四種類型的電氣新材料在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)是材料，不同材料的出現(xiàn)能夠促進(jìn)人類社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展。在時(shí)代發(fā)展迅速的今天，任何一次技術(shù)的突飛猛進(jìn)都離不開新材料的使用。隨著科技的發(fā)展，人們通過將現(xiàn)代科技成果同各種新性能材料相融合，開發(fā)出了眾多電氣領(lǐng)域的新材料。電氣工程領(lǐng)域的發(fā)展，本質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別不同特性電能的傳輸、轉(zhuǎn)換和使用。當(dāng)前，我國電氣工程領(lǐng)域發(fā)展迅速，這與在生產(chǎn)制造中投入了大量新材料的應(yīng)用密不可分。

1、我國電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展背景

我國在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，全國的發(fā)電量和用電需求每年均在遞增中。我國經(jīng)濟(jì)已取得了相當(dāng)大的發(fā)展，同時(shí)國家越發(fā)注重環(huán)境污染問題、生態(tài)問題和健康問題，拒絕先污染后治理的老道路。我國未來是要逐漸從高碳能源發(fā)展模式過渡到以低碳、清潔、綠色能源為主的發(fā)展模式。

如何處理好在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展下既能為各行各業(yè)提供充足的電能又能保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源，作者認(rèn)為已經(jīng)不單單是設(shè)定發(fā)電權(quán)和排污權(quán)的市場交易機(jī)制問題，而是要把重心放在創(chuàng)新上。通過研發(fā)和應(yīng)用更多新材料，提高發(fā)電、輸電效率以及終端的電能利用率。積極開發(fā)更多新能源材料并應(yīng)用在可再生能源的發(fā)電技術(shù)上，才是減少污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境更有效的方案。

2、電氣工程領(lǐng)域新能源的現(xiàn)狀和存在的問題

2.1 我國電氣工程領(lǐng)域新能源現(xiàn)狀

聯(lián)合國新能源和可再生能源會(huì)議對(duì)新能源的定義為：“以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ)，使傳統(tǒng)的可再生能源得到現(xiàn)代化的開發(fā)和利用。”現(xiàn)階段，我國仍是以煤炭火力發(fā)電為主的國家，大量的煤炭資源集中在我國的西部與北部地區(qū)，東部地區(qū)的煤炭資源貧乏、人口多、用電量相對(duì)集中，導(dǎo)致電力能源與電力負(fù)荷分布不均衡。目前，新能源中天然氣成為我國長期宏觀政策規(guī)劃和戰(zhàn)略部署，“西氣東輸”從國內(nèi)氣源地新疆塔里木輪南油氣田出發(fā)，外加三條進(jìn)口天然氣線，分別為中亞線、中緬線和中俄線。我國風(fēng)能資源也非常豐富，風(fēng)電技術(shù)的開發(fā)利用已經(jīng)有了很大進(jìn)展，但是風(fēng)力發(fā)電也存在一些問題，比如并網(wǎng)消納難，風(fēng)機(jī)制造技術(shù)不完善等。我國太陽能的利用中太陽能熱水器在居民生活中具有一定比例的普及，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好，建立了不少示范光熱電站。我國核能資源豐富，是低碳的新能源。地質(zhì)軸資源保守預(yù)測在200 萬噸以上，是我國目前非?？春玫男履茉础＝刂?020 年1 月，我國建成核電廠 19 座，在用 18 座。

