环保节能型绝缘技术及绝缘材料的发展.doc

第十届绝缘材料与绝缘技术学术交流会论文集 环保节能型绝缘技术及绝缘材料的发展詹 超 引 言 采用超导电力技术，不仅可以大大提高单机容量 和电网的输送容量，并能大大降低电网损耗，可 以明显改善电能的质量、提高系统运行的稳定性 和可靠性、降低电压等级、降低电网造价和占地 面积，使超大规模电网的建设变成现实。 据统计资料显示美国每年在输电线路上的损 失高达亿美元。如果使用高温超导线材，同 样的直径和普通铜线相比，导电能提高约倍。 因为其损耗小，制成器件的体积小、重量轻、效 率高，若用它制造变压器、电缆、电机将会对电 力工业带来划时代的革命。 根据预测，到年我国的装机容量将达到 。而目前国内燃煤发电约占总发电量的 ，水电约占，核电、风电和太阳能发电 约占。其中水电集中在西部和南部地区，燃煤 我国正处于工业化的中期阶段，还需要经历 一个资源消耗阶段，投资率高，原材料工业增长 速度快，特别是粗放型经济增长方式没有根本改 变，资源浪费大，单位产值的污染物排放量高。 因而必须注重两端，一方面从资源开采、生产消 耗出发，提高资源利用效率；另一方面在减少资 源消耗的同时，相应地削减废物的产生量。因此， 中国发展循环经济是产业生态化与污染治理产业 化、动脉产业与静脉产业协调发展的有机统一。 循环经济是一种以资源的高效利用和循环利用为 核心，以“减量化、再利用、资源化”为原则， 以低消耗、低排放、高效率为基本特征，符合可 持续发展理念的经济增长模式，是对“大量生产、 大量消费、大量废弃”的传统增长模式的根本变革。作为我国绝缘材料与绝缘技术产业的发展在 以下方面应该以予重视，尽快赶上世界发达国家 的水平。 发电集中在煤炭丰富的地区。电能的消耗主要是电动机，它约占总发电量的，而负荷 中心大多数在中东部及沿海地区。 然而常规电力设备和系统存在一些自身缺 提高电力系统的输电能力和系统的稳定性是 世界范围内电力系统迫切需要解决的问题 国内外均存在巨大的市场需求。常规电力设 备和系统存在一些自身的缺陷，严重阻碍了电力 系统的发展，从材料角度来说效率受到铜、铝等 基本导电材料的限制，要进一步提高难度很大。 陷，严重阻碍了电力系统的发展。随着电网容 量的增加和规模的不断扩大，电力系统的短路容 量越来越大，不加限制的短路电流对电气设备和 正常工业生产带来很大危害。目前对付短路故障 的办法是用最先进的六氟化硫（）断路器直接断 开故障线路，最高开断容量为，要进一步提 高其开断容量非常困难。常规电力技术缺乏快 作者简介：唐超（一），男，四川人。高级工程师，博士， 主要从事绝缘技术与绝缘材料的研究，（电子信 箱）。 速功率调节技术。这就使得电力系统的功率只能 维持基本的相对平衡。因此，一旦电力系统发生 较大的短路故障，可能导致严重的功率平衡，从 第十属绝缘材料与绝缘技术学术交渡会论文集 而引起系统崩溃对电力系统产生破坏性的危害。 常规电力系统的效率受到铜、铝等基本导电材 料的限制要进一步提高难度很大。我国电同的 功率损耗约占总发电量的 。常规电气设备 占地面积大，而人口密度太的城市是负荷中心。 人口集中的东中部地区电阿占地需求越来越大， 要解挑这一矛盾电力系统必须发生根本性变化。 可再生能源（太阳能、风能）发电的能量密度低 择易受到气候的彤响，要使这种能源得到充分有效的利用必须采用新的技术改善其品质使其 的高温超导限流器 能更为有嵇地与大电网连接。要解决以上问题 必须大力发展高温超导电力技术。 故障电流限制器的开发 目前我国最大的电力系统容量已超过 ，蛀高输电电压为最大发电设 备容量超过发电量和装机容量均已位居世界第二。系统一旦发生故障，故障电流将迅速 增加一般可达到额定电流的）倍。巨大的电 流将产生很高的机械和热成力，系统中所有电气设备必须承受电流所造成的影响，保证在 内无任何损坏以后电阿中的断略器会切 断电流保护整个系统。由于断路电流的增加， 系统中设备的技术指标均要增加大丈提高了系统的建设成本，特别是断路器的费用增加最多， 崮此必须采取有效措施限制联台电力系统中的断 髫中科院电所研制的高蹦导琨藏器超导储能装置 为了更有效地利用能源，必须设置能岳的储 存系统。