配电线路乙烯基酯树脂纳米复合自动涂覆绝缘材料性能研究

吴清玉，宋丽珠，姜 文，李 聪，朱传谱，付兰艳，朱子义，尹朝娜，张玉萍，徐 骏，张德礼

（1.海南电网有限责任公司，海口 570100；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京100000）

0 引言

为优化配电网、实现电网安全可靠运行，当前多采用人工形式对配电线路进行绝缘化，如更换绝缘导线等。但利用该种手段进行线路绝缘化改造不仅需要搭设新的杆塔，还需要在进行绝缘导线更换过程中进行大面积、长时间断电，该工程工作量大、投资成本高、施工过程对百姓生活、生产影响较大。因此，我国部分电力公司开始尝试研发一种能够实现配电线路绝缘层自动化涂覆的机器人系统，尝试开发了一些能够广泛应用于气候恶劣、多树木等环境的绝缘涂层涂覆工艺，并取得良好成果。

配电线路自动涂覆绝缘材料的涂覆外观、耐磨性能、耐腐蚀性能以及防水气透过性能是决定涂覆材料长期工作性能优劣的关键[1]。本文提出了一种基于乙烯基酯树脂纳米复合材料的绝缘喷涂材料，对该材料结构、性能优势等进行总结，旨在为我国电力行业配电线路自动涂覆绝缘材料作业领域提供借鉴。

1 配电线路自动涂覆模块

1.1 涂覆模块工作流程

配电线路自动涂覆机器人中的涂覆模块通过挂钩直接与机器人行走部分相连，通常随机身携带若干桶涂覆材料进行沿导线涂覆。涂覆模块喷头一般位于模块尾部通过软管与涂覆模块中的料桶连接；喷头型号可以根据不同配电线路线径进行更换，方便快捷。喷涂作业模块一般携带两桶涂覆材料，在工作过程中按照配电线路改造工艺要求提前设定喷涂工以参数如机器人行走速率、喷涂速率等均匀地挤出喷涂材料包裹在配电线路裸导线上。

1.2 涂覆材料性能要求

涂覆材料是配电线路自动涂覆工艺的核心。一般配电线路自动涂覆机器人沿导线工作速率约2m/min；最终涂覆材料包裹厚度一般在3㎜左右；一般绝缘材料的表面固化需要在尽可能短的时间内完成，当前使用材料固化时间多在30～40min之间；材料最高耐压根据不同线路要求而不同，一般10kV 配电线路涂覆材料最高耐压应至少达到15kV；材料需要同时具备辐射散热、防老化、防水气渗透、便于涂覆、耐腐蚀以及一定的抗磨效果；此外材料若具备环保、自洁性能则更佳。

2 乙烯基酯树脂纳米复合材料类型与性能优势

2.1 常用乙烯基酯树脂型号

乙烯基酯树脂（Vinyl ester resin，简称VER），别名环氧丙烯酸树脂，是一种热固型变性环氧树脂[2-4]。VER材料能够同时兼具优良的固化性、成型性和其他工艺性能。自20 世纪60 年代以来，VER 材料得到了迅速发展，国内外企业以VER 材料为基础，开发出多种型号和性能的VER材料如表1所示。

表1 常用VER材料品牌一览表Tab.1 List of commonly used VER material brands

（续上表）

2.2 VER材料分类与性能分析

2.2.1 标准双酚A通用型

标准双酚A通用型材料性能特点主要有：①分子链结构中的双键极为活泼，不需要特殊环境即可完成材料由液体状态向固体状态的转变，从而保证材料及其聚合物较快获得使用强度。②标准双酚A 通用型VER 材料中酯键边的-CH3（甲基）能够充分提高材料固化以后的耐水气渗透、耐水解性能。③标准双酚A通用型VER材料中含有较多的仲羟基，能够充分提高材料与其他材料如纤维材料合制品等的整体力学强度。④由于标准双酚A通用型VER材料仅在分子两端交联，因此该材料中的分子链能够在外力、热冲击等的作用下产生一定的拉伸效应，材料本身的耐微裂性能优良。表2所示为部分品牌标准型（GB）双酚A通用型VER力学性能指标。

