绝缘纸的性能及Nomex绝缘纸的特性和应用

肖鹏远焦晓宁

(1.天津工业大学纺织学院，天津，300160;2.天津工业大学改性与功能纤维天津市重点实验室，天津，300160)

绝缘纸的性能及Nomex绝缘纸的特性和应用

肖鹏远1焦晓宁2

(1.天津工业大学纺织学院，天津，300160;2.天津工业大学改性与功能纤维天津市重点实验室，天津，300160)

论述了绝缘纸在机械性能、热稳定性和电气性能等主要性能方面的要求，重点分析了采用Nomex制成的绝缘纸的性能优势，并比较了Nomex绝缘纸和几种国产绝缘纸的功能。

绝缘纸，性能，应用，Nomex

绝缘纸通常是由植物纤维、矿物纤维、合成纤维或其混合物，通过水或其他介质将纤维沉积在造纸机上而形成的薄页状材料。绝缘纸具有高的抗撕裂强度、伸长率小、绝缘性好，因此广泛用作电机、电缆、电容器和变压器中的绝缘材料，也是层压制品、复合材料和预浸材料等绝缘材料的主要组成材料［1］。

纸作为电气设备的绝缘材料已有悠久的历史，表1是绝缘纸用材料的发展历程。早在1861年人们就已经用纸作为电容器的介质，1893年开始用作电缆的线芯绝缘［2］，绝缘纸在电工设备中，如电机、变压器、电缆和电容器中都有着非常广泛的用途。绝缘纸的性能直接影响到相关设备的运行可靠性和使用寿命。

传统的以植物纤维为原料的各种绝缘纸如快巴纸、牛皮纸等，最大缺点是耐热性差，其最大耐温极限为105℃。当绝缘纸处在高温环境中时，纤维素分子链会逐渐断裂降解，从而使绝缘纸的机械强度急剧下降;吸湿性大，水分不易排出，极易受潮，影响绝缘性能;介质损耗角正切值大，容易老化，满足不了电工设备耐高电压、大容量、耐高温和耐环境因素影响的要求。同时，植物纤维造纸要消耗大量的木材、棉花和麻等。矿物纤维造纸因在开采和造纸过程中粉尘大，对操作工人的健康有影响已停止使用，有的矿物纤维在造纸时需添加胶黏剂，使用不普遍。长期以来，我国电机工业以云母等为主要绝缘材料，由于云母等材料的耐热性能差，绝缘层厚度大，因此制成的电机功率较小，体积较大，并且大部分电机是E级和B级绝缘(长期工作温度分别为120℃和130℃)。若要制造F级或H级电机(长期工作温度分别为155℃和180℃)，则由于采用的云母纸厚度较大，机械强度差，所制成的电机体积较大，功率还是较小，电机的可靠性较差［2-5］。

表1 绝缘纸用材料发展历程

近年来随着电力行业的发展，现代发电设备与输电设备向高压大容量发展，伴随着世界科学技术的飞跃发展，研发和生产出了多种高性能合成纤维并应用于造纸工业上，如聚酯纤维纸、聚芳酰胺纤维纸、聚砜纤维纸、聚噁二唑纤维纸等，成功地应用在电瓶、变压器、电容器等电气设备上，特别是芳纶绝缘纸的应用最为普遍和成功。

1 绝缘纸的性能要求

由于绝缘纸的特殊用途，要求其必须具备一些不同于其他纸种的特性，主要包括机械性能、电气性能和热稳定性［6］。

1.1 机械性能

绝缘纸在使用过程中会受到各种外力的影响，如高压大容量发电机所用的绝缘纸要能承受高速旋转、起动停止以及突然短路造成的很大机械应力，因此要求有较高的机械性能，主要包括抗张强度和断裂伸长率。不同的电气设备对绝缘纸的要求不同，如电力电缆绝缘纸一般用于额定电压不高于35kV的电气设备，GB 7969—2003标准对其机械性能的规定见表2;500 kV变压器匝间绝缘纸主要适用于额定电压不大于500 kV的变压器、电抗器等匝间绝缘，QB/T 3521—1999标准对其机械性能规定见表3。

表2 电力电缆绝缘纸机械性能指标

表3 500 kV变压器匝间绝缘纸的机械性能指标

1.2 热稳定性

热稳定性是绝缘纸很重要的一个指标，是产生低压绝缘老化的一个主要因素，决定其使用寿命。在正常运行情况下，电场强度对绝缘老化过程仅产生轻微的影响。绝缘纸长时间在温度比较高的环境下使用，会因热老化而发脆，逐步丧失其机械性能和电气性能。国内外许多学者采用加速老化的方式对绝缘纸的热老化进行了研究［7］，通过采用原子力显微镜及光谱分析等方式［8］发现绝缘纸在热应力的作用下，纤维形态及分子结构受到破坏，聚合度降低，抗张强度下降［9］。国际电工委员会(IEC)绝缘系统技术委员会(TC98)根据绝缘纸的使用寿命，把电机绝缘系统按耐热性能分类为Y、A、E、B、F、H、C、N和R等9级，对应极限温度分别为90、105、120、130、155、180、200、220和250℃。

