【正文】 1 絕緣材料的發(fā)展及 在低壓電器中的應(yīng)用 中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)桂林電器科學(xué)研究所 馬林泉 2 絕緣材料的發(fā)展及在低壓電器中的應(yīng)用 目錄 1 前言 ………………………………………………………………………… .4 ……………………………………………………………… 4 ………………………………………………………… ..5 …………………………………… .… .8 …………………………………………………… ..9 2 絕緣材料的發(fā)展簡(jiǎn)史 …………………………………………………… ..10 …………………………………………………… .... 10 ..................................................… .11 ……………………………………… ..…… .13 ………………………………………… ...14 ……………………………………………… .15 ………………… . …………………………… 16 …………………… . ……………………… .17 3 3 絕緣材料在我國(guó)低壓電器中的應(yīng)用 ………………………………………… 19 …………………………………………… 19 ………………………………… .… . 24 低壓電器用電工絕緣塑料的主要品種及需求 ……………………………… 25 RoHS指令限用的 6種有害物質(zhì)在電工絕緣塑料中的使用情況 ………… 33 國(guó)內(nèi)電工塑料生產(chǎn)廠家總體情況 …………………………………………… 35 4 國(guó)外低壓電器使用電工絕緣材料的總體情況 ……………………………… . 36 5 我國(guó)現(xiàn)行電工絕緣材料標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)技術(shù) ……………………………………... 38 …………………..........................................…… 38 石化行業(yè)管理的現(xiàn)行相關(guān)塑料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) …………………………………… 49 建材、輕工等行業(yè)管理的現(xiàn)行相關(guān)塑料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) ………………………… 50 …………………………………………………………… 51 ………………………………………………………………… . 58 6 六種有害物質(zhì)國(guó)內(nèi)外檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀 ………………………………………... 59 國(guó)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀 …………………………… ………… … …………… ６ 0 國(guó)外通行的檢測(cè)技術(shù) ……… ………… … …………………………… 6４ 7 我國(guó)電工絕緣材料的發(fā)展方向 ……… ………… … ………… … … … 65 4 1 前言 何謂絕緣材料 這里 所 說(shuō)的絕緣材料是指電工絕緣材料。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T － 2021《 電工術(shù)語(yǔ) 絕緣固體、液體和氣體 》 的規(guī)定， 絕緣材料的定義是 ： “ 用于防止導(dǎo)電元件之間導(dǎo)電的材料 ” 。 絕緣材料的電阻率很高，通常在 106～ 1017Ω m的范圍內(nèi)。 