绝缘材料的发展及 在低压电器中的应用.ppt
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1、1,绝缘材料的发展及在低压电器中的应用,中国机械工业集团桂林电器科学研究所 马林泉,2,绝缘材料的发展及在低压电器中的应用,目录1 前言.41.1何谓绝缘材料 41.2绝缘材料的分类.51.3绝缘材料的耐热等级或温度指数.81.4绝缘材料的主要用途.9 2 绝缘材料的发展简史.102.1天然材料的利用.102.2天然材料的改性和合成树脂的出.112.3绝缘材料蓬勃发展的时期.132.4新型绝缘材料的确立和普及.142.5耐热绝缘材料迅速发展.152.6绝缘材料的改性时代.162.7我国绝缘材料的发展简况.17,3,3 绝缘材料在我国低压电器中的应用 193.1低压电器用电工绝缘材料的类型 19
2、3.2低压电器用电工绝缘材料的性能特点.243.3 低压电器用电工绝缘塑料的主要品种及需求253.4 RoHS指令限用的6种有害物质在电工绝缘塑料中的使用情况 333.5 国内电工塑料生产厂家总体情况35 4 国外低压电器使用电工绝缘材料的总体情况.365 我国现行电工绝缘材料标准及检测技术.385.1现行电工绝缘材料标准.385.2 石化行业管理的现行相关塑料产品标准495.3 建材、轻工等行业管理的现行相关塑料产品标准505.4正在制修订的标准 515.5存在的问题.586 六种有害物质国内外检测技术现状.596.1 国内检测技术现状 0 6.2 国外通行的检测技术 67 我国电工绝缘材料
3、的发展方向 65,4,1 前言,1.1 何谓绝缘材料 这里所说的绝缘材料是指电工绝缘材料。依据国家标准GB/T 2900.52002电工术语 绝缘固体、液体和气体的规定,绝缘材料的定义是:“用于防止导电元件之间导电的材料”。绝缘材料的电阻率很高,通常在1061017m的范围内。1.2 绝缘材料的分类绝缘材料按其形态可分为:气体、液体、固体三类,典型的气体绝缘材料是高压断路器中的SF6,典型的液体绝缘材料则是电容器油、变压器油,而常见的固体绝缘材料则是电工模塑料。绝缘材料按其化学性质又可分为:无机绝缘材料、有机绝缘材料和混合绝缘材料三类。常用的无机绝缘材料有:云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃等,它
4、们主要用作电机、电器的绕组绝缘、开关的底板和绝缘子等;有机绝缘材料有:虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、麻、人造丝等,它们大多用以制造绝缘漆、绕组导线的被覆绝缘物等;混合绝缘材料是由以上两种材料经过加工制成的各种成型绝缘材料如模塑料、层压板等,它们用以制作电器的底座、外壳、隔板等。不过业内通行的分类方法是按标准JBT21971996电气绝缘材料分类、命名及型号编制方法将绝缘材料分为:漆、可聚合树脂和胶类,树脂浸渍纤维制品类,层压制品、卷绕制品、真空压力浸胶和引拨制品类,模塑料类,云母制品类,薄膜、粘带和柔软复合材料类,纤维制品类,绝缘液体类共八大类。众所周知,塑料、合成橡胶、合成纤维是当今世界被广泛
5、应用的三大合成材料。而三大合成材料在数量上和应用的广泛性上均以塑料居首,它和钢铁、木材、水泥构成现代社会中四大基础材料,是建筑、电力、电讯、电器、能源、交通运输、农业、医疗卫生、宇航、信息、国防等行业不可缺少的材料。这里说的“塑料”,是指以树脂(或在加工过程中用单体直接聚合)为主要成分,以增塑剂、填充剂、润滑剂,着色剂等添加剂为辅助成分,经混合加工而成为某种形状的、在再加工过程中能流动成型的复合材料。而所谓“树脂”,通常是指受热后可软化或熔融,软化时在外力作用下有流动倾向,常温下是固态、半固态,有时也可以是液态的纯有机聚合物。从广义上说,可以作为塑料制品加工原料的任何聚合物都称为“树脂”。至于
