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国内电机绝缘材料和工艺及绝缘结构现状及分析 管兆杰;黄慧洁;康骏【摘 要】The current status and problems of domestic electrical insulation materials,insulation technology and electrical insulation systems were analyzed.The necessity of the establishment of the base systems for the motor insulation materials and electrical insulation systems were analyzed.The suggestions of the development of future electrical insulation materials and electrical insulation systems were put forward.%对目前国内电机绝缘材料、绝缘工艺和绝缘结构的现状及存在的问题进行了分析.分析了电机绝缘材料及绝缘结构基准体系建设的必要性,为未来的电机绝缘材料及绝缘结构的发展提供了建议.【期刊名称】电机与控制应用【年(卷),期】2011(038)004【总页数】5 页(P1-5)【关键词】绝缘材料;绝缘结构;基准体系【作 者】管兆杰;黄慧洁;康骏【作者单位】上海电器科学研究所(集团)有限公司上海电器设备检测所,上海200063;上海电器科学研究所(集团)有限公司上海电器设备检测所,上海 200063;上海电器科学研究所(集团)有限公司上海电器设备检测所,上海 200063【正文语种】中 文【中图分类】TM303.4 0 引言 电机所采用的绝缘材料、绝缘结构、绝缘工艺，不仅涉及到电机设计参数的选择和整体结构的布局，还关系到电机运行的可靠性和运行寿命。绝缘系统各项技术经济指标，在很大程度上反映电机的设计和制造水平。随着科学技术的进步，对绝缘可靠性提出了更高的要求。为此必须开发和应用新型绝缘材料、合理的绝缘结构、先进的制造工艺和科学的绝缘试验手段，最大限度地满足电气绝缘系统长期承受电、热、机械及各种苛刻运行工况的要求。1 绝缘材料及工艺 我国绝缘材料行业是一个高度分散的行业，绝缘材料分为电气绝缘用漆，电气绝缘用树脂浸渍纤维制品，电气绝缘用层压制品、卷绕制品、真空压力浸胶制品和引拔制品，电气绝缘用塑胶制品，电气绝缘用云母制品，电气绝缘用胶粘带、薄膜、柔软复合材料，电气绝缘用纤维制品，绝缘液体八大类。其中电机用绝缘材料生产企业有数百家，遍布全国，产品质量良莠不齐，对电机生产企业而言材料很难筛选。电机用绝缘材料中，作为绝缘结构中主要组分的为电磁线、浸渍漆和槽绝缘，其性能和加工工艺对电机绝缘结构有着决定性的影响，下文将对这三者的现状及如何控制其性能质量进行初步分析。1.1 电磁线 国内额定电压为 380690 V 的电动机所用标准漆包线大多为两级漆膜，其耐电压强度不够高，而且多数漆包线都有小孔。在使用期间出现热老化，这种漆变得越来越脆，产生裂纹的危险性增大。目前，国内的电磁线只需生产许可证便可通过 3C安全认证，但这并没有对其相应的温度指数进行测试，所以无法证明电磁线的温度指数是否达到了对应的需求。对于传统电动机，其电磁线应根据 GB/T 6109 进行性能测试，必须测试温度指数，按 GB/T 4074.7 或 GB/T 4074.8 进行试验。对于变频电机，根据 GB/T 6109 测试常规性能之外，还要根据 GB/T 21707 进行耐电晕性能测试。