絕緣材料在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

許　廣（國網(wǎng)寧夏電力公司物資公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市 750001）

絕緣材料在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

許廣
（國網(wǎng)寧夏電力公司物資公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市 750001）

綜述了應(yīng)用于智能電網(wǎng)的環(huán)氧樹脂澆注材料、電纜絕緣材料、絕緣子材料、絕緣油、硅橡膠絕緣材料等在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)絕緣材料在智能電網(wǎng)中的發(fā)展方向及前景進(jìn)行了展望。開發(fā)新型環(huán)氧樹脂澆注材料和硅橡膠絕緣材料，以改善制品的抗污穢性能；優(yōu)化復(fù)合絕緣子的配比，提高絕緣子的污閃電壓；環(huán)氧樹脂絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮環(huán)氧固化物內(nèi)應(yīng)力釋放而造成的開裂問題，在復(fù)合絕緣子的基礎(chǔ)上，要不斷研發(fā)新的絕緣子材料；植物絕緣油的生產(chǎn)成本低、生物降解性好以及原料來源廣，添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┨岣咧参锝^緣油的理化性能，從而改善其抗氧化性能。

絕緣材料 環(huán)氧樹脂 智能電網(wǎng) 絕緣油

智能電網(wǎng)的建設(shè)促進(jìn)了我國相關(guān)的電氣電工技術(shù)的發(fā)展，并不斷帶動(dòng)新能源、智能裝備、新材料等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［1］。我國智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性階段，基本形成以特高壓為主干網(wǎng)架、交直流混合輸電的電網(wǎng)形態(tài)，逐步進(jìn)入能源資源優(yōu)化配置的全球能源智能時(shí)代。在智能電網(wǎng)的發(fā)展中，絕緣材料是電網(wǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，是長期穩(wěn)定運(yùn)行的重中之重［2-5］。

絕緣材料分為氣體絕緣、固體絕緣、液體絕緣材料。絕緣材料起源于歐洲，1910年，瑞士哈佛萊公司研制出高壓定子線圈作為絕緣材料。國外絕緣材料基礎(chǔ)及應(yīng)用研究一直處于領(lǐng)先地位，絕緣材料的研制和開發(fā)嚴(yán)重制約著我國電工技術(shù)的發(fā)展。隨著我國對(duì)科技與創(chuàng)新的大力投入，國內(nèi)絕緣材料的研發(fā)實(shí)力與日俱增。本文綜述了環(huán)氧樹脂澆注材料、電纜絕緣材料、絕緣子材料、絕緣油、硅橡膠絕緣材料等的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)絕緣材料在智能電網(wǎng)中的發(fā)展方向及前景進(jìn)行了展望。

1　環(huán)氧樹脂澆注材料

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異電氣性能、黏接性能、力學(xué)性能、耐化學(xué)藥品腐蝕性能，尺寸穩(wěn)定性好，加工性能佳，易與其他材料配合。環(huán)氧樹脂澆注材料是將環(huán)氧樹脂、固化劑和其他助劑在一定的條件下澆注到模具中，交聯(lián)固化成電工制品。目前，常用的加工方法有真空澆注法和常壓澆注法。智能電網(wǎng)高壓開關(guān)所用的環(huán)氧樹脂澆注絕緣制品要求電氣性能好，熱性能高，外觀完美，尺寸穩(wěn)定，通常采用真空澆注法成型，能有效去除澆注制品內(nèi)部和表面的氣隙和氣泡，減少內(nèi)部應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋等［6］。

莫海林等［7］制備的新型有機(jī)硅接枝環(huán)氧樹脂澆注材料在潮濕環(huán)境下疏水性較好且具有自清潔功能，可用于在惡劣環(huán)境中長期使用的電力設(shè)備。尹桂來等［8］按比例混合雙酚A型固態(tài)和液態(tài)環(huán)氧樹脂，用微米級(jí)α-Al2O3改性后制備了氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備用Al2O3改性環(huán)氧樹脂澆注材料，在10 mm/min的拉伸速度下，試樣的拉伸強(qiáng)度、彎曲應(yīng)力、儲(chǔ)能模量均得到提升。曾柏順等［9］采用Al2O3填充環(huán)氧樹脂-芳香胺制備了一種干式變壓器用環(huán)氧樹脂澆注材料，經(jīng)優(yōu)化后其固化物的性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂/酸酐-硅微粉澆注材料，所制環(huán)氧樹脂澆注材料的導(dǎo)熱系數(shù)為1.44 W/（m·K），負(fù)荷變形溫度為140 ℃，彎曲應(yīng)力為190 MPa，拉伸強(qiáng)度為96 MPa，沖擊強(qiáng)度為22 kJ/m2，用其制備的螺栓螺母嵌件經(jīng)-30～160 ℃冷熱沖擊10次不開裂。