6、“电工塑料”,从广义上说,是指在电气电子工程中应用的电绝缘塑料、导电塑料、(压)热电塑料和磁性塑料四大类塑料,但从某种意义上说,往往仅指电绝缘塑料,因为电绝缘塑料的用量占据电工塑料总量的80%以上。本文提及的电工塑料也是指电绝缘塑料。,5,1.2绝缘材料的分类,6,7,按标准JBT21971996电气绝缘材料分类、命名及型号编制方法将绝缘材料分为八大类:,漆、可聚合树脂和胶类:如无溶剂浸渍漆、灌注胶等树脂浸渍纤维制品类:如漆布、套管等层压制品、卷绕制品、真空压力浸胶和引拨制品类:如层压板、层压管、层压棒、引拨槽楔等模塑料类:酚醛塑料、氨基塑料、DMC/SMC模塑料等云母制品类:云母板、云母带、
7、云母箔等薄膜、粘带和柔软复合材料类:如BOPP膜、PVC胶粘带、青壳纸等纤维制品类:如玻璃纤维编织带、聚酯纤维机织带等绝缘液体类:如变压器油、电容器油等,8,1.3绝缘材料的耐热等级或温度指数,绝缘材料的性能与温度有密切的关系。温度越高,绝缘材料的性能越差。为保证绝缘性能,每种绝缘材料都规定有一个最高允许工作温度,在此温度以下,绝缘材料可以长期安全地使用。这个温度就是人们常说的耐热等级或温度指数。按照耐热等级,通常把绝缘材料分为Y、A、E、B、F、H、200、220等级别。Y级绝缘材料的最高允许工作温度为90、A级为105、E级为120、B级为130、F级为155、H级为180、200 以上每
8、隔20 为一级。,9,1.4绝缘材料的主要用途,绝缘材料的主要用途是将带电的部分与不带电的部分或带不同电位的部分相互隔离开来,使电流能够按人们指定的路线流动。因此绝缘材料首先应具有较高的绝缘电阻和介电强度,并能避免发生漏电、击穿等事故。其次耐热性能要好,避免因长期过热而较快老化变质;此外,还应有良好的导热性、耐潮防霉性和较高的机械强度以及工艺加工方便等特点。在电工产品中,绝缘材料是一种必不可少的材料,例如一台300MW汽轮发电机就需绝缘漆10t、云母制品8t、层压板5t、漆布和薄膜约1t;一台3200kVA的变压器所需绝缘材料占其总质量的34;一台10kV的高压断路器所需绝缘材料占其总量的18
9、;至于低压电器,其外壳及部分构件大多是由各类电工塑料制成的,因此可以说绝缘材料是其用得最多的材料。据有关资料介绍,我国发电设备装机容量及与之配套的电工设备的绝缘材料消耗定额平均为65t10MW,由此可见绝缘材料在电工设备中的用量是很大的。,10,2 绝缘材料的发展简史,2.1天然材料的利用 在二十世纪以前,绝缘材料几乎都是来自天然材料或其制成品,在很大程度上,电气工作者只能采用不是专为电工行业制造的材料,例如棉布、绸、纸、麻、木材、沥青、云母片、腊、植物油和矿物油等。,11,2.2天然材料的改性和合成树脂的出现从二十世纪初至二十世纪二十年代末的2030年间,为解决天然材料存在的问题,对天然绝缘
10、材料进行了广泛的改性并导致合成树脂及以其为基的绝缘材料的出现,下面以绝缘油的改性和酚醛树脂等的发展为例说明。据文献报道,最早的绝缘油是松脂油,这种油作电缆油时介质损耗太高,作变压器油时倾向于发粘,所以,在变压器场合,它很快就被第一代的未精制的矿物油取代,可是,未精制的矿物油中含有萘酸,会引起油中水乳化,使变压器油中的水份难于驱除干净,后来采用苛性钠或粘土对这种油进行蒸馏处理,除去其中的萘酸,发展了中性油。但这种中性油中含有大量的挥发组份,许多变压器因此而发生火灾,于是,本世纪初制定了第一个变压器油标准。对绝缘油的这种改性的努力,一直持续到1925年现代矿物油的出现。在酚醛树脂出现以前,当时使用
