環氧樹脂復合材料在變電站電氣設備中的應用

＊陳波 陳潔

（1.宿遷陽光送變電工程有限公司 江蘇 223852 2.中國林業科學研究院林產化學工業研究所 江蘇 210042）

環氧樹脂（EP）具有電絕緣性強、密封性能優異、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備的電絕緣性能及使用壽命，已經廣泛應用于高低壓電器電子元器件和電機封裝及絕緣等行業，并在電力系統領域得到了廣泛應用[1]。澆注類環氧樹脂和浸漬類環氧樹脂是兩種常用形式，其中澆注類環氧樹脂主要用于電機、電子電器等的戶內外絕緣子制作、絕緣件澆注、電子器件封裝等[2]。浸漬類環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備的密封及填充等[3]。目前我國的高壓電工裝備用環氧樹脂材料市場上90%以上產品被國外企業壟斷。國內在高壓電工用環氧材料等領域主要存在如下問題：生產規模較?。粐鴥壬嫌苇h氧樹脂材料生產廠商與下游的電網終端整個電工裝備產業鏈溝通不暢，對實際工況了解甚少，缺乏相關開發經驗和相應的應用數據支撐；此外，現在國內現有的電工環氧樹脂生產廠商在產品質量及應用開發水平等方面與國外廠商仍存在較大的差距，例如國產雙酚A縮水甘油醚型環氧樹脂在純度及分子量等方面均與國外同類產品存在明顯差距；高性能環氧助劑的研究與開發缺失，環氧樹脂固化劑等助劑的產品質量與國外差距較大，高性能產品仍依賴進口；環氧樹脂復合材料的評價方法和體系尚不健全。為了滿足生產生活的需要，目前環氧樹脂復合材料已廣泛用于變電站電氣設備及電力設施中。本研究主要介紹環氧樹脂復合材料在變電站母線系統、變壓器、電力設備降噪、電力設施防腐涂裝等方面的應用情況。

1.環氧樹脂復合材料簡介

(1)環氧樹脂基體

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

(2)環氧樹脂固化劑

環氧樹脂在固化劑的作用下會發生開環聚合等化學反應，固化后會形成具有三維網狀結構的固化物。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。胺類固化劑在環氧樹脂中已被廣泛應用，常見的胺類固化劑有芳香族、脂肪族、脂環族、聚酰胺以及叔胺等。酸酐類固化劑固化的產物強度高、耐熱性好、電性能優良。潛伏性固化劑與環氧樹脂混合后可以在室溫下長時間放置而不發生化學反應，在受到外界特定條件的影響下才會引發固化反應，形成固化物。

(3)促進劑

環氧樹脂與固化劑反應能夠生成固化物，此反應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的進行，起到催化作用，可以降低體系反應溫度，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氧-胺類固化促進劑和環氧－酸酐固化促進劑。

(4)其他助劑

在設計環氧樹脂復合材料的配方時，除了對環氧樹脂基體、固化劑和促進劑進行選擇之外，還要考慮一些其他因素，如產品特殊性、特殊技術需求、環境因素、外部施工工藝水平等?？紤]到產品的綜合性能及價格，可加入稀釋劑、填料等其他助劑。最常用的環氧樹脂稀釋劑的作用是用來降低環氧樹脂復合材料配方的黏度，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.環氧樹脂復合材料在變電站電氣設備中的應用

變電站是電力系統中輸電和配電的集結點，其作用是把一些電氣設備組裝起來改變或調整電壓。隨著國民經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]，變電站的基礎設施及電氣設備的節能環保、清潔高效及可持續發展，是改善我國電力系統環境，保證城市用電可持續發展的主要方式之一[2-3]。與傳統電力系統建材相比，新型聚合物材料雖然使用時間不長，但發展迅速，市場需求急劇增加，環保型聚合物材料在我國電力系統中已經得到廣泛應用。環氧樹脂由于其優異的絕緣性能，廣泛應用于變電站電力系統、電力檢測設備、輸電鐵塔等領域[5]。環氧樹脂通過澆注或浸漬可以形成三維網絡結構材料，這對建設變電站具有重要作用。

(1)環氧樹脂絕緣材料

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，所需適應的應用環境也愈加復雜，因此對聚合物絕緣材料提出了更高要求。環氧樹脂絕緣復合材料是由環氧樹脂基體與無機填料等復配而成，因環氧樹脂自身優異的綜合性能及結構可設計性，為聚合物絕緣材料在電力系統的廣泛應用提供了更多選擇。

①在母線中的應用

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螺栓連接，在施工現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。清遠抽水蓄能發電站通過將環氧樹脂和無機填料按一定配比混合澆注，制備環氧樹脂復合絕緣材料，利用澆注包裹各相母線，構成一種完整的發電站的母線系統。采用該方式制備的變電站母線系統具有絕緣性好、散熱性強、防火性能優、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，可節省大量人力物力[6]。

