環氧樹脂材料在鐵路電力設備中的絕緣應用

周俊

摘 要：絕緣技術對于提高電力設備的安全性能具有重要意義;而絕緣技術的好壞往往取決于所采用的絕緣材料，環氧樹脂材料憑借其優異的絕緣新能被廣泛的應用于各種電力設備中。針對環氧樹脂材料進行了分析，且探討了環氧樹脂材料在鐵路電力設備中的絕緣應用。

關鍵詞：環氧樹脂材料;鐵路電力系統;鐵路電力設備;絕緣性能

中圖分類號：TQ323.5 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0069-05

我國鐵路電力系統的發展已經到達一個相當高的水平，尤其是近年來一些新型材料應用，以及一些新型電力設備的引進，使得我國的鐵路電力系統日趨完善。絕緣材料的研究和開發與電力工業的發展和進步息息相關。一般來說，絕緣材料的應用總體可以分為3類，即氣體、液體、固體絕緣材料。在現有的固體絕緣材料中，絕緣方式主要包括了絕緣膠、絕緣漆、絕緣纖維等多種技術，環氧樹脂正是基于這種背景下產生的一種新型絕緣技術[1]。環氧樹脂材料的應用，對于絕緣技術的發展具有重要的指導作用。

1 環氧樹脂的簡介

絕緣材料的應用歷史十分悠久，早在20世紀初期，就有許多歐洲國家開始研究絕緣材料了，那時的主要原材料就是高壓定子線圈，緊隨其后美國等國家開始加入絕緣材料的研究，使得這一時期出現了許多種類的絕緣材料。而我國開始研究絕緣技術已經到了20世紀六七十年代了，研究人員利用酸性聚酯合成了絕緣材料，這些絕緣材料的成功研制打響了我國材料發展史上的第一槍，自此之后我國相繼開發出了許多的絕緣性技術[2]。環氧樹脂正是在科研人員不斷的試驗研究中產生的一種絕緣材料，它的應用對于電力行業的發展具有重要的推動作用。

1.1 環氧樹脂的定義及分類

一個或兩個以上的環氧基團組成的，將脂環族、脂肪族、芳香族化合物作為主要骨架，再經過環氧基團發生反應而產生的熱固性高分子聚合物即為環氧樹脂，這一類的高分子聚合物常被稱作環氧化合物。

隨著現代科學技術的發展，以及化學工業的日益進步，環氧樹脂的結構也變得越來越復雜，其組合方式和構成也變得越來越繁瑣。現階段根據環氧樹脂材料的組成方式，我們可以將其分為縮水甘油醚類，縮水甘油酯類以及脂肪族環氧化合物等等。根據目前的工作方法，又可以將其分為固態環氧樹脂類和液態環氧樹脂類兩種。

1.2 環氧樹脂的應用分析

根據目前環氧樹脂在各個領域的應用情況來看，環氧樹脂材料在其應用過程中具有良好的粘接性能，較為科學的固化過程，以及較高的耐久性和耐熱性等特點。此外，環氧樹脂材料還具有較高的抗機械強度、抗腐蝕性能[3]，環氧樹脂材料的這些優良性能可以很好的滿足不同種類，不同要求的高壓配線的施工要求，而且其管理和設計工作也引起了人們的高度重視。

2 鐵路電力工程概述

2.1 鐵路的級別分類

我國的鐵路一般分為三級，即Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級[4]。這種分類主要是依據具體路線在路網中的作用，以及遠期年客運貨運量來衡定的。鐵路的等級和鐵路電力工程的標準是相互匹配的，鐵路電力工程的設計依據主要包括：通信負荷和與鐵路密切相關的信號，通常按照復線鐵路、單線鐵路以及高速鐵路進行設計。

2.2 鐵路電力工程的內容

鐵路電力工程的主要內容：10 kV自閉線路，10 kV配電所、10 kV貫通路線、10/0.4 kV變電所、10 kV電源線路、10/0.4/0.23 kV架桿式變電臺、10/0.4 kV箱式變電站、站場照明、隧道照明、室內動力及照明、電力遠動系統[5]。

