高性能固體絕緣材料及其在變壓器中的應(yīng)用研究高導(dǎo)熱絕緣材料的研究背景高導(dǎo)熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料變壓器用絕緣材料目錄2/47電氣電子設(shè)備的散熱和熱管理問題一、高導(dǎo)熱絕緣材料的研究背景固體絕緣電力設(shè)備大容量、高壓、高功率密度化發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電抗器、電纜2500kVA10kV/400V

SCB干式變壓器。額定工況下總損耗

21.32kW→發(fā)熱→溫升→導(dǎo)體電阻增大→損耗增大→發(fā)熱加劇→溫升…環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器對(duì)流輻射傳導(dǎo)3/47電氣電子設(shè)備的散熱和熱管理問題一、高導(dǎo)熱絕緣材料的研究背景電子設(shè)備的灌封與絕緣高度集成化、高速高頻化、高功率密度化大功率LED、激光器、功率模塊、電源高

導(dǎo)

熱

金

屬

基

覆

銅

板大功率LED輸入功率中70%以上的電能轉(zhuǎn)化為熱能；當(dāng)LED芯片溫度從

40℃上升到60℃，LED使用壽命減少

1/2。0.35W/m·K2W/m·K亮度3W/m·K結(jié)溫提高絕緣材料的導(dǎo)熱能力是解決電氣電子設(shè)備散熱問題的根本途1W/徑m·K4/47二、高導(dǎo)熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀5/47二、高導(dǎo)熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀本征型高導(dǎo)熱絕緣材料-導(dǎo)熱與絕緣可兼得，并不矛盾通過改變材料分子和鏈節(jié)結(jié)構(gòu)獲得具有高度結(jié)晶性或取向度的物理結(jié)構(gòu)，減少聲子散射以增大聲子自由程和提高聲子在樹脂中的傳輸速度，從而提高其熱導(dǎo)率。日立化成在環(huán)氧樹脂中引人介晶(mesogen)基元形成類晶或液晶結(jié)構(gòu)，熱導(dǎo)率可達(dá)

1W/(m·K)，是普通環(huán)氧樹脂的4倍多。6/47二、高導(dǎo)熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀填充型高導(dǎo)熱絕緣材料填充型高導(dǎo)熱絕緣材料一般都是在樹脂基體中加入大量高導(dǎo)熱無機(jī)填料而制成復(fù)合材料，該方法加工容易、成本低、易于工業(yè)化生產(chǎn)，因而國內(nèi)外研究較多，部分已被用作電氣電子產(chǎn)品的灌封膠、膠黏劑、熱界面材料。所用基體以環(huán)氧樹脂、硅橡膠、塑料等為主。填料的選擇和處理高導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高主要依賴于填料的含量、形狀、尺寸、級(jí)配、熱導(dǎo)率，填料在基體中的分布以及與基體的界面鍵合作用，復(fù)合材料的織態(tài)結(jié)構(gòu)等。常用的導(dǎo)熱填料形狀有球狀、片狀、纖維、晶須等形狀。一般填充量在60%以下時(shí)熱導(dǎo)率提升不明顯。7/47二、高導(dǎo)熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀50301510010

7.56252015Al2O3(密度3.5g/cm3)20vol%-45wt%;

40vol%-68wt%;

50vol%-76wt%;

60vol%-83wt%;

90vol%-97wt%BN/SiO2(密度2.25g/cm3)20vol%-34wt%;

40vol%-58wt%;

50vol%-67wt%;

60vol%-75wt%;

90vol%-95wt%；當(dāng)填料與基體的熱導(dǎo)率之比大于50(約λp>10)時(shí)，50vol%填充量以下，進(jìn)一步增大填料熱導(dǎo)率意義不大；當(dāng)填料填充量大于

50vol%時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率顯著增加；2W/mK8/47二、高導(dǎo)熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀環(huán)氧樹脂的高導(dǎo)熱微納米復(fù)合材料高導(dǎo)熱高填充低粘度矛盾！高粘度1W/m·K:

≥60wt%1.5W/m·K:

≥

70wt%2W/m·K:

≥

80wt%3W/m·K:

≥

90wt%4W/m·K:

