如何提高电场强度？

如图4.1所示，在过去100年间电动机和发电机在单位重量的输出功率方面一直在增加，原因之一是在同样的运行电压下主绝缘厚度变薄。Emery提供的数据显示，在相同的运行电压下（文中未具体说明），主绝缘厚度从1911年的15.11mm减少到100年后的2.5mm^[37]。当然这种横穿绝缘电场强度的增加，也加大了因制造带来任何空隙中的PD而导致绝缘劣化的危险（第1.4.4节）。过去十年间主绝缘厚度减薄可部分归因于下列因素：

1）使用更好的材料和工艺，减少主绝缘中空隙的大小和数量。

2）胶带的厚度更均匀一致，使得同一批次的绑带厚度较薄，减少了因厚度不均匀而增加包绕层数的必要性。另外，包绕机质量提升使得包绕拉力均匀叠压一致，包绕参数偏差更小。

3）增加主绝缘中云母的含量百分比，增强了抗PD性能。

4）开发出能够抗PD的新材料，通过提高其在主绝缘中的使用比例来提高电压耐久性能。(www.xing528.com)

前两个因素已经在第3、4章进行了介绍，且依然是以后努力的方向。一种增加主绝缘中云母含量的方法，不是用第4.3.1节介绍的平板玻璃，而是在云母纸带中使用热塑膜代替玻璃布基底材料。在这种云母纸带中，热塑膜的厚度只有原玻璃布基底材料的，薄到约0.0065mm。最初，广泛使用的是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜，这是因为在旋转电机绝缘中有成功使用聚酯的长期历史。后来到20世纪90年代末，随着聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）取得商业应用以后，由这种热稳定性能更佳的PEN制作的新型聚酯薄膜，在一些应用场合就代替了PET薄膜。与PET薄膜相比，杜邦生产的商标名为Kaladex^TM的PEN薄膜，模数更高，玻璃转化温度T_G提高了42℃，硬度提高了25%，平均电气强度提高了25%。这些特性使PEN薄膜成为云母纸更理想的加强层，并且还可以通过在薄膜中添加少量百分比的增强填料进一步改善薄膜性能。正如前面讨论过的，这种薄膜基材的云母纸胶带绝缘中的云母含量更高，并且绝缘的热传导性能更好，而且还增强了抗PD性能。薄膜中还可以添加热传导和（或）抗局部放电的填料。在膜中使用亚微细粒的金属氧化物，例如氧化铝，已经获得了很好的效果，并且结合采用环氧树脂和云母纸，可改善主绝缘性能^[38]。当这些填料用于漆包绝缘时，还可以提高电磁导线匝间或股间绝缘的抗局部放电性能^[10]。

基于20世纪70和80年代发生过的事故经验，有些北美电力公司限制在高压发电机绕组中使用薄膜绝缘。但这些绝缘事故或故障中的大多数更像是由于不良的线圈工艺引起的，而非单纯因采用了薄膜绝缘。通过对这些绝缘早期失效所进行的详细研究，加上浸漆效果测试手段的改进，使得真空和浸满树脂工艺得到了显著的改善，基本消除了膜基绝缘本身的问题。

另外一种可提高热传导性和抗PD性能的方法是使用纳米材料^[39]。纳米材料有可能引发一场重大技术变革，效果可与20世纪50年代引入热固性聚酯材料相媲美。直径大约只有纳米的材料（通常是金属氧化物）掺杂在聚酯母材中。在理想情况下，这种材料可以代替目前主绝缘结构中使用的云母以及合成材料。直到现在，笔者只了解到在一种成型线圈主绝缘上准备应用纳米材料。西门子公司已开发出一种VPI环氧树脂，内部充满了经处理过的二氧化硅纳米材料，用它来浸渍云母纸带。这种新型VPI树脂在进行电压耐久试验时显示出更长的寿命^[40]。使用这种新材料制作的实用线圈有望很快面世。总的说来，在高压主绝缘结构中使用纳米材料的研究，脱离开实验室还比较难于实施，这或许是因为很难达到使密度适当的纳米颗粒在材料中均匀分布。

绝缘中电场强度最高的部位是股线或匝线束的拐角处，此处它们与主绝缘搭接。若产生绝缘老化或存在制造缺陷，此处最易发生局部放电。大多数未加填料的薄膜绝缘中存在微小的空隙，这可能是新绝缘在制造过程中产生的，或者随材料的热老化产生的，绝缘将不能抵御气隙中的局部放电。因此，在20世纪90年代初，杜邦公司推出了基于GE专利^[10]的抗局部放电聚酰亚氨薄膜，商标名为Kapton CR^TM。聚酰亚氨膜与非煅烧型云母结合，就能提高电场强度性能，并且具有极好的介电性能和长期的热稳定性^[38]。纳米材料可能也能达到这种应用效果。