西安交大環(huán)保型3D打印PC材料支撐絕緣子電氣性能研究

來(lái)源：遠(yuǎn)鑄智能


隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和能源轉(zhuǎn)型的需要,，電力系統(tǒng)正逐步向低碳環(huán)保的方向發(fā)展,。目前GIS,、GIL和開關(guān)柜中廣泛使用的熱固性環(huán)氧樹脂絕緣子，在退役后難以直接回收利用,，將不可避免地造成大量環(huán)境污染和資源浪費(fèi),。因此，研究綠色環(huán)保,、可回收的絕緣子,，已經(jīng)成為了支撐絕緣部件發(fā)展的關(guān)鍵問題。

針對(duì)這一課題,，西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張冠軍教授課題組以熱塑性聚碳酸酯為原料,，采用熔融沉積成形3D打印工藝制備樣片，測(cè)量了其介電譜,、體積電阻率和工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng),。并打印了環(huán)保型10 kV支撐絕緣子，開展了工頻閃絡(luò)電壓和局部放電測(cè)試,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，3D打印聚碳酸酯的電學(xué)性能優(yōu)良，接近甚至超過電工絕緣環(huán)氧樹脂的性能水平,。

試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法
材料選擇與樣件制備
熔融沉積成形FDM 3D打印的原料眾多,，從常用的聚乳酸(PLA)到特種塑料聚醚醚酮(PEEK)，幾乎所有的熱塑性材料都可以用作3D打印的原料,。研究團(tuán)隊(duì)在兼顧成本和性能的基礎(chǔ)上,，選擇聚碳酸酯(PC)作為3D打印原料。

△表1 PC絲材基本物理性能

PC是一種常用的工程塑料,，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的耐熱性,，在電子、汽車,、航天,、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已經(jīng)具有廣泛的應(yīng)用。本研究中所用的樣品均使用INTAMSYS 遠(yuǎn)鑄智能公司的PC 3D打印絲材進(jìn)行打印,，絲材平均直徑為1.75 mm,，誤差小于0.03 mm，滿足高精度3D打印的要求,。其主要性能參數(shù)如表1所示,。

△ PC 3D打印樣片圖

以上述絲材為成型材料進(jìn)行FDM 3D打印，制備測(cè)試所需的圓片狀試樣,。試樣厚度為1 mm,，根據(jù)測(cè)試需求，直徑分別為40 mm和100 mm，所有試樣均采用沿厚度方向切片的方式進(jìn)行打印,。制得的試樣實(shí)物如上圖所示,，經(jīng)測(cè)量其厚度誤差小于0.05 mm，具有較高的打印質(zhì)量,。

3D打印樣片的電學(xué)性能測(cè)量
為評(píng)估3D打印PC材料的電學(xué)性能,，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了打印樣片的介電特性，體積電阻率以及擊穿場(chǎng)強(qiáng),。作為對(duì)比,，實(shí)驗(yàn)還利用熱壓成型的傳統(tǒng)制造方式制造了PC樣片，并對(duì)其進(jìn)行了相同的測(cè)試,。

環(huán)保型支撐絕緣子的3D打印制造
在對(duì)3D打印PC材料的電學(xué)性能進(jìn)行研究后,，為實(shí)現(xiàn)環(huán)保型支撐絕緣子的制造，研究團(tuán)隊(duì)以前述的PC絲材為原料,，以剝離型支撐材料(HIPS)作為支撐結(jié)構(gòu)原料,，使用3D打印機(jī)(型號(hào)FUMMAT PRO 410，INTAMSYS 遠(yuǎn)鑄智能)制造支撐絕緣子,。

除了絕緣主體的制造外,，金屬嵌件的加裝對(duì)于絕緣子的制造也至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)將金屬嵌件加熱至260 ℃后,，采用熱壓的方法實(shí)現(xiàn)了絕緣子金屬嵌件的安裝,。

△環(huán)保型10 kV支撐絕緣子外形與尺寸圖

環(huán)保型支撐絕緣子的電學(xué)性能測(cè)試
為評(píng)估3D打印制造的環(huán)保型支撐絕緣子的電學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了絕緣子的閃絡(luò)電壓與局部放電特性,。

