云母带因可满足高压电机对绝缘的一些要求,所以应用非常广泛。随着电机电压等级的提高,容量的不断提升及高性能的不断发展,对电机绝缘的要求也在不断地提高,相应的绝缘材料的研究也在进行之中。
1 高压电机绝缘用少胶云母带
　　云母带是一种复合绝缘材料,主要由三种材料组成:介电材料,补强材料,胶粘剂。按ＩＥＣ371的标准,云母带可以以胶粘剂的含量多少分为两种,即多胶带和少胶带。这两种云母带在高压电机的绝缘中都有应用。多胶带是指胶粘剂含量在35%以上的云母带,通过液压或模压工艺作为电机绝缘。少胶带则是指胶粘剂含量在4%～8%的云母带,经真空压力浸渍(ＶＰＩ)工艺成为电机绝缘的一部分。以多胶带为主体的电机绝缘,其云母含量不高,电气性能、整体性、热态性能均较差;不能耐电热老化,导热较差,导致电机温升较大,因而不能满足电机在向高电压等级、大容量发展过程中提出的要求。而以少胶云母带作为主体的电机绝缘,结合真空压力浸渍(ＶＰＩ)工艺,可以为电机提供良好的绝缘性能,作为新一代主绝缘材料已受到越来越多的重视。
1.1 少胶云母带简介
　　少胶云母带,简称少胶带,具有与多胶带完全不同的工艺体系,即真空压力浸渍(ＶＰＩ)工艺。其大致过程是:在用少胶带包绕线圈后,将线圈浸入浸渍树脂中,经过抽真空、输漆、加压、降压、滴漆、烘焙固化几个过程,得到成品。这是一种先进的绝缘工艺,具有云母含量高、电气性能优良,绝缘寿命长、整体性好、耐热性及耐热老化性能优良,可减薄绝缘厚度、导热性好,可有效降低电机温升及工艺简单,生产周期短等特点。
　　少胶云母带中的介电材料主要采用的是大鳞片粉云母纸。补强材料一般采用电工用无碱玻璃布, 还有各种薄膜,如聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜等,且一般采用单面补强。使用补强材料主要是为了提高云母带的机械强度,使其能够承受包扎过程中较大的张力,避免云母带受到大的损伤,同时它也成为固化后绝缘的骨架。目前有些公司也在部分采用价格便宜的聚酯无纺布作补强材料。
　　在少胶云母带的3个组分中,胶粘剂是最重要的组成部分。目前大都采用环氧树脂作为胶粘剂的主体成份,主要是因为环氧树脂固化后粘结性好,固化收缩率小,并且具有良好的电气、机械性能和耐潮耐化学性。同时还有不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅树脂、改性二苯醚树脂等。
1.2 少胶云母带中的胶粘剂
　　胶粘剂影响线圈绝缘性能的表现主要有二个方面,其一是胶粘剂含量,一般是越少越好。在包绕线圈后,经ＶＰＩ工艺处理时,线圈内部的空气是否容易排出,与胶粘剂含量有直接的关系。另外,胶粘剂含量高则使浸渍树脂的相容难度增大,同时使高温(155℃)时的ｔａｎδ值也增大,这也说明了ＶＰＩ工艺必须采用少胶云母带的原因。其二是胶粘剂本身性能问题,因为胶粘剂既要能够满足少胶云母带的粘合性能,在高温(155℃)时具有很低的ｔａｎδ值,又要同时与浸渍树脂有很好的相容性。另要求制成的少胶带应具有足够的柔软性,以利于包绕线圈;具有良好的透气度和渗透性,以利于在ＶＰＩ浸渍过程中绝缘层内空气与挥发物的抽出,以及树脂的浸透。
