四种类型的电气新材料在电气工程领域的应用

四种类型的电气新材料在电气工程领域的应用

1、我国电力行业可持续发展背景

我国在经济高速发展的背景下，全国的发电量和用电需求每年均在递增中。我国经济已取得了相当大的发展，同时国家越发注重环境污染问题、生态问题和健康问题，拒绝先污染后治理的老道路。我国未来是要逐渐从高碳能源发展模式过渡到以低碳、清洁、绿色能源为主的发展模式。

2.1 我国电气工程领域新能源现状

联合国新能源和可再生能源会议对新能源的定义为：“以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用。”现阶段，我国仍是以煤炭火力发电为主的国家，大量的煤炭资源集中在我国的西部与北部地区，东部地区的煤炭资源贫乏、人口多、用电量相对集中，导致电力能源与电力负荷分布不均衡。目前，新能源中天然气成为我国长期宏观政策规划和战略部署，“西气东输”从国内气源地新疆塔里木轮南油气田出发，外加三条进口天然气线，分别为中亚线、中缅线和中俄线。我国风能资源也非常丰富，风电技术的开发利用已经有了很大进展，但是风力发电也存在一些问题，比如并网消纳难，风机制造技术不完善等。我国太阳能的利用中太阳能热水器在居民生活中具有一定比例的普及，光伏产业发展态势良好，建立了不少示范光热电站。我国核能资源丰富，是低碳的新能源。地质轴资源保守预测在200 万吨以上，是我国目前非常看好的新能源。截至2020 年1 月，我国建成核电厂 19 座，在用 18 座。

2.2 电气工程领域新能源存在的问题

我国虽然各种能源总量大，在世界排名领先，但是人口基数大，经济实力和发达国家相比还有一定距离，人均拥有量并不充裕。由于我国是以煤炭火力发电为主的国家，导致环境污染大。虽然，我国光伏产业产量居于世界首位，但国内市场发展却略有停滞。就太阳能产业而言，目前多种硅材料的生产中，其环境污染问题还需要考虑，有待寻找更好的工艺流程或者更好的替代材料。风电和太阳能是具有地域和季节性的，能源供应具有不稳定性；核能确实经济高效，但是对安全要求高，对建设也有着极高的技术要求，一些国家正在研究更加安全的核反应堆。我国能源消费呈现持续增长模式，绿色低碳是能源发展的主旋律。关注新能源发电，必然要关注发电成本以及并网价格问题，既要结合新能源自身的发电成本来看，也要把新能源并网的系统性成本考虑进来。而成本问题本质上是材料和技术问题，所以不断研发新材料，发现更好的材料势在必行。

3、电气工程领域新材料的应用分析

3.1 新型节能材料

3.1.1 高导铝合金

3.1.2 铜合金材料

表1 制作电气元件的国际铜合金材料及其特性对比

3.1.3 磁性材料

关于磁性材料的使用，国际上公认的材料有硅钢，用于配电变压器的非晶合金以及低磁钢材料等。如日本制造的取向硅钢，有两种厚度规格，分别是0.18mm 和0.20mm，它们磁感应强度能够超过1.92T，铁损率为0.6~0.85W/kg，能够在电网系统中得到普遍运用。国内的国家电网公司也生产了取向硅钢，分别是0.27mm 和0.18mm 这两种规格，该取向硅钢的研发已经遥遥领先于世界绝大部分国家，处于相对先进的发展水平。

3.2 新型电工绝缘材料

3.2.1 蜡类新材料

蜡类新材料一般指的是蜡合成或者衍生材料，蜡类新材料主要在电气领域发挥绝缘及密封作用，液态石蜡不仅有良好的润滑功能，而且还具有较强的热稳定性，氯化石蜡具有不易挥发的特性，且对人体不会构成伤害，主要用作聚氯乙烯电缆材料的增塑剂，还能降低生产成本和产品的燃烧性能。

乳化蜡材料制品也在电气工程领域得到普遍运用，蜡乳液也是一种重要的衍生专用蜡制品，它的特点是：化学性能稳定，无腐蚀性，覆盖性好。蜡乳液可用作涂料助剂，对电线电缆设备能够起到保护作用，提高它们的抗氧化性能，延长其使用年限。我国在乳化蜡材料制品上的研究显著，它的应用前景十分广阔，为新材料和新技术在电气工程领域的应用打开了空间。