沿線路通信、信號、紅外軸溫探測等負荷的供電由10 kV貫通、自閉線路提供。10 kV配電所不僅要向所在站內的用電負荷供電。還要向相鄰的兩個10 kV配電所的10 kV貫通線路和10 kV自閉線路供電。10 kV電源線路主要為鐵路10 kV配電所供電，是地方公共電網所接引的電源線路。10/0.4 kV變電所通常設置在大型廠房、站房內沒有人值班的變電所，主要為廠房及站房的照明和電力提供電源。一般情況下10/0.4 kV箱式變電站都應用在高等級的鐵路上，為沿線分散信號和通信等負荷提供電源，通常會設置在鐵路沿線的區間上，其10 kV電源由10 kV自閉/貫通線路接引。10/0.4/0.23 kV桿架式變電臺，通常應用在雙線或單線普速鐵路上，主要為沿線及站場的負荷供電。站場照明，根據站場的規模安裝燈塔、燈橋、燈柱等為站場提供照明。室內動力及照明，按照各個單體建筑的性質，為建筑室內提供照明和動力。隧道照明。按照高速鐵路和普速鐵路的要求，在隧道里面安裝照明。電力遠動系統，近年來，鐵路電力遠動技術得到了很大的提高，新建的鐵路都設有電力遠動系統，在電力系統中納入鐵路電力設備，成功實現對電力設備的遙測、遙控、遙信、遙調功能。

2.3 鐵路電力工程的設計標準

通常情況下，鐵路電力工程的設計主要根據鐵路的性質，設計標準有：

復線鐵路。采用電纜敷設和架空混合方式，設置1回10 kV電力貫通先和1回10 kV電力自閉線，鐵路配電所的設置與上面一致。

單線鐵路。通常情況下設置1回10 kV電力貫通線，并且采用電纜敷設和架空混合方式，根據鐵路電力設計規范的要求，通常情況下設40～60 km為宜，如果受到電源條件的限制，可以將其延長至70 km。然后在滿足這種供電距離的要求下，設置鐵路10 kV配電所，并且該配電所通常設置在車站，這樣便于維護和檢修。此外，給貫通線路和自閉線路供電的配電所的10 kV電源有一路設為專盤專線為宜。相鄰的兩個配電所電源應該相互獨立，并且其中的一個配電所的電源為兩路電源為宜。

高速鐵路。設置1回綜合負荷貫通線，以及1回kV一級負荷貫通線，利用全電纜沿路基預留的電纜槽敷設2回貫通線。鐵路配電所的配置與上面一致，但是配電所的電源通常都按照兩路10 kV電源設置[6]。

電化鐵路和非電化。針對非電化鐵路10 kV貫通線路或10 kV自閉線路通常采用架空線路形式;如果是電化鐵路，還需要增加電化各類所、供電亭，此外在跨越鐵路時，10 kV貫通線路或10 kV自閉線路采用電纜敷設形式。

2.4 主要設備選型和技術標準

外部電源工程。接引方式，外部電源工程包含為車站或10 kV配電所供電的引自地方公共電網的10 kV電源線路工程，通常使用電纜直埋敷設和架空線路混合方式。采用專盤專用與T接兩種接引方式。T接方式指的是由公共電力線路上接引，專盤專用則是由地方變電站10 kV饋出柜直接接引。電源線路的形式，架空線路使用鋼芯鋁線（LGJ型）混凝土電桿，絕緣子、橫擔及金具，電纜線通常使用三芯銅芯鎧裝（YJV22型）或鋁芯（YJLV22型）。施工單位的工作，施工單位施工前的主要工作是配合建設單位，根據設計文件提供電源接引方案，同時還要與當地供電公司辦理相關的手續，將接引方案確定下來。當確認方案后，參考施工圖施工單位需要完成線路路徑的測量，且線路路徑方案必須獲得當地規劃部門批準之后才能夠開展施工。變、配電所，新建鐵路的10 kV配電所通常按照有人值守和無人值班的方式來設計。10 kV配電所4個控制設備見圖1。

配電所需要按照2路電源設計，并且其主接線要使用單母線分段，兩路電源同時運行方式。使用調壓器對10 kV貫通線進行調壓后設置貫通母線供電，配電所要使用微機保護綜合自動化系統，同時提供遠動接口，以達到遠方監控的目的。

高鐵調壓器使用SCZ9型Dyn11接線形式，同時調壓器后面使用中性點經小電阻接地系統，此外2回貫通母線段都要設置磁控電抗器補償裝置補償，普速鐵路通常使用SZ10型油浸式調壓器（圖3）。

2.5 配電所主要設備類型

新建的普速鐵路10 kV配電所，其高壓開關柜一般采用內KYN28型開關柜，新建的高鐵10 kV配電所一般采用GIS開關柜方式，此外有載調壓器使用SCZ9型干式的不附帶外殼的調壓器，采用智能高頻開關電源直流電源，同時配置鉛酸免維護電池。配電所使用單元式微機保護裝置，及微機綜合自動化系統。

普速鐵路區間及站場一般采用架桿式變電臺來為用電負荷提供電源，但是當變壓器容量超過200 kVA或者部分重要的廠所會使用10/0.4 kV變電所、箱式變電站方式（圖4）。