11、的树脂主要是虫胶、醋酸纡维素和某些干性油。这些树脂作浸渍漆和漆包线漆,性能低,满足不了发展着的电工要求,为此,要求寻找性能更好的树脂。在1907年,美国化学家贝克茉德在前人的基础上,试制成功第一个工业合成树脂,即酚醛树脂,这种树脂具有较好的电性能和较高的耐热性,而且便于大批量生产。于是,这种材料很快就在电工中应用开来,在19091911年期间,先后制成了以其为基的浸渍漆、压塑料、浸渍纤维制品和层压制品等。但酚醛树脂有二个不利因素限制其在绝缘,12,材料中发展成为更票要的材料,一是酚醛树脂对表面漏电敏感,二是酚醛树 的介质损耗太大。为解决这些问题,导致在20年代后期发展了脲醛树脂、苯胺树脂和醇酸
12、树脂等。脲醛树脂和苯胺树脂比酚醛树脂具有较高的机械性能、较低的吸水率和介质损耗,成功地用作压塑料。醇酸树脂具有良好的可挠性,以其为基发展了相应的浸渍漆、纤维制品和云母制品等,广泛用于电机绝缘。在这一时期,随着电工制造规模扩大,对绝缘材料的需求量增加,为适应这种生产发展情况,出现了绝缘材料专业制造厂,例如德国 Dr.Beck Co(1904年),瑞士Micafil AG.(1905年),意大利Montie Martini Co.(1908年),英国MicaInsulator Co.(1910年),一些电气公司例如美国 Westinghouse Electric Corp.和General Ele
13、ctric Co.等也建立了绝缘材料制造车间,生产主要供本公司使用的绝缘树料,初步改变了过去从非专为电工用的产品中寻找价格低的合适材料的状态。不过,这个时期从产品品种到用量,仍然是天然材料及其制品占优势,合成材料还仅初露头角。,13,2.3绝缘材料蓬勃发展的时期从二十世纪三十年代起,绝缘材料开始蓬勃发展,特别是以加成聚合物为中心的合成树脂得到迅速发展,在二十世纪三十年代研究成功的树脂有:缩醛树脂(1930年),氯丁橡胶、聚氯乙烯(1931年),聚丁烯(1932年),丁苯橡胶(1933年),增塑聚氯乙烯(1933年),聚酰胺(1936年),三聚氰胺(1937年),低密度聚乙烯1938年。并于19
14、38年发蚬了聚四氟乙烯。几乎每年都有新的合成树脂出现或投入工业生产,其中一些树脂对当时及以后绝缘材料和电工技术的发展起了重要的作用。在这一时期,纤维及其制品也获得显著发展,1930年美国一公司研究成功玻璃纤维及其编织带。1931年英国一公司制成纸压制件。1938年美国通用电气公司研究成功氰乙基化纸,同年美国杜邦公司制成聚酰胺纤维。约在1940年左右,有机硅树脂合成成动,并于1943年开始工业生产,随之发展了一系列以其为基的H级绝缘材料。除有机硅树脂外,几种量大面广的电工用树脂也是在这一时期发展起来的,例如1942年不饱和聚酯,1946年环氧树脂。粉云母纸也是在这一时期研制成功(1945年)和开
15、始工业生产(1949年)的。特别是粉云母纸的出现,是近代绝缘材料发展史中的一次重大革命,它使人们可以摆脱片云母资源稀缺的困扰。,14,2.4新型绝缘材料的确立和普及进入二十世纪五十年代,向以合成树脂为基的新型绝缘材料过渡已趋明朗化,大多数绝缘漆是以合成树脂为基的,虫胶已大部分被合成树脂取代,H级有机硅玻璃云母制品开始在电机中使用,玻璃纤维以各种形式供应,聚烯烃和合成橡胶广泛用于电缆和某些特殊场合,聚酯玻璃增强塑料进人工程塑料市场。但是,以合成树脂为基的新型绝缘材料,真正开始迅速应用还是在二十世纪五十年代,其突出表现在如下几方面:1950年无溶剂聚酯漆用于高压电机;50年代初薄膜及柔软复合材料用
