环氧树脂复合材料在变电站电气设备中的应用

2021-04-11 17:53陈波陈洁
当代化工研究 2021年24期
关键词:防腐涂料固化剂环氧

*陈波 陈洁

(1.宿迁阳光送变电工程有限公司 江苏 223852 2.中国林业科学研究院林产化学工业研究所 江苏 210042)

环氧树脂(EP)具有电绝缘性强、密封性能优异、机械强度高、耐热性好及加工工艺性强等特点,可以显著提升电气设备的电绝缘性能及使用寿命,已经广泛应用于高低压电器电子元器件和电机封装及绝缘等行业,并在电力系统领域得到了广泛应用[1]。浇注类环氧树脂和浸渍类环氧树脂是两种常用形式,其中浇注类环氧树脂主要用于电机、电子电器等的户内外绝缘子制作、绝缘件浇注、电子器件封装等[2]。浸渍类环氧树脂主要用于绝缘拉杆、电磁线、电机线圈和干式套管等电气设备的密封及填充等[3]。目前我国的高压电工装备用环氧树脂材料市场上90%以上产品被国外企业垄断。国内在高压电工用环氧材料等领域主要存在如下问题:生产规模较小;国内上游环氧树脂材料生产厂商与下游的电网终端整个电工装备产业链沟通不畅,对实际工况了解甚少,缺乏相关开发经验和相应的应用数据支撑;此外,现在国内现有的电工环氧树脂生产厂商在产品质量及应用开发水平等方面与国外厂商仍存在较大的差距,例如国产双酚A缩水甘油醚型环氧树脂在纯度及分子量等方面均与国外同类产品存在明显差距;高性能环氧助剂的研究与开发缺失,环氧树脂固化剂等助剂的产品质量与国外差距较大,高性能产品仍依赖进口;环氧树脂复合材料的评价方法和体系尚不健全。为了满足生产生活的需要,目前环氧树脂复合材料已广泛用于变电站电气设备及电力设施中。本研究主要介绍环氧树脂复合材料在变电站母线系统、变压器、电力设备降噪、电力设施防腐涂装等方面的应用情况。

1.环氧树脂复合材料简介

(1)环氧树脂基体

环氧树脂是指含有两个以上环氧基团的聚合物总称[4]。环氧树脂分子结构以脂肪族、脂环族或芳香族等为骨架,并含有活泼的环氧基,可与羟基、氨基、羧基等官能团发生开环反应,形成三维网状结构的热固性高聚物。此外,环氧树脂通常含有仲羟基,可与烷氧基、异氰酸酯、羧基等官能团发生缩合反应,用于环氧树脂的功能改性[2]。优异的综合性能,以及分子结构的可设计性,使得环氧树脂复合材料被广泛应用于各个领域。环氧树脂种类繁多,而原料成本低廉的双酚A环氧树脂是目前应用最广的环氧树脂,占全部环氧树脂产量的80%以上。

(2)环氧树脂固化剂

环氧树脂在固化剂的作用下会发生开环聚合等化学反应,固化后会形成具有三维网状结构的固化物。固化剂的种类较多,主要可分为胺类、酸酐类和潜伏型固化剂等。胺类固化剂在环氧树脂中已被广泛应用,常见的胺类固化剂有芳香族、脂肪族、脂环族、聚酰胺以及叔胺等。酸酐类固化剂固化的产物强度高、耐热性好、电性能优良。潜伏性固化剂与环氧树脂混合后可以在室温下长时间放置而不发生化学反应,在受到外界特定条件的影响下才会引发固化反应,形成固化物。

(3)促进剂

环氧树脂与固化剂反应能够生成固化物,此反应通常需要在一定高温度下才能进行,尤其是酸酐类固化剂和大部分芳香胺。室温固化脂肪胺的固化度并不能达到要求,需要提高温度才能完全固化。固化促进剂则能够促进反应的进行,起到催化作用,可以降低体系反应温度,提高固化速率,降低能耗。并且部分促进剂可直接作为固化剂使用。促进剂按用途可以分为环氧-胺类固化促进剂和环氧-酸酐固化促进剂。

(4)其他助剂

在设计环氧树脂复合材料的配方时,除了对环氧树脂基体、固化剂和促进剂进行选择之外,还要考虑一些其他因素,如产品特殊性、特殊技术需求、环境因素、外部施工工艺水平等。考虑到产品的综合性能及价格,可加入稀释剂、填料等其他助剂。最常用的环氧树脂稀释剂的作用是用来降低环氧树脂复合材料配方的黏度,增加流动性、浸润性及脱泡功能。稀释剂又分为活性稀释剂和非活性稀释剂。

