環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在變電站電氣設(shè)備中的應(yīng)用

＊陳波 陳潔

（1.宿遷陽光送變電工程有限公司 江蘇 223852 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所 江蘇 210042）

環(huán)氧樹脂（EP）具有電絕緣性強、密封性能優(yōu)異、機械強度高、耐熱性好及加工工藝性強等特點，可以顯著提升電氣設(shè)備的電絕緣性能及使用壽命，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高低壓電器電子元器件和電機封裝及絕緣等行業(yè)，并在電力系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。澆注類環(huán)氧樹脂和浸漬類環(huán)氧樹脂是兩種常用形式，其中澆注類環(huán)氧樹脂主要用于電機、電子電器等的戶內(nèi)外絕緣子制作、絕緣件澆注、電子器件封裝等[2]。浸漬類環(huán)氧樹脂主要用于絕緣拉桿、電磁線、電機線圈和干式套管等電氣設(shè)備的密封及填充等[3]。目前我國的高壓電工裝備用環(huán)氧樹脂材料市場上90%以上產(chǎn)品被國外企業(yè)壟斷。國內(nèi)在高壓電工用環(huán)氧材料等領(lǐng)域主要存在如下問題：生產(chǎn)規(guī)模較??；國內(nèi)上游環(huán)氧樹脂材料生產(chǎn)廠商與下游的電網(wǎng)終端整個電工裝備產(chǎn)業(yè)鏈溝通不暢，對實際工況了解甚少，缺乏相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗和相應(yīng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)支撐；此外，現(xiàn)在國內(nèi)現(xiàn)有的電工環(huán)氧樹脂生產(chǎn)廠商在產(chǎn)品質(zhì)量及應(yīng)用開發(fā)水平等方面與國外廠商仍存在較大的差距，例如國產(chǎn)雙酚A縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂在純度及分子量等方面均與國外同類產(chǎn)品存在明顯差距；高性能環(huán)氧助劑的研究與開發(fā)缺失，環(huán)氧樹脂固化劑等助劑的產(chǎn)品質(zhì)量與國外差距較大，高性能產(chǎn)品仍依賴進口；環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的評價方法和體系尚不健全。為了滿足生產(chǎn)生活的需要，目前環(huán)氧樹脂復(fù)合材料已廣泛用于變電站電氣設(shè)備及電力設(shè)施中。本研究主要介紹環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在變電站母線系統(tǒng)、變壓器、電力設(shè)備降噪、電力設(shè)施防腐涂裝等方面的應(yīng)用情況。

1.環(huán)氧樹脂復(fù)合材料簡介

(1)環(huán)氧樹脂基體

環(huán)氧樹脂是指含有兩個以上環(huán)氧基團的聚合物總稱[4]。環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)以脂肪族、脂環(huán)族或芳香族等為骨架，并含有活潑的環(huán)氧基，可與羥基、氨基、羧基等官能團發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱固性高聚物。此外，環(huán)氧樹脂通常含有仲羥基，可與烷氧基、異氰酸酯、羧基等官能團發(fā)生縮合反應(yīng)，用于環(huán)氧樹脂的功能改性[2]。優(yōu)異的綜合性能，以及分子結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，使得環(huán)氧樹脂復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。環(huán)氧樹脂種類繁多，而原料成本低廉的雙酚A環(huán)氧樹脂是目前應(yīng)用最廣的環(huán)氧樹脂，占全部環(huán)氧樹脂產(chǎn)量的80%以上。

(2)環(huán)氧樹脂固化劑

環(huán)氧樹脂在固化劑的作用下會發(fā)生開環(huán)聚合等化學(xué)反應(yīng)，固化后會形成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固化物。固化劑的種類較多，主要可分為胺類、酸酐類和潛伏型固化劑等。胺類固化劑在環(huán)氧樹脂中已被廣泛應(yīng)用，常見的胺類固化劑有芳香族、脂肪族、脂環(huán)族、聚酰胺以及叔胺等。酸酐類固化劑固化的產(chǎn)物強度高、耐熱性好、電性能優(yōu)良。潛伏性固化劑與環(huán)氧樹脂混合后可以在室溫下長時間放置而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在受到外界特定條件的影響下才會引發(fā)固化反應(yīng)，形成固化物。