箱式變電站、變電所的高壓部分一般使用SF6氣體絕緣環網柜;而里面所選用的是SCB10系列的干式變壓器，采用可靠性、數據化高柜型的低壓開關柜，智能遠動箱式變電站、電力遠動變電所的所有高低壓開關都要設置電動操作機構，同時通過集中設置好的RT裝置納入電力遠動系統。

箱式變電站內的變壓器一般采用SCB10型環氧樹脂澆注干式電力變壓器，另外包含在遠動箱變的所有高低壓開關都能夠進行電動操作，便于遠方及本地操作。

3 環氧樹脂材料在鐵路電力設備中的應用

近些年來，使用環氧樹脂材料制成的絕緣件被廣泛的應用到了各種電力設備當中，常見的有用環氧樹脂制成的用在三相交流高壓開關設備上的套管、絕緣銅、支撐絕緣子以及觸頭盒等[7]（見圖6），這里簡單的分析了一下環氧樹脂材料制成的絕緣件在鐵路電力設備中的應用情況。

3.1 環氧樹脂絕緣件的制作

在有機絕緣材料中環氧樹脂具有許多突出的優良特點，如粘附力強、內聚力大、柔順性好，同時具有十分穩定的耐化學腐蝕性能，優良的熱固化性能。環氧樹脂材料通過澆注體系可以澆注制成各種固體材料，如自動環氧壓力凝膠制造工藝（APG工藝）。環氧樹脂材料制成的絕緣件具有耐電弧性強、機械強度高、表面光潔、致密性高、耐熱性能良好、耐寒性能良好等優點，所以環氧樹脂在電力領域應用較為廣泛，能夠發揮支撐和絕緣的作用，表1為環氧樹脂制成的絕緣件之間的力學，電氣以及物理性能。

為了獲得更好的應用價值，環氧樹脂常與其他添加物一同使用，在選用是按照不同的用途來選擇不同的添加物，常見的添加物有：改性劑、固化劑、稀釋劑、填料以及其他的一些添加物。這里添加物中固化劑是必不可少的，因為不管是作涂料、粘接還是澆注材料都需要加入固化劑，否則環氧樹脂材料不能固化。環氧樹脂固化劑、改性劑、填料、稀釋劑等添加物會因為成品的不同用途、性能而有不同的使用要求。此外，產品制造中用到的原材料的質量、模具、工藝溫度、壓力、固化時間等都會影響成品的質量，所以通常制造單位都會制定嚴格遵守標準的工藝流程，保證絕緣件的質量最佳。

3.2 環氧樹脂具遠見的擊穿機理

眾所周知，擊穿液體和氣體介質的場強要低于擊穿固體介質的場強，而環氧樹脂絕緣件顯然屬于固體介質，因此其擊穿場強較大。此外擊穿固體介質的場強會受到電壓作用時間長短的影響，通常來講，作用時間小于1 s時為電擊穿;而熱擊穿指的是電壓作用時間在一秒到幾小時之間的擊穿，當電壓作用時間大于幾小時時就是電化學擊穿[8]。從電壓作用時間可知這3種擊穿方式的擊穿過程不一樣，但是最后的結果都是使固體介質產生永久性的破壞。研究人員對開關設備進行了工頻耐壓試驗，試驗過程中的試驗電壓有調壓器進行控制，并保持持續均勻地升壓，試驗發現只有在升壓后，在標準的耐受電壓下絕緣件一分鐘被擊穿，其他部位在整個升壓過程中都是被瞬時擊穿的，即電擊穿。環氧樹脂絕緣件在實際生活中經常會碰到這種情況，這里以40.5 kV真空斷路器固封極柱作為研究對象，就這個現象進行具體分析。

固封極柱指的是將斷路器相關的導電零件與真空滅弧室一起嵌入到環氧樹脂或其他熱塑性材料的固體絕緣材料中形成極柱，使其成為一個獨立部件。固封極柱中用到的主要的絕緣材料有粘接劑、電力硅橡膠以及環氧樹脂等，將環氧樹脂、粘接劑、電力硅橡膠等包裹在真空滅弧室的外表面，形成極柱，并且保證真空滅弧室的性能不能喪失或者有多降低，同時保證其表面光滑平整，不能有降低力學性能和電氣性能的氣泡、氣孔、疏松、也不能有裂紋等缺陷。盡管在其生產過程中嚴格按照要求制作，但是固封極柱的成品的成功率還是沒有達到理想的狀態。此外，真空滅弧室還會受到損壞，生產固封極柱的造成的損失是相當大的。分析其中的原因，主要是因為極柱不能達到絕緣要求，從而造成廢品率較高。

