空冷汽輪汽輪發(fā)電機定子的高導(dǎo)熱粉云母絕緣及其配套材料的研究

隨著大規(guī)模能源、電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，熱量問題必然會越來越多。產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致產(chǎn)品的治療效果、使用壽命縮短，并導(dǎo)致各種事故。因此采用有效的方法解決結(jié)構(gòu)散熱和研制高導(dǎo)熱的材料成為當(dāng)務(wù)之急。電力工業(yè)是關(guān)系到國際民生的大事。大中型高壓發(fā)電機、電動機運行過程中的發(fā)熱、傳熱、冷卻,直接影響到其工作效率、使用壽命和可靠性等重要指標(biāo),已成為現(xiàn)代電機技術(shù)發(fā)展急需解決的問題之一。電機的冷卻方式分為兩種:①直接冷卻,使用氫氣或水等介質(zhì)通過空心導(dǎo)體進行,對絕緣的導(dǎo)熱性能要求不高;②間接冷卻,導(dǎo)體熱量由絕緣層傳出,使用氫氣或空氣對定子鐵心進行冷卻,對絕緣的導(dǎo)熱性能要求較高。作為電機結(jié)構(gòu)的最關(guān)鍵材料——絕緣材料是有機高分子材料,在制造和運動過程中,極易受到損傷和破壞。高溫會導(dǎo)致絕緣的電性能、機械性能和使用壽命降低及絕緣件松動等不良現(xiàn)象產(chǎn)生。因此,新型散熱絕緣結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)熱絕緣材料,已成為現(xiàn)代電機技術(shù)研究的重點方向之一。我國對高導(dǎo)熱主絕緣材料研究開始于1997年。這一年,為了發(fā)展我國空冷汽輪發(fā)電機組的需要,桂林電器科學(xué)研究所、哈爾濱大電機研究所、哈爾濱絕緣材料廠和哈爾濱理工大學(xué)組成聯(lián)合課題組,共同承擔(dān)了機械工業(yè)部技術(shù)發(fā)展基金項目——《空冷汽輪發(fā)電機定子的高導(dǎo)熱粉云母絕緣及其配套材料的研究》。重點的研究方向是高導(dǎo)熱多膠粉云母帶和高導(dǎo)熱半導(dǎo)體填充膠。用一年左右的時間,初步完成了實驗室的探索研究工作。發(fā)現(xiàn)了較多問題,例如:云母帶厚度增加、拉伸強度降低、擠出膠膠化時間無法測定等,在云母帶機上生產(chǎn)試驗時,出現(xiàn)的問題更多,例如:導(dǎo)熱填料沉降、云母帶貼輥、云母帶分層、厚度公差分布大及分切后擊穿電壓下降等。經(jīng)過大量的實驗研究和上機試驗,出現(xiàn)的問題仍無法解決。期間還進行了多次生產(chǎn)試驗工藝的調(diào)整和云母帶機設(shè)備的改造,但是效果不佳。國外高導(dǎo)熱主絕緣材料的研究和應(yīng)用起步較早。在20世紀80年代中期,T.Kavlsson等人就完成了高導(dǎo)熱多膠粉云母帶的研究和應(yīng)用工作(10.4kV,6.5MW電動機),并獲得專利使用權(quán)。RR高導(dǎo)熱多膠粉云母帶的技術(shù)指標(biāo)見表1。在20世紀90年代初期,R.Brütsch和A.Lute等人完成了高導(dǎo)熱少膠粉云母帶的研究和應(yīng)用工作(18kV汽輪發(fā)電機)。高導(dǎo)熱少膠粉云母的技術(shù)指標(biāo)見表2。研究過程中還發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)熱主絕緣材料,并沒有因為在膠粉粘劑樹脂中加入高導(dǎo)熱填料,改變了云母含量,而引起電氣性能特性發(fā)生變化,相反它們還保持著與普通主絕緣材料近乎相似的介電損耗——電壓特征曲線和電老化特征曲線。如圖所示,圖1、圖2為瑞士ABB公司的試驗結(jié)果;圖3、圖4為日本東芝公司的試驗結(jié)果。根據(jù)J.Allison,R.rutsch,A.lutz(瑞士依索拉公司)近期的研究報導(dǎo),有一個新動向值得關(guān)注,在保持導(dǎo)熱系數(shù)0.5W/m·K,導(dǎo)熱填料總量減少了50%左右,這樣會有效地改善高導(dǎo)熱少膠粉云母帶的生產(chǎn)工藝性。參照他們在其文章中、多次提到氮化硼是比三氧化二鋁更高效的導(dǎo)熱填料,分析判斷可能使用氮化硼和三氧化二鋁復(fù)合填料,比例不詳。還有一個新動向也值得關(guān)注,瑞士依索拉公司為不同電機制造廠家提供的高導(dǎo)熱少膠粉云母帶的技術(shù)指標(biāo)中某些組成含量有所差異。例如其提供給日本東芝和瑞士ABB的技術(shù)指標(biāo)見表3和表4。1.主要技術(shù)指標(biāo)瑞士依索拉公司為中國東方電機廠提供的用于大型高壓發(fā)電機(600MkW、700MkW、1000MkW)的普通少膠粉云母帶366.55-730主要技術(shù)指標(biāo)見表5。2.實驗過程及分析高導(dǎo)熱主絕緣材料的研究應(yīng)分階段進行。