配電線路乙烯基酯樹脂納米復(fù)合自動涂覆絕緣材料性能研究

吳清玉，宋麗珠，姜 文，李 聰，朱傳譜，付蘭艷，朱子義，尹朝娜，張玉萍，徐 駿，張德禮

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，?？?570100；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京100000）

0 引言

為優(yōu)化配電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，當(dāng)前多采用人工形式對配電線路進(jìn)行絕緣化，如更換絕緣導(dǎo)線等。但利用該種手段進(jìn)行線路絕緣化改造不僅需要搭設(shè)新的桿塔，還需要在進(jìn)行絕緣導(dǎo)線更換過程中進(jìn)行大面積、長時(shí)間斷電，該工程工作量大、投資成本高、施工過程對百姓生活、生產(chǎn)影響較大。因此，我國部分電力公司開始嘗試研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)配電線路絕緣層自動化涂覆的機(jī)器人系統(tǒng)，嘗試開發(fā)了一些能夠廣泛應(yīng)用于氣候惡劣、多樹木等環(huán)境的絕緣涂層涂覆工藝，并取得良好成果。

配電線路自動涂覆絕緣材料的涂覆外觀、耐磨性能、耐腐蝕性能以及防水氣透過性能是決定涂覆材料長期工作性能優(yōu)劣的關(guān)鍵[1]。本文提出了一種基于乙烯基酯樹脂納米復(fù)合材料的絕緣噴涂材料，對該材料結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)勢等進(jìn)行總結(jié)，旨在為我國電力行業(yè)配電線路自動涂覆絕緣材料作業(yè)領(lǐng)域提供借鑒。

1 配電線路自動涂覆模塊

1.1 涂覆模塊工作流程

配電線路自動涂覆機(jī)器人中的涂覆模塊通過掛鉤直接與機(jī)器人行走部分相連，通常隨機(jī)身攜帶若干桶涂覆材料進(jìn)行沿導(dǎo)線涂覆。涂覆模塊噴頭一般位于模塊尾部通過軟管與涂覆模塊中的料桶連接；噴頭型號可以根據(jù)不同配電線路線徑進(jìn)行更換，方便快捷。噴涂作業(yè)模塊一般攜帶兩桶涂覆材料，在工作過程中按照配電線路改造工藝要求提前設(shè)定噴涂工以參數(shù)如機(jī)器人行走速率、噴涂速率等均勻地?cái)D出噴涂材料包裹在配電線路裸導(dǎo)線上。

1.2 涂覆材料性能要求

涂覆材料是配電線路自動涂覆工藝的核心。一般配電線路自動涂覆機(jī)器人沿導(dǎo)線工作速率約2m/min；最終涂覆材料包裹厚度一般在3㎜左右；一般絕緣材料的表面固化需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成，當(dāng)前使用材料固化時(shí)間多在30～40min之間；材料最高耐壓根據(jù)不同線路要求而不同，一般10kV 配電線路涂覆材料最高耐壓應(yīng)至少達(dá)到15kV；材料需要同時(shí)具備輻射散熱、防老化、防水氣滲透、便于涂覆、耐腐蝕以及一定的抗磨效果；此外材料若具備環(huán)保、自潔性能則更佳。

2 乙烯基酯樹脂納米復(fù)合材料類型與性能優(yōu)勢

2.1 常用乙烯基酯樹脂型號

乙烯基酯樹脂（Vinyl ester resin，簡稱VER），別名環(huán)氧丙烯酸樹脂，是一種熱固型變性環(huán)氧樹脂[2-4]。VER材料能夠同時(shí)兼具優(yōu)良的固化性、成型性和其他工藝性能。自20 世紀(jì)60 年代以來，VER 材料得到了迅速發(fā)展，國內(nèi)外企業(yè)以VER 材料為基礎(chǔ)，開發(fā)出多種型號和性能的VER材料如表1所示。