2.2 電氣工程領(lǐng)域新能源存在的問題

我國雖然各種能源總量大，在世界排名領(lǐng)先，但是人口基數(shù)大，經(jīng)濟(jì)實(shí)力和發(fā)達(dá)國家相比還有一定距離，人均擁有量并不充裕。由于我國是以煤炭火力發(fā)電為主的國家，導(dǎo)致環(huán)境污染大。雖然，我國光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量居于世界首位，但國內(nèi)市場發(fā)展卻略有停滯。就太陽能產(chǎn)業(yè)而言，目前多種硅材料的生產(chǎn)中，其環(huán)境污染問題還需要考慮，有待尋找更好的工藝流程或者更好的替代材料。風(fēng)電和太陽能是具有地域和季節(jié)性的，能源供應(yīng)具有不穩(wěn)定性；核能確實(shí)經(jīng)濟(jì)高效，但是對(duì)安全要求高，對(duì)建設(shè)也有著極高的技術(shù)要求，一些國家正在研究更加安全的核反應(yīng)堆。我國能源消費(fèi)呈現(xiàn)持續(xù)增長模式，綠色低碳是能源發(fā)展的主旋律。關(guān)注新能源發(fā)電，必然要關(guān)注發(fā)電成本以及并網(wǎng)價(jià)格問題，既要結(jié)合新能源自身的發(fā)電成本來看，也要把新能源并網(wǎng)的系統(tǒng)性成本考慮進(jìn)來。而成本問題本質(zhì)上是材料和技術(shù)問題，所以不斷研發(fā)新材料，發(fā)現(xiàn)更好的材料勢在必行。

3、電氣工程領(lǐng)域新材料的應(yīng)用分析

3.1 新型節(jié)能材料

3.1.1 高導(dǎo)鋁合金

在鋁合金電氣導(dǎo)體材料的研發(fā)中，目前全球較為出名的生產(chǎn)公司有古河電工、比瑞利公司、國家電網(wǎng)公司等。國家電網(wǎng)公司在2010~2015 年五年期間，研發(fā)了鋼芯58.5%IACS 中強(qiáng)全鋁合金節(jié)能導(dǎo)線和鋼芯62.5%的IACS 高導(dǎo)電率硬鋁絞線，它們在110~500kV的電網(wǎng)線路中表現(xiàn)出不錯(cuò)的導(dǎo)電性能，但是其導(dǎo)電性和國外相應(yīng)材料對(duì)比還有一定差距。

3.1.2 銅合金材料

對(duì)于制造戶外電氣元件的廠商，材料使用功能的好壞是選擇電氣元件時(shí)的關(guān)鍵，即必須滿足電導(dǎo)率、機(jī)械性能、耐腐蝕性能等。制作電氣元件的國際銅合金材料及其特性，如表1 所示。鋁黃銅的成本在同類銅合金中最低，且它的強(qiáng)度高，硬度大，機(jī)械性能、耐腐蝕性都略勝于其他銅合金，所以非常適合在戶外使用。鋁黃銅材料主要是用于制作具有較高的受力和耐腐蝕性能的傳動(dòng)件、結(jié)構(gòu)件和支撐件等電氣元件。

表1 制作電氣元件的國際銅合金材料及其特性對(duì)比

3.1.3 磁性材料

關(guān)于磁性材料的使用，國際上公認(rèn)的材料有硅鋼，用于配電變壓器的非晶合金以及低磁鋼材料等。如日本制造的取向硅鋼，有兩種厚度規(guī)格，分別是0.18mm 和0.20mm，它們磁感應(yīng)強(qiáng)度能夠超過1.92T，鐵損率為0.6~0.85W/kg，能夠在電網(wǎng)系統(tǒng)中得到普遍運(yùn)用。國內(nèi)的國家電網(wǎng)公司也生產(chǎn)了取向硅鋼，分別是0.27mm 和0.18mm 這兩種規(guī)格，該取向硅鋼的研發(fā)已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于世界絕大部分國家，處于相對(duì)先進(jìn)的發(fā)展水平。

3.2 新型電工絕緣材料

3.2.1 蠟類新材料

蠟類新材料一般指的是蠟合成或者衍生材料，蠟類新材料主要在電氣領(lǐng)域發(fā)揮絕緣及密封作用，液態(tài)石蠟不僅有良好的潤滑功能，而且還具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，氯化石蠟具有不易揮發(fā)的特性，且對(duì)人體不會(huì)構(gòu)成傷害，主要用作聚氯乙烯電纜材料的增塑劑，還能降低生產(chǎn)成本和產(chǎn)品的燃燒性能。