②在干式變壓器中的應用

全世界首臺400kVA/20kV型環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展的新階段。目前，我國在干式變壓器的工廠規模、產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銷量最大的國家之一。干式變壓器主要由硅鋼片鐵芯和環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。利用環氧樹脂澆注變壓器可以提高變壓器絕緣性能和力學性能，此外，在環氧樹脂復合材料中引入玻璃纖維填料，可大大提高環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，促進環氧樹脂在電力設備中的廣泛應用。太倉市聯安新型絕緣材料制造廠[7]采用改性高純度柔韌性脂環族環氧樹脂、改性甲基六氫苯酐、反應性增韌劑、促進劑、無機填料等組分，經配方設計優化，制備了一種干式戶外型電力設備用絕緣樹脂。產品具有優異的絕緣性、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外絕緣的結構設計，經過篩選干式變壓器套管及避雷器、分析環氧樹脂復合材料的絕緣老化特性，使得變壓器產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在復合絕緣外套中的應用

傳統的瓷質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中[9]。但伴隨電壓等級向超高壓及特高壓提升，瓷質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，致使瓷質絕緣外套因瞬間驟熱而引發爆炸或斷裂[14-15]等，嚴重威脅電網運行安全[10-15]。采用彈性更好的復合絕緣外套代替剛性瓷質絕緣外套，可顯著降低套管、電流互感器等設備在故障條件下產生爆炸的危害，減少運行故障。此外，由于復合絕緣外套具有耐污性強、重量輕等優點，自20世紀80年代起已在我國電力系統大規模推廣[16]，在10kV配電網至特高壓輸電等工程中均有廣泛應用。對于油浸式設備的復合絕緣外套，其主絕緣容器需要用玻璃纖維基環氧樹脂復合材料的絕緣管[17-18]。隨著電力系統電壓等級的提高、復合絕緣外套用量的增大及運行年限的增長，復合絕緣外套用環氧樹脂復合材料存在的例如制造工藝限制、老化故障及回收重復利用等問題逐漸凸顯。

(2)環氧樹脂防腐材料

環氧樹脂因其優異的化學性能、力學性能及可設計性，在防腐涂料領域得到了廣泛的應用。環氧樹脂是一種兼具線性和網狀結構的高分子材料，其分子結構中的環氧基和羥基，可以與多種活性官能團發生化學反應，如酸酐、酚醛樹脂、聚酰胺等，形成具有不同化學結構和綜合性能的環氧樹脂材料。環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，在變電站電力系統中得到了廣泛應用。隨著環氧樹脂防腐涂料的不斷研究及發展，環氧樹脂防腐涂料已逐步向低揮發有機化合物（VOC）、多功能化、高性能化方向發展，水性、無溶劑型、高固分、多功能化等類型的環氧樹脂防腐涂料已陸續被開發應用。與溶劑型涂料相比，水性環氧樹脂涂料具有優異的附著力，通過與水泥砂漿按一定比例混合復配，水性復合材料可以在濕潮環境下固化完全，保障了固化體系的力學性能，提高了建筑結構的穩定性。同濟大學[19]以環氧樹脂乳液和水性環氧樹脂固化劑組成一種高性能的雙組分涂料，其中，環氧樹脂乳液是由端基分別為環氧基和羥基的聚合物乳化劑乳化而得。使用該優化配方配制的水性環氧樹脂防腐涂料熱穩定性良好，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氧樹脂防腐涂料具有穩定性好、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氧樹脂防腐涂料，具有固化時間短、黏度低、操作方便等優點。胡家元等[21]研制了一種無溶劑環氧樹脂防腐涂料，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、環保節能。能有效防止腐蝕性介質透過涂層腐蝕金屬基層，施工方便。該無溶劑環氧樹脂涂層能有效防止腐蝕性介質透過鍍鋅鋼，可使腐蝕效率降低近350倍。

(3)環氧樹脂降噪材料

變電站系統運行時，產生的自身振動及冷卻裝置振動均易引發噪音。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，因而現代的變電站設計除了要考慮常規的環境污染問題，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安裝吸聲裝置，但現有的吸聲裝置多為金屬面板，不絕緣；此外，現有的吸聲裝置的低頻吸聲性差，對變電站的降噪效果較差。環氧樹脂復合材料具有收縮性低的優勢，有一定的抑噪作用。利用環氧樹脂復合材料黏附力強，固化收縮性低，內應力小，具有突出的尺寸穩定性等特點，只要通過一定的動力牽引和電力設備改進，即可有效避免振動現象發生，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，適用于發電廠、各電壓等級的變電站降噪治理。北辰（上海）環境科技有限公司[23]采用輕鋼龍骨架、環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.結論及展望

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