2.环氧树脂复合材料在变电站电气设备中的应用

变电站是电力系统中输电和配电的集结点,其作用是把一些电气设备组装起来改变或调整电压。随着国民经济快速增长以及人们生活水平的不断提高,供电半径逐渐扩大[1],变电站的基础设施及电气设备的节能环保、清洁高效及可持续发展,是改善我国电力系统环境,保证城市用电可持续发展的主要方式之一[2-3]。与传统电力系统建材相比,新型聚合物材料虽然使用时间不长,但发展迅速,市场需求急剧增加,环保型聚合物材料在我国电力系统中已经得到广泛应用。环氧树脂由于其优异的绝缘性能,广泛应用于变电站电力系统、电力检测设备、输电铁塔等领域[5]。环氧树脂通过浇注或浸渍可以形成三维网络结构材料,这对建设变电站具有重要作用。

(1)环氧树脂绝缘材料

聚合物绝缘材料在热、电、机械等方面具有优异的综合性能,因而是目前用量最大的电绝缘材料[5]。随着生产生活需求的日益提高,电绝缘材料所需达到的电压等级愈来愈高,所需适应的应用环境也愈加复杂,因此对聚合物绝缘材料提出了更高要求。环氧树脂绝缘复合材料是由环氧树脂基体与无机填料等复配而成,因环氧树脂自身优异的综合性能及结构可设计性,为聚合物绝缘材料在电力系统的广泛应用提供了更多选择。

①在母线中的应用

母线的作用包括汇集、分配和传送电能,继而使停送电操作更灵活,并便于母线所连电气设备的检修及投运。有研究人员利用全绝缘浇注母线的方式,将变电站中的各相母线包裹成4~6m的直线段,然后将其他形状接头和折线段经螺栓连接,在施工现场将连接段与母线段浇注成相连的浇注实体,最后形成一个完整的母线系统。清远抽水蓄能发电站通过将环氧树脂和无机填料按一定配比混合浇注,制备环氧树脂复合绝缘材料,利用浇注包裹各相母线,构成一种完整的发电站的母线系统。采用该方式制备的变电站母线系统具有绝缘性好、散热性强、防火性能优、防腐性好、整体机械强度高等特点,并且空间体积小,操作简便,维护方便,可节省大量人力物力[6]。

②在干式变压器中的应用

全世界首台400kVA/20kV型环氧树脂浇注的干式变压器是在1964年由德国AEG公司研制出的,自此,干式变压器进入一个蓬勃发展的新阶段。目前,我国在干式变压器的工厂规模、产品容量及电压等方面均已处于世界先进水平,并成为了全球干式变压器产销量最大的国家之一。干式变压器主要由硅钢片铁芯和环氧树脂浇注的线圈组成,高低压线圈之间放置绝缘筒增加电气绝缘,并由垫块支撑和约束线圈,其零部件搭接的紧固件均有防松性能。利用环氧树脂浇注变压器可以提高变压器绝缘性能和力学性能,此外,在环氧树脂复合材料中引入玻璃纤维填料,可大大提高环氧树脂浇注的变压器中无机材料的含量,提升变压器散热性,并同时降低其热膨胀系数,促进环氧树脂在电力设备中的广泛应用。太仓市联安新型绝缘材料制造厂[7]采用改性高纯度柔韧性脂环族环氧树脂、改性甲基六氢苯酐、反应性增韧剂、促进剂、无机填料等组分,经配方设计优化,制备了一种干式户外型电力设备用绝缘树脂。产品具有优异的绝缘性、户外耐候性、机械性能、介电性能及耐热性能,能在高低温(-40-125℃)冲击下,无变形及开裂,具有较高的适用性。陈逸儒[8]等研究人员研究改进了变压器的内外绝缘的结构设计,经过筛选干式变压器套管及避雷器、分析环氧树脂复合材料的绝缘老化特性,使得变压器产品顺利通过操作冲击电压、工频交流耐压和雷电过电压等出厂前的测试。

③在复合绝缘外套中的应用

传统的瓷质绝缘外套具有较好热性能、电气性能、机械性能及耐候性,因而被广泛用于不同等级电压的输变电系统中[9]。但伴随电压等级向超高压及特高压提升,瓷质绝缘外套逐渐暴露出较多缺陷,例如抗震性能差[10-11]、易脆断[12-13],遭雷击时候容易造成较高的冲击电流或短路电流,致使瓷质绝缘外套因瞬间骤热而引发爆炸或断裂[14-15]等,严重威胁电网运行安全[10-15]。采用弹性更好的复合绝缘外套代替刚性瓷质绝缘外套,可显著降低套管、电流互感器等设备在故障条件下产生爆炸的危害,减少运行故障。此外,由于复合绝缘外套具有耐污性强、重量轻等优点,自20世纪80年代起已在我国电力系统大规模推广[16],在10kV配电网至特高压输电等工程中均有广泛应用。对于油浸式设备的复合绝缘外套,其主绝缘容器需要用玻璃纤维基环氧树脂复合材料的绝缘管[17-18]。随着电力系统电压等级的提高、复合绝缘外套用量的增大及运行年限的增长,复合绝缘外套用环氧树脂复合材料存在的例如制造工艺限制、老化故障及回收重复利用等问题逐渐凸显。

