背景
隨著電力電子技術的發展 ,電機的變頻調速技術得到了迅速的推廣 ,開發變頻電機用的耐電暈漆包線成為熱點。變頻用 IGB T、 PWM 調速裝置產生的脈衝波具有高聳的尖峰 (電壓峰值 ) ,波峰具有陡峭的上升電壓,加上極高的頻率 (有時可達 20K Hz)對漆包線的絕緣漆膜的破壞作用 ,使用普通漆包線的變頻電機很容易發生匝間擊穿 ,電機壽命大幅度降低 ,必須使用能夠耐電暈的漆包線。製造變頻電機用耐電暈漆包線的關鍵材料是耐電暈漆包線漆。 美國、歐洲等國都在大力開發耐電暈漆包線漆及其耐電暈漆包線。近幾年 ,我國變頻電機發展也很快 ,但國內沒有該種高技術含量的耐電暈漆包線漆的生產 ,因此 ,所用耐電暈漆包線都是從美國進口 ,我們決定自己研製開發。 現在開發成功的耐電暈漆包線漆 ,用於製造耐電暈漆包線 ,該線經上海電纜研究所測試及經上海南洋電機廠在變頻電機上套用 。
交流變頻電機,用耐電暈的漆包線和繞包線以及耐電暈漆包線漆,是近幾年來機電行業和電磁線行業十分關注的一個熱點。我國的交流變頻電機自研製開發以來已經有10餘年的歷史了,但是作為變頻電機的主要絕緣材料———耐電暈漆包線,國內從98年才開始開發,投入批量生產還只有兩、三年時間。早期開發耐電暈漆包線和漆的歐美廠商,主要選用鈦、鉻、矽和鋁等金屬氧化物的粉末,充填於常用的耐高溫漆包線漆中,充分攪拌均勻後就成為耐電暈的漆包線漆。這些金屬氧化物的粉末分布在聚合物的分子之間,當溶劑蒸發乾燥,樹脂完成交聯固化後,便被固定地“鑲嵌”在聚合物的分子中間,起到了有機聚合物的增強劑作用。但其缺點也相當明顯。資料顯示,這種結構只能提高抗局部放電和耐過電壓能力,不能提高電暈起始電壓(DIV值)。由於這種漆包線是三塗層,對生產管理也會帶來很大的不方便。同時,這種漆包線在使用過程中如果發生拉伸,其抗電暈性能也將會大幅度地下降。如果拉伸5%,耐電暈性能將會下降一半,拉伸10%,壽命將會下降90%。
發展
儘管絕緣材料研究人員通過在聚合物中填充無機填料的方法提高其耐電暈性能 , 但是由於早期無機填料製造技術只能達到微米級或亞微米級 , 採用這種填料填充的漆包線漆生產的漆包線表面粗糙 , 無法滿足漆包線的表面技術要求 。進入 20 世紀 90 年代後 ,隨著納米材料製備技術的逐漸成熟 , 人們開始將納米粒子填充到具有較高耐溫等級的漆包線漆中 , 製成耐電暈漆包線漆 。採用這種耐電暈漆作為漆包線的外層( 二層絕緣結構) 或中間層( 三層絕緣結構) ,可使漆包線的耐電暈性能提高 5 ～ 100 倍 。其中 ,最為典型的就是 Dupo nt 公司生產的耐電暈漆 , 採用噻克改性聚酯亞胺樹脂為基體 , 以納米 SiO 2 為填料 , 這種漆包線漆作為漆包線的塗層 , 大幅度提高了其耐電暈性 能。據美國專利 US4935302介紹 ,在絕緣漆中添加粒度為 5 ～ 500nm 的氧化鉻 , 或氧化鐵和氧化鉻的混合物 , 填充量約為 10 %～ 30 %, 可以大大提高耐電暈能力 。Jiang 等提出了在聚酯亞胺 、聚醯胺醯亞胺等漆包線漆中添加 α型氧化鋁和 γ氧化鋁的混合物 , 使耐電暈能力提高 3 ～ 4 倍 。 美國的 PhelpsDodge 公司研製開發的耐電暈電磁線 X8358 採用三層絕緣結構 , 中間層為二氧化鈦 、氧化鋁 、氧化矽 、氧化鋅 、氧化鐵等無機氧化物填充的耐電暈層 , 在脈衝測試中表現出良好的耐電暈性能 。經過近幾年的發展 , 目前能生產供變頻電機使用的新型漆包線漆的廠家有 : 美國的 P D George 公司 , Phelps Dodge 公司 ,po nt 公司 , 法國 Nexans 公司 , 義大利 Syntel 公司和德國 Herber ts 公司等 。
近年來 , 國內在變頻電機用耐電暈漆包線漆的研製方面 , 開展了大量工作 。哈爾濱理工大學雷清泉院士課題組 、西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室和上海電器科學研究所以及上海電纜研究所的科研人員分別從不同的角度對該課題進行了研究 ,取得較大的進展 , 有些成果正在向企業轉化 , 但耐電暈漆產品由於存在某些問題尚未得到規模化生產 。如四川東材科技集團有限公司承擔的國家 “十五” 科技攻關項目交流變頻電機專用禁止漆包線漆, 上海電器科學研究所和上海電纜研究所研究的成果在常熟豪威富公司進行了小規模生產，儘管使漆包線的耐電暈性能得到一定程度的提高 , 但耐電暈性能分散性大 , 其根本原因在於納米粒子在聚合物中沒有得到有效的分散 ,大多仍以團聚體形式存在。