现有电力系统中的电力储存技术主要是 抽水赭能。抽水储能电厂一般都建在远离负荷地 点的山问，必嵩长距离的送变电设备。在储能效率仅较为低下的基础上，长距离输送 路电流水平保证电阿的安全和经济运行。 超导限流器在系统正常运行时无电阻（超导 体处于超导状态），系统短路时，迅速产生高电阻 （超导体处于失超状态）将故障电流限制到较低水平。当线路故障捧采后，超导限流器可自动恢复 又要损耗不少电能与分散型电力储存系统相比是极为不利的。 超导态为再次限制短路电流做好准备。超导故障 限流嚣集检溟、触发和限流于一身，是电力系统最理想的限流装置。图为德国公司制造 超导储能（ 简称）是利用超导线刚通过壮流 逆变嚣将电网剩的能量以电磁能形式储存起 的屯阻型故障限漉器，图为中科院电工所研制 来庄需要时再通过整流逆变器将能罱馈送给电 第十届绝缘材料与绝缘技术学术交流会论文羹 同或作其他用选。由于超导线圈在超导状态下无 焦耳热损耗逗行，同时其电流密度比一般常规线 圈高个数量级。因此它不仅能长时问无损耗 地储存能最，而且能达到很高的储能密度。它的 储娩教宰高响应逮度快也是其它类型储能装置 无法比拟的。嘶着高温超导材料研究逐步走向实 用化高温超导储能（简称￥）也成为 一个研究方向井有相应的微型样机问世。圈为德国研制的超导储能系统图 超导变压嚣 在传统的变压器中绕组中的铜损占变压器 满负荷运行时总损耗的绝大部分采用高温超导 绕组可以太大降低这部分损耗同时，随着城镇 用电负荷日趋增大，必须使用体积更为庞大的大 容量变压器来满足用户的蔼求。许多现有变电站 都面临重建的问题，由于在相同容量下超导变压 器的体积比常规变压器小舯，超导变压器可直接安装在现有的变电站内从而节省丈笔 建设经费。 中国科学院电工研究所日前成功研制出我国 酋台三相高温超导变压器样机，并顾利通过检测。 在传统的变压器中，绕组中的铜损占变压器满负 荷运行时总损耗的绝大部分而采用高温超导绕 组即可大大降低这部分损耗大大提高变压器运 行的经济性。同时，由于在相同容量下超导变压 为华中科技大学和西北有色金属研究院合作研制 的超导储能系统。 器的体积比常规变压器小因此超导变压器可直接安装在现有变电站内，从而节省 重建经费。正因为超导变压器具有效率高、体积 小、无环境污染隐患等优点，它被公认为最有可 能取代常规变压器的高新技术。 日前由株洲电力机车有限公司承担的国家 “十五”婿间计划超导材料与技术专项课题 ?电动车组高温超导变压嚣课题顺利通 过国家科技部专家验收。专家认定电动车组高 温超导变压器的研发在国内处于领先水平。这种 电动车组高温超导变压器与目前投入运行的机车 牵引变压器相比，具有不污染环境、无毒、无味、 无燃垮危险而且极具节能效果图为圈华中科技大学和西北有色叠研究院古作酐嗣 公司?超导变压器，圈为中科院电工所?超导压器。 的蜘超导储赶髯竞 第十届绝缘材料与绝缘技术学术交流会论文羹 输电方式，用低电压大电流传输屯娩。因此高温 超导电缆可大大降低电力系统的损耗，提高电力 系统的总效率具有可观的经济效益。图为日 本盯超导电缆留为北京英纳超导公司云电电缆 圈中科院电所?超导变压 传输电蟪 电缆的传输损耗仅为传输功率的， 比常规电缆的搅耗要低得多，在重量尺寸相 同的情况下与常规电力电缆比屯缆的 田北京荚蝻超导盛司电电曩 我国及以上电力屯缆的年需求量 容量可提高倍损耗下降，可明显地节 约为万公里如果其总量的被高温超导电约占地面积和空同，节省宝贵的地资源，用 缆所取代则高温超导电缆在我心每：需求总置将会选到（公里，那时就会显示出巨大的社会 经济效益。以平均每公里万元计算潜在的 电埋改装现有地下电缆，能将传输霉量提高倍 以上且能将盛费用降低，并可改变传统的 第十届绝缘材料与鲍缘技术学术交流会论文羹 市场约为亿元。 据预涮电缆市场前景广阔预铡到 制造设计所器的技术数据等。图为美国 超导电机。 年世界超导技术应用市场将达到枷亿美元，电缆约占的份额。