新型电力装备新材料关键技术研究进展

钟建英 技术资料来源：研究院、平高、西电 公司简介 中国电气装备集团有限公司2021年9月25日在上海正式揭牌成立，公司由中国西电集团许继集团、平高集团、山东电工、保变电气等重组整合而成，为输配电领域唯一的国家队，拥有7家上市公司。 公司实现业务覆盖发电、输电、变电、配电用电全链条，拥有交直流、全系列完全自主知识产权的高端电气装备产业基地遍及全球产品技术和服务已出口至上百个国家和地区，形成着眼全球市场的智慧电气装备产业布局。 创造了特高压变压器、特高压GIS、特高压柔直换流阀、385米跨江高塔等多项“中国第一”和“世界第- 公司简介 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司（以下简称研究院）于2022年6月在上海市静安区注册成立，注册资本10亿元，是中国电气装备集团的一级研发机构。研究院聚焦长远颠覆性技术研发，助力产业技术升级和选代，打造“新技术策源地、新产品孵化区、新机制试验田、新效益增长点”的科研机构。 背景 新型电力系统的发展，要求电工装备要具备安全、高效、环保、可靠的要求，这些要求与材料性能息息相关 新型电力系统构建 “双碳”战略自标 社会经济发展需求 高比例新能源接入，电网波动性增强对设备的可靠性，灵活性，调节能力要求更高 城市化、电气化加速，数据中心、电动汽车等负荷激地，对供电密安全性和效率提出挑战。 推动能源结构清洁化，低碳化，求电力装备全生命周期更环保 背景 新型电力装备新材料正朝着高性能、高安全、环保化方向发展主要包含提升现有电工材料性能和开发新型电工材料两个方向 传统材料面临的巨大排战 材料革新是破局的关键 口更高电气性能：突破绝缘与耐压，赋能装备升级口更高可靠性/安全性：抵律极端工况，保障电网韧性口环境友好性：全生命周期缘色低碳，践行可持续发展口多功能性/智能化：集成传感、自诊断等智能功能 口绝缘能力逼近物理极限口热稳定性与机械强度不足口环保与安全属性欠缺 01新型电工材料 02储能新材料 新型电工材料 特高压新型绝缘纸关键技术研究 口绝缘纸（板）原料 高端绝缘纸板国产化面临“两头受制”的困境：一受制于资源，高端原料依赖进口寒带针叶林木浆：二受制于技术，性能更优的芳纶绝缘纸等合成技术被杜邦独家掌握 特高压新型绝缘纸关键技术研究 口关键设备核心部件 ±800kV换流变压器 换流变压器内部使用绝缘纸（纸板） 应用设备：交流变压器换流变压器、套管、电抗器等 绝缘纸寿命是决定变压器使用寿命的主要因素 超特高压所用绝缘纸主要依靠进口，魏德曼、ABB等掌握国内95%超特高压绝缘纸市场技术达±1100kV：国内辽宁兴启、泰州兴源等占有率不足5%，仅限于±400kV以下使用 特高压新型绝缘纸关键技术研究 口绝缘纸技术路线 检测分析国内外纸板原料，建立构效数据库：筛选以东北针叶林为代表的国产树种，研究从打浆、磨浆、纯化、抄纸及最终热压成型，制备满足超/特高压使用的绝缘纸板。 特高压新型绝缘纸关键技术研究 口研究基础-工况条件分析及性能测试 综含分折特高压用绝缘纸（纸板）在不同工况下承受的电气，温度、机械载荷，明确不同应用场景下对绝缘纸（板）和成型件击穿场强、介质损耗因数、体积电阻率等电气性能，抗张强度、撕裂强度等机械性能浸渍速率等浸渍性能的需求。 特高压新型绝缘纸关键技术研究 口后续研究方案 综合分析关键参数测试结果，建立不同产品类型绝缘纸（纸板）的性能参数库涵盖电气绝缘特性、机械强度、吸水性、浸油性、浸胶性等关键参数。 防火电缆一可陶瓷化聚烯烃电缆料 口新能源领域应用场景 储能电站 新能源汽车 新能源汽车碰撞起火后，断电导致车门无法开启影响逃生 储能电站若火后火灾容易延电缆等蔓延，同时有可能影响操控系统操控断电等 新能源领域容易因热失控引发火灾，其火灾特点是燃烧速度快、温度高、强毒性、难扑救驱需更高防火阻燃等级的电缆，以便给逃生和制动提供空间。 