作为发电系统的重要部件，定子绕组受机械应力及环境等多重因素作用，容易导致主绝缘（目前主要是树脂云母带绝缘体系）损伤，从而给发电机定子绕组安全运行带来隐患，造成经济损失[1-5]。高压电机主绝缘的修复对于电机安全运行尤为重要。目前对高压电机主绝缘的修复主要使用热固化工艺[6-8]。王立军等[9]采用热固化技术对定子线圈进行修复，在线圈修复过程中固化温度为140 ℃保温18 h，修复后满足发电机短期安全运行的要求。但热工艺存在一些问题：（1）固化速率慢，常需要几个小时甚至几十个小时才能完成固化；（2）修复效果差，大部分树脂基复合材料传热效率较慢，因此在材料内部容易形成温度梯度，造成树脂的固化速率及固化度不同；（3）不适于现场作业[10-12]。紫外光固化具有固化速率快、节约能源、环境友好、设备简单等优势[13-16]，有可能用于绝缘快速修复。环氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯是常见的两种自由基光固化树脂,具有固化速率快、绝缘性好、硬度高、耐化学性好、成本低等优点[17]。刘博等[18]采用紫外光固化工艺制备双酚A环氧树脂浇铸体，此浇铸体具有低的固化收缩率和良好的力学性能，而相对于传统热固化明显缩短了固化时间。韩琳琳等[19]使用聚氨酯丙烯酸为树脂基体，研究表明：该UV固化膜具有较好的拉伸性能、柔韧性、耐冲击性和阻尼硬度。本实验以环氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯为树脂基体，云母带为填料，使用紫外光固化技术替代传统的热固化技术对复合绝缘材料机械损伤进行修复，使其可以在室温和低温下进行固化。1实验部分1.1主要原料环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、双官能度稀释剂、三官能度稀释剂，工业级，江苏三木集团有限公司；光引发剂，工业级，德国良制化学（中国）有限公司；环氧树脂、云母带，工业级，东方电气集团东方电机有限公司。1.2仪器与设备热重分析仪(TG)，STA449-F3，德国耐驰仪器有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Bruker-Vector-22，德国Bruker公司；电压击穿试验仪，LJC-50E、体积表面电阻率测试仪，ZST-121，北京中航鼎力仪器设备有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-6510LV，日本电子美国公司。1.3样品制备树脂的配制以75份的环氧丙烯酸酯树脂和25份的聚氨酯丙烯酸酯树脂为标准，混合并作为树脂基体，加入30%的活性稀释剂和2%的光引发剂，搅拌均匀后置于电热恒温鼓风干燥箱，80 ℃下避光静置30 min（除去气泡）。将云母带剪成段，将配制好的光固化树脂均匀涂抹在云母带上，并层层堆叠，放置在紫外光固化机下，按照固化工艺要求进行光固化，制成紫外固化样品。采用常见的热固化环氧树脂，在180 ℃，加压2 h制作10 cm×10 cm的热固化树脂样品。1.4性能测试与表征TG分析：N2气氛，测试范围为室温~800 ℃，升温速率10 ℃/min。FTIR分析：测试范围为500~4 000 cm-1。固化度测试：使用索氏抽提器测试云母带-树脂复合绝缘材料的固化度，计算公式为[20]：固化度=1-m1-m2m1×ωr×100% （1）ωr=m3-m4m3+m4 （2）式（1）、式（2）中：m1为固化后树脂质量，g；m2为抽提后树脂的质量，g；m3为树脂基体的质量，g；m4为填料的质量，g；ωr为样品中树脂所占比例。电气性能测试：在(23±2) ℃条件下，体积电阻率和表面电阻率按GB/T 31838.2—2019进行测试、电气强度按GB/T 1408.1—2016进行测试。SEM分析：对样品喷金处理，观察样品表面形貌。2结果与讨论2.1热稳定性分析图1是树脂基体光固化产物TG曲线。从图1可以看出，100~350 ℃时，试样有少量的质量损失，损失率为5.821%，产物失重主要由于吸附的水分挥发及未参与反应组分如单体、引发剂等小分子物质分解。当温度超过350 ℃，试样开始出现明显的质量损失，直至500 ℃，损失率达82.671%。随着温度的继续升高，试样进一步分解，500~800 ℃之间失重率为6.474%。光固化产物在350 ℃下热稳定性良好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.F001图1树脂基体光固化产物TG曲线Fig.1TG curve of resin matrix photocuring product2.2固化时间分析云母带透光性不好，对固化速率有影响，本文对树脂固化时间进行研究。表1为纯树脂和云母带-树脂的固化情况。