變頻電機(jī)絕緣造成連續(xù)性重大沖擊。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量和電壓的不斷增加，由高頻脈沖引發(fā)局部放電造成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣失效問(wèn)題，特別是匝間絕緣和端部絕緣失效也日益突顯出來(lái)[2-4]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)多在沙漠、草原、海邊或海中等惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行，因此對(duì)絕緣材料及絕緣技術(shù)提出更高的要求，對(duì)絕緣整體致密性、絕緣壽命、耐電暈、局放、長(zhǎng)期電熱老化、耐水、耐鹽霧、耐霉菌等方面的性能也要求越來(lái)越高。

VPI技術(shù)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的絕緣處理技術(shù)。VPI技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)定子線圈的制造，可以最大限度地減少定子線圈主絕緣內(nèi)部的氣隙，從而降低線圈的介質(zhì)損耗，減少局部放電的可能性，增加主絕緣的電氣強(qiáng)度，提高主絕緣的導(dǎo)熱性、耐電暈性，減少環(huán)境、化學(xué)等外因?qū)χ鹘^緣的損傷，延長(zhǎng)絕緣壽命[5]。環(huán)氧酸酐樹(shù)脂體系是國(guó)外三大主流VPI樹(shù)脂之一，是真正的無(wú)溶劑VPI樹(shù)脂，VOC排放幾乎為零、閃點(diǎn)高、飽和蒸汽壓低、固化時(shí)揮發(fā)份小于1%，絕緣整體結(jié)構(gòu)致密性好，無(wú)氣隙，可有效降低高頻脈沖引發(fā)的局部放電，延長(zhǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的耐變頻能力和絕緣壽命。因此，在國(guó)外，環(huán)氧酸酐VPI樹(shù)脂除廣泛應(yīng)用于大中型高壓發(fā)電機(jī)外，也廣泛應(yīng)用于兆瓦級(jí)以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造。

蘇州巨峰電氣絕緣系統(tǒng)股份有限公司于2007年成功研發(fā)出雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂的分子蒸餾技術(shù)，首先實(shí)現(xiàn)雙酚A單分子環(huán)氧（n≈0）的國(guó)產(chǎn)化。經(jīng)過(guò)多年在電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的大面積推廣應(yīng)用，為滿足不同電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的不同需求，目前JF-9955環(huán)氧酸酐VPI樹(shù)脂已經(jīng)發(fā)展為三大系列:滿足大型高壓電機(jī)生產(chǎn)使用的加熱型JF-9955-1樹(shù)脂；滿足中高壓電機(jī)、風(fēng)電電機(jī)生產(chǎn)使用的常溫型JF-9955 -2樹(shù)脂；滿足風(fēng)電電機(jī)、重型電機(jī)生產(chǎn)使用的含促進(jìn)劑JF-9955-3樹(shù)脂。加熱型和常溫型樹(shù)脂必須與含有特定促進(jìn)劑的云母帶配合使用，區(qū)別在于浸漬溫度、生產(chǎn)產(chǎn)品種類不同；含促進(jìn)劑JF-9955-3樹(shù)脂用于室溫浸漬，對(duì)配合使用的云母帶是否含有促進(jìn)劑沒(méi)有要求，生產(chǎn)廠家可選擇范圍較廣。本文對(duì)JF-9955三大系列的環(huán)氧酸酐VPI樹(shù)脂的常規(guī)性能、固化物的力學(xué)性能、電氣絕緣性能進(jìn)行對(duì)比研究。并針對(duì)風(fēng)電運(yùn)行環(huán)境的特殊性，進(jìn)行2.5MW風(fēng)電模擬線棒冷熱循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明JF-9955系列VPI樹(shù)脂具有極其優(yōu)異的耐冷熱循環(huán)沖擊性能，完全滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極端運(yùn)行環(huán)境。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原材料

雙酚A分子蒸餾環(huán)氧樹(shù)脂，自制；低粘度活性環(huán)氧稀釋劑，工業(yè)品；固化劑，液體酸酐，工業(yè)品；潛伏性固化促進(jìn)劑，工業(yè)品。

2.2 測(cè)試儀器

CAP2000+旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)KQL；JBL-5簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)；QS30型高壓電橋；ZC36型高阻計(jì)；HT-50C型擊穿電壓測(cè)試儀。

2.3 測(cè)試方法

2.3.1 JF-9955三大系列樹(shù)脂體系儲(chǔ)存穩(wěn)定性對(duì)比

環(huán)氧酸酐重量比1:1（即JF-9955-1型樹(shù)脂）為基礎(chǔ)，加入活性稀釋劑即命名為JF-9955-2樹(shù)脂，加入潛伏性固化促進(jìn)劑命名為JF-9955-3樹(shù)脂，混合均勻。采用250ml玻璃瓶裝入200ml（大約230g）樹(shù)脂，在規(guī)定溫度下密封存放。JF-9955-1儲(chǔ)存穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)溫度為60℃±2℃，JF-9955-2和JF-9955-3實(shí)驗(yàn)溫度為40℃±2℃。采用Brookfield2000+旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試各樹(shù)脂在23℃下的粘度，4天為一個(gè)測(cè)試周期。