△局部放電/閃絡(luò)電壓測(cè)試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3D打印聚碳酸酯樣片的介電譜特性

實(shí)驗(yàn)得知,，3D打印PC材料的相對(duì)介電常數(shù)數(shù)值穩(wěn)定，溫度依賴性較弱,。熱壓PC的εr隨頻率和溫度的變化則更小,。3D打印PC在高溫和頻率接近工頻的條件下仍能保持較低的介質(zhì)損耗水平，滿足應(yīng)用于電氣絕緣的性能要求,。

△3D打印PC材料的介電譜特性

3D打印聚碳酸酯樣片的體積電阻率
3D打印PC樣片和熱壓PC樣片在25~105 ℃時(shí)體積電阻率的測(cè)試結(jié)果如下圖所示�,？傻靡�,，在高溫狀態(tài)下3D打印PC仍能夠保持較高的體積電阻率。

△3D打印PC材料的體積電阻率

3D打印聚碳酸酯樣片的擊穿場(chǎng)強(qiáng)
3D打印PC樣片和熱壓PC樣片的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果論證了3D打印PC和熱壓PC的擊穿場(chǎng)強(qiáng)均符合威布爾概率分布,。

3D打印支撐絕緣子的閃絡(luò)電壓
為了更深入地研究3D打印環(huán)保型支撐絕緣子的沿面耐電特性,，本實(shí)驗(yàn)對(duì)同一個(gè)樣品在表面拋光處理前后兩種不同狀態(tài)下的閃絡(luò)電壓進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明,，拋光后3D打印環(huán)保型支撐絕緣子的閃絡(luò)電壓得到一定提升,。

△3D打印環(huán)保型支撐絕緣子拋光前后對(duì)比

3D打印支撐絕緣子的局部放電
實(shí)驗(yàn)分析表明，3D打印環(huán)保型支撐絕緣子局放起始電壓達(dá)到36.1 kV，工頻閃絡(luò)電壓為69.7 kV,，均遠(yuǎn)高于其運(yùn)行時(shí)的額定電壓(約5.8 kV),。另外，3D打印環(huán)保型絕緣子滿足10 kV開關(guān)柜工頻耐壓的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求,，具有一定實(shí)用潛力,。

電學(xué)性能分析
根據(jù)聚碳酸酯3D打印樣片的電學(xué)性能分析，3D打印環(huán)保型絕緣子沿面耐電強(qiáng)度分析和3D打印環(huán)保型絕緣子局部放電特性分析,，其結(jié)果顯示3D打印PC與電工絕緣中常用的環(huán)氧樹脂材料電學(xué)性能相當(dāng),；3D打印環(huán)保型絕緣子的平均閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)比傳統(tǒng)環(huán)氧絕緣子更高；另外對(duì)嵌件的幾何外形進(jìn)行優(yōu)化,，并對(duì)安裝工藝進(jìn)行改進(jìn)(如對(duì)嵌件進(jìn)行涂膠處理等)可進(jìn)一步提升3D打印環(huán)保型絕緣子的電學(xué)性能,。

結(jié)論
實(shí)驗(yàn)表明，3D打印聚碳酸酯材料的電學(xué)性能優(yōu)異,，其介電特性,、電阻特性和擊穿場(chǎng)強(qiáng)均與目前支撐絕緣子常用的環(huán)氧材料相當(dāng)，因此,，3D打印聚碳酸酯材料可以滿足支撐絕緣子材料對(duì)電學(xué)性能的要求,。

研究團(tuán)隊(duì)制造的3D打印環(huán)保型支撐絕緣子局部放電起始電壓和閃絡(luò)電壓分別為36.1 kV和69.7 kV，均遠(yuǎn)高于其運(yùn)行額定電壓(5.8 kV),，并與傳統(tǒng)10 kV開關(guān)柜環(huán)氧樹脂支撐絕緣子的性能相接近,。其耐電性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有走向?qū)嶋H應(yīng)用的潛力,，后續(xù)將進(jìn)行長(zhǎng)期帶電測(cè)試,，以進(jìn)一步深入研究并推動(dòng)其走向應(yīng)用。


原文鏈接：http://e-press.dwjs.com.cn/epri/weixin/2022-48-7-2677.html