绝缘材料的发展及在低压电器中的应用

1绝缘材料的发展及在低压电器中的应用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……………………………………………………..92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…………………….……………………….1733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……………………………………………193.2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………………………………253.4RoHS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……………………………………………354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………………………………………………………６06.2国外通行的检测技术…………………………………………………6４7我国电工绝缘材料的发展方向………………………………………6541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/T2900.5－2002《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106～1017Ω·m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JB／T2197－1996《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“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。51.2绝缘材料的分类绝缘材料按其形态分为气体:如SF6液体:如电容器油、变压器油固体:如电工模塑料6绝缘材料按其化学性质又可分为无机绝缘材料:如云母、石棉、瓷器、玻璃等有机绝缘材料:如虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、麻、人造丝等混合绝缘材料:如模塑料、层压板等7按标准JB／T2197－1996《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、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81.3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℃以上每隔20℃为一级。91.4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％；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65t／10MW，由此可见绝缘材料在电工设备中的用量是很大的。102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。112.2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20～30年间，为解决天然材料存在的问题，对天然绝缘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1909～1911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.BeckCo．（1904年），瑞士MicafilAG.（1905年），意大利MontieMartiniCo.（1908年），英国Mica＆InsulatorCo.（1910年），一些电气公司例如美国WestinghouseElectricCorp.和GeneralElectricCo.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。132.3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1938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。142.4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