≥

93wt%可流動(dòng)難以流動(dòng)難實(shí)現(xiàn)很難實(shí)現(xiàn)很難實(shí)現(xiàn)低熱膨脹系數(shù)高擊穿場(chǎng)強(qiáng)

高粘結(jié)強(qiáng)度

耐高溫易固化環(huán)保等高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂核心技術(shù)高效導(dǎo)熱網(wǎng)鏈結(jié)

構(gòu)高填充及降粘

技術(shù)工藝工藝性很差樹脂流變學(xué)理論9/47北京交通大學(xué)-蘇州巨峰電氣絕緣研究中心10高性能功能填料的設(shè)計(jì)填料復(fù)配技術(shù)填料化學(xué)改性技術(shù)填料物理改性技術(shù)1232019年3月19日三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料高導(dǎo)熱填料改性處理降粘效果對(duì)比(填料含量83wt%)改性后粘度只有原來的1/20改性后粘度只有原來的1/3三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料11/47高導(dǎo)熱填料改性效果-SEM三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料12/47JFCR系列高導(dǎo)熱電器絕緣澆注料巨峰改性高導(dǎo)熱電器絕緣澆注料(JFCR)通過在普通澆注樹脂中加入改性復(fù)合功能填料(JFCP)復(fù)合而成，用于制造中高壓電器設(shè)備設(shè)備及其絕緣部件。JFCR系列高導(dǎo)熱電器絕緣澆注料的優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)率高(1~4W/m·K)?？纱蠓忍嵘娖髟O(shè)備的散熱能力，顯著降低設(shè)備溫升，從而提升設(shè)備單位體積的功率和容量。電氣絕緣性能優(yōu)異。耐局部放電老化能力是普通澆注料的10-100倍以上，高溫

(100~180℃)絕緣電阻率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別是普通澆注料的10倍以上和2倍以上?？归_裂性能好。由于澆注料熱導(dǎo)熱率高和膨脹系數(shù)小，澆注及固化成型過程中澆注部件內(nèi)部溫度分布均勻，冷熱收縮小，因而內(nèi)應(yīng)力小，固化及使用過程中抗開裂性能優(yōu)異。工藝性能好。由于澆注料采用改性復(fù)合功能填料(JFCP)而粘度較小，防止?jié)沧⑦^程中可引發(fā)局部放電的氣隙缺陷的形成，并提高澆注效率。三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料2019年3月19日13JFCR-02高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料使用工藝澆注體處理：入模后105℃保溫5-8小時(shí)，入澆注罐抽真空，溫度控制在80℃。原材料處理(僅處理樹脂即可)：室溫高于25℃時(shí)，所有材料不用預(yù)烘，低于25℃時(shí)將樹脂和固化劑放入烘箱75℃保溫3-5小時(shí)?；旌狭媳壤?重量比)：樹脂100kg；固化劑80kg；改性填料638.2kg。配膠：65℃下攪拌1.5小時(shí)左右，同時(shí)抽真空，真空抽到120-150帕脫泡后。澆注：澆注時(shí)澆注罐溫度設(shè)定為80℃，模具溫度為75℃，真空抽到100-200帕?xí)r投料澆注，澆注時(shí)間控制在45-60分鐘之間。固化成型：80℃

6小時(shí)；升溫到100℃，4小時(shí)；升溫130℃，6-8小時(shí)。拆模：夏天拆模溫度100℃左右，冬天拆模溫度90℃左右。三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料2019年3月19日14JFCR-02高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料使用工藝三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料亨斯曼澆注料粘度特性填料：未改性硅微粉2019年3月19日150min6min3min9min先將1cm厚度試樣在烘箱中加熱到120℃。把試樣放到厚度為3mm的鋼板上。3)用紅外熱像儀同時(shí)觀測(cè)試樣的溫度。EP和EPN2最大溫差可達(dá)20℃三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料16/47EP和EPN3最大溫差可達(dá)40℃高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂EPN3/4(3/4W/m?K)和普通環(huán)氧樹脂EP散熱能力比較實(shí)驗(yàn)：將純環(huán)氧(EP)和納米復(fù)合改性環(huán)氧樣品(厚度1cm)加熱到140℃，同時(shí)放到鐵板上降溫。EP和EPN4最大溫差可達(dá)46℃三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料17/47EP和EPN3最大溫差可達(dá)28℃高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂EPN3/4(3/4W/m?K)和普通環(huán)氧樹脂EP導(dǎo)熱能力比較實(shí)驗(yàn)：將鐵板加熱到130℃，將純環(huán)氧(EP)和納米復(fù)合改性環(huán)氧樣品(厚度1cm)同時(shí)放到鐵板上升溫。EP和EPN4最大溫差可達(dá)36℃三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料18/47三、高導(dǎo)熱干式變壓器澆注料澆注料熱導(dǎo)率：