(3)促進劑

環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)能夠生成固化物，此反應(yīng)通常需要在一定高溫度下才能進行，尤其是酸酐類固化劑和大部分芳香胺。室溫固化脂肪胺的固化度并不能達到要求，需要提高溫度才能完全固化。固化促進劑則能夠促進反應(yīng)的進行，起到催化作用，可以降低體系反應(yīng)溫度，提高固化速率，降低能耗。并且部分促進劑可直接作為固化劑使用。促進劑按用途可以分為環(huán)氧-胺類固化促進劑和環(huán)氧－酸酐固化促進劑。

(4)其他助劑

在設(shè)計環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的配方時，除了對環(huán)氧樹脂基體、固化劑和促進劑進行選擇之外，還要考慮一些其他因素，如產(chǎn)品特殊性、特殊技術(shù)需求、環(huán)境因素、外部施工工藝水平等。考慮到產(chǎn)品的綜合性能及價格，可加入稀釋劑、填料等其他助劑。最常用的環(huán)氧樹脂稀釋劑的作用是用來降低環(huán)氧樹脂復(fù)合材料配方的黏度，增加流動性、浸潤性及脫泡功能。稀釋劑又分為活性稀釋劑和非活性稀釋劑。

2.環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在變電站電氣設(shè)備中的應(yīng)用

變電站是電力系統(tǒng)中輸電和配電的集結(jié)點，其作用是把一些電氣設(shè)備組裝起來改變或調(diào)整電壓。隨著國民經(jīng)濟快速增長以及人們生活水平的不斷提高，供電半徑逐漸擴大[1]，變電站的基礎(chǔ)設(shè)施及電氣設(shè)備的節(jié)能環(huán)保、清潔高效及可持續(xù)發(fā)展，是改善我國電力系統(tǒng)環(huán)境，保證城市用電可持續(xù)發(fā)展的主要方式之一[2-3]。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建材相比，新型聚合物材料雖然使用時間不長，但發(fā)展迅速，市場需求急劇增加，環(huán)保型聚合物材料在我國電力系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。環(huán)氧樹脂由于其優(yōu)異的絕緣性能，廣泛應(yīng)用于變電站電力系統(tǒng)、電力檢測設(shè)備、輸電鐵塔等領(lǐng)域[5]。環(huán)氧樹脂通過澆注或浸漬可以形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，這對建設(shè)變電站具有重要作用。

(1)環(huán)氧樹脂絕緣材料

聚合物絕緣材料在熱、電、機械等方面具有優(yōu)異的綜合性能，因而是目前用量最大的電絕緣材料[5]。隨著生產(chǎn)生活需求的日益提高，電絕緣材料所需達到的電壓等級愈來愈高，所需適應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境也愈加復(fù)雜，因此對聚合物絕緣材料提出了更高要求。環(huán)氧樹脂絕緣復(fù)合材料是由環(huán)氧樹脂基體與無機填料等復(fù)配而成，因環(huán)氧樹脂自身優(yōu)異的綜合性能及結(jié)構(gòu)可設(shè)計性，為聚合物絕緣材料在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了更多選擇。

①在母線中的應(yīng)用

母線的作用包括匯集、分配和傳送電能，繼而使停送電操作更靈活，并便于母線所連電氣設(shè)備的檢修及投運。有研究人員利用全絕緣澆注母線的方式，將變電站中的各相母線包裹成4～6m的直線段，然后將其他形狀接頭和折線段經(jīng)螺栓連接，在施工現(xiàn)場將連接段與母線段澆注成相連的澆注實體，最后形成一個完整的母線系統(tǒng)。清遠抽水蓄能發(fā)電站通過將環(huán)氧樹脂和無機填料按一定配比混合澆注，制備環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣材料，利用澆注包裹各相母線，構(gòu)成一種完整的發(fā)電站的母線系統(tǒng)。采用該方式制備的變電站母線系統(tǒng)具有絕緣性好、散熱性強、防火性能優(yōu)、防腐性好、整體機械強度高等特點，并且空間體積小，操作簡便，維護方便，可節(jié)省大量人力物力[6]。