1.3 电气性能

绝缘纸广泛应用在电气设备上，因此需满足一定的电气性能。绝缘纸的电气性能是指其在电场作用下发生的极化、电导、介质损耗和击穿特性。

电介质在电压作用下会有能量损耗，人们一般习惯用电介质损耗角正切tanδ来描述电介质的损耗，tanδ仅取决于材料特性。tanδ值越高，则电介质引起的损耗就越大，可能会引起电介质剧烈发热而导致绝缘破坏，因此在高电压电气设备中要选取低tanδ值的绝缘纸材料。绝缘纸的电导性和介质损耗受杂质和水分的影响非常大。当绝缘纸中杂质和水分的含量多时，其绝缘电阻值会增大，尤其当含有金属离子时会增加纸的绝缘损耗［9-10］。

当作用于电介质的外施场强升高到某一定值时，电介质便由介电状态突变为完全导电状态，该过程称为电介质击穿，此时的电场强度称为击穿场强，也称击穿强度。绝缘纸的击穿强度受其紧度和透气度的影响最大。紧度过大或过小都会降低绝缘纸的击穿强度，当紧度相同时绝缘纸的透气度越小，其击穿强度越大。

绝缘纸的各项性能是相互关联的，不能分开孤立地看。在选用和开发材料的过程中，要综合地平衡各种材料的优缺点。此外，要制造出具有电气性能良好的的绝缘纸，在生产过程中还要尽量避免金属离子等杂质和气泡、水分的存在，并且绝缘纸要具有较高的均匀性。应用在不同场合和设备上的绝缘纸有不同的规格，如适用于层压绝缘制品面密度为60 g/m2的未漂浸渍绝缘纸，其工频击穿电压为550 V/层，水分含量5.0%～8.0%，灰分含量不大于0.8%;适用于500 kV级油纸电容式套管用绝缘纸，其干纸tanδ不大于0.23%，工频击穿强度不小于7.5 kV/mm，水分含量6.0%～9.0%。

由于电机应用在不同的环境中，如有在湿热带条件下运行的电机，有在放射性辐射下运行的电机，化工厂用电机经常会接触高浓度的腐蚀性化学介质，船用或沿海地区使用的电机要接触海水盐雾等，绝缘纸的寿命会受到不同环境条件的影响，因此绝缘纸还要满足一定的物理化学性能要求，如耐日光、紫外线和X光等照射，耐酸、碱等其他腐蚀性气体，防潮、抗老化和抗氧化等。此外，由于绝缘纸是在直流或低频电压作用下使用，其耐电解性能也是一项重要的指标。

2 Nomex绝缘纸的特性及其应用

1960年美国杜邦公司研制生产出了属H级绝缘的耐高温材料诺梅克斯纤维纸(Nomex绝缘纸)。1967年真正形成了Nomex绝缘纸工业化生产规模。由于Nomex绝缘纸的出现，在电工用耐高温绝缘材料领域引起了一场变革［11］。

Nomex绝缘纸是以聚间苯二甲酰间苯二胺短纤维和沉析纤维(也即浆粕)为原料，采用斜网成型湿法抄纸，随后干燥热轧得到Nomex绝缘纸［12］。聚间苯二甲酰间苯二胺是由酰胺键间芳香环所构成的线性大分子，其短纤维提供机械强度;沉析纤维提供介电强度，起填充剂和胶黏作用。沉析纤维是Nomex绝缘纸的重要原料，也是生产Nomex绝缘纸的一个重大难点［13-14］。

2.1 Nomex绝缘纸的性能

Nomex绝缘纸广泛应用于F、H级电机，具有良好的热稳定性、电气性能、机械强度、化学兼容性和适应性等特性。

2.1.1 热稳定性

Nomex绝缘纸最重要的特性是长久热稳定性，即使温度超过220℃依然能保持良好的稳定性，在液体冷却介质中高温运行不会裂解，在正常工作状态下，该绝缘纸可耐受180℃温度(变压器中普通绝缘纸为A级绝缘，耐受温度105℃)，在180℃下可使用10年以上，使用寿命高于工业用有机耐高温纸［15］。Nomex绝缘纸在200℃干热状态下放置1 000 h，机械强度保持率为75%;在120℃湿热状态下放置1 000 h，机械强度保持率仍有60%以上;在370℃以上分解出少量CO2、CO和N2气体［16］。