　　对胶粘剂的三大性能要求为:(1)胶粘剂自身有良好的机械性能、电气性能、耐热性等;(2)胶粘剂要具有良好的工艺性,容易渗透;(3)胶粘剂要与浸渍树脂有良好的相容性。
　　目前,在少胶云母带中使用最多的胶粘剂是双酚Ａ型环氧树脂,其结构具有如下特征]:①大分子链的两端是反应活性很强的环氧基;②分子主链上有许多极性醚键;③分子链上同时含有较多的羟基;④分子主链上还有大量的苯环、次甲基和异丙基;⑤-Ｃ-Ｏ-键的键能高;⑥长的分子链具有一定的柔顺性。
　　这些结构特征使得环氧树脂具有如下一些特点:(1)固化物具有很高的机械强度和粘接强度;(2)固化物具有较高的耐腐蚀性;(3)固化物有良好的电气性能。双酚Ａ环氧树脂既属于此类物质,上述特点使双酚Ａ环氧树脂得到了大量应用。另外,双酚Ａ环氧的原材料易得,成本较低,产量较大,也是一个广泛应用的原因。
　　但是,双酚Ａ环氧树脂的耐热指数基本上在130℃左右,而且柔韧性较差,不能满足少胶带的工艺以及使用要求。因此须对双酚Ａ环氧树脂进行改性,提高其耐热性和柔软性。改性的方法要不仅可以提高双酚Ａ环氧树脂的耐热性和柔软性,而且还不能降低其机械性能和电气性能,以及耐腐蚀性等。作为胶粘剂对其使用的改性方法主要是使用耐热不饱和聚酯改性。在提高耐热性和柔软性的同时,由于聚酯同样有良好的电气性能、耐腐蚀性,可以满足少胶带的要求。
　　其它有机硅和二苯醚类在固化时会有一些小分子放出,这些低分子会有一部分夹在已固化的绝缘层内,严重影响绝缘的常态和热态介质损耗。如果在ＶＰＩ浸渍时严格控制工艺参数,得到的绝缘性能会有一定的改善。
2 国内外发展现状及趋势
　　目前,电机在向着高电压等级,高功率、大容量、高性能等方向发展,促使电机绝缘向如下几个方向发展:(1)高耐热等级:电机工作的电压等级的提高、容量的增大,使得电机在工作时放出的热量大幅度增加,因此必须提高绝缘材料的耐热等级才能保证电机的正常使用;(2)高性能:包括电气性能、机械性能、耐化学性、耐环境性等;(3)减薄绝缘厚度:由于电机放热的增加,为保证电机的使用要求,必须要降低电机温升,因此需要降低绝缘厚度;(4)低成本:包括使用低成本的原材料,以及低成本的工艺技术和质量控制等方面。
2.1 国外少胶带用胶粘剂的发展及现状
　　20世纪40～50年代,国外先后研制成功多胶带、少胶带,并将其应用于电机的生产中。当时使用的胶粘剂受材料所限,主要为沥青、松香脂、虫胶等天然树脂,或是酚醛、醇酸等合成树脂。耐热等级主要是Ａ、Ｅ级。20世纪60～70年代环氧树脂、聚酯树脂,以及有机硅树脂得到了发展,并在少胶带中获得了应用。并且随着ＶＰＩ工艺的发展,这一时期的少胶带的应用开始逐步扩大。此时的少胶带的耐热等级上升到了Ｂ级,少数达到了Ｆ级。到了20世纪80、90年代,改性环氧树脂、改性聚酯树脂的发展,以及高性能薄膜作为补强材料的使用,使得云母带的性能有了大幅提升。耐热等级普遍达到了Ｆ、Ｈ级。并且在逐步向Ｃ级发展[8]。大致可以将国外的少胶带划分为表1中所示四种。
