玻璃纤维制品在电机绝缘中的应用

闫勇奇

摘 要：玻璃是典型的离子型非晶体介质，它的结构主要由SiO₂和B₂O₃构成，具有近规则的点阵网（或微晶），很纯净的玻璃中，只有电子及离子位移极化，介电常数（ε_r）与折射率（n²）近似相等，且ε_r随温度的变化很小，因此，玻璃具有良好的电气绝缘性能，越来越多的被用于电机绝缘。

关键词：无碱玻璃纤维 绝缘介质 极化 处理剂

1前言

玻璃纤维（英文原名为：glass fiber）是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。玻璃纤维布有良好的VPI处理能力，经VPI处理后，憎水性优异，耐磨性能极大的提升，适合于电机绝缘中的外包绝缘、云母纸补强衬垫以及绑扎绳，浸半固化绝缘漆后，可制成无纬带，广泛用于C级绝缘。

2 电机绝缘结构应用

玻璃作为一种无机材料可以承受局部放电的侵袭，当用玻璃纤维作为机械增强型电气绝缘时，不是利用玻璃的电气击穿强度。玻璃纤维是圆型的，通常被损伤的有机聚合物所包围，将这种玻璃复合绝缘曝露于下一定时期，发现该绝缘的聚合物材料发生了腐蚀，而玻璃无损伤，这种复合绝缘的电击穿强度仅仅取决于聚合物 。当用玻璃纤维补强线圈绝缘用云母带时，由于是用连续迭包形式 ，从而使云母能达到最好的耐局部放电性和显著提高击穿强度 。

玻璃纤维还作为绝缘结构外包绝缘使用，因其进行绝缘浸漆处理后，具有良好的耐磨性，较高的硬度，结构致密、耐化学腐蚀性能优秀、耐风沙性优秀，从而作为绝缘结构的外包绝缘，在电机运行过程中，抵抗外界环境对绝缘结构的影响。

3 影响电气绝缘性能因素

1）处理剂的影响

虽然玻璃具有很好的化学惰性，但因玻璃纤维丝的表面积和体积之比很大，因此他们有可能遭受化学侵袭。刚拉成的玻璃纤维表面与水的亲合力很大，在集束、编织和其它处理等操作中会互相磨损，为减少损伤，新拉成的纤维通常涂以润滑剂，这种润 滑剂在制成股间绝缘后可从玻璃单丝上去除，然后再涂上表面处理剂。有各种各样的润滑剂和表面处理剂，表面处理剂的选择取决于与玻璃纤维一起使用的树脂或聚合物的类型，表面处理剂已被设计成既能与玻璃纤维表面化学键合，又能与多种常用树脂化学键合，涂上表面处理剂后能部分取代在玻璃表面因大气中的潮气而快速形成的水；表面处理剂的种类严重影响着绝缘结构的VPI性能，不同的处理偶联剂，具有不同的化学特性，在进行绝缘漆浸渍处理时，若处理剂与绝缘漆匹配性差，很大可能将影响绝缘漆的固化性能。

2）碱金属氧化物的影响

无碱玻璃纤维又称E玻璃纤维，是指碱金属氧化物含量低的玻璃纤维。碱金属氧化物的具体含量，国内规定不大于0.5%，国外一般为1%左右。

在玻璃介质中存在一定量的与周围联系较弱的带点粒子，这些带电粒子在热运动时移动的距离与分子的大小可比，甚至更大。施加外电场将使带电粒子的混乱运动得到一些规则，结果在介质中建立起电荷的不对称分布，产生电矩。介质中联系较弱的带点粒子的这种分布是一种极化，它与热运动强度及温度有关，离子的运动被很大的势垒所限制。

在玻璃纤维制品中，以SiO₂和B₂O₃等为主体的并含有少量Na₂O、K₂O、Li₂O、CaO、Mg₂O等金属氧化物的无机玻璃中，Na⁺、K⁺、Li⁺等易成为弱联系离子，他们在具有高低势垒（μ′、μ）能级图尚未势能最低位置（A、B、C等）上做热运动，如图1所示，当离子的热运动足以克服低势垒μ而又不能越过高势垒μ′时，他们就被束缚在两个高势垒μ′之间的区域内运动。现研究离子在两个相邻位置A、B之间的运动。

图1 无机玻璃中弱联系离子的局部势垒能级图

假定势垒高度为μ，而离子两相邻平衡位置之间的距离为δ，如图2所示。离子要发生迁移，必须具有能克服局部势垒μ的热运动能。根据玻尔兹曼统计，参加热运动的粒子的能量大于等于μ的概率为 ,其中T为热力学温度，k为玻尔兹曼常数，在固定位置，如图2所示的A、B位置，离子的振动频率为v。没有外电场时，离子以不同方向经过局部势垒发生迁移的概率相等。在单位时间和单位体积内沿X轴正方向经过势垒转移的离子数相等。

图2 弱联系离子的势能曲线

实线-未加电场 虚线-沿x轴正方向施加电场

实际上，由于热运动的混乱性，可认为沿空间内相互垂直的3个轴线中任意一个运动的离子是弱联系离子总数n₀的1/3，而着其中一半即n₀的1/6沿X轴的正方向运动。经过势垒μ的“试”跳数等于n₀v/6，因为振动离子在X轴正方向每秒运动v次，在所有这些试“跳”中，只有离子的运动能等于或者大于μ的那些才能成功，也就是说，实际跳过势垒的离子数应为n

₀v/6再乘上 [1]。没有外电场时，从位置A转移到位置B和反方向从B转移到A的离子数相等，所以离子分布均匀，介质不呈现宏观偶极矩。

假定沿X轴正方向加上电场E，介质中的能阶发生变化，离子在电场中的势能随距离做线性变化，总势能变为原来势能曲线与斜直线相加的结果。如图2中的虚线所示。此时，离子A迁移到B和由B迁移到A需要克服的势垒分别变为μ-Δμ和μ+Δμ，所以玻璃纤维中含碱金属氧化物时，介质极化损耗加大，在较低电压下，就会引起绝缘结构较大的介质损耗角正切值。

4 结论

本文详细介绍了玻璃纤维制品在电机中的应用，以及从物质结构出发，研究处理剂及以及碱金属氧化物对玻璃纤维制品电气绝缘性能影响，证明，碱金属氧化物对电机绝缘结构

参考文献

[1]曹晓珑，钟力生.电气绝缘技术基础, 2009.12;28

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