2.3.2 JF-9955三大系列樹(shù)脂體系力學(xué)和電學(xué)性能測(cè)

制樣方法:按照J(rèn)F-9955三大系列樹(shù)脂體系配方，在JF-9955-1和JF-9955-2樹(shù)脂中添加樹(shù)脂質(zhì)量0.5%的N,N-二甲基芐胺，將樹(shù)脂混合均勻，澆注測(cè)試力學(xué)性能的拉伸樣條、彎曲樣條和沖擊樣條，低溫段70℃時(shí)抽真空去除樣條內(nèi)氣泡；澆注測(cè)試電學(xué)性能的漆片；按照各自規(guī)定固化工藝進(jìn)行固化。

實(shí)驗(yàn)方法:按照《GB/T 15022.2-2007電氣絕緣用樹(shù)脂基活性復(fù)合物 第2部分 試驗(yàn)方法》規(guī)定。電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)KQL，速度2mm/min，測(cè)試?yán)煨阅芎蛷澢阅埽籎BL-5簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試沖擊強(qiáng)度；QS30型高壓電橋測(cè)試介質(zhì)損耗因素和相對(duì)介電常數(shù)；ZC36型高阻計(jì)測(cè)試體積電阻率和表面電阻率；HT-50C型擊穿電壓測(cè)試儀測(cè)試電氣強(qiáng)度。

2.3.3 JF-9955三大系列樹(shù)脂體系2.5MW風(fēng)電模擬線棒冷熱循環(huán)試驗(yàn)

對(duì)某電機(jī)廠制作的2.5MW風(fēng)電線圈直線部分模擬線棒進(jìn)行了冷熱循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)試不同循環(huán)周期后的電氣性能。冷熱循環(huán)試驗(yàn)條件:從常溫降溫至 -40℃/2小時(shí)；-40℃保持2小時(shí)；從-40℃升至155℃/4小時(shí)；155℃保溫2小時(shí)；從155℃降溫至常溫/3小時(shí)，一個(gè)循環(huán)需要13小時(shí)。

3 結(jié)果與討論

3.1 JF-9955三大系列樹(shù)脂體系儲(chǔ)存穩(wěn)定性對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，3個(gè)周期的粘度變化和粘度增長(zhǎng)倍率列于表1。結(jié)果顯示JF-9955三大系列樹(shù)脂體系在規(guī)定的存儲(chǔ)溫度下都具有非常優(yōu)異的穩(wěn)定性。

3.2 JF-9955三大系列樹(shù)脂體系力學(xué)和電學(xué)性能對(duì)比

按照實(shí)驗(yàn)方案，制作試樣，測(cè)試結(jié)果如表2。結(jié)果顯示，JF-9955三大系列樹(shù)脂體系的力學(xué)性能和電學(xué)性能都非常優(yōu)異，僅有微小的差別。

3.3 JF-9955三大系列樹(shù)脂體系2.5MW風(fēng)電模擬線棒冷熱循環(huán)試驗(yàn)

模擬線棒的常態(tài)電性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，-40℃/155℃冷熱循環(huán)不同周期后的電性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。測(cè)試結(jié)果表明，樹(shù)脂體系的常規(guī)性能滿足2.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)使用要求；經(jīng)過(guò)冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的介損和絕緣電阻變化不大，具有非常優(yōu)異的耐冷熱交變性能，滿足風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在氣溫急劇變化、晝夜溫差大的沙漠、海上等惡劣環(huán)境下的運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

1、JF-9955三大系列環(huán)氧酸酐VPI樹(shù)脂的存儲(chǔ)穩(wěn)定性、力學(xué)性能和電學(xué)性能相差不大，都非常優(yōu)異。

2、風(fēng)電線圈模擬線棒冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明JF-9955三大系列環(huán)氧酸酐VPI樹(shù)脂具有非常優(yōu)異的耐冷熱交變性能，能夠滿足風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在氣溫急劇變化、晝夜溫差大的沙漠、海上等惡劣環(huán)境下的運(yùn)行要求。

表1 環(huán)氧酸酐體系規(guī)定溫度下儲(chǔ)存粘度變化及增長(zhǎng)倍率

表2 環(huán)氧酸酐體系力學(xué)和電學(xué)性能

表3 模擬線棒的常規(guī)性能

表4 模擬線棒冷熱循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)

[1]曾凡輝，姜其斌，陳憲宏，王紅利.風(fēng)力發(fā)電機(jī)用表面絕緣涂料的研究.絕緣材料.2010,43（2），17-19.

[2]何恩廣，周升，劉學(xué)忠，徐傳驤，陳炳正.PWM變頻電機(jī)絕緣技術(shù)的研究進(jìn)展.絕緣材料.2002，(4)，18-25.

[3]李鴻巖, 王峰, 郭磊, 劉斌, 陳壽田.變頻電機(jī)的匝間絕緣電老化機(jī)理.絕緣材料.2005，(2)，57-60.

[4]徐杰，徐陽(yáng).連續(xù)方波脈沖電壓下局部放電測(cè)量的研究現(xiàn)狀.高壓電氣.2010，46（4），88-92

[5]吳丹，虞鑫海，徐永芬.國(guó)內(nèi)外真空壓力浸漬樹(shù)脂的發(fā)展現(xiàn)狀.絕緣材料.2008.41（5），23-26.