　　从表1可看出,少胶带所使用的胶粘剂是各种经过改性的环氧树脂,主要是双酚Ａ环氧树脂。表1中所列的各种少胶带,其所使用的胶粘剂中都未含有固化剂,有的甚至连促进剂也没有。这主要是为了使少胶带能有较长的储存期限。但出现了经ＶＰＩ工艺浸渍后烘焙固化时,如何使少胶带中的胶粘剂固化问题。因此在浸渍树脂的配方设计中,应考虑加入过量固化剂,以与少胶带中的胶粘剂配合固化,最终形成一个整体。

　　

　　从表1中也可看出,少胶带自身的性能是一个重要的方面,它与浸渍树脂的相容性同样在整个ＶＰＩ工艺中占据重要的位置。少胶带在包绕线圈后,通过ＶＰＩ工艺过程,与浸渍树脂混合在一起,再经过固化处理,而得到成品。成品绝缘效果的好坏,取决于少胶带与浸渍树脂的相容性。
　　通用型、通用型含促进剂少胶带可以适用于任何浸渍树脂,而且通用型含促进剂少胶带在用于环氧酸酐苯乙烯浸渍树脂时,有特别优异的高温ｔａｎδ值。含特种促进剂少胶带则只适用于特定的浸渍树脂,在其它浸渍树脂中使用得不到良好的电气性能。高导热少胶带主要是为满足空冷汽轮发电机的需要而开发的,它通过添加具有高导热系数的填料,使得少胶带的导热系数提高,可达通用型少胶带的1 7倍,从而降低电机温升。
2.2 国内少胶带用胶粘剂的发展及现状
　　国内发展云母带是从国外引进的技术,与国外的发展过程基本上一致,也是经历了从天然树脂到合成树脂,再到高性能合成树脂的主要发展过程,同时耐温等级及各种性能不断提升。但是在发展少胶带的过程中,走了一些弯路。20世纪80年代,从国外进口的电机上认识了ＶＰＩ工艺后,我们引进了先进的ＶＰＩ绝缘工艺以及少胶带。但由于当时少胶带的生产困难太多,于是采取了折中的办法,用中胶带代替少胶带用于ＶＰＩ工艺。经过一段时间的使用,发现中胶带虽然能够用于ＶＰＩ工艺,但是由于胶粘剂含量较大,在浸渍时产生一系列的问题,于是又回过头来开发少胶带。
　　到了20世纪90年代,由于改性环氧树脂、改性聚酯树脂的发展,基本上解决了少胶带在制造工艺上的困难。国内有几家单位相继开发成功少胶带,主要有桂林电器科学研究所、上海云母厂、嘉兴绝缘材料厂。国内的少胶带技术是从国外引进的,使用的胶粘剂也主要是环氧树脂体系,同时还有改性二苯醚带、有机硅带等。国内主要将研发重点面向浸渍树脂,开发了多种不同体系的浸渍树脂。因而对少胶带的关注较少,目前使用的胶粘剂基本上与国外相同。表2列出了国内外一些少胶带的组成与性能,以供比较。

　　

　　从表2中可以看出,少胶粉云母带的云母含量在80%左右,远远高于多胶粉云母带。桂林少胶带的综合性能较好,但是存在偏硬和稍有掉粉的现象;上云少胶带是用干法制成的,但包绕工艺性较差;嘉兴少胶带存在反粘现象,性能较好。瑞士Ｉｓｏｌａ公司生产的Ｉｓｏｌａ少胶带(即表1中的通用型少胶带)不仅性能良好,而且包绕工艺性较好,基本无掉粉、回粘等问题。
　　图1是Ｉｓｏｌａ少胶带与国产少胶带分别包绕线棒,并经ＶＰＩ浸渍,国产浸渍树脂后固化样品对其电气性能的比较。在该试验中,除了使用的少胶带不同,其余材料及结构完全相同。从图1可看出,在室温下两种带子的绝缘介质损耗差别不大,高温下Ｉｓｏｌａ带子则明显优于国产带子。由此可见,国内少胶带与国外的差距主要表现在工艺性及热态性能上。目前国产少胶带的问题主要是热态损耗增量较大;在应用工艺性能上存在少胶带柔软性差,包带时飞粉严重,机包时损伤大,透气度较小等问题。而且与浸渍树脂的相容性较差。