JFCR-02為2W/m·K，普通環(huán)氧澆注料

0.4WW/m·K。導(dǎo)體損耗功率:1-

4kW/m2；空氣散熱功率：1kW/m2；絕緣層厚度：4mm；干式變壓器溫升特性對(duì)比導(dǎo)體損耗1kW/m22kW/m23kW/m24kW/m2普通絕緣溫升10℃20℃30℃40℃高導(dǎo)熱絕緣溫升2℃4℃6℃8℃暫態(tài)溫升穩(wěn)態(tài)溫升綜合溫升大幅度下降19/47蘇州巨峰電氣絕緣系統(tǒng)股份有限公司創(chuàng)建于1995年，主要生產(chǎn)絕緣樹脂、云母制品、防暈材料、復(fù)合材料、特種油漆、電磁線、低壓定子、高壓線圈等，憑借在絕緣新材料及絕緣系統(tǒng)研制方面的專業(yè)水平和成熟技術(shù)，公司在電氣絕緣系統(tǒng)領(lǐng)域異軍突起，為行業(yè)領(lǐng)先的標(biāo)桿企業(yè)，公司于2015年通過國家級(jí)技術(shù)中心認(rèn)定，是國內(nèi)唯一一家電氣絕緣系統(tǒng)研發(fā)和制造的公司，可為客戶“量身定做”，提供絕緣系統(tǒng)整體解決方案。四、變壓器用絕緣材料20四、變壓器用絕緣材料公司于2006年成立技術(shù)研發(fā)測(cè)試中心，專門從事新產(chǎn)品、新技術(shù)的研發(fā)測(cè)試工作，具有自主研發(fā)能力，公司為“國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)”、擁有“國家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心”、“國家級(jí)博士后科研工作站”、“江蘇省企業(yè)院士工作站”、“江蘇省絕緣材料工程技術(shù)研究中心”等。2017年國家技術(shù)中心審核良好。21高導(dǎo)熱絕緣材料電網(wǎng)新能源軌道交通航空航天蘇州巨峰先進(jìn)材料科技有限公司是蘇州巨峰電氣絕緣系統(tǒng)股份有限公司控股子公司，致力于高導(dǎo)熱絕緣材料研發(fā)，為微電子、電網(wǎng)、新能源、軌道交通、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域的電氣電子設(shè)備及器件的絕緣與封裝散熱提供整體解決方案。微電子國防軍工干式變壓器驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片封裝/粘接金屬基覆銅板四、變壓器用絕緣材料22雷清泉，中國工程院院士，著名絕緣技術(shù)專家，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)首席科學(xué)家。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué)電力設(shè)備與電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任。曾獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)和國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)各一項(xiàng)。田付強(qiáng)，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事新型納米復(fù)合絕緣材料的研究。2012.09-2013.09在日本早稻田大學(xué)大學(xué)院先進(jìn)理工學(xué)研究科做博士后、助理研究員。曾獲日本放電學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)、北京市優(yōu)秀博士學(xué)位論文。2014年入選北京交通大學(xué)青年英才計(jì)劃。國家“先進(jìn)電工材料之高導(dǎo)熱絕緣材料發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告”的起草人之一。北京交通大學(xué)-蘇州巨峰電氣絕緣研究中心23研發(fā)中心公司建有雷清泉院士工作站和高導(dǎo)熱絕緣材料研究中心，研發(fā)團(tuán)隊(duì)由院士、教授、副教授、高工、博士及研究生等30余人組成，具有一流的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和強(qiáng)大的研發(fā)能力。與日本早稻田大學(xué)、九州工業(yè)大學(xué)有密切合作關(guān)系。2019年3月19日四、變壓器用絕緣材料研發(fā)中心依托國家企業(yè)技術(shù)中心，具備完善的材料制備、理化表征、電氣絕緣性能/力學(xué)性能/熱學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)全套熱導(dǎo)率測(cè)試設(shè)備ISO22007標(biāo)準(zhǔn)-HOTDISC-平板瞬態(tài)熱流法ASTMD5470-平板穩(wěn)態(tài)熱流法ASTM