絕緣材料的分類(lèi) 絕緣材料按其形態(tài)可分為：氣體 、 液體 、 固體三類(lèi) ， 典型的氣體絕緣材料是高壓斷路器中的 SF6， 典型的液體絕緣材料則是電容器油 、 變壓器油 ， 而常見(jiàn)的固體絕緣材料則是電工模塑料 。 絕緣材料 按其化學(xué)性質(zhì)又可分為：無(wú)機(jī)絕緣材料 、 有機(jī)絕緣材料和混合絕緣材料 三類(lèi) 。 常用的無(wú)機(jī)絕緣材料有：云母 、 石棉 、 大理石 、 瓷器 、玻璃等 ， 它們主要用作電機(jī) 、 電器的繞組絕緣 、 開(kāi)關(guān)的底板和絕緣子等；有機(jī)絕緣材料有：蟲(chóng)膠 、 樹(shù)脂 、 橡膠 、 棉紗 、 紙 、 麻 、 人造絲等 ， 它們大多用以制造絕緣漆 、 繞組導(dǎo)線的被覆絕緣物等；混合絕緣材料是由以上兩種材料經(jīng)過(guò)加工制成的各種成型絕緣材料如模塑料 、 層壓板等 ， 它們用以制作電器的底座 、 外殼 、 隔板等 。 不過(guò)業(yè)內(nèi)通行的分類(lèi)方法是按標(biāo)準(zhǔn) JB／ T2197－ 1996《 電氣絕緣材料分類(lèi) 、 命名及型號(hào)編制方法 》 將絕緣材料分為：漆 、 可聚合樹(shù)脂和膠類(lèi) ，樹(shù)脂浸漬纖維制品類(lèi) ， 層壓制品 、 卷繞制品 、 真空壓力浸膠和引撥制品類(lèi) ， 模塑料類(lèi) ， 云母制品類(lèi) ， 薄膜 、 粘帶和柔軟復(fù)合材料類(lèi) ， 纖維制品類(lèi) ， 絕緣液體類(lèi)共八大類(lèi) 。 眾所周知， 塑料、合成橡膠、合成纖維 是當(dāng)今世界被廣泛應(yīng)用的三大合成材料 。而三大合成材料在數(shù)量上和應(yīng)用的廣泛性上均以塑料居首， 它和鋼鐵、木材、水泥構(gòu)成現(xiàn)代社會(huì)中四大基礎(chǔ)材料 ，是建筑、電力、電訊、電器、能源、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、宇航、信息、國(guó)防等行業(yè)不可缺少的材料。 這里說(shuō)的 “塑料 ”，是指以樹(shù)脂（或在加工過(guò)程中用單體直接聚合）為主要成分，以增塑劑、填充劑、潤(rùn)滑劑，著色劑等添加劑為輔助成分，經(jīng)混合加工而成為某種形狀的、在再加工過(guò)程中能流動(dòng)成型的復(fù)合材料。而所謂 “樹(shù)脂” ，通常是指受熱后可軟化或熔融，軟化時(shí)在外力作用下有流動(dòng)傾向，常溫下是固態(tài)、半固態(tài)，有時(shí)也可以是液態(tài)的純有機(jī)聚合物。從廣義上說(shuō)，可以作為塑料制品加工原料的任何聚合物都稱(chēng)為“樹(shù)脂”。至于 “電工塑料” ，從廣義上說(shuō)，是指在電氣電子工程中應(yīng)用的 電絕緣塑料、導(dǎo)電塑料、（壓）熱電塑料和磁性塑料四大類(lèi) 塑料，但從某種意義上說(shuō)，往往 僅指電絕緣塑料 ，因?yàn)殡娊^緣塑料的用量占據(jù)電工塑料總量的 80%以上。本文提及的電工塑料也是指電絕緣塑料。 5 絕緣材料按 其 形態(tài) 分為 氣體 : 如 SF6 液體 : 如電容器油、 變壓器油 固體 : 如電工模塑料 6 絕緣材料按其 化學(xué)性質(zhì) 又可分為 無(wú)機(jī)絕緣材料 : 如云母、石棉、 瓷器、玻璃等 有機(jī)絕緣材料 : 如蟲(chóng)膠、樹(shù)脂、 橡膠、棉紗、紙、 麻、人造絲等 混合絕緣材料 : 如模塑料、 層壓板等 7 按標(biāo)準(zhǔn) JB／ T2197－ 1996《 電氣絕緣材料分類(lèi)、命名及型號(hào)編制方法 》 將絕緣材料分為八大類(lèi) : ? 漆、可聚合樹(shù)脂和膠類(lèi) : 如無(wú)溶劑浸漬漆、灌注膠等 ? 