2.1.2 阻燃性能

Nomex绝缘纸的阻燃性很好，极限氧指数(LOI)≥28%，不会在空气中燃烧、熔化或产生熔滴，而只在极高的温度下(>370℃)才开始分解。Nomex的阻燃性能是由其自身化学结构决定的，不会随着使用过程的进行而减弱或消失。从分子结构上看［17］，由于聚合物的主链上含有大量芳基，在燃烧时可缩合成芳构型碳，产生的气态可燃性产物少，而碳不仅本身的LOI值高达65%，而且形成的炭层能覆盖于燃烧着的高聚物表面使火焰熄灭。

2.1.3 电气性能

Nomex绝缘纸具有优异的电气特性。与一些常用的绝缘材料相比，Nomex制品的介电常数为1.5～2.5，与空气的介电常数接近。当冷却介质为空气时，Nomex绝缘纸与冷却介质间的电场分布较为均匀，故使用Nomex制品作绝缘系统的高压电机和变压器具有较高的抗大气过电压和内部过电压能力。结构致密的Nomex绝缘纸在短时间内可以承受18～40 kV/mm的电应力，具体取决于其型号及厚度［18］。在工频电压下，Nomex绝缘纸具有出色的介电强度，并且介电损耗也较小，故在用作绝缘材料时电机消耗的电量不多，发热量少，可以减少材料因过热而发生的击穿现象，不易老化。

2.1.4 机械性能

致密的Nomex绝缘纸强度非常高，且弹性好，较薄级别的产品则具有柔软性。Nomex绝缘纸的抗撕裂性和耐磨性都很好。

2.1.5 化学稳定性

Nomex绝缘纸的分子是由酰胺桥键互相连接的芳基所构成的线性大分子，在其晶体中氢键在两个平面内排列而形成氢键的三维结构［19］。由于较强的氢键作用，使之结构稳定，具有优良的耐化学性，能耐大多数高浓度的无机酸、有机溶剂和化学试剂。

2.1.6 耐辐射性

Nomex绝缘纸耐β、α和X射线辐射的性能十分优异。例如在50 kV的X射线下辐射100 h，其强度保持率为73%，而聚酯和聚酰胺纤维产品在同样条件下已经变成粉末;在β射线辐射量积累到1 000 Mrad时，其强度仍基本保持不变。

Nomex具有很多优良的性能，但同时也存在不足。例如，耐光性较差，在人工紫外线或日光照射下，纤维外观会变为深青铜色(固有色泽是白色); Nomex的热缩性也是个不容忽视的问题，在实际应用中由于Nomex绝缘纸受热收缩会引起相应设备发生故障［20］。

2.2 Nomex绝缘纸的分类

为了适应不同的用途，杜邦公司不断开发新型号的Nomex绝缘纸，并不断进行改性，其生产的型号主要有9种，列于表4。

2.3 Nomex绝缘纸的应用

2.3.1 电动机和发电机中的应用

Nomex绝缘纸广泛地应用在发电机和电动机等转动设备中，其具体应用包括做导线包纸、槽绝缘衬、楔块中部和顶部的撑条、相绝缘、极片和线圈支架、整流子V形环、引线绝缘和对地绝缘。如厚度为0.18～0.38 mm的Nomex T-410及T-414由于柔软易于成型，可方便地插入作为槽绝缘衬;厚度0.51～0.76 mm的Nomex绝缘纸的硬度特别适合于槽楔、顶棒及中棒。

表4 杜邦公司生产的Nomex绝缘纸种类

Nomex绝缘纸应用于发电机和电动机中用作接地绝缘时，可以防止电动机过早损坏及设备停机。由于Nomex优异的耐热性能，可以使电动机有时由于某些原因而遇到温度大大高于其设定的额定值的情况下仍能保持良好运转。由于Nomex绝缘纸耐撕裂，可使无规则绕组电动机的槽绝缘衬在线圈绕组和成型时不易受损。

2.3.2 变压器中的应用

Nomex绝缘纸广泛地应用于各种变压器，可用作导线包纸、层绝缘、相绝缘、芯线绝缘、线端绝缘、静电环、撑条和垫块等。由于Nomex具有优异的性能，以Nomex绝缘的变压器与普通变压器相比，具有很多的优点:①Nomex为C级绝缘材料，可以减少变压器的冷却空间，使变压器的结构更加紧凑，质量相应减少，既降低制造成本，又降低空载损耗;②普通变压器通过降低基座温度的升高量来补偿运行过程中的热点温度，因而增大了变压器的尺寸，而用Nomex绝缘的变压器具有很大的温度储备能力来承受热点，增强了变压器承受谐波负载的能力;③超铭牌额定容量运行能力强，不开裂;④Nomex优异的抗潮性使其可以在最潮湿的环境中应用;⑤环保性能好，使用Nomex绝缘纸的干式变压器燃烧时不会放出有毒或有腐蚀性的气体，在变压器寿命终结后其绝缘材料可处理降解。