2　電纜絕緣材料

與傳統(tǒng)的油紙電纜相比，交聯(lián)聚乙烯電纜具有耐高溫、結(jié)構(gòu)簡單、制造周期短、安裝維護(hù)方便以及輸電損耗低等優(yōu)點(diǎn)，在中低壓、高壓以及超高壓系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用［3］。交聯(lián)聚乙烯電纜是美國通用公司在1957年采用過氧化物交聯(lián)法制備的，1989年，瑞典、日本等國家也研發(fā)了該技術(shù)。目前，歐美國家已經(jīng)用交聯(lián)聚乙烯電纜代替了油紙絕緣的中低壓電纜。20世紀(jì)70年代初，交聯(lián)聚乙烯電纜在我國的應(yīng)用和發(fā)展良好。目前，中低壓線路基本都采用交聯(lián)聚乙烯電纜，而大部分中低壓交聯(lián)聚乙烯電纜已經(jīng)在國內(nèi)生產(chǎn)。國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯電纜的電壓等級(jí)最高可達(dá)500 kV，但超高壓電纜制造設(shè)備和原料仍需國外進(jìn)口［4］。

近年來，國內(nèi)對(duì)于電纜的研究主要集中在高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜、智能電網(wǎng)用光纖復(fù)合低壓電纜和高電壓電纜用非線性絕緣材料。朱曉輝等［10］研究了實(shí)際運(yùn)行年限分別為2，5，9，12年的220 kV交聯(lián)聚乙烯電纜的介質(zhì)損耗因數(shù)頻譜、氧化誘導(dǎo)期和工頻擊穿電場強(qiáng)度等，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯的低頻介質(zhì)損耗因數(shù)與老化程度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，測試交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣擊穿電場強(qiáng)度變化情況可以反映其綜合老化程度，是實(shí)際工程應(yīng)用中一種簡單而有效的測試方法。宋懷旭等［11］研發(fā)了一種外層包覆非吸濕性繞包帶電力電纜、光纜和射頻電纜，降低了綜合成本，增加了產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，降低了在使用過程中的電能損耗，使電能傳輸更穩(wěn)定，提高了電纜的電性能以及電能傳輸效率。張揚(yáng)［12］通過共混法制備了低密度聚乙烯/無機(jī)填料（如納米碳化硅、碳納米管、炭黑）非線性絕緣材料，并設(shè)計(jì)了兩種具有新型結(jié)構(gòu)的高壓電纜，絕緣兩側(cè)添加的非線性屏障層能有效均化電纜絕緣表面缺陷處的電場分布，抑制絕緣表面電樹枝的引發(fā)，對(duì)電纜絕緣中電樹枝的生長具有阻擋作用，能有效抑制電樹枝的發(fā)展。

3　絕緣子材料

與傳統(tǒng)的瓷絕緣子和玻璃絕緣子相比，復(fù)合絕緣子具有電氣性能高、力學(xué)性能好、耐污性能好等優(yōu)點(diǎn)，具有顯著的性能優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，逐漸形成取代傳統(tǒng)絕緣子的趨勢。復(fù)合絕緣子在特高壓電纜中已經(jīng)有近60年的工程應(yīng)用和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。目前，國內(nèi)電網(wǎng)工程中復(fù)合絕緣子數(shù)量已超過300萬支，新建或者投產(chǎn)的高壓智能電網(wǎng)工程中已經(jīng)大批量使用復(fù)合絕緣子［12］。