挑战与机遇并存，我 酋电线电缆行业应紧紧抓住这一良机，整合改组 占领电缆高科技阵地这一广阔的应用前景， 带来十分可观的经济效益，振我国电线电缆行 业排除器性无序竞争。 超导发电机和电动机 超导技术可以使发电机和电动机小型化，而 功率更强太，工作性能更稳定，以取代目前庞大 笨重的授电设施，也为电动机的低噪声化和军用 提供可能性。各国都在开发超导发电机，但是研 制安装在转动体上的超导线圈是研究的关键。由 日本一些大的电机、电线制造和电力公司组成了 越导发电机器和材科技术研究机构。 高温超导电动机采用高温超导材料来制作电 流传输等零部件应用超导材科降低了电阻，可 以减少电能损耗具有节能、高教的特点德冒 和美嗣先后开发成功马力和马力的高温 超导电动机 韩国电气研究院和斗山重工业公司计划在 年和年前先后开发出节能以上、功 睾选（：马力和马力高温超导电动机井 从年开始将其推向市场，用作抽水机和船用动力等。 噩凳田￥越导屯机 新型环保节能型绝缘材料的研究和推广应用 作为电机电器的核心关键材料的绝缘材辩在 发电和用电的各个领域起到了极其重要的作用， 从性能方面来说将向耐热等级高、不古有毒有害 物质、固化时间短、固化时尽量减少有毒有害物 质的产生和捧放方向发展。 节麓环保型快速固化云母带粘台荆的研究开发 目前国内大、中型高压电机所用的主绝缘材 书级环氧桐马多胶静云母带，与国外多腔糟 云母带相比，肖存在腔化时间不穗定、固化时向 长、贮存时问短及热态机械强度低等差距。如： 国内级环氧桐马绝缘材料大约只有， 而犀外一些公司的级环氧绝缘结构矗大约 ：国内级环氧桐马多胶粉云母带的 模压保温时同需以上，而国外的级糟云母带 的模压保温时间只需我们国内材料的（以 三峡为万千瓦机组为例，至少可节约工时）； 此外，在云母带的贮存时间上国内云母带在室 温（）下但能贮存个月而嗣外云母带可 超导发电机较常规发电机可实现小型化、轻 量化、降低制造和建设成本、提高运行效率、减 少煤耗和捧放量。目前日本、美国、俄国、 德国等对超导发电帆的技术开发虽有一定成果， 但要选到实用、大容量化还需进行深入的研究和 试验。主要研究谭题有：单机容量的增大，提高 临界送电能力和与常规发电机并列运行的能力， 系统事故时的稳定性，长时问运行，丈容量机组 第十届绝缘材料与绝缘技术学术交流会论文集 贮存个月以上。 进一步提高国内极多胶云母带的性能质量 （特别是热态机械强度），缩短模压保温时间，节约 能源，提高电机生产效率，降低制造成本，是摆 在我们面前亟待解决的课题。为此，节能环保型 快速固化云母带粘合剂的研究开发和推广具有很 重要的意义。 导磁板的开发和推广 如何降低电机运行时的损耗和提高电机效 率，已成为国内外电机制造业中急待解决的关键 问题之一。目前大多数电机的定子采用齿槽结构 放置电枢绕组，用绝缘槽楔来固定绕组。由于绝 缘槽楔不能导磁，电机损耗较大，温升较高，运 行的振动和噪声较大，电机效率较低。解决上述 问题最有效的方法是用导磁材料制备的磁性槽楔 取代绝缘槽楔。为此，需制备具有一定导磁性能 和力学性能的导磁板材。国内外各大电机制造厂 商纷纷从电机结构设计和电机的槽楔材料选用等 方面采取措施来解决问题。目前日本、美国和欧相对磁导率， 磁感应强度， 表导磁板的技术要求 项目 垂直层向弯曲强度 指标值 ：常态： 平行层向冲击强度（简支梁法）， 体积电阻率，? 密度， 温度指数） 玻璃化转变温度， （） （） （） ） （） （） （） （） 吸水率 颜色 厚 灰黑色 电机槽楔用多相复合导磁层压板材可解决国 洲等发达国家已普遍在电机中采用导磁复合材料 内电机行业长期所需的槽楔用导磁复合材料的磁 槽楔，对导磁板的技术要求见表。 性能低、加工性差的问题，为电机行业提供优质 但国内的导磁板与国外导磁板相比，性能上 的复合导磁层压板材，提高我国电机制造业的整 有较大差距：磁导率一般较低，测试方法不正确， 弯曲强度仅左右。由于材料力学性能差导 在齿槽电机定子槽口使用复合导磁层压板材 致机械加工性变坏，磁性槽楔的废品率很高：磁 后，可降低电动机的空载损耗，降低 楔在电机运行过程中易分层损坏，影响电机运行。 