3 几种国产绝缘纸

3.1 国产芳纶绝缘纸

国内芳纶绝缘纸市场曾长期依赖进口，其生产技术曾被美国杜邦公司长期独家垄断。为了打破国外技术垄断，我国自主研发制造了专用的纤维制造系统，利用独特的沉析技术生产出更适合湿纸页抄造成型的芳纶沉析纤维，利用先进的纺丝技术和纤维表面处理工艺制造出更易于分散的芳纶短切纤维，并在此原料基础上开发出独特的纤维分散、纸页抄造和高温压光技术，制造出性能优良的芳纶绝缘纸［16］。

实验对比发现［21］，我国自主生产的芳纶绝缘纸的各项性能已达到或接近于Nomex T-464型绝缘纸，且成本大幅降低。制造企业也可以根据客户的要求，独立地改变工艺或技术，生产出不同规格的产品。但与Nomex绝缘纸相比，国产芳纶绝缘纸仍存在以下不足:①成纸的均匀度不佳，热轧后更差;②耐热性不良，热轧后纸发黄;③强度不及Nomex T-410，无法满足高端用户的使用要求。

3.2 芳砜纶绝缘纸

芳砜纶即聚苯砜对苯二甲酰胺纤维，为对位芳香族纤维。我国科技人员在研制芳砜纶时创造性地引入了对苯结构和砜基，使酰胺基和砜基相互连接对位苯基和间位苯基构成线性大分子［22］。由于大分子链上存在强吸电子的砜基基团，通过苯环的双键共轭作用，使该分子的结构比Nomex具有更优异的耐热性、热稳定性与抗热氧化性。同时，芳砜纶绝缘纸具有优良的阻燃性、机械性能、绝缘性能和化学稳定性等。表5和表6列出了芳砜纶绝缘纸和Nomex绝缘纸的部分性能对比。

从表中可以看出，芳砜纶绝缘纸的电气性能与Nomex绝缘纸不分伯仲，尽管芳砜纶绝缘纸的机械性能与Nomex绝缘纸还有一定差距，但已达到IEC标准，且芳砜纶绝缘纸的耐热性、阻燃性和热稳定性还好于Nomex绝缘纸，因此目前市场上的芳砜纶绝缘纸已成为F级和H级电机和电器的重要绝缘材料。

表5 芳砜纶绝缘纸和Nomex绝缘纸的机械和热性能对比

表6 芳砜纶绝缘纸和Nomex绝缘纸的电气性能对比［11］

3.3 聚噁二唑/聚酯纤维绝缘纸

聚噁二唑/聚酯纤维绝缘纸采用聚噁二唑浆料与聚酯纤维混合抄制而成［23］，该绝缘纸单独或与电工薄膜复合后，可用于电机、电器中的衬垫绝缘、匝间绝缘、相间绝缘和槽绝缘。产品具有耐热性能好、电气性能优良及价格低廉等优点，并可部分代替Nomex绝缘纸，具有较好的发展前景，聚噁二唑/聚酯纤维绝缘纸的主要技术指标见表7。

表7 聚噁二唑/聚酯纤维绝缘纸主要技术指标

4 结语

绝缘纸对电力电气设备的稳定运行起着不可忽视的作用。今后的趋势是要求发展耐高压、耐热绝缘，无溶剂、无公害绝缘，复合绝缘，耐水、耐油、耐深冷绝缘和节能等高性能、环保型的绝缘纸，因此要大力加强新材料、新工艺的开发，增大创新力度，并积极加速传统电气设备绝缘纸的更新换代。

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The insulation paper’s properties and the performance and application of Nomex paper

Xiao Pengyuan1，Jiao Xiaoning2
(1.School of Textiles，Tianjin Polytechnic Universityl 2.Tianjin Key Laboratory of Fiber Modification and Functional Fiber，Tianjin Polytechnic University)

At the beginning of this thesis，several kinds of raw material used in insulation paper were introduced，and the main properties including mechanical properties，thermal stability and electrical properties were described.The advantages of Nomex insulation paper performances which contrasted with several kinds of domestic insulating paper were analysed in detail.

insulation paper，property，application，Nomex

TM215.6

A

1004－7093(2010)01－0031－06

2009－11－09

肖鹏远，男，1986年生，在读硕士研究生。研究方向是功能性非织造材料。