耐電暈漆包線漆的合成原理
在變頻高壓下 ,漆包線絕緣漆膜的高分子易產生局部電離 ,當電場強度達到臨界場強時 ,附近氣體的發生局部電離 ,出現藍色的螢光 ,並伴有放電響聲 ,同時產生臭氧。 要防止局部電離而引起的漆膜破壞 ,必須改進現有漆的配方 ,提高漆的電老化性能 ,在漆基高分子中引入量子禁止粒子 ,使脈衝高壓得以分散、化解 ,不至於局部電離引起漆膜擊穿 。
漆包線漆的試製及其性能
漆的合成
將具有電禁止功能的組份摻入高分子縮聚反應形成漆基樹脂 ,再加入多種有機溶劑 ,稀釋劑及特種助劑等。經過大量的配方及工藝試驗 ,試製出 HPH-35型耐電暈漆包線漆。
漆的外觀為橙黃色液體 ,固體含量 ( 200± 3℃ ,1h)≥ 35% ,粘度 ( 23± 1℃ ) 500～ 1500m Pa· s。
漆包線塗漆工藝
可採用現有漆包機和模具法塗制工藝 ,調整好漆的粘度、固體含量、控制烘爐溫度、線速度等工藝參數 ,漆包線在 350℃區間產生交聯和固化反應 ,得到性能良好的漆包線。
高頻脈衝電耐暈性能
耐電暈漆包線在高頻率電壓作用下的性能 ,國內外都在研究中 ,還沒形成標準試驗方法及產品標準。 上海電纜研究所參考國外有關報導 ,研製了漆包線起始電暈電壓及耐高頻脈衝電壓時間等性能測試方法及相應的儀器設備 ,對耐電暈漆包線 ( 1.00mm )進行了初步測試研究。
試製的耐電暈漆包線漆在耐電暈漆包線上套用及該線在變頻電機上套用表明性能良好 ,可以滿足國內需要。該漆所用材料全部國產化 ,已形成 150噸 /年的工業生產規模 ,成本比進口同類產品低 ,而且該漆可在現有國內外產的漆包機上使用。 該耐電暈漆包線漆是國內首次研製成功的耐電暈漆包線漆 ,它為我國耐電暈漆包線的製造變頻電機的推廣套用創造了良好的條件。 今後我們要繼續努力 ,開發出系列耐電暈漆包線漆 ,適應日趨嚴格的技術要求和日益擴大的市場需求 ,為耐電暈漆包線及變頻電機的發展作出更大的貢獻。
生產工藝
我們採用VoltronTME3597新型耐電暈漆包線漆試製漆包線,第一次試製時由於缺乏經驗,主要採用目前普通複合線的工藝,即:試製設備為奧地利MAG公司生產的HES5 /4型漆包機;試製漆包線規格為 0. 900 mm;並採用如下主要工藝指標:底漆採用杜邦公司Voltro-nTME3597 /38(耐電暈漆包線漆);面漆採用杜邦公司E3564 /27(聚醯胺醯亞胺);塗漆道數為底漆12道,面漆4道;漆膜厚度達2級,固化溫度為520°C,工藝速度為100±10 m /min。第一次試製的漆包線得出下列主要性能指標:漆膜彈性為20%/1 d;熱衝擊為20%/2 d /200°C;軟化擊穿為380°C /2 min;tgδ:178°C;表面光潔,手感較好。
耐電暈試驗結果如下:
16小時(20 kHz,90°C,3000 V,100 ns)；35小時(16 kHz,155°C,2400 V,100 ns)；28小時(10%預拉伸,16 kHz,155°C,2400V,100 ns)；聽取杜邦專家建議後,第二次我們採取了新的工藝,即:先用甲酚清洗所有塗漆裝置3小時,然後再在漆槽中加入原漆,適當調整配模尺寸,並保持裸銅線光潔,然後塗漆。
主要工藝參數為:底漆採用VoltronTME3597,面漆採用杜邦E3564;塗漆道數為底漆14道,面漆6道;漆膜厚度達2級,固化溫度為590°C;工藝速度為100 m /min常規性能檢測結果,漆膜彈性為20%/1 d;熱衝擊:20%/2 d /220°C;絕緣擊穿電壓:≥9. 5kV;軟化擊穿:390°C /2 min;單向刮漆:12 N;tgδ:187°C;表面光潔,手感較好。
耐電暈試驗結果如下:
280小時(16 kHz,155°C,2400 V,100 ns)；258小時(10%預拉伸,16 kHz,155°C,2400V,100 ns)
從試製的結果看,這種產品完全達到目前市場上進口的耐電暈漆包線的水平。在抗拉伸方面,拉伸10%,抗電暈壽命僅減少10%左右,這是由於這種漆包線漆的成膜結構及耐電暈原理與普通三塗層的有本質區別,它不是通過摻雜無機金屬氧化物,而是通過無機金屬和有機體聚合而成,經拉伸後不會出現散亂現象。
(2)從生產此種漆包線看,解決塗漆過程中的污染問題很重要。塗漆前一定要保持塗漆設備清潔,否則將會造成表面不好。銅線表面一定要好,如有毛刺將會大大降低漆包線的各項性能,特別是耐電暈性能。我們在試製時曾經沒有注意這一點,導致塗出的線耐電暈檢測壽命僅為1小時。塗漆配模應儘可能做到少量多次。同時,固化溫度在允許的範圍內儘可能提高,以使其鉸鏈固化充分。