1.2 浸渍漆与浸渍工艺 目前国内 B、F、H 级浸渍漆分为有溶剂漆和无溶剂漆。B 级浸渍漆一般用于小功率电机，而 F 级浸渍漆一般用于 Y、Y2 系列电机，H 级浸渍漆一般用于冶金、防爆、矿山和铁道牵引电机等特种电机。对于传统的有溶剂浸渍漆，由于含有约 50%的溶剂，在烘培过程中溶剂大量挥发，固化后，仅有45%的固体含量，绕组间含有大量气隙;且溶剂一般为苯系的芳香族化合物，存在一定的毒性，固化烘培中污染环境。无溶剂浸渍漆具有粘结性好、渗透填充性好、内干性好、固化物整体性好、电机温升低、绝缘质量高等特性。在讨论无溶剂漆时，要特别强调发展非苯乙烯体系的低挥发无溶剂漆。对于环氧型无溶剂树脂，在高温固化时，也约有 20%的挥发物，同样不能形成无气隙绝缘。低挥发份聚酯型无溶剂树脂是国际上第三代浸渍树脂，其固化速度快，固化过程中挥发物小于 5%。采用适当的浸渍工艺，基本上可以形成“无气隙绝缘”。由上述可以看出，绝缘漆或树脂的温度指数以及与电磁线的化学相容性对电机绝缘而言至关重要，但国内绝大部分产品没有进行相关评定。变频电机对绝缘漆的要求更高，要求其挥发份越小越好，做到无气隙绝缘，提高电机绝缘结构的局部放电起始电压，提高绝缘结构寿命。对于传统电动机，其浸渍漆应根据GB/T 1981.2 进行性能测试，温度指数根据GB/T 11028 进行测试，并根据 GB/T 17948.2 进行相容性试验评定。变频电机用绝缘树脂在上述评定的基础上，根据 GB/T 7354 对固化后的绝缘结构进行局部放电测试，有效控制绝缘结构的质量。1.3 槽绝缘 槽绝缘材料目前使用 NHN、NMN、DMD 或 F 级 DMD 等由几种混合物制成。复合材料一般用于传统电动机的槽绝缘，但这类材料由于具有有机性，它们不能耐电晕，不适用于变频电机用槽绝缘。现在 NHN、NMN 或 F 级 DMD 和薄膜组成的组合绝缘非常普及。表面贴有聚酯绒布的产品应优先选用，而通常需要的是浸渍处理后全部为 F 级的材料。因此，两层聚酯绒布间夹一层聚酯薄膜的绝缘是一种良好的材料。同其他材料相比，它在吸收树脂方面占有优势。这就意味着，漆或树脂流出的危险性减少，可以实现与导线更好的粘接。此外，固化前定子搬运期滑动减少。槽绝缘、相间绝缘和线圈绝缘最好提高到 H 级。采用成本低廉的厚云母绝缘可能是一个良好的解决办法。对于传统电动机，其槽绝缘应根据 GB/T 5591.2 进行性能测试，温度指数根据GB/T 11026 进行测试。变频电机用槽绝缘在上述评定的基础上，根据 GB/T 7354 对槽绝缘进行局部放电测试，有效控制绝缘结构的质量。2 绝缘结构 电气设备的运行寿命通常由其电气绝缘结构(也称作电气绝缘系统)的寿命来确定，绝缘结构的好坏决定着电机的寿命，同时也是电机安全运行的基础。随着全球能源紧张，新能源技术、新材料、新工艺的快速发展，电机正处于高能效、节能的发展阶段，对绝缘结构的要求也与传统的大不一样，如果没有一个权威专业的认证体系，产品的安全性和可靠性得不到保障，将会大大制约我国电机行业的发展，使电机在发展转变的过程中投入巨大的成本。新型电机中最具代表性的就属变频电机。采用交流变频调速电机比直流调速电机具有显著的优点。近年来，国际上变频调速传动装置以每年13%16%的增长率发展，并有逐步取代大部分直流调速传动装置的趋势。由于以恒频、恒压电源进行工作的普通异步电机应用于变频调速系统时，存在着很大的局限性，国外发展了根据使用场合和使用要求而设计的专用变频交流电动机。例如，有低噪声、低振动用的电机，有提高低速转矩特性的电机，有高速电机，有带测速发电机的电机及矢量控制电机等。在交流变频电动机的推广应用过程中，曾出现大批交流变频调速电动机绝缘早期损坏的情况。许多交流变频电机运行的寿命只有 12 年，有的只有几个星期，甚至在试运行中电机绝缘就出现损坏。