乳化蠟材料制品也在電氣工程領(lǐng)域得到普遍運(yùn)用，蠟乳液也是一種重要的衍生專用蠟制品，它的特點(diǎn)是：化學(xué)性能穩(wěn)定，無腐蝕性，覆蓋性好。蠟乳液可用作涂料助劑，對(duì)電線電纜設(shè)備能夠起到保護(hù)作用，提高它們的抗氧化性能，延長其使用年限。我國在乳化蠟材料制品上的研究顯著，它的應(yīng)用前景十分廣闊，為新材料和新技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用打開了空間。

3.2.2 半導(dǎo)電硅膠材料

半導(dǎo)電硅膠材料是在硅橡膠材料中加入非金屬材料石墨、炭黑、導(dǎo)電纖維等，既保留了硅膠材料原有的耐熱、耐寒和耐候的性能，又具有非常好的絕緣性能和電磁屏蔽能力。應(yīng)用在GIS（Geographic Information Science，地理信息科學(xué)）絕緣件中，將半導(dǎo)電硅膠材料制成的有機(jī)硅密封膠涂到絕緣件的金屬嵌件與環(huán)氧樹脂結(jié)合處，如圖1、圖2 所示，澆注成新型絕緣件，比未涂膠的嵌件抗壓能力更強(qiáng)。

圖1 絕緣件金屬嵌件

圖2 絕緣件金屬嵌件涂抹有機(jī)硅密封膠

3.3 納米新材料

3.3.1 二維碳納米材料

石墨烯作為一種二維碳納米材料，由眾多碳原子緊密堆積而成，石墨烯如圖3 所示，它擁有導(dǎo)電性能極好、導(dǎo)熱性能良好、強(qiáng)度超高、表面積比超大等很多其他材料沒有的特性。目前，研發(fā)的石墨烯電纜材料有：銅基石墨烯復(fù)合材料、鋁基石墨烯復(fù)合材料、高分子基石墨烯復(fù)合材料。

圖3 石墨烯

石墨烯的導(dǎo)電率高，能夠起到改善半導(dǎo)電屏蔽層的導(dǎo)電率和平滑度，優(yōu)化電場的均質(zhì)化的效果，并提高電纜操作的安全性和可靠性。同時(shí)，它對(duì)增加產(chǎn)品使用壽命也有積極意義。石墨烯材料除了被用來制作電纜，還可以應(yīng)用于太陽能電池、儲(chǔ)能和其他領(lǐng)域，從而改善相關(guān)設(shè)備的性能。

3.3.2 氧化鋅納米材料

中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長王中林研究的納米發(fā)電機(jī)，是利用了規(guī)則的氧化鋅納米線，可納米范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。氧化鋅納米材料如圖4所示。目前，有3 類由氧化鋅納米材料研發(fā)的發(fā)電機(jī)，分別是壓電納米發(fā)電機(jī)、摩擦納米發(fā)電機(jī)和熱釋電納米發(fā)電機(jī)。具體應(yīng)用例如可以將納米發(fā)電機(jī)放在鞋墊內(nèi)，走路就可以驅(qū)動(dòng)發(fā)光，也可用于GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）定位，還可以用于驅(qū)動(dòng)傳感。

圖4 氧化鋅納米材料

3.4 復(fù)合材料

復(fù)合材料通常具備絕緣性好、無磁性、防腐能力強(qiáng)、制造成本低等特性，可以滿足電力系統(tǒng)的不同受力要求。

3.4.1 玻璃鋼

一種俗稱玻璃鋼的復(fù)合材料，如圖5 所示，主要原材料是無堿玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基，用于輸電干塔結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，現(xiàn)已成功運(yùn)用在750V 復(fù)合橫擔(dān)塔上。傳統(tǒng)的全鋼制結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，容易銹蝕且易開裂，而復(fù)合材料成本低，桿塔輕便，易加工成型，憎水性能好，不但能經(jīng)受住結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)和電氣性能試驗(yàn)，且綠色環(huán)?？苫厥绽茫黔h(huán)境友好型材料。

