天然材料用于成型定子线圈的优势

最早的定子绕组绝缘结构采用的材料是在当时工业上有着各种广泛用途的常见材料，包括天然纤维素纤维、丝、亚麻、棉、羊毛，以及后来开始使用的石棉。纤维既用于单股导线电线类的绝缘，也用于成束的股线集的绝缘，并且采用组合形式应用，如无纺纸和纺织布的结合。天然的树脂来自树、植物和昆虫，以及石油的沉淀物，都是与纤维形物质结合起来制成绝缘材料。天然树脂包括精制的石油油料、蜡、沥青，以及自然的树脂类，如松脂、虫胶、松香、亚麻籽油等。固体材料如砂子、云母、石棉、石英，及其他的矿物经碾压或粉碎后用作填料。漆布是上述最早期的绝缘材料中曾被用作定子主绝缘的主要材料，直到今天仍在生产，应用于某些电气产品。原始的漆布材料是由精细的棉布浸上一种快干油类的天然树脂制成的，若以一层薄膜形式暴露在空气中则经氧化会变成一种坚硬、强韧、有弹性的物质。还可以通过选择掺入材料中的油品种类来改良材料在具体应用中的性质。

这些树脂是作为溶解在溶剂中的溶解液来应用的，为保持足够的储存期限，需要被密封起来，以防止氧化和溶剂蒸发。制造绝缘材料时，要求用具有良好空气循环的塔式烘炉加速树脂的蒸发和氧化，生产出连续的材料卷。之后再经过切割，制成用作绝缘块所需要的形状，或者制成较厚的零部件，也可以作为主绝缘缠绕到导体外部。

第一次世界大战期间，热塑性的沥青树脂（也称沥青）与云母剥片结合在一起，在云母剥片两侧面用精细的纤维素纸加固，首次改善了用于汽轮发电机定子线圈的主绝缘^[1]。尽管不同的制造商在实践上有所差异，但在20世纪80年代以前，通用的方法却如出一辙，即把经加固的云母剥片薄板浸入用快干油改良过的沥青漆溶解液中浸渍，其溶解液采用石油基的溶剂，如甲苯。这种浸好漆的云母薄板制成的卷材被切割成带状，用手包在定子线圈和线棒上，然后再覆盖两层棉带。未经干燥尚湿漉漉的线圈需运送到一个巨大的、用蒸汽加热的线圈箱中，与许多已经绝缘好的线圈一起，批量加热适当的一段时间。该烘箱要抽真空，并且需要几个小时的时间来清除残留的溶剂和空气。经过这个阶段的处理，留下来的绝缘呈干燥而疏松的状态。此时，继续保持烘箱的真空状态，通入大量熔化了的热沥青，并淹没至所有的线圈。然后增加烘箱的气压。通常用干燥的氮气，加压到550kPa（表压），随后保持压力几个小时，以强迫液态沥青进入云母层之间。然后，依靠氮气压力把沥青液体推回至一个加热的储存罐中，以备处理下一批线圈时再用。经过通风排出剩余的氮气之后，取出热的线圈，使其冷却至室温。因为所浸沥青的作用，线圈的包裹层将变硬。接下来要把牺牲棉带做的表层剥除掉，留下平滑、坚硬、浸漆棉绝缘表面。这种抽真空、浸漆和加压的工艺过程就称之为VPI（真空压力浸漆）工艺。后面还要讨论到，与其他的树脂一起使用的VPI工艺，也是当今主绝缘制造的基础。

这种云母剥片与沥青组合起来用于线圈的制造工艺，导致了主绝缘在均匀度和厚度方面有一定偏差。为了有助于克服这种限制，还要在最后对线圈直线段反复多次进行热处理。此处理使得浸漆绝缘材料在一定程度上重新分布，并且使线圈绝缘厚度的偏差减小到足够使线圈插入定子槽中。