电机绝缘结构破坏一般是由于老化引起绝缘失效。(1)热老化。以电缆、导线为例，随着温度升高，绝缘体变软，其抗剪强度就会丧失。在高温下如果被其他物体挤压，则绝缘体有可能会发生塑变甚至使导体外露最终酿成短路;当温度超过绝缘体的额定值时，将导致绝缘退化(寿命缩短)，还可能造成塑变或炭化，引起过度退化;因过热而老化并硬化的绝缘体如受到弯曲，就有可能出现裂纹。若温度低于绝缘体的额定值，如果冷导线或电缆受到剧烈弯曲或冲击时，绝缘体也会破裂。(2)电气老化。当绝缘材料承受高压电场时，绝缘材料的表面或内部空隙会发生放电。屡次放电所产生的离子电弧和离子运动将严重侵蚀绝缘材料，使其绝缘性能下降。(3)环境因素引起的老化。电机周围有灰尘、腐蚀性气体、水分、附着的油类和放射线等，使其加速老化。由于杂质离子的存在更容易产生离子电流和发生离子碰撞，因此一般的电线等导体表面会加防护套或涂防护漆，一方面起绝缘作用，另一方面可以保护导体不受周围灰尘、气体的侵蚀。(4)机械老化。受起动运行停车或负荷变动所造成的交变负荷和交变冲击的影响，绝缘材料与导电体之间因温差及膨胀系数差而产生的反复应力与变形，会使绝缘性能下降。另外，受电磁力、离心力、振动和重力的作用，绝缘劣化也会加速，这方面尤以转子绕组更明显。因此，为防止固体电介质绝缘失效，应避免电介质受到振动、冲击、压力和其他环境因素所产生的应力，防止固体电介质变形、移位;应使固体电介质远离酸、碱等腐蚀性很强的液体，或免受强烈射线的照射;电介质所处环境温度不能过高，这就要求电气设备超负荷工作时间不能过长。此外，应尽量避免在不均匀电场使用固体电介质，防止固体电介质的电击穿。在选择绝缘材料时也应有所侧重，比如聚合物绝缘体在高温环境下趋向于加速退化，而热固性塑料绝缘材料如酚醛塑料比 ABS、聚碳酸脂、聚丙烯或乙缩醛树脂等工作性能好。(5)气体电介质的预防。对于某些电气设备内部需要真空介质的情况，必须确保设备的严格密封，保持其真空度;保持电介质工作环境无污染、无粉尘等颗粒性物质。湿气和污物积聚会形成腐蚀性物质，损害电容器和其他电子元器件。即使是在标准湿度的大气条件下，湿气也很可能围绕污物积聚起来。如果不工作时设备还要承受潮湿侵蚀，必须有充分的防湿措施(如涂层)来加以保护。绝缘结构的性能取决于绝缘材料之间的相互作用，合适的组合可有效改善绝缘结构的耐热性能，绝缘结构只有具备和电机温升相应的温度指数，才能提高电机的安全运行寿命，反之，则会严重影响电机的绝缘性能，留下安全隐患。欧美先进国家，在电机设计、生产的过程中，首先做的工作，就是对选用的绝缘结构进行耐热性评定，评定合格的绝缘结构才能用于电机的生产，在电机批量生产过程中对绝缘结构的组分还有一套严格的控制程序。在我国，除少部分规模较大的电机企业外，大部分企业对绝缘结构未经评定就用于生产，而变频电机绝缘结构还没有企业进行测试，其产品安全性存在很大的隐患。对于传统电动机，其绝缘结构应根据 GB/T 17948.1 或 GB/T 17948.2 进行温度指数或相容性测试。变频电机绝缘结构根据 GB/T 22720.1 进行鉴定，证明结构具备相应的温度指数和高局放性能，有效控制绝缘结构的质量。3 绝缘材料及绝缘结构基准体系 长期以来，绝缘结构的耐热性评定与考核代表了国际电机安全认证的最高水准，具有 100 多年历史的美国保险商实验室(Underwriter Laboratories Inc.，UL)绝缘结构认证就是很好的证明。UL 安全试验所是美国最有权威的，也是世界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构。它是一个独立的、非营利的、为公共安全做试验的专业机构。