樹(shù)脂浸漬纖維制品類(lèi) : 如漆布、套管等 ? 層壓制品、卷繞制品、真空壓力浸膠和引撥制品類(lèi) :如層壓板、層壓管、層壓棒、引撥槽楔等 ? 模塑料類(lèi) :酚醛塑料、氨基塑料、 DMC/SMC模塑料等 ? 云母制品類(lèi) :云母板、云母帶、云母箔等 ? 薄膜、粘帶和柔軟復(fù)合材料類(lèi) : 如 BOPP膜、 PVC膠粘帶、青殼紙等 ? 纖維制品類(lèi) : 如玻璃纖維編織帶、聚酯纖維機(jī)織帶等 ? 絕緣液體類(lèi) :如變壓器油、電容器油等 8 ? 絕緣材料的性能與溫度有密切的關(guān)系。溫度越高，絕緣材料的性能越差。為保證絕緣性能，每種絕緣材料都規(guī)定有一個(gè)最高允許工作溫度，在此溫度以下，絕緣材料可以長(zhǎng)期安全地使用。這個(gè)溫度就是人們常說(shuō)的 耐熱等級(jí)或溫度指數(shù) 。 ? 按照耐熱等級(jí)，通常把絕緣材料分為 Y、 A、 E、 B、 F、 H、200、 220等級(jí)別。 ? Y級(jí)絕緣材料的最高允許工作溫度為 90℃ 、 A級(jí)為 105 ℃ 、E級(jí)為 120 ℃ 、 B級(jí)為 130℃ 、 F級(jí)為 155 ℃ 、 H級(jí)為 180 ℃ 、 200 ℃ 以上每隔 20 ℃ 為一級(jí)。 9 ? 絕緣材料的主要用途 是將帶電的部分與不帶電的部分或帶不同電位的部分相互隔離開(kāi)來(lái)，使電流能夠按人們指定的路線流動(dòng)。 因此絕緣材料首先應(yīng)具有較高的絕緣電阻和介電強(qiáng)度，并能避免發(fā)生漏電、擊穿等事故。其次耐熱性能要好，避免因長(zhǎng)期過(guò)熱而較快老化變質(zhì)；此外，還應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性、耐潮防霉性和較高的機(jī)械強(qiáng)度以及工藝加工方便等特點(diǎn)。 ? 在電工產(chǎn)品中，絕緣材料是一種必不可少的材料，例如一臺(tái) 300MW汽輪發(fā)電機(jī)就需絕緣漆 10t、云母制品 8t、層壓板 5t、漆布和薄膜約 1t；一臺(tái) 3200kVA的變壓器所需絕緣材料占其總質(zhì)量的 34％；一臺(tái) 10kV的高壓斷路器所需絕緣材料占其總量的 18％；至于低壓電器，其外殼及部分構(gòu)件大多是由各類(lèi)電工塑料制成的，因此可以說(shuō)絕緣材料是其用得最多的材料。據(jù)有關(guān)資料介紹，我國(guó)發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量及與之配套的電工設(shè)備的絕緣材料消耗定額平均為65t／ 10MW，由此可見(jiàn)絕緣材料在電工設(shè)備中的用量是很大的。 10 2 絕緣材料的發(fā)展簡(jiǎn)史 在二十世紀(jì)以前，絕緣材料幾乎都是來(lái)自天然材料或其制成品，在很大程度上，電氣工作者只能采用不是專(zhuān)為電工行業(yè)制造的材料，例如棉布、綢、紙、麻、木材、瀝青、云母片、臘、植物油和礦物油等。 11 ? 從二十世紀(jì)初至二十世紀(jì)二十年代末的 20～ 30年間，為解決天然材料存在的問(wèn)題，對(duì)天然絕緣材料進(jìn)行了廣泛的改性并導(dǎo)致合成樹(shù)脂及以其為基的絕緣材料的出現(xiàn)，下面以絕緣油的改性和酚醛樹(shù)脂等的發(fā)展為例說(shuō)明。 ? 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道， 最早的絕緣油是松脂油 ，這種油作電纜油時(shí)介質(zhì)損耗太高，作變壓器油時(shí)傾向于發(fā)粘，所以，在變壓器場(chǎng)合， 它很快就被第一代的未精制的礦物油取代 ，可是，未精制的礦物油中含有萘酸，會(huì)引起油中水乳化，使變壓器油中的水份難于驅(qū)除干凈，后來(lái)采用苛性鈉或粘土對(duì)這種油進(jìn)行蒸餾處理，除去其中的萘酸， 發(fā)展了中性油 。