防火电缆一可陶瓷化聚烯烃电缆料 口防火火电缆的主要技术路线 柔性矿物绝缘电缆 矿物绝缘电缆 陶瓷化硅橡胶电缆 云母带绕包+传统结构 技术方案 技术方案 技术方案 技术方案 绕包合成云母带作为动火层：护采用阻磁材料评价成本低，柔性好：耐火性低，水淋，减动时可能鼓坏 内部云母带绕包，护套铜带焊接成管 内部采用矿物粉末，护套用无缝钢管 陶瓷化硅像作为绝绿或耐火层 评价 评价 优良防火性能，降低了施工斌度和成本生成工艺爱求高 耐高温，不然成本高，以铺设 耐火性能优异，桑软且安装方便，成本高，需后续蔬化 传统的防火电缆制造工艺复杂。陶瓷化硅橡胶能同时阻燃和防火，但成本贵，挤出后需硫化。陶瓷化聚烯烃材料成本低，工艺简单，自前市场上已有产品虽能成瓷但不能兼具阻燃 防火电缆一一可陶瓷化聚烯烃电缆料 口存在问题 口陶瓷化聚烯烃成瓷机理 1、玻璃粉等不易表面改性，影响机械强度2、玻璃粉等可能含有碱金属元素，劣化阻燃性能3、低温成瓷，但在高温下可能导致陶瓷层融化 主流陶瓷化聚烯烃成瓷机理：在聚烯烃中加入骨架填料、成瓷填料、助溶剂（低熔点玻璃粉、硼酸盐、磷酸盐等），高温或燃烧时，助溶剂熔融与成瓷填料等之间发生共品作用，并黏结骨架形成多孔陶瓷结构 自前主流技术采用低温玻璃粉作为成瓷粘接助剂，一定程度上满足成瓷要求，但由于难以同时填充大量阻燃剂以及玻璃粉中的碱金属元素的影响难以兼具阻燃性能 防火电缆一可陶瓷化聚烯烃电缆料 口可陶瓷化技术方案 本项目以具有路易斯酸类型阻燃为主阻燃剂，加入成瓷助剂蒙脱土、成碳助剂及骨架填料海泡石，在燃烧中聚烯烃成碳并与阻燃剂分解产物等相互作用成瓷，同时实现阻燃和防火 防火电缆一可陶瓷化聚烯烃电缆料 口目前技术方案存在的问题 口下一步工作计划 1、以水滑石为阻燃剂，制备的聚烯烃发黄（水滑石本身为白色） 研究水滑石与聚烯烃在不同温度下的作用机理： 2、混炼过程物料温度升高比较快，物料温度达到220℃制备的样品能离火自熄，但过高的温度可能会导致聚烯烃降解。而料温低的样品阻燃性能较差。 量2、石研究水滑石的预处理或加入方式对样品阻燃性能的影响 ■3、研究可陶瓷化聚烯烃电缆料的内外润滑方式，减缓混炼过程中的温升： 4、样品电缆的制备及第三方检测。 研究基础一可陶瓷化电缆料实验设备及产业化条件 口研发和产业化能力 CEE集团掌握并拥有陶瓷化电缆料技术，具备成熟的研发能力以及生产条件 防火电缆一可陶瓷化聚烯烃电缆料 口CEE陶瓷化电缆料技术 成瓷机理和关键技术：已掌握的陶瓷化硅橡胶体系以铂-氮络合物和成核助剂为基础，硅橡胶热解时抑制挥物逸散，推动反应向凝聚态发展，生成物与成瓷填料发生共晶，促进陶瓷形成：已掌握的陶瓷化聚烯烃体系以成核/成碳剂为基础，促进碳化并与填料分解产生的氧化硅和氧化镁等共晶形成陶瓷外壳。 同时实现阻燃和防火，陶瓷体耐高温，一次性通过第三方检测，符号BS6387标准 环氧树脂复合材料循环利用 环氧树脂的原材料多源自石油化工，占据了全球70%的市场，属于不可再生资源。我国是全球环氧树脂产能、产量最大国家，2023年全国产量已超过150万吨，其中电气电子用环氧树脂占消费端总量30%以上，这表明未来绝缘用环氧树脂将会面临着资源短缺的间题。 环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基一）的有机高分子化合物，属于热固性树脂。分子结构中以环氧基团为特征，可与多种固化剂发生交联反应，形成不溶、不熔的三维网状结构。其中，双酚A型环氧树脂（DGEBA）应用最广。 环氧树脂具备优异性能的同时存在一不普道的问题：环氧脂固化反应形成的三维交联网络结构具有不溶、不熔性，难以重复加工和降解，大量不可降解的环氧树脂产品将造成严重的环境污染和巨大的化石资源消耗。目前，环氧树脂通常采用粉碎、填埋以及楚烧等方式进行处理，不利于绿色可持续发展理念。所以，可降解可循环国收利用的绿色环保型环氧树脂及其复合材料具有重大意义，受到研究者的高度重视。 