它采用科学的测试方法来研究确定各种材料、装置、产品、设备、建筑等对生命、财产有无危害和危害的程度;确定、编写、发行相应的标准和有助于减少及防止造成生命财产受到损失的资料，同时开展实情调研业务。UL 针对绝缘结构的判断标准为 UL1446绝缘材料系统总则(Systems of Insulating Materials-General)，其中对于电机绝缘结构的老化评定及组分的替代规则，都有严格的控制和测试方法。绝缘系统的每个温度等级都要经过标准 UL1446 要求的热老化等来严格测试而确定。测试并非仅对单个材料的性能考虑，还要充分兼顾到整个系统材料的兼容性或相匹配性。因此，系统里会逐一把测试或评估合格的多种类及多规格的材料添加进去，系统也由此建立起来。但 UL 对于绝缘结构的研究主要着重于其热老化性能，目前依据的标准只有 UL1446。但对于变频电机和核电用电机等新能源领域的产品，仅仅依据UL1446 是不能鉴定电机绝缘结构的。UL 目前也只具备传统工频供电下的电机绝缘结构鉴定能力，缺乏对于新型电机绝缘结构的测试基础。在国内，除部分规模较大的电机生产企业外，大部分企业对绝缘材料未经筛选及绝缘结构未经评定就用于生产，其产品安全性存在很大的隐患。目前为止，GB/T 17948 体系未强制执行，符合中国国情的电机绝缘结构认证体系尚未建立，没有经过试验证明的、成熟的材料基准数据库和绝缘结构基准数据库。这使得普通电机生产企业在设计绝缘结构时，无法根据自身生产的需要，选择具有合适的绝缘结构进行参考，无法遴选具有合适温度指数和其他性能的绝缘材料。近期，中国质量认证中心(CQC)通过了电机用绝缘结构性能认证规则(以下简称为认证规则)。认证规则对于三种不同类型的绝缘结构(已被运行经验证明的绝缘结构、按相关标准评定过的绝缘结构、未被运行经验证明且未按相关标准评定过的绝缘结构)如何根据 GB/T 17948 体系及其他相关国际标准进行绝缘结构评定，做出了详细规定，使得国内电机用绝缘结构的性能认证有章可循。根据国标 GB/T 179482003旋转电机绝缘结构功能性评定总则，已被运行经验证明的绝缘结构是指稳定运行时间不少于10 年的绝缘结构。认证规则中规定，申请此类绝缘结构的自愿认证，申请人需要提供以下资料:包含主要组分绝缘材料(电磁线、相间绝缘和对地绝缘及浸渍漆)的型号、温度等级、电性能、机械性能的认证证书或权威第三方报告，以及该绝缘结构稳定运行 10 年以上的相关证明资料。如果无法提供主要组分材料的性能，则进行随机试验;如果绝缘材料通过随机试验，则认可其各项性能。同时，绝缘结构中的所有组分材料应送样至检测机构，用于样品封存和一致性控制。一致性控制要求分别对绝缘结构主要组分材料进行红外光谱图备份，作为以后绝缘结构组分材料变更或证书有效期满重新申请认证时进行一致性核验的依据。在满足一致性控制要求后，如主要组分绝缘材料性能资料和运行资料通过相关机构的审核，该结构即可获得认证证书。如果申请人的绝缘结构按 GB/T 17948.12000旋转电机绝缘结构功能性评定 散绕绕组试验规程热评定与分级标准(或国际上相关标准如 IEC 60034-18-1、IEC61858、UL1004、UL2111 等)评定合格，只需提供权威第三方机构出具的绝缘结构评定试验报告或相关绝缘结构认证证书，即可进行自愿认证。在满足一致性控制要求后，如绝缘结构评定试验报告或认证证书通过相关机构的审核，该结构即可获得认证证书。这样就避免了某些企业在国内外相关检测机构进行绝缘结构认证后，为了进行 CQC 的绝缘结构认证而进行重复试验，为企业快速通过认证提供了方便。对于未被运行经验证明且未按相关标准评定过的绝缘结构，申请人应先将绝缘结构提供给检测机构。