　　　

2.3 少胶带用胶粘剂的发展趋势
　　从以上可看出,当前电机不断向着高电压、大容量、高性能等方向的发展对电机绝缘提出了新的要求,少胶带用胶粘剂同样面临着新的挑战,新的发展趋势。主要表现在:
　　(1)通过引入耐热性基团,开发一种具有高耐热性的树脂。电机的工作电压在不断提高,容量也在增大,电机工作时产生的热量也随之变大,传统的Ｆ级少胶带已经不能满足绝缘要求,限制了电机的发展。因此要在Ｆ、Ｈ级的基础上,逐步向Ｃ级发展。
　　(2)提高胶粘剂的介电性能,使得少胶带具有优良的电气性能。电机在使用时偶尔产生的短时过电压,可能会使绝缘发生击穿等问题,造成破坏;同时长期的使用,绝缘会产生疲劳,从而发生绝缘破坏。而绝缘破坏的主要原因是由于胶粘剂的电气性能较差,击穿电压较低,耐电晕性较弱,因此需要提高胶粘剂的电气性能
　　(3)为保证电机能在各种环境下使用,需要胶粘剂具有良好的机械性能、耐腐蚀性和耐环境性。
　　(4)少胶带是否有良好的工艺性,是否容易绕包,主要取决于胶粘剂在凝胶后的性能。因此胶粘剂要有一定的柔软性。
　　(5)胶粘剂要粘度较低,渗透性良好,适合于少胶带的生产。
　　(6)与浸渍树脂有良好的相容性。最好是既可以用作胶粘剂,又可以作为浸渍树脂使用。
3　国内发展建议
　　目前我国电机绝缘用少胶带与国外相比差距主要表现在:产品性能不够稳定,产品云母含量低等问题。尤其是高档次的、高新技术含量的产品不能满足使用要求,仍然依靠进口;少胶带产品质量尚欠缺,产品规格少、系列化程度不高;生产规模较小,原材料消耗以及成本居高不下,造成企业效益不好;缺乏相应的新产品研发能力,产品的技术进步较慢[9]。
　　差距形成的主要原因是工艺装备水平落后,设备技术改造、产品技术改造滞后;政府的科研投入减少,企业和科研单位自我投入乏力,制约了产品开发和改性提高;原材料品种少,不配套,质量不稳定,也是制约因素;另外,企业间缺乏协作精神或是企业缺乏整套产品开发思路也是制约因素。例如,生产少胶带往往不生产浸渍漆,或生产浸渍漆而不生产少胶带,使两产品间的相容性配套性难以解决,即使有能力的企业也无法把少胶带、浸渍漆、防电晕材料作为一整套来开发。
　　因此,我们建议在发展少胶带的时候,要明确少胶带的生产是一个系统工程,需要从粉云母纸的制造、补强材料的生产、胶粘剂的开发,以及浸渍树脂的开发等角度来整体考虑,尤其应把浸渍树脂与少胶带胶粘剂作为一个统一的、完整的体系来进行研究[9]。
　　加大新产品的开发力度,在提高环氧树脂型胶粘剂性能的同时,开发非环氧型胶粘剂,比如高性能聚酯树脂、聚酰亚胺树脂,解决有机硅树脂在用作胶粘剂时的一些问题,使胶粘剂形成多品种共存的局面。另外,也要开发高性能薄膜作为补强材料使用。实现少胶带的低成本化。
　　在电机绝缘方面,少胶带这种复合材料起着重要的作用。当前,高电压等级、大容量、高性能电机的快速发展,迫使电机绝缘不断提高性能,满足电机的要求。在这种情况下,少胶带由于自身优异的性能,以及ＶＰＩ工艺的优势,为电机绝缘的发展提供了一个广阔的空间。