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变频电机用耐电晕绝缘材料的应用研究进展

1.前言
脉宽调制(PWM)技术的发展与进步，使电动机的交流调速技术日益成熟。交流调速电机是由变频器、电动机和连接电缆组成，与直流调速电机相比，它具有节能、体积小、易于维护等优点，在电力机车、船舶、冶金等领域获得了广泛认可。起初，人们将变频器直接应用于普通电机上，原本在工频交流条件下使用15年的电机，在安装变频器后运行一至二年甚至几个月就出现了绝缘损坏这种情况在国内外均有出现。
为了延长变频电机的使用寿命，研究人员曾提出了以下3种解决方案：
第一，缩短变频器与电机之间电缆的长度以降低过充电压;
第二，增加电磁线绝缘层厚度，并在线圈两端接口和不同相间增加额外的绝缘材料;
第三，使用具有耐电晕腐蚀能力的绝缘电磁线。
尽管第一种方案可以在一定程度上减小电机端子上的尖峰过电压，但不能消除电压在绕组上的极不均匀分布，对延长电机的使用寿命方面效果不明显。
第二种方案可以在一定程度上延长电机的寿命，但是在增加电机绝缘尺寸的同时无疑减小了铜铁率，降低了散热速度;此外，一旦绝缘尺寸改变，整个电机制造中的生产装备、工艺参数等都需重新设计，这些都是电机制造者所不希望出现的。因此，耐电晕绝缘材料制备和应用成为电机绝缘领域研究的热点。本文在分析变频电机绝缘材料破坏机理的基础上，评述了国内外在变频电机耐电晕绝缘材料方面的研究成果及存在的问题，提出了今后耐电晕绝缘材料的研究重点。
2 电机绝缘的工作环境及破坏机理
2.1 电压
变频调速电机是由变频器、电缆和电机组成的。变频器的核心控制部件有BJT(双极晶体管)、IGBT(绝缘栅)等多种类型，其中IGBT具有驱动简单、易于保护和高速开关等优点，成为场控电力电子器件的主流产品。IGBT的高开关速度建立在快导通和快关断的基础上，最高可达30---40 k Hz，正常工作情况下为20 kHz。变频器的输出波形是具有陡上升沿和陡下降沿(0.1---0. 5l A s)的脉冲波，正是由于这种脉冲电压不同于工频正弦电压，从而对变频电机绝缘的工作环境造成了一系列的影响。当变频器将工频正弦波转化成脉冲波以后，该列脉冲波从变频器通过电缆传到电机的接线端，由于电缆与电机之间的阻抗不匹配将产生反射波。反射波反馈又产生二次反射，二次反射波与原始脉冲电压波叠加，当叠加的脉冲电压传输到电机时，就会产生一个尖峰电压。尖峰电压的大小取决于电缆的长度和脉冲电压的上升沿时间。通常电缆长度增加时，电线两端都产生过电压，电机端的过电压幅值随电缆长度增加而增加，并趋于饱和。当变频电机的绝缘线圈中通过脉冲电流时，短上升沿时间的脉冲波引起电压在线圈中的分布不均。据Rhudy,Tang等在模拟电动机定子绕组上进行了电压波形的测量、分析，表明在电动机定子绕组的首端几匝上承担了约80%过电压幅值，这样绕组首匝处承受的匝间电压超过工频交流电压条件下平均匝间电压的10倍以上！！！
2.2 破坏机理
尽管在使用变频器后，电机首匝附近的电压比工频交流条件下提高了10倍以上，虽然仍远低于绝缘的击穿电压，但是已经超过了局部放电起始电压。日本、美国和西欧等一些发达国家的学者对变频电机绝缘材料的破坏机理进行了广泛研究，并逐步达成了共识，认为局部放电是造成变频电机绝缘过早破坏的主要原因，而介质损耗发热、空间电荷、电磁激振以及振动等多种因素的存在加速了材料的老化过程。
以Kaufhold为代表的研究人员通过在不同电压，频率，温度，脉冲电压波形下对聚酞亚胺为绝缘材料的电磁线进行测试，发现当存在局部放电时，绝缘材料在较短时间内就会被击穿，而不存在局部放电时，即使在很高的电应力和热应力下，介质老化两年以上也没有出现击穿现象。Kaufhold认为变频电机中绝缘材料的破坏机理是由于局部放电引起的。Kaufhold的结论受到了众多人的支持，Hwang等人研究了25种变频电机用电磁线的局部放电的起始电压、损耗因子后认为，得到的结论与Kaufhold的结论完全相同。Beekman, Metzler等人研究表明，绝缘材料的耐电晕能力不同会导致变频情况下绝缘寿命不同，这间接说明局部放电是变频电机绝缘材料破坏的主要原因。
3 耐电晕绝缘材料的研究现状
3.1耐电晕漆包线漆