检测机构将会将该绝缘结构与绝缘结构基准数据库中的基准结构进行比对，如果部分组分材料相同，可根据 GB/T 17948.22006旋转电机绝缘结构功能性评定散绕绕组试验规程变更和绝缘组分替代的分级中的条款进行组分替代，依据标准选择下列四种不同的规程之一进行试验:(1)根据资料判定属性相同，接受替代，无需试验;(2)密封管相容性试验;(3)单点温度试验;(4)三点温度试验。属性相同的定义为化学相同和物理相同，由红外光谱为基础，补充热重分析、DTA 和原子吸收分析进行判断。密封管试验规程详见 GB/T 17948.22006旋转电机绝缘结构功能性评定散绕绕组试验规程变更和绝缘组分替代的分级第 7 章。单点温度试验规程详见 GB/T 17948.12000旋转电机绝缘结构功能性评定 散绕绕组试验规程热评定与分级中的单点温度规程。三点温度试验规程详见 GB/T 17948.12000旋转电机绝缘结构功能性评定散绕绕组试验规程热评定与分级中的三点温度规程。通过标准规定的规程，即可获得认证。如果该绝缘结构与绝缘结构基准数据库中的基准结构对比，无法进行替代试验，则根据 GB/T 17948.12000 进行完整的三点温度试验。通过相关评定，即可获得认证证书。单点温度试验和三点温度试验，试验周期较长，分别为60 和 300 个工作日，但老化时间越长，越接近电机的实际老化情况。同时，在单点温度试验和三点温度试验的诊断周期中，进行了机械试验、潮湿试验和耐电压试验，对于影响电机绝缘结构的重要因素:热老化、电气老化、环境老化、机械老化，都加入了诊断程序，能够模拟电机的实际运行状况，从而提供电机绝缘结构老化的详细资料，促进绝缘结构和绝缘材料的发展。绝缘结构在通过评定之后，则可进入基准数据库，成为基准绝缘结构。随着数据库的逐步建立壮大，将会为未来的企业进行绝缘结构认证简化试验程序，为企业选择绝缘结构提供便利，促进电机行业的发展。同时，按照此认证规则对绝缘结构进行认证时，大量的绝缘材料同时也进行了试验或者认证，使得未来的材料基准数据库和绝缘结构基准数据库可以同时建立起来。相比 UL 认证，认证规则中对于整体绝缘结构的评定进行了详细的规定，填补了 GB 147112006中小型旋转电机安全要求中 7.10 条款和 GB 123502009小功率电动机的安全要求中第 12 章的认证空白，为推动我国电机 3C 认证工作做出了贡献。对于变频电机，因为其绝缘结构的特殊性要求，认证规则根据 GB/T 217072008、GB/T 22720.12008 等相关标准，规定了相应的不同于普通电机绝缘结构的试验要求，相比 UL 认证，在变频电机绝缘结构的测试认证方面领先一步。使用通过自愿认证的绝缘结构的电机在认证证书有效期的4 年内可以使用由 CQC准许的标志，该标志可以施加于电机本体明显位置(或说明书/包装)上，代表电机的绝缘结构经过了国内目前最新的绝缘结构 CQC 认证，表现了电机优异的绝缘耐老化性能。4 结语 综上所述，绝缘材料因为使用环境复杂，老化因素众多等原因，其性能和产品安全性往往存在很大的隐患。电机绝缘结构和绝缘材料必须证明它们相应的温度指数和其他相关性能，才能保证电机的使用寿命。只有把相关的标准技术贯彻到底，才能改变电机绝缘质量的现状，使我国的电机更为可靠、安全，真正做到安全、节能、高效。为了促进我国电机行业健康快速发展，以认证带动电机绝缘结构和绝缘材料技术的进步，建立我国具有自主知识产权的材料基准数据库和绝缘结构基准数据库意义重大。【参考文献】【相关文献】1CQC 26-4613122010，电机用绝缘结构认证规则S.2010.2GB/T 179482003，旋转电机绝缘结构功能性评定总则S.2003.3GB/T 17948.12000，旋转电机绝缘结构功能性评定散绕绕组试验规程热评定与分级S.2000.4GB/T 17948.22006，旋转电机绝缘结构功能性评定散绕绕组试验规程变更和绝缘组分替代的分级S.2006.