但這種中性油中含有大量的揮發(fā)組份，許多變壓器因此而發(fā)生火災(zāi)，于是，本世紀(jì)初制定了第一個(gè)變壓器油標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)絕緣油的這種改性的努力，一直持續(xù)到 1925年現(xiàn)代礦物油的出現(xiàn)。 ? 在酚醛樹(shù)脂出現(xiàn)以前，當(dāng)時(shí)使用的樹(shù)脂主要是 蟲(chóng)膠、醋酸紆維素和某些干性油 。這些樹(shù)脂作浸漬漆和漆包線漆，性能低，滿足不了發(fā)展著的電工要求，為此，要求尋找性能更好的樹(shù)脂。 在 1907年，美國(guó)化學(xué)家貝克茉德在前人的基礎(chǔ)上，試制成功第一個(gè)工業(yè)合成樹(shù)脂，即酚醛樹(shù)脂 ，這種樹(shù)脂具有較好的電性能和較高的耐熱性，而且便于大批量生產(chǎn)。于是，這種材料很快就在電工中應(yīng)用開(kāi)來(lái)，在 1909～ 1911年期間，先后制成了以其為基的浸漬漆、壓塑料、浸漬纖維制品和層壓制品等。 但酚醛樹(shù)脂有二個(gè)不利因素限制其在絕緣 12 材料中發(fā)展成為更票要的材料，一是酚醛樹(shù)脂對(duì)表面漏電敏感，二是酚醛樹(shù) 的介質(zhì)損耗太大。為解決這些問(wèn)題，導(dǎo)致在 20年代后期發(fā)展了脲醛樹(shù)脂、苯胺樹(shù)脂和醇酸樹(shù)脂等。 脲醛樹(shù)脂和苯胺樹(shù)脂比酚醛樹(shù)脂具有較高的機(jī)械性能、較低的吸水率和介質(zhì)損耗，成功地用作壓塑料。醇酸樹(shù)脂具有良好的可撓性，以其為基發(fā)展了相應(yīng)的浸漬漆、纖維制品和云母制品等，廣泛用于電機(jī)絕緣。 ? 在這一時(shí)期，隨著電工制造規(guī)模擴(kuò)大，對(duì)絕緣材料的需求量增加，為適應(yīng)這種生產(chǎn)發(fā)展情況， 出現(xiàn)了絕緣材料專(zhuān)業(yè)制造廠 ，例如德國(guó) Co．（ 1904年），瑞士 Micafil AG.（ 1905年），意大利Montie Martini Co.（ 1908年），英國(guó) Mica＆ Insulator Co.（ 1910年），一些電氣公司例如美國(guó) Westinghouse Electric General Electric ，生產(chǎn)主要供本公司使用的絕緣樹(shù)料，初步改變了過(guò)去從非專(zhuān)為電工用的產(chǎn)品中尋找價(jià)格低的合適材料的狀態(tài)。不過(guò)，這個(gè)時(shí)期從產(chǎn)品品種到用量，仍然是天然材料及其制品占優(yōu)勢(shì)，合成材料還僅初露頭角 。 13 ? 從二十世紀(jì)三十年代起，絕緣材料開(kāi)始蓬勃發(fā)展，特別是 以加成聚合物為中心的合成樹(shù)脂得到迅速發(fā)展 ，在二十世紀(jì)三十年代研究成功的樹(shù)脂有：縮醛樹(shù)脂（ 1930年），氯丁橡膠、聚氯乙烯（ 1931年），聚丁烯（ 1932年），丁苯橡膠（ 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 1938年發(fā)蜆了聚四氟乙烯。幾乎每年都有新的合成樹(shù)脂出現(xiàn)或投入工業(yè)生產(chǎn)，其中一些樹(shù)脂對(duì)當(dāng)時(shí)及以后絕緣材料和電工技術(shù)的發(fā)展起了重要的作用。 ? 在這一時(shí)期，纖維及其制品也獲得顯著發(fā)展， 1930年美國(guó)一公司研究成功玻璃纖維及其編織帶。 1931年英國(guó)一公司制成紙壓制件。 1938年