铁耗一，降低电动机的空载电流 另外，磁性槽楔的力学性能和磁性能的分散性大， ，降低温升，降低噪音分贝左右， 质量不稳定。产品的外观质量也差，厚度公差难 提高电动机效率平均左右，不但提高电机使用 以控制，生产成本高。由于上述原因，致使我国 寿命和运行稳定性，还可以节约大量的能源，产 的部分电机企业不得不高价从国外进口电机槽楔 生更大的社会经济效益。以广泛使用的中小型异 专用导磁层压复合材料，部分电机企业仍然沿用 步电机运行年计算，每千瓦容量的电机年 绝缘磁楔，限制了我国电机行业技术水平的提高。 平均节电可达。 为此，我国应进行高性能导磁层压复合材料的研 一些特殊要求场合如坦克、军舰、潜艇等所 究开发，以提高电机效率和电机行业的技术水平。 体技术水平。 第十届绝缘材料与绝缘技术学术交流会论文集 用的齿槽电机采用槽楔导磁复合材料后，能够减 少武器系统的振动和噪声，提高武器系统运行的 稳定性和服役寿命，更显示了应用导磁材料的重 要性和必要性。 环保型绝缘漆的推广 电工绝缘浸渍漆作为电机电器行业的专用配 套特种涂料，近年来国内外在发展高固体份有溶 剂浸渍漆（少溶剂漆）、无溶剂型和环保型漆方面发 展。所谓环保漆，是指环境污染小，环境亲和力 强的油漆类产品。应大量选用代替苯乙烯和甲苯 类有毒溶剂的环保型高沸点、低挥发的新型单体， 具有低毒、无臭，气味小的突出特点，具有干燥 速度快，固化温度低等优点，同时具有粘接性好、 渗透填充好、绝缘质量高的特性；制成能够快干 节能的绿色环保型漆料产品。 国内绝大多数无溶剂漆含有苯乙 烯，有些级无溶剂连续沉浸漆苯乙烯含量甚至 超过。苯乙烯只能部分参与交联反应，其余 是挥发到空气中，不仅会造成资源浪费，而且污 年增长率达。近年来，交流变频调速仍 以高速发展。实践与研究均已证实，匝间绝缘（电 磁线绝缘）的损坏是变频电机绝缘损坏的主要因 素，其损坏概率约占以上普通的复合电磁线 的绝缘性能已经不能满足交流变频电机用电磁线 对绝缘的耐高频脉冲特性特殊要求，适合于交流 变频电机用的匝间绝缘材料（电磁线漆）的研究是 交流变频技术推广应用的关键材料。 国内变频漆包线漆大多采用纳米材料通过表 面活性剂改性后机械加入，这使得较长时间储存 后纳米材料沉降，在漆液中分散不匀，使得漆膜 的耐电晕性能分散性大。而国外特别是杜邦都是 采用纳米材料和有机树脂形成螯合物的新技术， 纳米材料与高分子树脂通过化学键紧密地结合， 不会出现分层和分项的现象，漆膜性能稳定。 无卤阻燃绝缘材料的开发 欧盟委员会于实施的两指令，要求在新投放 市场的电子电器设备中，禁止使用铅、汞、镉、 六价铬、多溴二苯醚（）和多溴联苯）等有 害物质。丽我国这两类产品的阻燃性能绝大多数 是靠含卤素化合物的加入来实现的。我国出口的 电子、电器产品中绝大多数零部件、元器件都不 同程度的含有禁令中所规定的有害物质，而这些 零部件、元器件大部分涉及到绝缘材料和电子材 料。随着欧盟禁令的实施，我国电子、电器的出 口面临巨大的非贸易技术壁垒。因此尽快开发无 卤阻燃绝缘材料对我国绝缘材料行业来说十分重 要。特别是氮系列阻燃剂产业化生产和使用。 环保型高压绝缘油的开发 日本的日石公司，东芝电气公司，美国的 等大公司都在致力于开发超高压绝缘油。德国研 究开发合成有机酯（ ）和矿物油（ 染环境，损害职工健康。连续沉浸漆的固化挥发份一般为，也就是说占总量的以 上的苯乙烯会挥发损失（部分产品含少量挥发性惰 性溶剂），最终浸渍漆的可利用率不到。国外 环保漆采用高沸点、低挥发的新型单体，固化过 程中，单体全部参与交联反应，基本上无挥发损 失。固化挥发份在以内，相当于可利用率达到 以上。 变频漆包线漆的技术的提高和推广 供电系统以上的电能为电动机所消耗， 电机节能是缓解能源矛盾的重要手段，采用交流 变频技术的电机具有显著的节能效果，交流变频 技术的出现，为节约能源提供了一条有效途径。 随着电力电子技术的发展，变频调速技术得到了 迅速推进，年代后五年，世界交频调速传动的 ），相对介电常数可达到以上。耐压 等级和相对介电常数高，生物降解能力强的超高 第十届绝缘材料与绝缘技术学术交流会论文集 压绝缘油被广泛