(2)环氧树脂防腐材料

环氧树脂因其优异的化学性能、力学性能及可设计性,在防腐涂料领域得到了广泛的应用。环氧树脂是一种兼具线性和网状结构的高分子材料,其分子结构中的环氧基和羟基,可以与多种活性官能团发生化学反应,如酸酐、酚醛树脂、聚酰胺等,形成具有不同化学结构和综合性能的环氧树脂材料。环氧树脂防腐涂料具有较强的金属附着力,耐腐蚀性强,一般作为底漆,在变电站电力系统中得到了广泛应用。随着环氧树脂防腐涂料的不断研究及发展,环氧树脂防腐涂料已逐步向低挥发有机化合物(VOC)、多功能化、高性能化方向发展,水性、无溶剂型、高固分、多功能化等类型的环氧树脂防腐涂料已陆续被开发应用。与溶剂型涂料相比,水性环氧树脂涂料具有优异的附着力,通过与水泥砂浆按一定比例混合复配,水性复合材料可以在湿潮环境下固化完全,保障了固化体系的力学性能,提高了建筑结构的稳定性。同济大学[19]以环氧树脂乳液和水性环氧树脂固化剂组成一种高性能的双组分涂料,其中,环氧树脂乳液是由端基分别为环氧基和羟基的聚合物乳化剂乳化而得。使用该优化配方配制的水性环氧树脂防腐涂料热稳定性良好,较基体材料的耐腐蚀性能大幅提高。最终得到的新型水性环氧树脂防腐涂料具有稳定性好、耐磨性强、无害可回收,有效减少了自身污染性。郭超群等[20]制备了一种腰果酚基无溶剂环氧树脂防腐涂料,具有固化时间短、黏度低、操作方便等优点。胡家元等[21]研制了一种无溶剂环氧树脂防腐涂料,用于输电铁塔塔脚防护,该涂料具有较高的附着力、柔韧性和耐水性,并且黏度低、流平性好、施工安全、环保节能。能有效防止腐蚀性介质透过涂层腐蚀金属基层,施工方便。该无溶剂环氧树脂涂层能有效防止腐蚀性介质透过镀锌钢,可使腐蚀效率降低近350倍。

(3)环氧树脂降噪材料

变电站系统运行时,产生的自身振动及冷却装置振动均易引发噪音。变电站的噪音具有低频特性,在100-300Hz时声压级峰值较高,传播衰减慢,影响范围大,因而现代的变电站设计除了要考虑常规的环境污染问题,还需考虑噪声污染问题。变电站降噪最常用的方法是在变电站内安装吸声装置,但现有的吸声装置多为金属面板,不绝缘;此外,现有的吸声装置的低频吸声性差,对变电站的降噪效果较差。环氧树脂复合材料具有收缩性低的优势,有一定的抑噪作用。利用环氧树脂复合材料黏附力强,固化收缩性低,内应力小,具有突出的尺寸稳定性等特点,只要通过一定的动力牵引和电力设备改进,即可有效避免振动现象发生,减少变电站的噪音污染。上海市电力公司[22]制备了一种环氧树脂降噪板材,具有良好的降噪及吸声性能,兼具阻燃绝缘特性,弯曲强度高,适用于发电厂、各电压等级的变电站降噪治理。北辰(上海)环境科技有限公司[23]采用轻钢龙骨架、环氧树脂吸声板和离心玻璃板研制出一种低频绝缘吸声装置,安装于变电站的内墙面或天花板,可以显著降低变电站总噪声声级及低频噪声,兼具良好的绝缘性。

3.结论及展望

环氧树脂复合材料可经浇注或浸渍等方式用于变电站的相关电力设备中,可以大大提高力学性能、绝缘性、耐腐蚀性及环保性,有效降低低频噪音污染。但电力系统装备的快速发展对环氧树脂复合材料的机械性能、电、热等性能的要求日益提高。环氧树脂复合材料主要包括环氧树脂基体、固化剂、无机填料、有机助剂等,不同配方体系会对环氧固化物的性能产生较大影响。因而可通过改性环氧树脂基体、优化配方体系等方法来提高环氧树脂复合材料的高性能及功能化。此外,随着国家对制造业绿色、可持续发展要求的不断提高,环保型环氧树脂已成为研究热点,在电力系统中的发展思路主要包括:(1)目前用于电力系统的环氧树脂几乎全部是以石油为原材料的石油基环氧树脂,研究人员逐步开发了以生物质可再生资源,如植物油、松香、多糖等为原料的性能优异的生物基环氧树脂,可实现部分替代石油基环氧树脂,更具环保优势;(2)开展高性能可降解环氧树脂的应用研究,通过引入可逆共价键等分子结构设计等方式,提高环氧树脂的可回收利用性,以延缓环氧树脂复合材料退役时间,减少退役复合材料数量及其处理过程对环境的破坏。该类环氧树脂符合可持续发展趋势,环保效果更好,发展前景广阔。

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