圖5 玻璃鋼

3.4.2 工程塑料

工程塑料已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防建設(shè)、電力建設(shè)、科技進(jìn)步、日常生活等諸多行業(yè)不可缺少的結(jié)構(gòu)塑料。工程塑料也已經(jīng)被應(yīng)用于每一個(gè)有益于民生的領(lǐng)域。如碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的復(fù)合芯、復(fù)合絕緣子、絕緣導(dǎo)線、配套配件、耐張線夾的楔塊和絕緣子的附件。圖6 是碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)體，圖7 是復(fù)合電絕緣體和絕緣導(dǎo)體。

圖6 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)體

圖7 復(fù)合電絕緣體和絕緣導(dǎo)體

該復(fù)合材料具有成本低、制造工藝簡單、易于掌握、所需投資少、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)和使用，將是電力配件應(yīng)用材料的一項(xiàng)革命性創(chuàng)新。

4、新材料發(fā)展趨勢分析

新材料的研發(fā)與應(yīng)用和電力行業(yè)本身的需求以及技術(shù)應(yīng)用息息相關(guān)。與發(fā)達(dá)國家相比，我國電氣行業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平略有不足，很多技術(shù)依舊被發(fā)達(dá)國家壟斷。目前，我國電氣行業(yè)新材料的發(fā)展方向關(guān)注環(huán)境保護(hù)和資源短缺的問題，以及電力能源的特征和電氣技術(shù)水平、應(yīng)用場景等。

4.1 環(huán)境保護(hù)和資源短缺的問題

很多傳統(tǒng)材料雖然電氣特性穩(wěn)定，經(jīng)久耐用，但是生產(chǎn)過程中環(huán)境污染大。很多電氣器件原材料成本高，如果能找到效能一樣，且經(jīng)濟(jì)效益高的環(huán)境友好型材料替代新材料將會(huì)為電氣行業(yè)帶來新的活力。

4.2 電力能源的特征和電氣技術(shù)水平

要多關(guān)注和新能源技術(shù)開發(fā)相關(guān)的材料需求和創(chuàng)新。目前，我們制造大型發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)能力尚且有限，只有通過加強(qiáng)對(duì)環(huán)流化機(jī)組和臨界機(jī)組等發(fā)電組的研發(fā)和建設(shè)，才能提高生產(chǎn)制造能力。與此同時(shí)，我國對(duì)于百萬千瓦的核電機(jī)組的生產(chǎn)制造能力尚處于滯后階段，仍然需要從其他發(fā)達(dá)國家進(jìn)口核電制造生產(chǎn)技術(shù)和核心部件。我國目前正在推進(jìn)核能源的大力發(fā)展，努力研發(fā)大型先進(jìn)的壓水堆核電新技術(shù)，而相關(guān)電氣材料也有迫切研發(fā)需求。

4.3 應(yīng)用場景

為了能安全地用于購物中心、高層建筑、交通樞紐、醫(yī)院機(jī)場、數(shù)據(jù)中心、發(fā)電設(shè)施和海上平臺(tái)等一些大型重要的基礎(chǔ)設(shè)施，需要材料具有諸如優(yōu)秀的熱力學(xué)性能、機(jī)械性能、導(dǎo)電性和良好的切割加工性等，能使其適用于通信和傳輸電力。

5、結(jié)束語

人類與材料之間存在著密切的聯(lián)系，材料在人類由無知走向文明的發(fā)展過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。材料是技術(shù)在具體行業(yè)中運(yùn)用的載體，本文介紹了四種類型的電氣新材料，它們都能夠在電氣工程領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用，推動(dòng)著電力行業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展。在材料的發(fā)展過程中，我們能夠看到人類社會(huì)的歷史進(jìn)程，也能夠預(yù)測未來新材料和新能源必將在電力行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，讓我們期待更多更優(yōu)秀的材料能夠在電氣工程領(lǐng)域出現(xiàn)，促進(jìn)電氣行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新。

審核編輯：郭婷