表1 常用VER材料品牌一覽表Tab.1 List of commonly used VER material brands

（續(xù)上表）

2.2 VER材料分類與性能分析

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)雙酚A通用型

標(biāo)準(zhǔn)雙酚A通用型材料性能特點(diǎn)主要有：①分子鏈結(jié)構(gòu)中的雙鍵極為活潑，不需要特殊環(huán)境即可完成材料由液體狀態(tài)向固體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而保證材料及其聚合物較快獲得使用強(qiáng)度。②標(biāo)準(zhǔn)雙酚A 通用型VER 材料中酯鍵邊的-CH3（甲基）能夠充分提高材料固化以后的耐水氣滲透、耐水解性能。③標(biāo)準(zhǔn)雙酚A通用型VER材料中含有較多的仲羥基，能夠充分提高材料與其他材料如纖維材料合制品等的整體力學(xué)強(qiáng)度。④由于標(biāo)準(zhǔn)雙酚A通用型VER材料僅在分子兩端交聯(lián)，因此該材料中的分子鏈能夠在外力、熱沖擊等的作用下產(chǎn)生一定的拉伸效應(yīng)，材料本身的耐微裂性能優(yōu)良。表2所示為部分品牌標(biāo)準(zhǔn)型（GB）雙酚A通用型VER力學(xué)性能指標(biāo)。

表2 部分標(biāo)準(zhǔn)雙酚A通用型VER材料性能指標(biāo)（25℃）Tab.2 Some standard bisphenol A general-purpose VER material performance indexes（25℃）

2.2.2 溴化雙酚A型

溴化雙酚A 型VER 材料即阻燃VER 材料，因材料樹脂中含溴成分又被稱為溴化雙酚A 型VER 材料。該材料具備優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性能和阻燃性能。表3所示為部分溴化雙酚A型VER材料性能指標(biāo)。

表3 部分溴化雙酚A型VER材料性能指標(biāo)（25℃）Tab.3 Performance index of partial brominated bisphenol A type VER material（25°C）

2.2.3 酚醛環(huán)氧型

酚醛環(huán)氧型VER 材料是將酚醛環(huán)氧樹脂引入標(biāo)準(zhǔn)VER 材料進(jìn)行合成反應(yīng)所獲得的一類改性VER 材料。該材料因分子結(jié)構(gòu)變化而帶來了較高的材料熱穩(wěn)定性。當(dāng)酚醛環(huán)氧型VER 材料固化以后，能夠?yàn)椴牧霞捌涓街飵磔^高的交聯(lián)密度。同時(shí)，該材料通常能夠達(dá)到130℃左右的熱變形溫度，因而使材料本身具備了壽命長、耐腐蝕性強(qiáng)等有點(diǎn)。表4所示為部分酚醛環(huán)氧型VER材料性能指標(biāo)。

表4 部分酚醛環(huán)氧型VER材料性能指標(biāo)（25℃）Tab.4 some properties of phenolic epoxy type VER materials（25°C）

綜上，對于配電線路自動涂覆工藝中涂覆材料的性能要求，如耐高溫、防老化、防水氣滲透、便于涂覆、耐腐蝕等性能要求，不同類型VER 材料均能滿足。因此，VER材料理論上是一種能夠被廣泛應(yīng)用于配電線路自動涂覆工藝中的涂覆材料。

3 自動涂覆VER納米材料制備與性能優(yōu)勢分析

3.1 材料制備

王穎（2017）[5]根據(jù)紫外光固化納米復(fù)合材料制備方法，以一般VER 材料為基體制備了多種能夠被廣泛應(yīng)用于絕緣涂覆的納米復(fù)合材料，并利用多種表征手段對該材料性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析；武漢某公司開發(fā)了一種配電線路自動涂覆機(jī)器人[6-8]，并為該機(jī)器人開發(fā)制備了一種專用于配電線路自動涂覆工藝VER 納米材料，該材料是專門為10kV 輸電裸導(dǎo)線絕緣保護(hù)的一種新型膠體材料（圖1），主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

