耐熱少膠粉云母帶的制備和老化性能研究

王 微，羅林杰，楊麗君，李 洋，華繼凡

應用研究

耐熱少膠粉云母帶的制備和老化性能研究

王 微1, 2，羅林杰2，楊麗君2，李 洋1, 2，華繼凡1, 2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 湖北長海新能源科技有限公司，湖北黃岡 438000）

本文采用自制不飽和聚酯亞胺粘劑將云母紙和無堿玻璃布通過云母帶機復合制備出耐熱少膠粉云母帶。該云母帶膠粘劑分布均勻，表面平整，無氣泡，無粘連或分層現(xiàn)象。其膠含量介于6～8%之間，揮發(fā)份低于2%，擊穿電壓高于6 kV。將此自制云母帶應用于定子線圈中，配套使用本公司自主研發(fā)的不飽和聚酯亞胺類絕緣樹脂進行真空壓力浸漬，通過高溫固化制作模擬線圈，對模擬線圈的性能測試及電熱老化測試研究表明，該云母帶的電氣絕緣性能優(yōu)異，且耐電熱老化性能優(yōu)良，可作為優(yōu)異的絕緣材料應用于高壓電機定子線圈的絕緣結(jié)構(gòu)中。

少膠粉云母帶 電熱老化 介電性能

0 引言

少膠粉云母帶是通過膠粘劑將粉云母紙和各種纖維紙、聚酯薄膜等補強材料復合組成的云母電絕緣制品，主要是通過VPI技術(shù)處理應用于大中型高壓電機定子線圈主絕緣系統(tǒng)中[1-2]。由于少膠粉云母帶的整體性和相容性良好，云母含量和絕緣強度都較高，得到了廣泛應用[3-4]。而隨著發(fā)電機單機容量的不斷增大，電機的額定電壓不斷提高，電機結(jié)構(gòu)更加緊湊，導致電機在運行時產(chǎn)生更高的熱量，電機線圈的絕緣結(jié)構(gòu)溫升過高，直接導致電機的功效降低，使用壽命大幅縮短[5-7]。因此絕緣材料行業(yè)內(nèi)不僅對高壓電機的耐熱性能、運行可靠性提出了更高的要求，還要求其具有長期穩(wěn)定運行的絕緣結(jié)構(gòu)，這就要求少膠絕緣結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)良的電氣絕緣性能和耐電熱老化功能。

不飽和聚酯亞胺浸漬樹脂由于其具有較高（H 級）的耐熱等級、較低的熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)、較高的機械力學性能和耐環(huán)境性能，常被應用于H級以上絕緣結(jié)構(gòu)中[7-10]。因此為滿足高壓電機行業(yè)對少膠粉云母帶的性能要求，本文開展了自制不飽和聚酯亞胺膠粘劑及少膠粉云母帶研究，研究內(nèi)容包括膠粘劑的制備、少膠粉云母帶的制造、膠粘劑和云母帶的常規(guī)性能分析以及云母帶在絕緣系統(tǒng)中的應用研究。

1 實驗

1.1 原材料及制備工藝

自制膠粘劑原材料包括不飽和聚酯亞胺樹脂基體、常規(guī)固化劑和潛伏性固化劑（占總質(zhì)量的2.5%）、引發(fā)劑過氧化二異丙苯（占總質(zhì)量的2%）和穩(wěn)定劑對苯二酚（占總質(zhì)量的0.01%），其中不飽和聚酯基體由不飽和二元酸、二元醇經(jīng)過縮合反應后，并通過亞胺單元醇封端制備而成。耐熱少膠粉云母帶的原材料包括云母紙、自制膠粘劑和無堿玻璃布。以上原材料均為工業(yè)級。

膠粘劑的制備工藝為：將自制不飽和聚酯亞胺樹脂基體加熱至60～80℃，按特定配比加入穩(wěn)定劑、稀釋劑、引發(fā)劑、常規(guī)固化劑或潛伏性固化劑，充分攪拌15min，測量酸值，達到指標值視為反應終點。使用常規(guī)固化劑和潛伏性固化劑分別得到合適粘度的膠黏劑a和b。

