高性能固體絕緣材料及其在變壓器中的應用研究高導熱絕緣材料的研究背景高導熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀高導熱干式變壓器澆注料變壓器用絕緣材料目錄2/47電氣電子設備的散熱和熱管理問題一、高導熱絕緣材料的研究背景固體絕緣電力設備大容量、高壓、高功率密度化發(fā)電機、電動機、變壓器、電抗器、電纜2500kVA10kV/400V

SCB干式變壓器。額定工況下總損耗

21.32kW→發(fā)熱→溫升→導體電阻增大→損耗增大→發(fā)熱加劇→溫升…環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器對流輻射傳導3/47電氣電子設備的散熱和熱管理問題一、高導熱絕緣材料的研究背景電子設備的灌封與絕緣高度集成化、高速高頻化、高功率密度化大功率LED、激光器、功率模塊、電源高

導

熱

金

屬

基

覆

銅

板大功率LED輸入功率中70%以上的電能轉(zhuǎn)化為熱能；當LED芯片溫度從

40℃上升到60℃，LED使用壽命減少

1/2。0.35W/m·K2W/m·K亮度3W/m·K結溫提高絕緣材料的導熱能力是解決電氣電子設備散熱問題的根本途1W/徑m·K4/47二、高導熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀5/47二、高導熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀本征型高導熱絕緣材料-導熱與絕緣可兼得，并不矛盾通過改變材料分子和鏈節(jié)結構獲得具有高度結晶性或取向度的物理結構，減少聲子散射以增大聲子自由程和提高聲子在樹脂中的傳輸速度，從而提高其熱導率。日立化成在環(huán)氧樹脂中引人介晶(mesogen)基元形成類晶或液晶結構，熱導率可達

1W/(m·K)，是普通環(huán)氧樹脂的4倍多。6/47二、高導熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀填充型高導熱絕緣材料填充型高導熱絕緣材料一般都是在樹脂基體中加入大量高導熱無機填料而制成復合材料，該方法加工容易、成本低、易于工業(yè)化生產(chǎn)，因而國內(nèi)外研究較多，部分已被用作電氣電子產(chǎn)品的灌封膠、膠黏劑、熱界面材料。所用基體以環(huán)氧樹脂、硅橡膠、塑料等為主。填料的選擇和處理高導熱復合材料導熱性能的提高主要依賴于填料的含量、形狀、尺寸、級配、熱導率，填料在基體中的分布以及與基體的界面鍵合作用，復合材料的織態(tài)結構等。常用的導熱填料形狀有球狀、片狀、纖維、晶須等形狀。一般填充量在60%以下時熱導率提升不明顯。7/47二、高導熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀50301510010

7.56252015Al2O3(密度3.5g/cm3)20vol%-45wt%;

40vol%-68wt%;

50vol%-76wt%;

60vol%-83wt%;

90vol%-97wt%BN/SiO2(密度2.25g/cm3)20vol%-34wt%;

40vol%-58wt%;

50vol%-67wt%;

60vol%-75wt%;

90vol%-95wt%；當填料與基體的熱導率之比大于50(約λp>10)時，50vol%填充量以下，進一步增大填料熱導率意義不大；當填料填充量大于

50vol%時，復合材料熱導率顯著增加；2W/mK8/47二、高導熱絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀環(huán)氧樹脂的高導熱微納米復合材料高導熱高填充低粘度矛盾！高粘度1W/m·K:

≥60wt%1.5W/m·K:

≥

70wt%2W/m·K:

≥

80wt%3W/m·K:

≥

90wt%4W/m·K:

≥

93wt%可流動難以流動難實現(xiàn)很難實現(xiàn)很難實現(xiàn)低熱膨脹系數(shù)高擊穿場強

高粘結強度

耐高溫易固化環(huán)保等高導熱環(huán)氧樹脂核心技術高效導熱網(wǎng)鏈結

構高填充及降粘

技術工藝工藝性很差樹脂流變學理論9/47北京交通大學-蘇州巨峰電氣絕緣研究中心10高性能功能填料的設計填料復配技術填料化學改性技術填料物理改性技術1232019年3月19日三、高導熱干式變壓器澆注料高導熱填料改性處理降粘效果對比(填料含量83wt%)改性后粘度只有原來的1/20改性后粘度只有原來的1/3三、高導熱干式變壓器澆注料11/47高導熱填料改性效果-SEM三、高導熱干式變壓器澆注料12/47JFCR系列高導熱電器絕緣澆注料巨峰改性高導熱電器絕緣澆注料(JFCR)通過在普通澆注樹脂中加入改性復合功能填料(JFCP)復合而成，用于制造中高壓電器設備設備及其絕緣部件。JFCR系列高導熱電器絕緣澆注料的優(yōu)點：熱導率高(1~4W/m·K)。可大幅度提升電器設備的散熱能力，顯著降低設備溫升，從而提升設備單位體積的功率和容量。電氣絕緣性能優(yōu)異。耐局部放電老化能力是普通澆注料的10-100倍以上，高溫