E

1461-激光閃射法四、變壓器用絕緣材料24四、變壓器用絕緣材料巨峰股份變壓器類絕緣材料一、干式變壓器材料：JF211

DMD-P

F級(jí)環(huán)氧預(yù)浸材料JF232GMG-P

F級(jí)阻燃環(huán)氧預(yù)浸材料JF233

Nomex

H-C級(jí)阻燃環(huán)氧預(yù)浸材料JF241GHG-P

H-C級(jí)阻燃環(huán)氧預(yù)浸材料JF243

SHS-PH級(jí)環(huán)氧預(yù)浸材料6、JF-276NMN-P

環(huán)氧預(yù)浸料二、油浸式變壓器材料JF312

DDP

菱格點(diǎn)膠絕緣紙JF313

PMP-P菱格點(diǎn)膠絕緣材料JF6130

DDP

菱格點(diǎn)膠絕緣膜JF314

HIH-P

菱格點(diǎn)膠絕緣紙25四、變壓器用絕緣材料JF-211

DMD-P預(yù)浸料JF211DMD-P預(yù)浸料是由聚脂薄膜聚酯纖維非織布復(fù)合材料(F-DMD)表面浸漬耐熱環(huán)氧樹脂。DMD-P預(yù)浸料具有室溫貯存期長，固化溫度低、固化時(shí)間短的特點(diǎn)，固化物具有優(yōu)異的電氣性能、粘結(jié)性能和耐熱性能。耐熱等級(jí)F級(jí)。適用于干式變壓器低壓線圈繞包襯墊絕緣，以及F級(jí)電機(jī)、電器的槽絕緣和匝間

絕緣。26四、變壓器用絕緣材料JF-211

DMD-P預(yù)浸料序號(hào)性能單位要求1標(biāo)稱厚度mm0.150.180.200.250.300.401.102厚度允許偏差mm±0.02±0.03±0.04±0.13拉伸強(qiáng)度縱向不彎折N/10mm≥70≥80≥100≥1504可溶性樹脂含量g/㎡≥455揮發(fā)物含量%≤1.56擊穿電壓kv≥7.0≥8.0≥10≥307拉伸剪切強(qiáng)度MPa≥3.0------8溫度指數(shù)—≥155推薦固化條件：130℃5小時(shí)；或140℃4小時(shí)；或150℃3小時(shí)。27四、變壓器用絕緣材料JF-232

GMG-P阻燃環(huán)氧預(yù)浸材料JF-232GMG-P阻燃環(huán)氧預(yù)浸材料是由聚酯薄膜和玻璃纖維布制造的柔軟復(fù)合材料，經(jīng)浸漬無鹵阻燃樹脂后烘焙而成。GMG-P阻燃環(huán)氧預(yù)浸材料具有室溫貯存期長，固化溫度低、固化時(shí)間短的特點(diǎn)，固化物具有優(yōu)異的機(jī)械性能、阻燃性能、電氣性能、粘結(jié)性能和耐熱性能。GMG-P阻-燃環(huán)氧預(yù)浸材料的收縮率低，膨脹系數(shù)與銅箔接近。耐熱等級(jí)F級(jí)。適用于核電、風(fēng)電、太陽能干式變壓器低壓線圈繞包層間絕緣和對(duì)地絕緣。以及F級(jí)電機(jī)、電磁爐、電器的槽絕緣、相間絕緣、匝間絕緣和襯墊絕緣。28四、變壓器用絕緣材料JF-233

T410-P阻燃預(yù)環(huán)氧浸料T410-P阻燃預(yù)環(huán)氧浸料是由Nomex?