3.2.2 半导电硅胶材料

半导电硅胶材料是在硅橡胶材料中加入非金属材料石墨、炭黑、导电纤维等，既保留了硅胶材料原有的耐热、耐寒和耐候的性能，又具有非常好的绝缘性能和电磁屏蔽能力。应用在GIS（Geographic Information Science，地理信息科学）绝缘件中，将半导电硅胶材料制成的有机硅密封胶涂到绝缘件的金属嵌件与环氧树脂结合处，如图1、图2 所示，浇注成新型绝缘件，比未涂胶的嵌件抗压能力更强。

图1 绝缘件金属嵌件

图2 绝缘件金属嵌件涂抹有机硅密封胶

3.3 纳米新材料

3.3.1 二维碳纳米材料

石墨烯作为一种二维碳纳米材料，由众多碳原子紧密堆积而成，石墨烯如图3 所示，它拥有导电性能极好、导热性能良好、强度超高、表面积比超大等很多其他材料没有的特性。目前，研发的石墨烯电缆材料有：铜基石墨烯复合材料、铝基石墨烯复合材料、高分子基石墨烯复合材料。

图3 石墨烯

石墨烯的导电率高，能够起到改善半导电屏蔽层的导电率和平滑度，优化电场的均质化的效果，并提高电缆操作的安全性和可靠性。同时，它对增加产品使用寿命也有积极意义。石墨烯材料除了被用来制作电缆，还可以应用于太阳能电池、储能和其他领域，从而改善相关设备的性能。

3.3.2 氧化锌纳米材料

图4 氧化锌纳米材料

3.4 复合材料

3.4.1 玻璃钢

一种俗称玻璃钢的复合材料，如图5 所示，主要原材料是无碱玻璃纤维增强树脂基，用于输电干塔结构领域，现已成功运用在750V 复合横担塔上。传统的全钢制结构质量大，容易锈蚀且易开裂，而复合材料成本低，杆塔轻便，易加工成型，憎水性能好，不但能经受住结构性能试验和电气性能试验，且绿色环保可回收利用，是环境友好型材料。

图5 玻璃钢

3.4.2 工程塑料

工程塑料已经成为国民经济发展、国防建设、电力建设、科技进步、日常生活等诸多行业不可缺少的结构塑料。工程塑料也已经被应用于每一个有益于民生的领域。如碳纤维复合芯导线的复合芯、复合绝缘子、绝缘导线、配套配件、耐张线夹的楔块和绝缘子的附件。图6 是碳纤维复合芯导体，图7 是复合电绝缘体和绝缘导体。

图6 碳纤维复合芯导体

图7 复合电绝缘体和绝缘导体

4、新材料发展趋势分析

新材料的研发与应用和电力行业本身的需求以及技术应用息息相关。与发达国家相比，我国电气行业的技术发展水平略有不足，很多技术依旧被发达国家垄断。目前，我国电气行业新材料的发展方向关注环境保护和资源短缺的问题，以及电力能源的特征和电气技术水平、应用场景等。

4.1 环境保护和资源短缺的问题

很多传统材料虽然电气特性稳定，经久耐用，但是生产过程中环境污染大。很多电气器件原材料成本高，如果能找到效能一样，且经济效益高的环境友好型材料替代新材料将会为电气行业带来新的活力。

4.2 电力能源的特征和电气技术水平

要多关注和新能源技术开发相关的材料需求和创新。目前，我们制造大型发电机组的生产能力尚且有限，只有通过加强对环流化机组和临界机组等发电组的研发和建设，才能提高生产制造能力。与此同时，我国对于百万千瓦的核电机组的生产制造能力尚处于滞后阶段，仍然需要从其他发达国家进口核电制造生产技术和核心部件。我国目前正在推进核能源的大力发展，努力研发大型先进的压水堆核电新技术，而相关电气材料也有迫切研发需求。

4.3 应用场景

5、结束语

人类与材料之间存在着密切的联系，材料在人类由无知走向文明的发展过程中发挥了关键的作用。材料是技术在具体行业中运用的载体，本文介绍了四种类型的电气新材料，它们都能够在电气工程领域得到很好的应用，推动着电力行业的可持续化发展。在材料的发展过程中，我们能够看到人类社会的历史进程，也能够预测未来新材料和新能源必将在电力行业中得到广泛应用，让我们期待更多更优秀的材料能够在电气工程领域出现，促进电气行业的可持续发展和创新。

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