16、作槽绝缘;50年代SF6用于高压电器;1954年粉云母开始用作大型高压电机定子绝缘。在这一时期,对聚合物的各种电性能进行了广泛的研究。,15,2.5耐热绝缘材料迅速发展在二十世纪六十年代,除上述新型绝缘材料继续发展外,以美国发展宇航技术为转机,发展了一系列含杂环和芳环的耐热树脂,如:1961年聚酰亚胺(薄膜、漆包线、层手板)、聚苯并咪唑(层压板),1962年聚芳酰胺(纸、纤维)、聚二苯醚(漆、层压板),1964年聚苯醚(塑料),1965年聚砜(薄膜、塑料、印刷电路板)、1967年 聚芳砜(薄膜、塑料、印刷电路板),1968年聚苯硫醚(塑料)1969年 聚酚醚(塑料、层压板)、聚海因(漆包线、薄
17、膜)等。这些树脂的耐热等级均为H级或更高,随着它们的出现,以其为基的耐热绝缘材料一时纷纷出现,括弧中为该种树脂在电工中的主要用途。到二十世纪六十年代中后期,绝缘材料科学技术发展进人了一个高峰期,各国大型高压电机均已转为采用环氧云母绝缘。低压通用电机普遍采用薄膜和合成纸。高压电器中,SF6气体绝缘和浇注绝缘迅速发展。聚丙稀薄膜成功地用于电力电容器。热固性注射塑料和各种塑料在低压电器中广泛推广使用,绝缘材料科学技术达到空前的高度发展,故六十年代有绝缘材料发展史上的高峰期之称。,16,2.6绝缘材料的改性时代进入二十世纪七十年代以来,世界各国开始面临着环保、安全和能源等新问题,在这种形势下,绝缘材料
18、工业开始由品种的发展时代逐渐转到品质的时代。也就是说,以新树脂为基的新产品的开发研究逐渐减少,更多的是对现有材料进行改性,其突出表现在如下几方面:发展低损耗高强度的高压绝缘;发展减本低、加工性好的耐热绝缘材料;发展无公害的绝缘材料;发展节能的绝缘材料;发展阻燃的绝缘材料。,17,2.7我国绝缘材料的发展简况我国绝缘材料行业经过50多年的发展,己初步形成一个产品比较齐全,配套比较完备,具有相当生产规模和科研实力的工业体系。特别是近20多年来,绝缘材料的品种发展迅速,质量有很大提高,产品水平已达到一个新的高度。从专业方面看,电气工业共有36个专业,绝缘材料专业属于电工材料类,是电气工业中的一个小专
19、业,是一门解放后才建立起来的边缘学科。专业虽小,但它关系到国家命脉电,进而影响国家的发展水平。解放前,绝缘材料工业只有几个小作坊,生产一些用于维修的绝缘漆、漆布、酚醛压塑料等低水平的绝缘材料。全国解放后,于1956年7月1日批准成立为哈尔滨绝缘材料厂,这是中国第一个国营的部属企业。1954年国家批准建设西安绝缘材料厂,1960年验收投产,这是国家第二个部属企业。1968年在绵阳建立了东方绝缘材料厂,1971年10月国家验收投产,这是国家第三个部属企业。发展至今,根据行业调查,全国绝缘材料生产企业约400家,分布于全国25个省、市、自治区。从绝缘材料本身的构成及品种发展方面看,我国绝缘材料也是经
20、历从无到有、从量到质的发展过程。20世纪60年代以前,电工产品仍以A级、E级为主,B级产品、H级产品仅占很少部分。进人20世纪70年代,聚合物工业在进一步向大 型工业化发展的同时,绝缘材料工业开始出现了新的F级、H级绝缘材料体系,,18,相继开发了聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酯亚贱、聚马来酰亚胺、聚二苯醚等耐热性绝缘漆、粘合剂和薄膜,以及改性环氧、不饱和聚酯、聚芳酰胺纤维纸及其复合材料等系列新产品。大批电工产品的耐热等级上升为B级,在冶金、吊车、机车电机等特殊电机中开始采用新的F级、H级绝缘材料。进人20世纪80年代后,对F级、H级绝缘材料进行了大规模的自主开发,出现了改性二苯醚,改性双马来酰亚
