新材料在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用

成 楠，朱 蘭，潘文聯(lián)，鄭黎明，富 巍

（廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024）

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(kāi)新材料的使用。隨著科技的發(fā)展，人們通過(guò)將現(xiàn)代科技成果同各種新性能材料相融合，開(kāi)發(fā)出了眾多電氣領(lǐng)域的新材料[1]。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(guó)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(guó)電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展背景

我國(guó)在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，全國(guó)的發(fā)電量和用電需求每年均在遞增中。我國(guó)經(jīng)濟(jì)已取得了相當(dāng)大的發(fā)展，同時(shí)國(guó)家越發(fā)注重環(huán)境污染問(wèn)題、生態(tài)問(wèn)題和健康問(wèn)題，拒絕先污染后治理的老道路。我國(guó)未來(lái)是要逐漸從高碳能源發(fā)展模式過(guò)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(chǎng)交易機(jī)制問(wèn)題，而是要把重心放在創(chuàng)新上。通過(guò)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(kāi)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(wèn)題

2.1 我國(guó)電氣工程領(lǐng)域新能源現(xiàn)狀

聯(lián)合國(guó)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(kāi)發(fā)和利用。”現(xiàn)階段，我國(guó)仍是以煤炭火力發(fā)電為主的國(guó)家，大量的煤炭資源集中在我國(guó)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(guó)長(zhǎng)期宏觀政策規(guī)劃和戰(zhàn)略部署，“西氣東輸”從國(guó)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(guó)風(fēng)能資源也非常豐富，風(fēng)電技術(shù)的開(kāi)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(wèn)題，比如并網(wǎng)消納難，風(fēng)機(jī)制造技術(shù)不完善等。我國(guó)太陽(yáng)能的利用中太陽(yáng)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(shì)良好，建立了不少示范光熱電站。我國(guó)核能資源豐富，是低碳的新能源。地質(zhì)軸資源保守預(yù)測(cè)在200 萬(wàn)噸以上，是我國(guó)目前非?？春玫男履茉?。截至2020 年1 月，我國(guó)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(wèn)題

我國(guó)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(guó)家相比還有一定距離，人均擁有量并不充裕。由于我國(guó)是以煤炭火力發(fā)電為主的國(guó)家，導(dǎo)致環(huán)境污染大。雖然，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量居于世界首位，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展卻略有停滯。就太陽(yáng)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(wèn)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(yáng)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(guó)家正在研究更加安全的核反應(yīng)堆。我國(guó)能源消費(fèi)呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)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(wèn)題，既要結(jié)合新能源自身的發(fā)電成本來(lái)看，也要把新能源并網(wǎng)的系統(tǒng)性成本考慮進(jìn)來(lái)。而成本問(wèn)題本質(zhì)上是材料和技術(shù)問(wèn)題，所以不斷研發(fā)新材料，發(fā)現(xiàn)更好的材料勢(shì)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(guó)家電網(wǎng)公司等。國(guó)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?cè)?10~500kV的電網(wǎng)線路中表現(xiàn)出不錯(cuò)的導(dǎo)電性能[2]，但是其導(dǎo)電性和國(guó)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(guó)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[3]。

3.1.3 磁性材料

關(guān)于磁性材料的使用，國(guó)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[2]。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(guò)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[4]。國(guó)內(nèi)的國(guó)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(guó)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(rùn)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[5]。

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(wú)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(zhǎng)其使用年限[6]。我國(guó)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(kāi)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[7]。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(shù)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)[8]。

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(méi)有的特性[9]。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(chǎng)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(lái)制作電纜，還可以應(yīng)用于太陽(yáng)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(zhǎng)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(wú)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(wú)堿玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)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(kāi)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)保可回收利用，是環(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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)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[10]。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(jiǎn)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(shì)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)[11]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)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(guó)家壟斷。目前，我國(guó)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(wèn)題，以及電力能源的特征和電氣技術(shù)水平、應(yīng)用場(chǎng)景等[12]。

4.1 環(huán)境保護(hù)和資源短缺的問(wèn)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(guò)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(lái)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(kāi)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(guò)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(guó)對(duì)于百萬(wàn)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(guó)家進(jìn)口核電制造生產(chǎn)技術(shù)和核心部件。我國(guó)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(chǎng)景

為了能安全地用于購(gòu)物中心、高層建筑、交通樞紐、醫(yī)院機(jī)場(chǎng)、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(yǔ)

人類與材料之間存在著密切的聯(lián)系，材料在人類由無(wú)知走向文明的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用[13]。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(guò)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(cè)未來(lái)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。