用于较低电压的成型绕组线圈，最后还要在线圈表面施加一层快干油基的清漆，使得线圈可以在服役期间抵御诸如润滑油和清洗材料等物质的污染。这种清漆通常被着色成某种有特征的颜色，作为制造厂家的识别标志。对于6600V及以上电压的电机，习惯上在线圈外覆上含铁的石棉带外层，这有助于抑制定子铁心和线圈表面之间的有害的槽放电（见第1.4.5节）。这种材料具有较低的固有电导率，而当线圈在槽内部分的石棉被浸过漆以后，因漆中含有添加的炭黑，可使其电阻率处在所需要的范围内，在电机运行时就可以防止局部放电（槽放电）。某些制造商在覆完这种外护层之后，还要进行最后的热处理。(www.xing528.com)

定子线圈的沥青胶合云母箔绝缘（即主绝缘），耐热性方面是会变化的。沥青中掺入快干油，是按配方比例在巨大的调和桶中进行的，使漆或树脂能固化到一个弱热固化状态，也就是说它们在遇热时会变得很软，而又不会完全熔化的状态。天然的沥青是热塑性材料，可以反复加热到熔化状态。天然沥青遇到含有快干油改性沥青漆的云母剥片带以后，会在绝缘的运行使用过程中因受热慢慢变硬，但是不会变成现代意义上真正的热固化材料。所谓的热固化材料，既不会随加热明显变软，也不会产生形状变化。

所有的沥青云母线圈绝缘在绕组嵌放到定子铁心以后，都会略微有点儿宽松，并且运行中因承受绕组的发热，绝缘受热会发生膨胀或扩展，使其在槽中紧密地挤压到槽壁上，但在主绝缘内部仍易于产生小的间隙（分层），将导致电机运行中发生局部放电（见第1.4.4节）。为避免这种局部放电，就要控制主绝缘内部平均电场强度[见式（1.4）]低于间隙处局部放电的起始电压。因此，沥青云母主绝缘中的设计电场强度通常低于2kV/mm。在此可以进行一个比较，现代某些热固化绝缘结构设计中采用的电场强度已经高达5kV/mm。

快干油配方所用的配比和类别，不同的发电机制造商之间的差别非常大，由此导致线圈有不同的热特性。某些供应商在半叠绕带的各层之间都涂刷快干油改良的漆，而其余的则有赖于成罐的液体进行整体浸渍。从历史发展上看，发电机的单机容量是一直在增长的，在1940年前后，最大的汽轮发电机定子槽的长度接近或超过2.5m，其时这样的电机正赶上战时对电力生产的强力需求，因此频繁地升至额定负荷或超出额定范围运行。当它还是相对比较新时，就已经出现了随后所述的一种新型故障现象。如上关于绝缘宽松下线的描述，使得相邻铜股线上绑扎很好的绑带层和外表面绑带层，有时堵住了定子铁心的冷却通风沟（见第8.2节）。因为绕组中的铜温上升速度比铁心快，温度也高于铁心温度，随着电机每次起动和停机，或者有着较大负荷的循环波动，主绝缘将承受剪切应力和微小的移位而产生故障。这种故障结果被称为绑带分离或周向开裂，在1940—1960年间曾导致大量的发电机事故。我们后面还要谈到，正是材料和绝缘方法的历史发展，导致了目前正在使用的定子主绝缘结构存在许多现代特有的多样性。

胶合云母箔绝缘结构是与沥青云母绝缘结构同时诞生的。胶合云母最先用于高压线圈的包封板和制作成型的绝缘元部件。早期出现的常见结构，是把洁净的白云母剥片用天然虫胶与精制纸支撑材料黏结为一体。20世纪50年代至60年代的胶合云母箔绝缘结构通常采用玻璃布和相当于B级的环氧漆（见第3.4.2节）制成板材产品。市场上供应的胶合云母箔通常是大约1m宽的卷材，而不是切割成带状。胶合云母箔绝缘结构与沥青云母绝缘结构具有许多相同的性质和缺陷。