根據高壓絕緣原理可知，固體介質的電擊穿過程和氣體介質電擊穿過程十分相似，其原理都是由于電力碰撞形成電子崩，介質的晶格結構會被高強度的電子崩破壞，從而造成擊穿。固封極柱中所使用到的幾種絕緣材料，其多能承受的最高擊穿電壓都較高，也就是說材料的擊穿場強較高，尤其是環氧樹脂材料，其擊穿場強Eb≈20 kV/mm。但是對固定介質絕緣性能影響非常大的是電場的均勻度。當絕緣卷內部存在過強的電場，即使絕緣材料有足夠的絕緣裕度和厚度，同時也通過了出廠時的耐壓試驗和局部放電試驗，但是在其運行一段時間過后，絕緣極擊穿故障還是有可能出現的。如果有機絕緣內部有對絕緣材料過強的場強存在時，就有可能發生錐孔效應，進而使絕緣材料逐漸被擊穿。而這種問題在早期階段是沒有辦法檢測出來的，無論是進行局部放電試驗還是工頻耐壓試驗都無法做到，針對這種隱患目前也沒有更好的檢測方法來排查，所以主要還是要靠優化制造工藝來確保其質量。所以，必須要用圓弧對固封極柱的上下線邊緣進行過渡，同時保證其半徑盡可能的大，以此來優化其場強的分布。對于電力硅橡膠、環氧樹脂等固體介質，固封極柱在制造過程中會因為面積與體積的大小差異，導致擊穿破環被積累，進而使得其擊穿場強不同，體積或面積大時擊穿場強較低，所以在包封固化之前一定要將環氧樹脂等固體介質在混料設備中進行均勻混合，提高場強作用在絕緣介質中的分散性。

除此之外，由于固體介質是非自恢復絕緣材料，因此在對固封極柱施加試驗電壓作用時，固體介質內部的損傷都會隨著作用次數的增加而累加，損傷會不斷擴大，進而導致極柱被擊穿。所以應該在設計之初就將極柱的絕緣余量盡可能地設置大一些，這樣就能夠在一定程度上減少試驗電壓對極柱的損傷。此外，如果極柱中不同介質之間的粘接不夠好，會導致氣泡和氣隙的形成。當對極柱施加電壓作用時，因為氣泡或氣隙中的場強高于固體介質中的場強，會使得氣泡或者氣隙中的擊穿場強遠遠低于固體介質的擊穿場強。為了解決這種絕緣問題，就要防止氣泡或氣隙的形成，常用的方法有：采用優良的澆注設備和原材料，確保固體介質的絕緣性;對粘接表面進行處理，使其變成坑洼面或磨砂面，同時應用合理的粘結劑，對粘接界面進行有效粘接。

4 結語

環氧樹脂具有粘附力強、內聚力大、熱固化性能優良、耐化學腐蝕性能優良等特點，是十分出色的有機絕緣材料。通過環氧樹脂澆注體系可以制成各種固體絕緣件，被廣泛的應用鐵路電力設備中。雖然環氧樹脂是絕佳的絕緣材料，但是在其制造過程中還是存在一些缺陷，目前我們，能夠做到的就是對環氧樹脂材料的制造工藝進行優化，同時對電力設備中的電場進行優化，使環氧樹脂的絕緣特性能夠發揮更大的作用，也使環氧樹脂絕絕緣材料在鐵路電力設備中的應用更加完善。

【參考文獻】

[1] 赫先，徐旭，饒保林.環氧樹脂固化物結構與熱傳導性能的關系[J].絕緣材料，2009，42（2）：45-49.

[2] 陳總旻.環氧澆筑樹脂[J].環氧樹脂應用技術，1987（1）：5-9.

[3] 付東升，張康助，孫福林，等.電器灌注用環氧樹脂的研究進展[J].絕緣材料，2003（2）：3-8.

[4] 石耀勇，蘭婷.高速鐵路牽引供電系統模擬仿真型研究[J].機電工程技術，2007（5）：132-136.

[5] 廖宇.高速鐵路電力供電系統的研究[J].西南民族大學學報（自然科學版），2008，34（3）：559-565.

[6] 陳立，陳勁草，高國強，等.高速鐵路電力貫通線并網技術研究[J].鐵道學報，2012，6（12）：7-12.

[7] 曹文斌.環氧樹脂絕緣件在電力設備中的應用[J].電氣制造，2009（12）：1-5.

[8] 羅志波，張躍庭.環氧樹脂在高壓電器絕緣件中的應用[J].山東化工，2011（5）：4-8.