近年來，國內(nèi)主要針對(duì)特高壓和直流輸電的復(fù)合絕緣子進(jìn)行了改性和測試研究，關(guān)志成等［13］對(duì)比了3種不同材料絕緣子的直流污閃特性，并詳細(xì)論述了復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。尹立等［14］對(duì)比了環(huán)氧樹脂傘裙材料與硅橡膠傘裙材料的性能，發(fā)現(xiàn)加入Al（OH）3填料能提高環(huán)氧樹脂的耐電痕化性能、體積電阻率和電氣強(qiáng)度；除憎水性外，環(huán)氧樹脂傘裙材料的力學(xué)性能和電氣性能均優(yōu)于硅橡膠傘裙材料，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足絕緣子試驗(yàn)的要求。環(huán)氧樹脂絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮環(huán)氧固化物內(nèi)應(yīng)力釋放而造成的開裂問題，在復(fù)合絕緣子的基礎(chǔ)上，要不斷研發(fā)新的絕緣子材料。蘭逢濤等［15］采用耐酸無堿玻璃纖維（GF）為增強(qiáng)體、高韌性聚氨酯（PU）為基體，利用快速注射拉擠成型工藝制備了PU/GF復(fù)合材料。結(jié)果表明，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為1 330 MPa，沖擊強(qiáng)度高達(dá)450 kJ/m2，電氣性能滿足±500 kV直流棒形懸式復(fù)合絕緣子的技術(shù)要求，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂芯棒，其生產(chǎn)效率高、制造成本低，有望作為復(fù)合絕緣子芯棒的替代材料。

4　絕緣油

礦物絕緣油具有優(yōu)良的理化性能、電氣性能且生產(chǎn)成本低，但礦物絕緣油燃點(diǎn)低、生物降解性差，泄漏會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而且礦物絕緣油是一種不可再生資源。植物絕緣油在生產(chǎn)成本、生物降解性和原料來源等方面都具有顯著優(yōu)勢，在智能電網(wǎng)中成為新型絕緣油研究的熱點(diǎn)。

目前，國內(nèi)學(xué)者在高電壓等級(jí)植物絕緣油的改性研究、理化與電氣性能測試、植物油紙絕緣的電性能及熱老化性能等方面取得了一定的研究成果。蔡勝偉等［16］制備了植物絕緣油，并研究了其理化性能、電氣性能、相容性、氧化安定性及長時(shí)老化特性。結(jié)果表明，制備的植物絕緣油各項(xiàng)性能均達(dá)到ASTM D 6871—2003的要求，介電性能良好。陳朋等［17］以市售葵花籽油為原料，通過酯交換反應(yīng)、尿素包合法等分離提純出亞油酸甘油酯，用作植物油中主要組分的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，檢測了菜籽油中含量較高的3種主要化學(xué)成分的理化與電氣性能，研究了油脂不飽和度對(duì)亞油酸甘油酯理化性能、電氣性能和氧化穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：油脂的飽和度越高，閃點(diǎn)越高，油脂的不飽和度越高；傾點(diǎn)越低，運(yùn)動(dòng)黏度越低，油脂的不飽和度越低，氧化穩(wěn)定性越好；植物油脂的相對(duì)介電常數(shù)高于變壓器礦物絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)。李劍等［18］指出，植物油紙絕緣可以降低絕緣紙的老化速率，通過合理的變壓器設(shè)計(jì)和良好的運(yùn)行維護(hù)，用植物絕緣油的變壓器具有更高的過負(fù)荷能力和更低的全壽命周期成本。

由于植物絕緣油具有燃點(diǎn)高、環(huán)保且可延長變壓器壽命等特點(diǎn)，已部分應(yīng)用在配電變壓器中，并開始在智能化大型電力變壓器中推廣應(yīng)用。重慶大學(xué)與南方電網(wǎng)公司所屬廣州供電局等單位聯(lián)合研制開發(fā)了高穩(wěn)定性植物絕緣油，并在國內(nèi)研制成功主網(wǎng)電壓等級(jí)為110 kV的大型變壓器。2015年2月，武漢南瑞公司自主研制的PD-2000型植物絕緣油智能配電產(chǎn)品在廣東電網(wǎng)四會(huì)供電公司配電網(wǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行。