尽管绝缘材料研究人员通过在聚合物中填充无机填料的方法提高其耐电晕性能，但是由于早期无机填料制造技术只能达到微米级或亚微米级，采用这种填料填充的漆包线漆生产的漆包线表面粗糙，无法满足漆包线的表面技术要求。进入20世纪90年代后，随着纳米材料制备技术的逐渐成熟，人们开始将纳米粒子填充到具有较高耐温等级的漆包线漆中，制成耐电晕漆包线漆。采用这种耐电晕漆作为漆包线的外层(二层绝缘结构)或中间层(三层绝缘结构)，可使漆包线的耐电晕性能提高5一100倍。其中，最为典型的就是Dupont公司生产的耐电晕漆，采用邃克改性聚醋亚胺树脂为基体，以纳米SiO2为填料，这种漆包线漆作为漆包线的涂层，大幅度提高了其耐电晕性能。据美国专利US4935302介绍，在绝缘漆中添加粒度为5-500nm的氧化铬，或氧化铁和氧化铬的混合物，填充量约为10%一30%，可以大大提高耐电晕能力。Jiang等人提出了在聚酷亚胺、聚酞胺酸亚胺等漆包线漆中添加a型氧化铝和r氧化铝的混合物，使耐电晕能力提高3-4倍。美国的PhelpsDodge公司研制开发的耐电晕电磁线X8358采用三层绝缘结构，中间层为二氧化钦、氧化铝、氧化硅、氧化锌、氧化铁等无机氧化物填充的耐电晕层，在脉冲测试中表现出良好的耐电晕性能。经过近几年的发展，目前能生产供变频电机使用的新型漆包线漆的厂家有:美国P D George公司，Phelps Dodge公司，Dupont公司，法国Nexans公司，意大利Syntel公司和德国Herberts公司等。
近年来，国内在变频电机用耐电晕漆包线漆的研制方面，开展了大量工作。哈尔滨理工大学雷清泉院士课题组、西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室和上海电器科学研究所以及上海电缆研究所的科研人员分别从不同的角度对该课题进行了研究，取得较大的进展，有些成果正在向企业转化，但耐电晕漆产品由于存在某些问题尚未得到规模化生产。如四川东材科技集团有限公司承担的国家“十五”科技攻关项目交流变频电机专用屏蔽漆包线漆，上海电器科学研究所和上海电缆研究所研究的成果在常熟豪威富公司进行了小规模生产，尽管使漆包线的耐电晕性能得到一定程度的提高，但耐电晕性能分散性大，其根本原因在于纳米粒子在聚合物中没有得到有效的分散，大多仍以团聚体形式存在。
3.2 耐电晕薄膜
均苯型聚酸亚胺薄膜以其优异的耐热、机械、电气性能在高性能电机中有广泛的应用。1994年，美国Dupont公司在聚酞亚胺前体中填充了纳米氧化铝粒子，成功开发了耐电晕性能优异的Kapton CR薄膜。据杜邦公司专利介绍，Kapton CR薄膜就是先将气相氧化铝和N, N一二甲基乙酞胺制成稳定的悬浮体，然后再与聚酞胺酸溶液混合，经热亚胺化制得。该薄膜在变频电机制造中主要有两个用途:其一，在Kapton CR上复合Telfon FEP后，绕包烧结在铜扁线上，作为其电晕防护层。试验表明，KaptonFCR薄膜在20 kV的工频交流电条件下，耐电晕老化寿命可超过100 000 h，而在同样条件下普通聚酞亚胺薄膜只有200 h。该耐电晕薄膜绕组线已得到ABB和西门子的认可，并已成功应用于高速列车的牵引电机上。我国株洲电力机车研究所与常熟豪威富集团公司合作，用Kapton CR聚酞亚胺薄膜绕包并烧结在铜线上，应用于1020 kW，电压1950 kV，转速4 000 r/min的JD150S高速动力车上。经过 近 几 年的探索，国内耐电晕聚酞亚胺薄膜的制备技术已走出实验室，向产业化阶段迈进。目前市场上已出现国产耐电晕聚酸亚胺薄膜，在机械、耐热和电气性能相近的条件下，平均耐电晕寿命可达Kapton CR薄膜的60%，但产品质量不稳定，仍有待于提高。
3.3 有机硅浸溃漆
有机硅树脂是一类以硅氧键为主链、以有机基团为侧链的高分子材料。由于Si一0键键能是373kJ/m ol，比C一C键键能(245k J/mol)高50%以上，有机硅树脂分子结构接近于硅酸盐的结构，是一种半无机高分子。当其处于电晕条件下有机成分被氧化分解之后，表面会残留一层硅的氧化物层，耐电晕性能较一般聚合物高。此外，无溶剂有机硅树脂具有优异的耐热性、阻燃性、电气性能以及机械性能，适合用作真空压力浸溃工艺的浸溃漆180有机硅树脂在特种电机，如牵引电机中有广泛的应用，能满足变频牵引电机绝缘系统高耐热性和高可靠性需求。目前，国内已经逐步在开始消化和吸收国外的C级绝缘结构体系，设计使用耐电晕性能较好的有机硅浸渍树脂。如株洲南车电机股份有限公司在KZ4A型和DJ4型牵引电机上分别采用了3551无溶剂有机硅树脂和Wacker公司的H62A/ B双组份无溶剂有机硅树脂作为浸渍漆。目前，国内使用的无溶剂有机硅浸渍树脂完全从国外进口，国内尚无成熟的产品问世。值得注意的是，株洲时代新材料科技股份有限公司经过几年的技术攻关，在有机硅无溶剂浸渍漆的制备和应用工艺上取得较大突破，中试产品经机械工业电工材料产品质量监督检测中心检验，性能达到了国外同类产品水平。