T410表面浸漬特種阻燃環(huán)氧樹脂。

T410-P阻燃環(huán)氧預(yù)浸料具有室溫貯存期長，固化溫度低、固化時(shí)間短的特點(diǎn)，原材料和固化物具有優(yōu)異的電氣性能、阻燃性能、粘結(jié)性能和耐熱性能。耐

熱等級(jí)為H-C級(jí)。適用于核電、風(fēng)電、太陽能變壓器的線圈繞包和襯墊絕緣，以及H-C級(jí)電機(jī)、電器的密封絕緣和匝間絕緣。29四、變壓器用絕緣材料JF-312

DDP菱格點(diǎn)膠絕緣紙DDP是將特種改性環(huán)氧樹脂呈菱格狀涂覆在電工絕緣紙上，在線圈高溫固化過程中，樹脂就會(huì)融化并形成粘合劑。隨著溫度的不斷升高，融化的樹脂就會(huì)固化到C階段，使相鄰的線圈層緊密的粘結(jié)在一起，從而形成一個(gè)繞組單元。如果線圈出現(xiàn)短路，樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度足以防止線圈的位移，從而保證線圈的絕緣結(jié)構(gòu)有長期的機(jī)械和物理性能因?yàn)闃渲且粤飧駹罘植荚诮^緣紙上，在固化過程中，只有少量的是樹脂會(huì)浸透到絕緣紙中，所以能保證油的進(jìn)入和空氣的排出，使電暈和局部放電的危害最小化。30四、變壓器用絕緣材料JF-312

DDP菱格點(diǎn)膠絕緣紙序號(hào)性能單位要求1基材厚度及公差mm0.08±0.0050.13±0.0070.18±0.010.20±0.010.25±0.010.30±0.010.35±0.020.38±0.020.45±0.020.50±0.032基材緊度g/cm30.85~1.103單面上膠厚度μm6~124水分含量%4.0~8.05灰分含量%≤1.06水抽出物電導(dǎo)率mS/m≤107水抽出物PH值6.5~8.58吸油性%≥209粘結(jié)強(qiáng)度常態(tài)Kpa≥650100℃±2℃≥40010拉伸強(qiáng)度縱向N

/

1

0

mm60110160180230240≥250橫向30507080100110≥12011擊穿電壓KV0.881.372.002.102.252.30≥2.5031四、變壓器用絕緣材料JF-312

DDP菱格點(diǎn)膠絕緣紙DDP是將特種改性環(huán)氧樹脂呈菱格狀涂覆在電工絕緣紙上，在線圈高溫固化過程中，樹脂就會(huì)融化并形成粘合劑。隨著溫度的不斷升高，融化的樹脂就會(huì)固化到C階段，使相鄰的線圈層緊密的粘結(jié)在一起，從而形成一個(gè)繞組單元。如果線圈出現(xiàn)短路，樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度足以防止線圈的位移，從而保證線圈的絕緣結(jié)構(gòu)有長期的機(jī)械和物理性能因?yàn)闃渲且粤飧駹罘植荚诮^緣紙上，在固化過程中，只有少量的是樹脂會(huì)浸透到絕緣紙中，所以能保證油的進(jìn)入和空氣的排出，使電暈和局部放電的危害最小化。32四、變壓器用絕緣材料JF-313

PMP-P菱格點(diǎn)膠絕緣紙PMP-P菱格點(diǎn)膠絕緣紙是改性特種環(huán)氧樹脂呈菱格狀涂敷在電工用絕緣柔軟復(fù)合材料表面上而成的半固化柔軟復(fù)合材料.PMP-P介電常數(shù)與變壓器油相接近，縮小主絕緣距離，減小了變壓器尺寸，節(jié)約了電磁線和硅鋼片等金屬材料，降低了變壓器成本，增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)度、耐溫等級(jí)和電場(chǎng)強(qiáng)度高等特點(diǎn).PMP-P菱格點(diǎn)膠絕緣紙適用于風(fēng)電、太陽能油浸式變壓器和互感器層間絕緣和匝間絕緣。33四、變壓器用絕緣材料JF-6130

DDM、阻燃DDM菱格點(diǎn)膠聚酯薄膜絕緣紙JF-6130

DDM、阻燃DDM是將特種改性環(huán)氧樹脂呈菱格狀涂覆在電工聚酯薄膜上，在線圈高溫