根據(jù)不同使用的要求,將導(dǎo)熱系數(shù)分為0.35、0.40、0.5W/m·K等階段過程,通過實驗研究分析清楚導(dǎo)熱填料的定性、定量、晶形和粒度分布等因素與樹脂導(dǎo)熱系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,同時找出與其相關(guān)生產(chǎn)工藝參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系才具有實際應(yīng)用意義?；A(chǔ)理論研究與生產(chǎn)使用相結(jié)合才具有經(jīng)濟和社會價值。3.高導(dǎo)熱中膠粉云帶生產(chǎn)設(shè)備的改造和工藝的改進根據(jù)我國絕緣材料制造業(yè)的現(xiàn)實狀況,對于多膠高導(dǎo)熱主絕緣除了云母帶的研制外,還要解決電機槽內(nèi)的氣隙問題,否則產(chǎn)生的空氣熱阻會影響整個絕緣結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)效果;對于少膠高導(dǎo)熱主絕緣除了云母帶的研制外,還要完成云母帶生產(chǎn)設(shè)備的改造工作和解決所用材料的進口及國產(chǎn)化問題。相比之下,我國中膠主絕緣,從20世紀70年代初就開始研究和應(yīng)用,已經(jīng)積累豐富的經(jīng)驗,將高導(dǎo)熱中膠粉云母帶(與少膠帶的樹脂量相比便于導(dǎo)熱粉體的填加)與中膠浸漬樹脂(可以解決氣隙問題)相結(jié)合,建立一套中膠整浸工藝體系,具備一定的可行性和現(xiàn)實意義。耐高溫電機的絕緣結(jié)構(gòu)(≥180℃級),更需要提高其所用絕緣材料的導(dǎo)熱性能,以加快電機定子的整體散熱能力,耐高溫、高導(dǎo)熱的電磁線、主絕緣、固定絕緣及防暈絕緣等新型材料研究,將為我們提供一個全新的開發(fā)領(lǐng)域。國內(nèi)關(guān)于工業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)狀和我國目前在目標(biāo)上還處于周期的階段,且逐漸處于周期的階段高導(dǎo)熱主絕緣材料在現(xiàn)代電機技術(shù)發(fā)展中,有著極其重要的研究價值和應(yīng)用前景。通過對比分析可知:國外多年前就已經(jīng)完成了工業(yè)化生產(chǎn)和使用,而我國到目前為止,還處于初級階段地探索研究、相對差距甚大。絕緣工作者們應(yīng)更加倍努力和相互交流配合,以加快我國電機間接冷卻(氫冷、空冷)技術(shù)的發(fā)展步伐,提升我國高導(dǎo)熱主絕緣材料的整體研發(fā)和制造水平。納米粉體在高導(dǎo)熱多膠粉苗木帶主粘連性能上的應(yīng)用在研究的前一階段,采用α型球狀或準球狀超細度(顆徑≥1000目,約為20~25μm)三氧化二鋁作為高導(dǎo)熱填料。近年來納米技術(shù)高速發(fā)展,為絕緣材料的發(fā)展建立了一個新的研發(fā)平臺。大量價格適中、質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)導(dǎo)的納米粉體材料的出現(xiàn),為絕緣材料的拓展提供了更多的選擇機會。采用納米級的三氧化二鋁球型粉體作為高導(dǎo)熱填料,同時解決了多項生產(chǎn)工藝問題。經(jīng)過幾十根標(biāo)準試驗棒的測試,結(jié)果表明,使用納米粉體制造的高導(dǎo)熱多膠粉云母帶常規(guī)電氣性能優(yōu)異,室溫tgδ≤0.01,155℃tgδ≤0.02,⊿tgδ≤0.005,室溫擊穿強度Eb>30MkV/m。證明納米技術(shù)的采用,使高導(dǎo)熱多膠粉云母帶主絕緣的研究向前邁進了一步。然而隨著研究的深入,新的問題又出現(xiàn)了,多次電老試驗均小于500h,未獲通過,至今尚未找出原因。研究和中試工作再一次處于停滯階段。目前還在進行的研究工作,包括對現(xiàn)有重點多膠主絕緣生產(chǎn)廠家的多膠帶導(dǎo)熱系數(shù)進行測定,結(jié)果如下:XJ廠為0.24W/m·K(常溫),DJ廠為0.25W/m·K(常溫),HJ廠為0.299W/m·K(80℃)。另外,還有樹脂的交聯(lián)密度對導(dǎo)熱性的影響;納米粉體的特殊處理及有效分散;納米粉體的粒度分布對使用工藝和導(dǎo)熱性的影響等。與國際水平比較,我國的高導(dǎo)熱主絕緣材料相對落后近30年。主要信息HTC381.55-10技術(shù)指標(biāo)中還特別注明專供日本東芝公司(onlyforToshiba)不同之處包括:透氣度、柔軟性和是否含有促進劑。這可能是根據(jù)各公司浸漬樹脂和生產(chǎn)工藝等因素的差異而進行的產(chǎn)品細化,值得我們國內(nèi)制造廠家學(xué)習(xí)借鑒。填料添加劑的用量其云母含量為81%左右。為日本東芝公司提供的高導(dǎo)熱少膠粉云母帶HTC381.55