21、胺,改性柔酯亚胺漆包线漆,聚酰胺酰亚胺漆包线漆,聚酰亚胺漆包线漆,F级、H级玻璃纤维制品,高性能聚酰亚胺薄膜,F级环氧粉云母带等。无溶剂浸渍树脂和快干浸渍漆得到迅速发展。少胶粉云母带、VPI(真空压力浸渍)浸渍树脂开始应用。为进一步提高绝缘材料行业的技术水平,80年代开始引进国外先进制造技术和设备,对提高我圄绝缘材料整体水平起到了重要作用。改革开放以来的20多年时间里,对新型绝缘材料产品进行了开发及引进,取得了令人瞩目的成就。与20多年前比较,增加了200多个品种,年产量是20多年前的4倍。开发及引进的许多品种已成为正常生产的品种,在电工行业发挥着中流砥柱的作用。目前从高压绝缘到低压绝缘,从发
22、电设备、输电、变电配电设备到用电设备绝缘,从A级绝缘到200级绝缘,基本上可以满足国内的需求,形成了产品众多、门类齐全、符合中国国情的绝缘材料产品体系,并有80多个品种出口到20多个国家和地区,包括美国和欧洲、日本、澳大利亚、韩国等。有资料显示,我国已成为世界绝缘材料生产第一大国。,19,3 绝缘材料在我国低压电器中的应用,3.1低压电器用电工绝缘材料的类型如上所述,绝缘材料是电工产品中必不可少的材料,同时也是电工产品长期安全可靠运行的重要保证。就低压电器而言,其外壳及部分构件大多是由电工绝缘材料制成的,因此可以说绝缘材料是低压电器中用得最多的一种材料。据不完全统计,低压电器中用的电工绝缘材料
23、大致有:漆、可聚合树脂和胶类,树脂浸渍纤维制品类,层压制品类,模塑料类,薄膜、粘带和柔软复合材料类等大类。但无论是品种还是数量,用得最多的是电工绝缘模塑料。为便于了解低压电器中应用绝缘材料的大致情况,现剖析以下二种低压电器典型产品使用绝缘材料的详细情况:1)塑壳断路器塑壳断路器产品是为发电设备、配电设备、电气传动、自动控制设备等配套的产品,能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流,也能在规定的非正常电路条件(例如短路)下接通、承载和分断一定时间电流的一种机械开关电器,是低压配电系统中功能最为重要的基础电器元件。塑壳断路器,顾名思义,其外壳和底座是由塑料制成的。塑壳断路器对电工塑料的需求很大,涉
24、及的品种很多,我们对行业中正在研发的SA系列塑壳断路器产品进行解体分析,发现绝缘材料件多达40余个,品种多达20余种。详细的SA系列塑壳断路器产品采用绝缘材料的部位和品种见表1。,20,表1 SA系列塑壳断路器产品采用绝缘材料的部位和品种,21,续表1,22,2)CJ40交流接触器交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断交流主回路及大容量控制电路的电器,常用于电动机的启动、停止、反转、调速,也可用于其他各种配电控制回路。该产品是低压电器产品的主要产品之一,目前年产量在4000万台以上。交流接触器与塑壳断路器产品类似,外壳底座等也都是塑料制成的。其对电工塑料的需求也很大,过去的老产品使用的材
25、料都为酚醛塑料(俗称电木粉),现在已普遍采用玻璃纤维增强的聚酰胺塑料(即增强尼龙)。我们对2000年后研发的CJ40系列塑壳断路器产品进行解体分析,统计得出绝缘材料料件高达近40个,品种近10种。详细的CJ40系列交流接触器产品采用绝缘材料(不含橡胶)的部位和品种见表2。除了以上两种产品外,其他低压电器产品中都大量使用不同种类、不同牌号的电工塑料,如产量相当大的小型断路器就广泛使用聚酰胺PA66通用工程塑料作为外壳材料等,这里不一一列举了。,23,表2 CJ40系列交流接触器产品采用绝缘材料的部位和品种,24,3.2低压电器用电工绝缘材料的性能特点低压电器工业是电气工业的重要组成部分。在发配电
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