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.T001表1纯树脂和云母带-树脂的固化情况Tab.1Curing of pure resin and mica tape-resin固化情况固化时间/s51015202530纯树脂没完全固化没完全固化，表面粘黏完全固化完全固化完全固化完全固化云母带-树脂没完全固化没完全固化没完全固化没完全固化，表面粘黏完全固化完全固化从表1可以看出，纯树脂在15 s可完成固化，表面无粘黏情况。云母带-树脂在25 s可完成固化，且表面无粘黏的情况。表面粘黏的现象是自由基在固化的过程中，在链引发和链增长的阶段，氧原子与自由基进行竞争，氧原子与单体作用时抑制自由基聚合，形成严重的氧阻聚作用[21-22]。2.3FTIR分析图2为光固化树脂的FTIR谱图。从图2可以看出，810 cm-1处吸收峰指认为C=C弯曲振动吸收峰，1 634 cm-1处吸收峰为C=C伸缩振动吸收峰。在1 455、1 506、1 580和1 612 cm-1处吸收峰为苯环的特征谱带。在1 731 cm-1处的吸收峰为酯羰基特征峰。在840 cm-1处的吸收峰为双酚A骨架特征峰。在3 459 cm-1处的吸收峰为N—H伸缩振动吸收峰。固化时间为5 s时，位于810 cm-1处C=C的吸收峰没有完全消失，说明没有完全固化。当固化时间为15 s和30 s时，位于810 cm-1和1 634 cm-1处C=C的吸收峰消失，光固化树脂的固化程度较5 s时有所提升。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.F002图2光固化树脂的FTIR谱图Fig.2FTIR spectra of light-cured resins2.4一次性固化层数分析图3为不同云母带层数下云母带-树脂样品固化情况。从图3可以看出，当光照时间一定时，云母带可一次性固化5层。当云母带为6层时，云母带底部的树脂不能完全固化，有少量残留的液态树脂。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.F003图3不同云母带层数下云母带-树脂样品固化情况Fig.3Solidification of mica tape-resin samples under different layers of mica tape2.5固化度分析考虑到云母带的透光性不好，分两次对云母带进行固化，并测试其固化度，研究云母带固化方式对其固化度的影响。表2为云母带固化方式与固化度的关系。从表2可以看出，方案1的固化度为89.4%。方案6的固化度较低，只有77.4%。根据方案6固化的条件，两次固化共25 s，相较于其他固化方式，其固化时间总时长最少，光照时间不够，导致其固化度最低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.T002表2云母带固化方式与固化度的关系Tab.2Relationship between curing mode and curing degree of mica tape序号固化方式固化度/%方案1一次性固化25 s89.4方案2先固化5 s，后固化30 s92.3方案3先固化10 s，后固化30 s92.0方案4先固化5 s，后固化25 s89.6方案5先固化10 s，后固化25 s92.6方案6先固化5 s，后固化20 s77.4方案7先固化10 s，后固化20 s90.22.6电气性能分析按固化方式不同，分两次固化，研究固化方式对云母带-树脂的电气性能的影响。绝缘材料的电气强度随温度和水分含量而变化，试样应在温度为(23±2) ℃、相对湿度为(50±5)%条件下，试验电压由0开始匀速上升至击穿发生[23]。图4为云母带固化方式与击穿场强的关系。从图4可以看出，方案5的试样击穿场强最高，为23 kV/mm。其他固化方式均未达到18 kV/mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.F004图4云母带固化方式与击穿场强的关系Fig.4Relationship between solidification method of mica tape and breakdown field strength电阻率是反应材料对电流阻碍作用的属性，电阻率越小，材料泄漏电流增加，材料内部发热老化，使材料的绝缘性能降低[24]。云母带固化方式不同，其体积电阻率和表面电阻率也不同。为测定体积电阻率和表面电阻率，使用第三电极抵消表面和体积效应引起的误差。将试样放在金属屏蔽盒里，用定位块在被保护电极和保护电极之间定位，两电极之间不能互相触及，然后将定位块移走，将绝缘电阻测量仪分别连接至测量电极和保护电极，施加规定的直流电压，测定试样表面的被保护电极和不保护电极间的电阻[25]。图5为云母带固化方式与表面电阻率的关系。从图5可以看出，方案1表面电阻率最高，为3.34×1014 Ω；其次是方案5，表面电阻率为2.74×1014 Ω。