环氧树脂复合材料循环利用 环氧树脂复合材料循环利用 2.1物理回收 物理回收只有材料形态发生变化，化学结构未变。 热压回收利用环氧树脂在高温高压下，分子链段能够运动并发生交联重排的特性，实现材料的回收再成型。 地可通过溶胀处理使环氧树脂形成敬纳米孔结构，制成油水分离膜，利用其条油疏水性实现泊水分离功能，括展了环氧树能在环保领域的应用。 虽然物理法回收操作筒单、成本低康，且无复杂的化学反应和设备。但环氧树脂的化学结构未改变，再生材料的性能受限于原始材料，多为降级回收，难以大幅提升性能及应用前景。 环氧树脂复合材料循环利用 2.2化学回收 2.2.1非选择性回收一一一热解 热解法是指在较高的温度下，通过将较高分子量的树脂转变为较低分子量的物质。热解法主要包括：流化床热解法、高温热解法和微波辅助热解法等。原理都是将热固性复合材料加热到一定温度，树脂发生分解，热解过程中，树脂基体会产生气体、油、焦油和焦炭。 环氧树脂复合材料循环利用 2.2化学回收 2.2.2非选择性回收一一超/亚临界流体降解 超/亚临界流体是指温度和压力高于或低于临界点的流体，表现出介于液体和气体之间的性质。超临界水由于环保性好，是目前最常用的超临界流体之一。 研究表明：在不使用催化利的情况下仅使用超临界水在1h内完成了环氧树脂的降解，而业临界水中不使用催化剂，环氧树脂的降解时长需要300min。原因是超临界水的传质传热速度更快，黏度更低，分解效率高。 结论：使用超/亚临界流体作为反应介质可以减少有害化学物质的排放，并且反应过程可控，但这种处理方式浪费了树脂基体材料，降解反应通常在高温和高压下进行，对处理设备提出了高要求。 2.2化学回收 2.2.3选择性回收一醇解 醇解实质上是酯交换反应，即树脂中的交联醋基与醇溶剂中的羟基发生反应，生成新的醋和醇，破坏了环氧树脂的三维网络结构，将其转变为低聚物，常见的醇溶剂包括乙醇、乙二醇和丙二醇等。 研究者通过双森溶解度参数筛进出生物可降解的轻基化溶剂(如1, 1 丁二醇),在180℃,常压和1%一7%有机能化剂TBD条件下实现环氧树脂的高效解策： 解聚后的有机组分被证实为低聚物，可直接作为多元醇粘合剂与异氟酸酯反应，制各双组分聚氮酯涂层。所得涂层表现出优异性能，验证了热固性复合材料全组分（纤维+树脂）的闭环回收潜力。 2.2化学回收2.2.3选择性回收胺解 胺解是利用胺类化合物与环氧树脂中的酯基反应，可以有效地破坏树脂的三维交联网络，实现回收再利用，研究者提出一种无催化剂的乙醇胺降解法高效降解方法，通过在160℃下反应4h，实现了环氧树脂的完全分解，获得双酚A基多羟基化合物(BPA-OH)和环己烷二酸胺基二醇(HHPA-OH)两种高纯度单体。BPA-OH与六亚甲基二异氰酸酯反应制备聚氨酯涂层。所得涂层表现出优异性能，为热固性材料的闭环循环经济提供了重要技术路径 2.2化学回收 2.2.3选择性回收一水解 环氧树脂的交联酯键可在酸性条件下进行水解，水分子中的氧原子攻击醋的暴基碳，形成羧酸，帮聚环氧树脂，研究者分别使用磷钨酸、钨硅酸和磷钼酸/水溶液在温和条件下实现了环氧树脂的水解(降解率>95%)。其中，磷钨酸水溶液的降解效果最好，可在190℃/5h加热条件下完全降解环氧树脂。 降解过程中，只有键被选择性断裂，生成了转其和轻基，而其他化学键得以保留，回收得到的环氧树脂低聚物可替代部分环氧树脂重新固化。为热固性材料的闭环循环经济提供了重要技术路径。 可降解环氧树脂研究现状 3.1基于酯交换催化剂的可降解环氧树脂 酷交换反应是通过烧氧基部分的互换，使一种结构的酷转变为另一种结将的酯酸，或类能化剂可促进反放，还可使用企属化合轴类催化剂（锌(11)盐)有机催化剂(咪唑类和三苯基胖等)促进反应 教酸或设酐固化的抑幸对蛋于环氧树脂类vtrimer ViLrir是一种由动变共价键拍成的热固性一热型性高分子材料，兼具可