(100~180℃)絕緣電阻率和擊穿場強分別是普通澆注料的10倍以上和2倍以上?？归_裂性能好。由于澆注料熱導熱率高和膨脹系數(shù)小，澆注及固化成型過程中澆注部件內(nèi)部溫度分布均勻，冷熱收縮小，因而內(nèi)應力小，固化及使用過程中抗開裂性能優(yōu)異。工藝性能好。由于澆注料采用改性復合功能填料(JFCP)而粘度較小，防止?jié)沧⑦^程中可引發(fā)局部放電的氣隙缺陷的形成，并提高澆注效率。三、高導熱干式變壓器澆注料2019年3月19日13JFCR-02高導熱干式變壓器澆注料使用工藝澆注體處理：入模后105℃保溫5-8小時，入澆注罐抽真空，溫度控制在80℃。原材料處理(僅處理樹脂即可)：室溫高于25℃時，所有材料不用預烘，低于25℃時將樹脂和固化劑放入烘箱75℃保溫3-5小時?；旌狭媳壤?重量比)：樹脂100kg；固化劑80kg；改性填料638.2kg。配膠：65℃下攪拌1.5小時左右，同時抽真空，真空抽到120-150帕脫泡后。澆注：澆注時澆注罐溫度設定為80℃，模具溫度為75℃，真空抽到100-200帕時投料澆注，澆注時間控制在45-60分鐘之間。固化成型：80℃

6小時；升溫到100℃，4小時；升溫130℃，6-8小時。拆模：夏天拆模溫度100℃左右，冬天拆模溫度90℃左右。三、高導熱干式變壓器澆注料2019年3月19日14JFCR-02高導熱干式變壓器澆注料使用工藝三、高導熱干式變壓器澆注料亨斯曼澆注料粘度特性填料：未改性硅微粉2019年3月19日150min6min3min9min先將1cm厚度試樣在烘箱中加熱到120℃。把試樣放到厚度為3mm的鋼板上。3)用紅外熱像儀同時觀測試樣的溫度。EP和EPN2最大溫差可達20℃三、高導熱干式變壓器澆注料16/47EP和EPN3最大溫差可達40℃高導熱環(huán)氧樹脂EPN3/4(3/4W/m?K)和普通環(huán)氧樹脂EP散熱能力比較實驗：將純環(huán)氧(EP)和納米復合改性環(huán)氧樣品(厚度1cm)加熱到140℃，同時放到鐵板上降溫。EP和EPN4最大溫差可達46℃三、高導熱干式變壓器澆注料17/47EP和EPN3最大溫差可達28℃高導熱環(huán)氧樹脂EPN3/4(3/4W/m?K)和普通環(huán)氧樹脂EP導熱能力比較實驗：將鐵板加熱到130℃，將純環(huán)氧(EP)和納米復合改性環(huán)氧樣品(厚度1cm)同時放到鐵板上升溫。EP和EPN4最大溫差可達36℃三、高導熱干式變壓器澆注料18/47三、高導熱干式變壓器澆注料澆注料熱導率：