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.F005图5云母带固化方式与表面电阻率的关系Fig.5Relationship between curing mode of mica tape and surface resistivity按照GB/T 31838.2—2019的规定，使用一个固定的电化时间如1 min后的电流位计算体积电阻率。图6为云母带固化方式与体积电阻率的关系。从图6可以看出，方案4体积电阻率最高为3.94×1015 Ω·m；其次是方案2和方案3，其体积电阻率分别为1.16×1015 Ω·m和1.05×1015 Ω·m。方案5的体积电阻率为1.54×1014 Ω·m。电阻率测试结果受杂散电流和环境等因素影响较大，各种杂散电流导致测试结果波动大，故表面电阻率和体积电阻率测试结果波动较大[26-27]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.F006图6云母带固化方式与体积电阻率的关系Fig.6Relationship between curing mode of mica tape and volume resistivity综合考虑电气性能，其电场强度只有方案5的试样达到18 kV/mm，其余固化方式均未达到要求，体积电阻率所有试样均达到了1×1014 Ω·m以上，表面电阻率所有试样均达到了1×1012 Ω以上，因此选择方案5的固化方式对云母带进行多次固化。2.7SEM分析图7为紫外光固化和热固化下云母带-树脂复合材料拉伸断口的SEM照片。从图7a可以看出，复合材料断口处云母层在树脂中有少量脱落并有少量纤维拔出，断口处拔出纤维上表面光滑，黏附有少量树脂，表明树脂基体对云母带起一定的黏接作用。从图7b可以看出，热固化下云母带-树脂复合材料形貌总体上与紫外固化工艺制得的复合材料相同，但其断口云母层脱落较少，拔出的纤维明显黏附更多的树脂，表明与紫外固化工艺制备的复合材料相比，热固化工艺制备的复合材料中云母带与树脂基体间的结合更好。图7紫外光固化和热固化下云母带-树脂复合材料拉伸断口的SEM照片Fig.7SEM images of tensile fracture of mica tape-resin composites under UV and thermal curing10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.F7a1(a)紫外光固化10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.F7a2(b)热固化2.8模拟修复复合绝缘材料使用四棱柱冲头引入缺陷，将有缺陷的树脂去除干净，使用紫外光固化的方式进行修复。图8为复合绝缘材料的修复示意图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.F008图8复合绝缘材料的修复示意图Fig.8Repair schematic of composite insulation material对修复后的样品进行电气性能测试，表3为测试结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.009.T003表3模拟修复复合绝缘材料电气性能Tab.3Electrical performance of simulated repair composite insulation material电气性能测试热固化绝缘材料光固化修复绝缘材料性能指标击穿场强/（kV·mm-1）2419≥18表面电阻率/Ω6.01×10142.87×1013≥1012体积电阻率/（Ω·m）1.03×10151.11×1014≥1014从表3可以看出，光固化修复复合绝缘材料的击穿场强、表面电阻率以及体积电阻率都不及无损伤的热固化绝缘材料样品，但光固化树脂修复后的电气性能均高于其性能指标，光固化修复绝缘材料电场强度均达到18 kV/mm以上，体积电阻率均达到了1×1014 Ω·m以上，表面电阻率均达到了1×1012 Ω以上。光固化技术在定子绝缘快速修复中应用具有可行性。3结论（1）采用紫外光固化技术制备云母带-树脂绝缘材料，可在25 s内完成固化，相较于传统热固化，明显缩短了固化时间。云母带-树脂复合绝缘材料可一次性固化5层。（2）云母带透光性不好，为了能够修复更深的缺陷，需要进行多次固化，对云母带进行两次固化，其方案6的试样固化度最低，仅为77.4%；其余两次固化试样的固化度均可达到89％以上。（3）采用紫外光固化工艺制备的云母带-树脂复合绝缘材料具有良好的电气性能，在两次固化中，方案5的固化方式其综合性能最好。修复复合绝缘材料的尝试中，其光固化修复复合绝缘材料的电气性能不及无损伤的热固化树脂的电气性能，但是均达到了性能指标要求，使紫外光固化技术运用于复合绝缘材料的修复成为可能。紫外光固化速率快，维修成本低，固化设备也很简单，因此这种固化修理模式也适于外场复合材料的快速修理。