5　硅橡膠絕緣材料

硅橡膠絕緣材料是由有機(jī)硅橡膠與其他高性能聚合物制備而成，由Si—O鏈節(jié)構(gòu)成基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)單元，通過Si原子與其他有機(jī)基團(tuán)相連形成側(cè)鏈。由于結(jié)構(gòu)中既含有機(jī)基團(tuán)又含無機(jī)結(jié)構(gòu)，使其兼具有機(jī)物的特性與無機(jī)物的功能。硅橡膠絕緣材料具有較優(yōu)異的電氣絕緣性、耐候性和耐溫性，智能電網(wǎng)母線采用硅橡膠絕緣材料時(shí)，可有效提高電網(wǎng)線路的絕緣穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)母線故障率，減少電網(wǎng)絕緣失效帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

高璐［19］采用阻燃性硅灰石、石英粉、Al（OH）3、含氟磷灰石、低熔點(diǎn)玻璃粉、羥基磷灰石、氧化鐵、水合氧化鐵及氫氧化鈰制備了阻燃等級(jí)為UL 94 V-0級(jí)的阻燃液體硅橡膠復(fù)合材料。魯大勇等［20］利用電暈老化測試平臺(tái)對(duì)硅橡膠進(jìn)行電暈老化試驗(yàn)，并對(duì)電暈老化后的試樣進(jìn)行了熱刺激電流和掃描電子顯微鏡測試。結(jié)果表明，電暈老化造成了硅橡膠絕緣材料熱刺激電流增大、表面裂解，導(dǎo)致絕緣材料的性能劣化。王建輝等［21］設(shè)計(jì)了一套可模擬霧霾和高電壓協(xié)同作用的設(shè)備，并在模擬霧霾條件下進(jìn)行硅橡膠絕緣材料的積污實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，直流高壓條件下，粉塵顆粒由于受到電場定向作用力，加速了其在硅橡膠表面的累積，并且在較高環(huán)境濕度下，電場產(chǎn)生的電加熱會(huì)減少表面污穢顆粒的吸濕。高巖峰等［22］采用多針電極系統(tǒng)研究了交直流電暈對(duì)高溫硫化硅橡膠性能的影響，認(rèn)為硅橡膠在電暈處理前后化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化是造成硅橡膠性能變化的直接原因。

6　結(jié)語

隨著國家對(duì)智能電網(wǎng)的重視，智能電網(wǎng)有了飛速的發(fā)展，也促進(jìn)了基礎(chǔ)材料特別是絕緣材料的發(fā)展。因此，國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)抓住智能電網(wǎng)的發(fā)展機(jī)遇，加大對(duì)絕緣材料研發(fā)的投入。智能電網(wǎng)電纜用絕緣材料的發(fā)展方向?yàn)椋洪_發(fā)新型環(huán)氧樹脂澆注材料和硅橡膠絕緣材料，改善其制品的抗污穢性能；研發(fā)高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜、光纖復(fù)合低壓電纜和非線性絕緣材料等使用的新型材料；優(yōu)化復(fù)合絕緣子的配比，改善絕緣子的多項(xiàng)性能，并結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)研究絕緣子的污閃特性，提高絕緣子污閃電壓；添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┨岣咧参锝^緣油的理化性能，改善抗氧化性能，提高界面張力并優(yōu)化精煉工藝。

［1］ 韓鈺，陳新. 智能電網(wǎng)用新材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］. 智能電網(wǎng)，2014（4）：8-11.

［2］ 張揚(yáng). 非線性絕緣材料在高壓電纜中應(yīng)用技術(shù)研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2011.

［3］ 周秀. 電力電纜水樹在線檢測新方法的研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2011.

［4］ 陳曦. 交聯(lián)聚乙烯高壓直流電纜的研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］. 電線電纜，2015（2）：1-5.

［5］ 王建華，張國鋼，耿英三，等. 智能電器最新技術(shù)研究及應(yīng)用發(fā)展前景［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（9）：1-11.

［6］ 李進(jìn)衛(wèi). 新型電子電器絕緣性封裝的環(huán)氧樹脂材料［J］. 化學(xué)工業(yè)，2015，33（11）：12-14.

［7］ 莫海林，楊科，游長江等.新型疏水性戶外環(huán)氧樹脂澆注料的研究［C］//2013廣東材料發(fā)展論壇暨戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展與新材料科技創(chuàng)新研討會(huì)論文集，2013：86-87.

