環(huán)保型支撐絕緣子的3D打印制造

隨著“雙碳”目標的提出和能源轉(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。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。

針對這一課題，西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗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，測量了其介電譜、體積電阻率和工頻擊穿場強。并打印了環(huán)保型10 kV支撐絕緣子，開展了工頻閃絡(luò)電壓和局部放電測試。實驗結(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。

試樣制備與實驗方法
材料選擇與樣件制備
熔融沉積成形FDM3D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。研究團隊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，具有較高的機械強度和良好的耐熱性，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遠鑄智能公司的PC 3D打印絲材進行打印，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行FDM 3D打印，制備測試所需的圓片狀試樣。試樣厚度為1 mm，根據(jù)測試需求，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行打印。制得的試樣實物如上圖所示，經(jīng)測量其厚度誤差小于0.05 mm，具有較高的打印質(zhì)量。

3D打印樣片的電學(xué)性能測量
為評估3D打印PC材料的電學(xué)性能，實驗測量了打印樣片的介電特性，體積電阻率以及擊穿場強。作為對比，實驗還利用熱壓成型的傳統(tǒng)制造方式制造了PC樣片，并對其進行了相同的測試。

環(huán)保型支撐絕緣子的3D打印制造
在對3D打印PC材料的電學(xué)性能進行研究后，為實現(xiàn)環(huán)保型支撐絕緣子的制造，研究團隊以前述的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(型號FUMMAT PRO 410，INTAMSYS 遠鑄智能)制造支撐絕緣子。

除了絕緣主體的制造外，金屬嵌件的加裝對于絕緣子的制造也至關(guān)重要。研究團隊將金屬嵌件加熱至260 ℃后，采用熱壓的方法實現(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)性能測試
為評估3D打印制造的環(huán)保型支撐絕緣子的電學(xué)性能，實驗測試了絕緣子的閃絡(luò)電壓與局部放電特性。


△局部放電/閃絡(luò)電壓測試平臺
實驗結(jié)果
3D打印聚碳酸酯樣片的介電譜特性

實驗得知，3D打印PC材料的相對介電常數(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 ℃時體積電阻率的測試結(jié)果如下圖所示?？傻靡姡诟邷貭顟B(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強
3D打印PC樣片和熱壓PC樣片的交流擊穿場強測試結(jié)果論證了3D打印PC和熱壓PC的擊穿場強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，本實驗對同一個樣品在表面拋光處理前后兩種不同狀態(tài)下的閃絡(luò)電壓進行了測試。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比
3D打印支撐絕緣子的局部放電
實驗分析表明，3D打印環(huán)保型支撐絕緣子局放起始電壓達到36.1 kV，工頻閃絡(luò)電壓為69.7 kV，均遠高于其運行時的額定電壓(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)用標準要求，具有一定實用潛力。

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)場強比傳統(tǒng)環(huán)氧絕緣子更高；另外對嵌件的幾何外形進行優(yōu)化，并對安裝工藝進行改進(如對嵌件進行涂膠處理等)可進一步提升3D打印環(huán)保型絕緣子的電學(xué)性能。

結(jié)論
實驗表明，3D打印聚碳酸酯材料的電學(xué)性能優(yōu)異，其介電特性、電阻特性和擊穿場強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電學(xué)性能的要求。

研究團隊制造的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，均遠高于其運行額定電壓(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)標準要求，具有走向?qū)嶋H應(yīng)用的潛力，后續(xù)將進行長期帶電測試，以進一步深入研究并推動其走向應(yīng)用。