耐熱少膠粉云母帶制備工藝為：在多功能云母帶機上，將無堿玻璃布通過浸膠、預烘后與云母紙復合，經(jīng)過80～120℃烘箱烘焙，最后收卷、分切成指定要求寬度的云母帶。使用膠粘劑a和b粘合的云母帶分別為云母帶A和B。

1.2 實驗設(shè)備和儀器

實驗設(shè)備或儀器包括：QS37a高壓電容電橋，上海培誠電子技術(shù)發(fā)展有限公司；IBVAD-150擊穿電壓測試系統(tǒng)，桂林電器科學研究院有限公司；MEVAC50Kv-5kVA高壓老練臺，西安兆福電子有限公司；高溫試驗箱，興化市恒之友電熱設(shè)備制造有限公司；電子萬能試驗機，；電熱鼓風干燥箱，常溫～300℃。

1.3 實驗過程

1.3.1 常規(guī)性能測試

云母帶的常規(guī)性能測試項目包括外觀、膠粘劑含量、揮發(fā)份、擊穿電壓、開卷性、拉伸強度和斷裂伸長率，測試方法參考標準GB/T 5019.2-2009《以云母為基的絕緣材料第2部分：試驗方法》。

1.3.2 老化試驗及性能測試

1）6 kV試樣制作

采用半疊包法繞包線圈，繞包順序為里層4層少膠粉云母帶后，平包一層玻璃絲帶，最外層平包一層聚四氟薄膜。將繞包后的線圈進行VPI浸漆，為保證膠粘劑的相容性，所使用的絕緣漆為公司自主研發(fā)的聚酯亞胺類絕緣樹脂，將浸漬后的線圈放置于130℃烘箱烘焙4小時后二次浸漆，繼續(xù)放置于130℃烘箱烘焙4小時后，升溫至180℃后固化8小時，得到模擬線圈。

2）電老化試驗

電熱老化試驗按照NB/T 42005-2013《高壓交流電機定子線圈對地絕緣電熱老化試驗方法》中的試驗方法進行。對老化前和老化后的模擬線圈進行介質(zhì)損耗因數(shù)試驗，包括常態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)試驗和熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)試驗，試驗電壓為1kV，參考標準GB/T 34665-2017《電機線圈/繞組絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)測量辦法》。對老化前和老化后的模擬線圈進行工頻擊穿電壓試驗，參考標準GB/T 1408.1-2016《絕緣材料電氣強度試驗方法第1部分：工頻下試驗》。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化劑種類對膠粘劑和少膠粉云母帶的影響

為研究不同固化劑對膠粘劑的影響，對膠粘劑進行常規(guī)性能測試。使用不同固化劑的膠粘劑的常規(guī)性能如表1所示。

表1 膠粘劑性能指標

從表1可以看出，與常規(guī)固化劑相比，由潛伏性固化劑配制的膠黏劑b在135℃下的凝膠時間更短、儲存期更長。測試結(jié)果表明，添加潛伏性固化劑可縮短膠粘劑的高溫固化時間，提高膠粘劑的常溫儲存穩(wěn)定性。

為研究不同固化劑對少膠粉云母帶的影響，對云母帶進行常規(guī)性能測試。云母帶的常規(guī)性能如表2所示。

表2 少膠粉云母帶常規(guī)性能

從表2可以看出，兩種云母帶的膠粘劑含量、云母含量、揮發(fā)份、抗拉強度等性能差異不明顯，但添加了潛伏性固化劑的云母帶擊穿電壓更高，這可能是由于潛伏性固化劑的高溫快固化特性，使復合時膠粘劑能夠固化更完全，降低小分子物含量，因此提高云母帶的絕緣強度。