［8］ 尹桂來，李建英，唐壯，等.GIS用環(huán)氧澆注材料的介電松弛特性研究［J］.絕緣材料，2015，48（3）：51-54.

［9］ 曾柏順，饒保林，韋衍樂，等.干式變壓器用高導(dǎo)熱抗開裂環(huán)氧澆注料［J］.絕緣材料，2013，46（2）：7-10.

［10］ 朱曉輝，孟崢崢，王浩鳴，等. 運(yùn)行高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜的介電性能［J］. 高電壓技術(shù)，2015，41（4）：1090-1095.

［11］ 翟孟剛，宋懷旭，蘇風(fēng)平，等. 智能電網(wǎng)用光纖復(fù)合低壓電纜：中國，201984884U［P］.2011-09-21.

［12］ 張揚(yáng). 非線性絕緣材料在高壓電纜中應(yīng)用技術(shù)研究［D］.哈爾濱： 哈爾濱理工大學(xué)，2011.

［13］ 關(guān)志成，彭功茂，王黎明，等.復(fù)合絕緣子的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.高電壓技術(shù)，2011，37（3）：513-519.

［14］ 尹立，劉輝，張翀，等.環(huán)氧樹脂基絕緣材料在懸式絕緣子上的應(yīng)用［J］.絕緣材料，2015，48（5）：26-30.

［15］ 蘭逢濤，陳新，何州文，等 聚氨酯/玻璃纖維復(fù)合絕緣子芯棒的制備［J］. 工程塑料應(yīng)用，2012，40（12）：32-36.

［16］ 蔡勝偉，陳江波，梁云丹，等. 植物絕緣油的性能改進(jìn)及試驗(yàn)考核研究［J］. 變壓器，2013，50（12）：58-62.

［17］ 陳朋，余輝，陳江波，等. 植物絕緣油主要組分的理化與電氣性能研究［J］. 絕緣材料，2014，47（3）：45-49.

［18］ 李劍，姚舒瀚，杜斌，等.植物絕緣油及其應(yīng)用研究關(guān)鍵問題分析與展望［J］.高電壓技術(shù)，2015，41（2）：353-363.

［19］ 高璐. 無鹵阻燃液體硅橡膠復(fù)合材料的制備與性能研究［D］. 上海：上海交通大學(xué)，2013.

［20］ 魯大勇，李朝偉，史敬天，等. 電暈老化對(duì)硅橡膠材料熱刺激電流和表面情況影響研究［J］. 高壓電器，2014，50（8）：93-98.

［21］ 王建輝，滕濟(jì)林，穆靜靜，等. 高壓電場對(duì)硅橡膠積污的影響［J］. 智能電網(wǎng)，2015，24（3）：911-914.

［22］ 高巖峰，王家福，梁曦東，等. 交直流電暈對(duì)高溫硫化硅橡膠性能的影響［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（1）： 274-284.

Application of insulating materials in smart grid

Xu Guang
（Logistics Service Center， Ningxia Electric Power Co.， State Grid， Yinchuan 750001， China）

This paper reviews the application of insulating materials such as epoxy casting material，cable insulating material，insulator，insulating oil，silicon rubber in Chinese smart grid as well as its future development. New epoxy casting material and silicon rubber are developed to improve the contamination prevention of products. The proportion of composite insulator is optimized to enhance its flashover voltage. The cracking caused by stress relief from cured epoxy resin must be taken into account in structure design for epoxy insulator，therefore new insulator needs to be developed on the basis of composite insulator. Vegetable insulating oil，featuring rich materials，biological degradability，and low production cost，can be improved by adding additives with respect to antioxidant，physical and chemical properties.

insulating material； epoxy resin； smart grid； insulating oil

TQ 050.4+3；TM 215

A

1002-1396（2016）05-0085-04

2016-04-02；

2016-06-30。

許廣，男，1962年生，高級(jí)工程師（副高級(jí)），1987年畢業(yè)于寧夏農(nóng)學(xué)院水利工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)榧夹g(shù)管理，電網(wǎng)設(shè)備及線路材料在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和運(yùn)行等全壽命周期的質(zhì)量管控等。聯(lián)系電話：13231183735；E-mail：woaiwojia1617@sina.com。