4 耐电晕机理研究
4.1 多核模型
日本早稻田大学的TanakaT等基于化学、电学和形态学理论，提出了多核模型，用于解释纳米层状材料在提高聚合物耐电晕性能方面所起的作用。他们通过比较聚酞胺和聚酞胺/层状硅酸盐纳米复合材料在相同局部放电条件下的耐电晕性能，发现复合材料表面的电晕腐蚀深度是纯聚合物的五分之一，肯定了耐电晕性能的提高与层状硅酸盐的高耐局部放电性有密切关系。
聚酞 胺 / 层状硅酸盐纳米复合材料表面耐局部放电的机理如图1所示。该复合材料由许多聚酞胺包覆的纳米尺寸的球形粒子组成，球形粒子的结构从内到外可分为三层，即内层，中间层和外层。由于离子键与共价键的存在，内层聚合物与纳米粒子之间有较强的作用，具有较强的耐电晕能力。中间层聚合物处于高度有序状态，且或多或少地存在结晶现象，两相邻颗粒之间的距离约为1 nm，耐电晕性能次之。第三层主要是非晶态聚合物，耐电晕性能较差。当局部放电作用于复合材料表面时，在电、热、机械以及环境等因素的共同作用下，表层的聚合物首先遭到破坏而分解。之后，由于第三层及其外层的聚合物耐电晕性能较弱而被破坏，当局部放电遇到球形粒子的中间层或内层时，由于其较强的耐电晕性能，破坏通道将沿着中间层与聚合物的界面继续生长。这样破坏通道在材料内部形成之字形路径，从而延长了耐电晕寿命。
4.2 协同效应
材料在电晕条件下的老化是光、热、电以及化学等多种因素共同作用的结果。相应地，纳米粒子在提高材料耐电晕性能方面所起的作用也不是单一的，而是多方面的。T Okamoto等I"增研究T云母、FeS04填充的聚酞亚胺以及未填充聚酸亚胺的耐电晕寿命，对比了它们的放电量和体积电阻。发现Fe304/聚酞亚胺体系的局部放电量最小，而纯聚酸亚胺的局部放电量最大，因此，T Okamot。认为填料的加入造成聚酞亚胺电阻率的降低，使局部放电能量降低，从而延缓了材料的老化速度。何恩广等u11研究认为纳米TiO:微粉填充改性绝缘的新型复合电磁线经过电晕放电破坏后，析出的纳米TiO2微粉层改善了间隙中的电场分布特性，并通过电动力的作用自适应迁移使间隙的电场分布趋于均匀化;纳米TiO:层在绝缘表面形成电子屏蔽障，可捕获来自放电的电荷，并通过高电导率的纳米TiO:微粉层使积聚的电荷沿表面扩散;此外纳米TiO:微粉层还能够吸收来自电晕放电且对绝缘有光化学降解作用的紫外线，将光能转化为热能后通过良好的导热性扩散掉，从而起到屏蔽紫外线的作用。Yin W 认为，纳米粒子在提高耐电晕性能方面的作用不是单一的，而是电场均化、热稳定等多种效应共同作用的结果。
5 存在的问题及研究方向
我国研究人员采用不同的方法开发新型耐电晕材料，解决变频电机绝缘的过早破坏向题。但迄今为止，国内外提出的技术路线仍不能令人满意，主要存在以下间题:
(1)在无机纳米材料改性聚合物的耐电晕机理方面，不同的学者从某一角度对纳米粒子在提高聚合物的耐电晕性能方面提出了不同观点，仍然缺乏一致的认识。全面研究无机纳米粒子在提高聚合物耐电晕性能方面的机理，确定填料的种类、粒度、颗粒形状、填充量等因素对聚合物耐电晕性能的影响，才能对耐电晕机理形成深刻的认识。
(2)在耐电晕材料的制备方法上，一般采用共混法向传统的耐高温聚合物中填充一定量无机纳米粒子，但由于纳米粒子具有高表面能和强极性表面，多数情况下是以团聚体的形式存在于聚合物中，加之聚合物私度大、极性较弱，难以使纳米粒子达到纳米化分散状态，造成产品耐电晕性能差，耐电晕性能分散性大。原位聚合法是实现纳米粒子均匀分散、适合工业化生产的有效途径，需要对该工艺进行详细的研究。
(3)目前，国内外还没有出现公认的耐电晕绝缘材料生产标准，这不利于此类材料的产业化生产。尽快建立耐电晕材料的国家标准，促进工业化生产进程。
为了尽快促使耐电晕绝缘材料产业化，需要在纳米复合材料的制备、耐电晕机理以及国家标准的制备方面进行系统的研究。