2.2 電熱老化對絕緣結(jié)構(gòu)的影響

為評估耐熱少膠粉云母帶的實際應用情況，我們將用其制作的模擬線圈放置在老化烘箱中進行電熱老化試驗，探索電熱老化對介質(zhì)損耗因數(shù)和電氣強度的影響。由于使用潛伏性固化劑的膠粘劑制備出的云母帶性能更優(yōu)，我們考慮使用該云母帶繞包的線圈進行老化試驗。依照NB/T 42005-2013標準要求，試樣的老化溫度不超過120℃，計算得出6 kV結(jié)構(gòu)試樣的試驗電壓范圍為13 kV～15.2 kV。此次試驗老化溫度取120 ℃，試驗電壓取15 kV，老化時間50 h。將模擬線圈分別放置于老化烘箱中，接好線后將烘箱溫度升至120 ℃±2 ℃，待溫度穩(wěn)定后，對試樣分別進行施加試驗電壓，經(jīng)測試，測試中間無線圈失效。試驗結(jié)果如表3、表4所示。

由表3測試結(jié)果可知，耐熱少膠粉云母帶制作的模擬線圈常溫介質(zhì)損耗因數(shù)極低，且高溫下的介質(zhì)損耗因數(shù)較低，均小于5%，經(jīng)電熱老化后，其常溫介質(zhì)損耗因數(shù)增量幾乎為零，而其熱態(tài)介質(zhì)損耗增量均較低。由表4測試結(jié)果可知，耐熱少膠粉云母帶制作的模擬線圈工頻擊穿電壓較高，表明線圈的電氣性能優(yōu)良，經(jīng)電熱老化后其工頻擊穿電壓略有降低，但幅度較小。耐熱少膠粉云母帶的應用實驗表明，耐熱少膠粉云母帶具有優(yōu)良的工藝性、良好的電性能和可靠的耐熱性能。

表3 老化前后模擬線圈的介質(zhì)損耗因數(shù)數(shù)據(jù)

表4 老化前后模擬線圈的擊穿電壓數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文通過自制膠粘劑制備了耐熱少膠粉云母帶。對比了常規(guī)固化劑和潛伏性固化劑對膠粘劑和云母帶性能的影響，并將云母帶應用于絕緣結(jié)構(gòu)中進行了電絕緣性能測試及電熱老化試驗，主要結(jié)論如下：

1）相比于常規(guī)固化劑，添加潛伏性固化劑可縮短云母帶膠粘劑的高溫固化時間，提高膠粘劑的常溫儲存穩(wěn)定性。自制耐熱少膠云母帶的膠粘劑分布均勻，表面平整，無氣泡，無粘連或分層現(xiàn)象，其膠含量介于6～8%之間，揮發(fā)份低于2%，抗拉強度和斷裂伸長率較高，擊穿電壓高于6 kV。

2）將耐熱少膠粉云母帶應用于高壓電機模擬線圈中，模擬線圈的常態(tài)和熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)較低，工頻擊穿電壓較高，具有優(yōu)異的電絕緣性能。經(jīng)電老化測試，模擬線圈常態(tài)和熱態(tài)介質(zhì)損耗因數(shù)較低增值較低，而擊穿電壓的降幅較小，即模擬線圈具有優(yōu)良的耐電熱老化性能。

綜上，本文自制的云母帶膠含量少、揮發(fā)低、力學性能優(yōu)良。經(jīng)過應用測試，該云母帶具有應用工藝性好，耐熱性能優(yōu)良，電性能優(yōu)異的優(yōu)點，能滿足大中型高壓電機定子線圈主絕緣系統(tǒng)的使用要求。

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Preparation and aging properties of heat-resistant less resin mica tape

Wang Wei1,2, luo Linjie2, Yang Lijun2, Li Yang1,2, Hua Jifan1, 2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd., Huanggang 438000, China)

TB44

A

1003-4862（2022）10-0061-04

2022-07-28

王微（1994-），女，助理工程師。研究方向：電機電器絕緣結(jié)構(gòu)及絕緣材料研究。E-mail: 1115251437@qq.com