JFCR-02為2W/m·K，普通環(huán)氧澆注料

0.4WW/m·K。導體損耗功率:1-

4kW/m2；空氣散熱功率：1kW/m2；絕緣層厚度：4mm；干式變壓器溫升特性對比導體損耗1kW/m22kW/m23kW/m24kW/m2普通絕緣溫升10℃20℃30℃40℃高導熱絕緣溫升2℃4℃6℃8℃暫態(tài)溫升穩(wěn)態(tài)溫升綜合溫升大幅度下降19/47蘇州巨峰電氣絕緣系統(tǒng)股份有限公司創(chuàng)建于1995年，主要生產(chǎn)絕緣樹脂、云母制品、防暈材料、復合材料、特種油漆、電磁線、低壓定子、高壓線圈等，憑借在絕緣新材料及絕緣系統(tǒng)研制方面的專業(yè)水平和成熟技術，公司在電氣絕緣系統(tǒng)領域異軍突起，為行業(yè)領先的標桿企業(yè)，公司于2015年通過國家級技術中心認定，是國內(nèi)唯一一家電氣絕緣系統(tǒng)研發(fā)和制造的公司，可為客戶“量身定做”，提供絕緣系統(tǒng)整體解決方案。四、變壓器用絕緣材料20四、變壓器用絕緣材料公司于2006年成立技術研發(fā)測試中心，專門從事新產(chǎn)品、新技術的研發(fā)測試工作，具有自主研發(fā)能力，公司為“國家級高新技術企業(yè)”、擁有“國家級企業(yè)技術中心”、“國家級博士后科研工作站”、“江蘇省企業(yè)院士工作站”、“江蘇省絕緣材料工程技術研究中心”等。2017年國家技術中心審核良好。21高導熱絕緣材料電網(wǎng)新能源軌道交通航空航天蘇州巨峰先進材料科技有限公司是蘇州巨峰電氣絕緣系統(tǒng)股份有限公司控股子公司，致力于高導熱絕緣材料研發(fā)，為微電子、電網(wǎng)、新能源、軌道交通、航空航天、國防軍工等領域的電氣電子設備及器件的絕緣與封裝散熱提供整體解決方案。微電子國防軍工干式變壓器驅(qū)動電機芯片封裝/粘接金屬基覆銅板四、變壓器用絕緣材料22雷清泉，中國工程院院士，著名絕緣技術專家，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)首席科學家。西安交通大學西安交通大學電力設備與電氣絕緣國家重點實驗室學術委員會主任，電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室學術委員會主任。曾獲國家科技進步獎和國家技術發(fā)明獎各一項。田付強，副教授，博士生導師，主要從事新型納米復合絕緣材料的研究。2012.09-2013.09在日本早稻田大學大學院先進理工學研究科做博士后、助理研究員。曾獲日本放電學會優(yōu)秀論文獎、北京市優(yōu)秀博士學位論文。2014年入選北京交通大學青年英才計劃。國家“先進電工材料之高導熱絕緣材料發(fā)展戰(zhàn)略報告”的起草人之一。北京交通大學-蘇州巨峰電氣絕緣研究中心23研發(fā)中心公司建有雷清泉院士工作站和高導熱絕緣材料研究中心，研發(fā)團隊由院士、教授、副教授、高工、博士及研究生等30余人組成，具有一流的研發(fā)團隊和強大的研發(fā)能力。與日本早稻田大學、九州工業(yè)大學有密切合作關系。2019年3月19日四、變壓器用絕緣材料研發(fā)中心依托國家企業(yè)技術中心，具備完善的材料制備、理化表征、電氣絕緣性能/力學性能/熱學性能測試平臺全套熱導率測試設備ISO22007標準-HOTDISC-平板瞬態(tài)熱流法ASTMD5470-平板穩(wěn)態(tài)熱流法ASTM

E

1461-激光閃射法四、變壓器用絕緣材料24四、變壓器用絕緣材料巨峰股份變壓器類絕緣材料一、干式變壓器材料：JF211

DMD-P

F級環(huán)氧預浸材料JF232GMG-P

F級阻燃環(huán)氧預浸材料JF233

Nomex

H-C級阻燃環(huán)氧預浸材料JF241GHG-P

H-C級阻燃環(huán)氧預浸材料JF243

SHS-PH級環(huán)氧預浸材料6、JF-276NMN-P

環(huán)氧預浸料二、油浸式變壓器材料JF312

DDP

菱格點膠絕緣紙JF313

PMP-P菱格點膠絕緣材料JF6130

DDP

菱格點膠絕緣膜JF314

HIH-P

菱格點膠絕緣紙25四、變壓器用絕緣材料JF-211

DMD-P預浸料JF211DMD-P預浸料是由聚脂薄膜聚酯纖維非織布復合材料(F-DMD)表面浸漬耐熱環(huán)氧樹脂。DMD-P預浸料具有室溫貯存期長，固化溫度低、固化時間短的特點，固化物具有優(yōu)異的電氣性能、粘結性能和耐熱性能。耐熱等級F級。適用于干式變壓器低壓線圈繞包襯墊絕緣，以及F級電機、電器的槽絕緣和匝間

絕緣。26四、變壓器用絕緣材料JF-211

DMD-P預浸料序號性能單位要求1標稱厚度mm0.150.180.200.250.300.401.102厚度允許偏差mm±0.02±0.03±0.04±0.13拉伸強度縱向不彎折N/10mm≥70≥80≥100≥1504可溶性樹脂含量g/㎡≥455揮發(fā)物含量%≤1.56擊穿電壓kv≥7.0≥8.0≥10≥307拉伸剪切強度MPa≥3.0------8溫度指數(shù)—≥155推薦固化條件：130℃5小時；或140℃4小時；或150℃3小時。27四、變壓器用絕緣材料JF-232