圖1 10kV輸電裸導(dǎo)線絕緣保護(hù)VER納米材料Fig.1 10kV bare conductor insulation protection VER nanomaterial

3.2 性能優(yōu)勢分析

3.2.1 良好的絕緣性能

該企業(yè)制備的配電線路自動涂覆工藝專用VER納米材料在固化后具備良好的外觀（圖1）、優(yōu)良的絕緣性能，通常在涂覆厚度達(dá)到2.5㎜狀態(tài)下能夠滿足約25kV 高壓。該企業(yè)對材料進(jìn)行的耐壓實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果如表5所示。

表5 某企業(yè)制備配電線路自動涂覆工藝專用VER納米材料耐壓試驗(yàn)Tab.5 Withstand voltage test of VER nanomaterial for automatic coating process of distribution lines in an enterprise

3.2.2 固化時(shí)間短

該企業(yè)制備的配電線路自動涂覆工藝專用VER 納米材料在25℃條件下的涂料涂表干時(shí)間為30~40min，固化以后的涂層厚度能夠保持在1.8~2.3㎜之間，能夠滿足表5中最高約24.7kV高壓絕緣性能要求。

3.2.3 其他

該材料除具備以上優(yōu)勢外，還具備優(yōu)異的金屬附著力、良好的機(jī)械耐磨性能、良好的涂覆外觀、優(yōu)異的耐熱和耐水透氣性能等。企業(yè)模擬的老化實(shí)驗(yàn)狀態(tài)表明，該材料的使用壽命約在15 年左右，完全滿足我國當(dāng)前配電線路絕緣改造領(lǐng)域中的相關(guān)工藝要求。

3.3 案例解讀

我國東南部某供電公司利用該材料在某15kV 塔段開展配電線路機(jī)器人自動涂覆。涂覆過程中，重量約50㎏的機(jī)器人隨機(jī)體攜帶4 桶自動涂覆工藝專用VER 納米材料沿導(dǎo)線行走；機(jī)器人以2m/min 的速度拖動尾部絕緣材料包覆頭進(jìn)行作業(yè)；約30min后，該段配電線路架空裸導(dǎo)線表面自動涂覆絕緣材料工作全部完成；涂覆材料厚度約為2.3㎜，與公司公布材料工藝數(shù)據(jù)高度一致。

該材料能夠廣泛應(yīng)用于配電線路自動涂覆工藝，對于某些自然條件惡劣、多數(shù)目、高污染等作業(yè)難度大、負(fù)面影響大等場景具備高度適用性。配電線路自動涂覆機(jī)器人技術(shù)不僅能夠有效降低施工成本，同時(shí)還能以優(yōu)異的絕緣材料性能改善作業(yè)后配電線路的運(yùn)行條件，避免同一網(wǎng)段短期內(nèi)多次修復(fù)等問題，極大地延長了配電線路使用壽命[9]。

4 結(jié)語

綜上所述，文章針對配電線路自動涂覆工藝中應(yīng)用乙烯基酯樹脂納米復(fù)合材料情況進(jìn)行分析，對多種VER材料性能優(yōu)勢進(jìn)行總結(jié)；通過對文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資料的整理，著重分析了我國武漢某企業(yè)開發(fā)的配電線路自動涂覆工藝專用VER 納米復(fù)合材料，該材料具備自動涂覆工藝必須的性能優(yōu)勢，在實(shí)際的涂覆作業(yè)中取得了良好的應(yīng)用效果。隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，對部分配電線路受損、斷線等問題的重視程度越來越高。對VER 納米復(fù)合材料的性能和應(yīng)用情況分析，旨在為我國電力事業(yè)配電線路自動涂覆絕緣材料選擇提供數(shù)據(jù)和理論借鑒。