②在干式變壓器中的應(yīng)用

全世界首臺400kVA/20kV型環(huán)氧樹脂澆注的干式變壓器是在1964年由德國AEG公司研制出的，自此，干式變壓器進入一個蓬勃發(fā)展的新階段。目前，我國在干式變壓器的工廠規(guī)模、產(chǎn)品容量及電壓等方面均已處于世界先進水平，并成為了全球干式變壓器產(chǎn)銷量最大的國家之一。干式變壓器主要由硅鋼片鐵芯和環(huán)氧樹脂澆注的線圈組成，高低壓線圈之間放置絕緣筒增加電氣絕緣，并由墊塊支撐和約束線圈,其零部件搭接的緊固件均有防松性能。利用環(huán)氧樹脂澆注變壓器可以提高變壓器絕緣性能和力學(xué)性能，此外，在環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中引入玻璃纖維填料，可大大提高環(huán)氧樹脂澆注的變壓器中無機材料的含量，提升變壓器散熱性，并同時降低其熱膨脹系數(shù)，促進環(huán)氧樹脂在電力設(shè)備中的廣泛應(yīng)用。太倉市聯(lián)安新型絕緣材料制造廠[7]采用改性高純度柔韌性脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、改性甲基六氫苯酐、反應(yīng)性增韌劑、促進劑、無機填料等組分，經(jīng)配方設(shè)計優(yōu)化，制備了一種干式戶外型電力設(shè)備用絕緣樹脂。產(chǎn)品具有優(yōu)異的絕緣性、戶外耐候性、機械性能、介電性能及耐熱性能，能在高低溫（-40-125℃）沖擊下，無變形及開裂，具有較高的適用性。陳逸儒[8]等研究人員研究改進了變壓器的內(nèi)外絕緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)過篩選干式變壓器套管及避雷器、分析環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的絕緣老化特性，使得變壓器產(chǎn)品順利通過操作沖擊電壓、工頻交流耐壓和雷電過電壓等出廠前的測試。

③在復(fù)合絕緣外套中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的瓷質(zhì)絕緣外套具有較好熱性能、電氣性能、機械性能及耐候性，因而被廣泛用于不同等級電壓的輸變電系統(tǒng)中[9]。但伴隨電壓等級向超高壓及特高壓提升，瓷質(zhì)絕緣外套逐漸暴露出較多缺陷，例如抗震性能差[10-11]、易脆斷[12-13]，遭雷擊時候容易造成較高的沖擊電流或短路電流，致使瓷質(zhì)絕緣外套因瞬間驟熱而引發(fā)爆炸或斷裂[14-15]等，嚴重威脅電網(wǎng)運行安全[10-15]。采用彈性更好的復(fù)合絕緣外套代替剛性瓷質(zhì)絕緣外套，可顯著降低套管、電流互感器等設(shè)備在故障條件下產(chǎn)生爆炸的危害，減少運行故障。此外，由于復(fù)合絕緣外套具有耐污性強、重量輕等優(yōu)點，自20世紀80年代起已在我國電力系統(tǒng)大規(guī)模推廣[16]，在10kV配電網(wǎng)至特高壓輸電等工程中均有廣泛應(yīng)用。對于油浸式設(shè)備的復(fù)合絕緣外套，其主絕緣容器需要用玻璃纖維基環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的絕緣管[17-18]。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高、復(fù)合絕緣外套用量的增大及運行年限的增長，復(fù)合絕緣外套用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料存在的例如制造工藝限制、老化故障及回收重復(fù)利用等問題逐漸凸顯。

(2)環(huán)氧樹脂防腐材料

環(huán)氧樹脂因其優(yōu)異的化學(xué)性能、力學(xué)性能及可設(shè)計性，在防腐涂料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。環(huán)氧樹脂是一種兼具線性和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子材料，其分子結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧基和羥基，可以與多種活性官能團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如酸酐、酚醛樹脂、聚酰胺等，形成具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)和綜合性能的環(huán)氧樹脂材料。環(huán)氧樹脂防腐涂料具有較強的金屬附著力，耐腐蝕性強，一般作為底漆，在變電站電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著環(huán)氧樹脂防腐涂料的不斷研究及發(fā)展，環(huán)氧樹脂防腐涂料已逐步向低揮發(fā)有機化合物（VOC）、多功能化、高性能化方向發(fā)展，水性、無溶劑型、高固分、多功能化等類型的環(huán)氧樹脂防腐涂料已陸續(xù)被開發(fā)應(yīng)用。與溶劑型涂料相比，水性環(huán)氧樹脂涂料具有優(yōu)異的附著力，通過與水泥砂漿按一定比例混合復(fù)配，水性復(fù)合材料可以在濕潮環(huán)境下固化完全，保障了固化體系的力學(xué)性能，提高了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同濟大學(xué)[19]以環(huán)氧樹脂乳液和水性環(huán)氧樹脂固化劑組成一種高性能的雙組分涂料，其中，環(huán)氧樹脂乳液是由端基分別為環(huán)氧基和羥基的聚合物乳化劑乳化而得。使用該優(yōu)化配方配制的水性環(huán)氧樹脂防腐涂料熱穩(wěn)定性良好，較基體材料的耐腐蝕性能大幅提高。最終得到的新型水性環(huán)氧樹脂防腐涂料具有穩(wěn)定性好、耐磨性強、無害可回收，有效減少了自身污染性。郭超群等[20]制備了一種腰果酚基無溶劑環(huán)氧樹脂防腐涂料，具有固化時間短、黏度低、操作方便等優(yōu)點。胡家元等[21]研制了一種無溶劑環(huán)氧樹脂防腐涂料，用于輸電鐵塔塔腳防護，該涂料具有較高的附著力、柔韌性和耐水性，并且黏度低、流平性好、施工安全、環(huán)保節(jié)能。能有效防止腐蝕性介質(zhì)透過涂層腐蝕金屬基層，施工方便。該無溶劑環(huán)氧樹脂涂層能有效防止腐蝕性介質(zhì)透過鍍鋅鋼，可使腐蝕效率降低近350倍。