GMG-P阻燃環(huán)氧預浸材料JF-232GMG-P阻燃環(huán)氧預浸材料是由聚酯薄膜和玻璃纖維布制造的柔軟復合材料，經(jīng)浸漬無鹵阻燃樹脂后烘焙而成。GMG-P阻燃環(huán)氧預浸材料具有室溫貯存期長，固化溫度低、固化時間短的特點，固化物具有優(yōu)異的機械性能、阻燃性能、電氣性能、粘結性能和耐熱性能。GMG-P阻-燃環(huán)氧預浸材料的收縮率低，膨脹系數(shù)與銅箔接近。耐熱等級F級。適用于核電、風電、太陽能干式變壓器低壓線圈繞包層間絕緣和對地絕緣。以及F級電機、電磁爐、電器的槽絕緣、相間絕緣、匝間絕緣和襯墊絕緣。28四、變壓器用絕緣材料JF-233

T410-P阻燃預環(huán)氧浸料T410-P阻燃預環(huán)氧浸料是由Nomex?

T410表面浸漬特種阻燃環(huán)氧樹脂。

T410-P阻燃環(huán)氧預浸料具有室溫貯存期長，固化溫度低、固化時間短的特點，原材料和固化物具有優(yōu)異的電氣性能、阻燃性能、粘結性能和耐熱性能。耐

熱等級為H-C級。適用于核電、風電、太陽能變壓器的線圈繞包和襯墊絕緣，以及H-C級電機、電器的密封絕緣和匝間絕緣。29四、變壓器用絕緣材料JF-312

DDP菱格點膠絕緣紙DDP是將特種改性環(huán)氧樹脂呈菱格狀涂覆在電工絕緣紙上，在線圈高溫固化過程中，樹脂就會融化并形成粘合劑。隨著溫度的不斷升高，融化的樹脂就會固化到C階段，使相鄰的線圈層緊密的粘結在一起，從而形成一個繞組單元。如果線圈出現(xiàn)短路，樹脂的粘結強度足以防止線圈的位移，從而保證線圈的絕緣結構有長期的機械和物理性能因為樹脂是以菱格狀分布在絕緣紙上，在固化過程中，只有少量的是樹脂會浸透到絕緣紙中，所以能保證油的進入和空氣的排出，使電暈和局部放電的危害最小化。30四、變壓器用絕緣材料JF-312

DDP菱格點膠絕緣紙序號性能單位要求1基材厚度及公差mm0.08±0.0050.13±0.0070.18±0.010.20±0.010.25±0.010.30±0.010.35±0.020.38±0.020.45±0.020.50±0.032基材緊度g/cm30.85~1.103單面上膠厚度μm6~124水分含量%4.0~8.05灰分含量%≤1.06水抽出物電導率mS/m≤107水抽出物PH值6.5~8.58吸油性%≥209粘結強度常態(tài)Kpa≥650100℃±2℃≥40010拉伸強度縱向N

/

1

0

mm60110160180230240≥250橫向30507080100110≥12011擊穿電壓KV0.881.372.002.102.252.30≥2.5031四、變壓器用絕緣材料JF-312

DDP菱格點膠絕緣紙DDP是將特種改性環(huán)氧樹脂呈菱格狀涂覆在電工絕緣紙上，在線圈高溫固化過程中，樹脂就會融化并形成粘合劑。隨著溫度的不斷升高，融化的樹脂就會固化到C階段，使相鄰的線圈層緊密的粘結在一起，從而形成一個繞組單元。如果線圈出現(xiàn)短路，樹脂的粘結強度足以防止線圈的位移，從而保證線圈的絕緣結構有長期的機械和物理性能因為樹脂是以菱格狀分布在絕緣紙上，在固化過程中，只有少量的是樹脂會浸透到絕緣紙中，所以能保證油的進入和空氣的排出，使電暈和局部放電的危害最小化。32四、變壓器用絕緣材料JF-313

PMP-P菱格點膠絕緣紙PMP-P菱格點膠絕緣紙是改性特種環(huán)氧樹脂呈菱格狀涂敷在電工用絕緣柔軟復合材料表面上而成的半固化柔軟復合材料.PMP-P介電常數(shù)與變壓器油相接近，縮小主絕緣距離，減小了變壓器尺寸，節(jié)約了電磁線和硅鋼片等金屬材料，降低了變壓器成本，增強了機械強度、耐溫等級和電場強度高等特點.PMP-P菱格點膠絕緣紙適用于風電、太陽能油浸式變壓器和互感器層間絕緣和匝間絕緣。33四、變壓器用絕緣材料JF-6130

DDM、阻燃DDM菱格點膠聚酯薄膜絕緣紙JF-6130

DDM、阻燃DDM是將特種改性環(huán)氧樹脂呈菱格狀涂覆在電工聚酯薄膜上，在線圈高溫