(3)環(huán)氧樹脂降噪材料

變電站系統(tǒng)運行時，產(chǎn)生的自身振動及冷卻裝置振動均易引發(fā)噪音。變電站的噪音具有低頻特性，在100-300Hz時聲壓級峰值較高，傳播衰減慢，影響范圍大，因而現(xiàn)代的變電站設(shè)計除了要考慮常規(guī)的環(huán)境污染問題，還需考慮噪聲污染問題。變電站降噪最常用的方法是在變電站內(nèi)安裝吸聲裝置，但現(xiàn)有的吸聲裝置多為金屬面板，不絕緣；此外，現(xiàn)有的吸聲裝置的低頻吸聲性差，對變電站的降噪效果較差。環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有收縮性低的優(yōu)勢，有一定的抑噪作用。利用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料黏附力強，固化收縮性低，內(nèi)應(yīng)力小，具有突出的尺寸穩(wěn)定性等特點，只要通過一定的動力牽引和電力設(shè)備改進，即可有效避免振動現(xiàn)象發(fā)生，減少變電站的噪音污染。上海市電力公司[22]制備了一種環(huán)氧樹脂降噪板材，具有良好的降噪及吸聲性能，兼具阻燃絕緣特性，彎曲強度高，適用于發(fā)電廠、各電壓等級的變電站降噪治理。北辰（上海）環(huán)境科技有限公司[23]采用輕鋼龍骨架、環(huán)氧樹脂吸聲板和離心玻璃板研制出一種低頻絕緣吸聲裝置，安裝于變電站的內(nèi)墻面或天花板，可以顯著降低變電站總噪聲聲級及低頻噪聲，兼具良好的絕緣性。

3.結(jié)論及展望

環(huán)氧樹脂復(fù)合材料可經(jīng)澆注或浸漬等方式用于變電站的相關(guān)電力設(shè)備中，可以大大提高力學(xué)性能、絕緣性、耐腐蝕性及環(huán)保性，有效降低低頻噪音污染。但電力系統(tǒng)裝備的快速發(fā)展對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的機械性能、電、熱等性能的要求日益提高。環(huán)氧樹脂復(fù)合材料主要包括環(huán)氧樹脂基體、固化劑、無機填料、有機助劑等，不同配方體系會對環(huán)氧固化物的性能產(chǎn)生較大影響。因而可通過改性環(huán)氧樹脂基體、優(yōu)化配方體系等方法來提高環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的高性能及功能化。此外，隨著國家對制造業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提高，環(huán)保型環(huán)氧樹脂已成為研究熱點，在電力系統(tǒng)中的發(fā)展思路主要包括：（1）目前用于電力系統(tǒng)的環(huán)氧樹脂幾乎全部是以石油為原材料的石油基環(huán)氧樹脂，研究人員逐步開發(fā)了以生物質(zhì)可再生資源，如植物油、松香、多糖等為原料的性能優(yōu)異的生物基環(huán)氧樹脂，可實現(xiàn)部分替代石油基環(huán)氧樹脂，更具環(huán)保優(yōu)勢；（2）開展高性能可降解環(huán)氧樹脂的應(yīng)用研究，通過引入可逆共價鍵等分子結(jié)構(gòu)設(shè)計等方式，提高環(huán)氧樹脂的可回收利用性，以延緩環(huán)氧樹脂復(fù)合材料退役時間，減少退役復(fù)合材料數(shù)量及其處理過程對環(huán)境的破壞。該類環(huán)氧樹脂符合可持續(xù)發(fā)展趨勢，環(huán)保效果更好，發(fā)展前景廣闊。