表2 部分标准双酚A通用型VER材料性能指标（25℃）Tab.2 Some standard bisphenol A general-purpose VER material performance indexes（25℃）

2.2.2 溴化双酚A型

溴化双酚A 型VER 材料即阻燃VER 材料，因材料树脂中含溴成分又被称为溴化双酚A 型VER 材料。该材料具备优良的耐化学腐蚀性能和阻燃性能。表3所示为部分溴化双酚A型VER材料性能指标。

表3 部分溴化双酚A型VER材料性能指标（25℃）Tab.3 Performance index of partial brominated bisphenol A type VER material（25°C）

2.2.3 酚醛环氧型

酚醛环氧型VER 材料是将酚醛环氧树脂引入标准VER 材料进行合成反应所获得的一类改性VER 材料。该材料因分子结构变化而带来了较高的材料热稳定性。当酚醛环氧型VER 材料固化以后，能够为材料及其附着物带来较高的交联密度。同时，该材料通常能够达到130℃左右的热变形温度，因而使材料本身具备了寿命长、耐腐蚀性强等有点。表4所示为部分酚醛环氧型VER材料性能指标。

表4 部分酚醛环氧型VER材料性能指标（25℃）Tab.4 some properties of phenolic epoxy type VER materials（25°C）

综上，对于配电线路自动涂覆工艺中涂覆材料的性能要求，如耐高温、防老化、防水气渗透、便于涂覆、耐腐蚀等性能要求，不同类型VER 材料均能满足。因此，VER材料理论上是一种能够被广泛应用于配电线路自动涂覆工艺中的涂覆材料。

3 自动涂覆VER纳米材料制备与性能优势分析

3.1 材料制备

王颖（2017）[5]根据紫外光固化纳米复合材料制备方法，以一般VER 材料为基体制备了多种能够被广泛应用于绝缘涂覆的纳米复合材料，并利用多种表征手段对该材料性能进行实验分析；武汉某公司开发了一种配电线路自动涂覆机器人[6-8]，并为该机器人开发制备了一种专用于配电线路自动涂覆工艺VER 纳米材料，该材料是专门为10kV 输电裸导线绝缘保护的一种新型胶体材料（图1），主要技术特点如下：

图1 10kV输电裸导线绝缘保护VER纳米材料Fig.1 10kV bare conductor insulation protection VER nanomaterial

3.2 性能优势分析

3.2.1 良好的绝缘性能

该企业制备的配电线路自动涂覆工艺专用VER纳米材料在固化后具备良好的外观（图1）、优良的绝缘性能，通常在涂覆厚度达到2.5㎜状态下能够满足约25kV 高压。该企业对材料进行的耐压实验记录结果如表5所示。

表5 某企业制备配电线路自动涂覆工艺专用VER纳米材料耐压试验Tab.5 Withstand voltage test of VER nanomaterial for automatic coating process of distribution lines in an enterprise

3.2.2 固化时间短

该企业制备的配电线路自动涂覆工艺专用VER 纳米材料在25℃条件下的涂料涂表干时间为30~40min，固化以后的涂层厚度能够保持在1.8~2.3㎜之间，能够满足表5中最高约24.7kV高压绝缘性能要求。

3.2.3 其他

该材料除具备以上优势外，还具备优异的金属附着力、良好的机械耐磨性能、良好的涂覆外观、优异的耐热和耐水透气性能等。企业模拟的老化实验状态表明，该材料的使用寿命约在15 年左右，完全满足我国当前配电线路绝缘改造领域中的相关工艺要求。

3.3 案例解读

我国东南部某供电公司利用该材料在某15kV 塔段开展配电线路机器人自动涂覆。涂覆过程中，重量约50㎏的机器人随机体携带4 桶自动涂覆工艺专用VER 纳米材料沿导线行走；机器人以2m/min 的速度拖动尾部绝缘材料包覆头进行作业；约30min后，该段配电线路架空裸导线表面自动涂覆绝缘材料工作全部完成；涂覆材料厚度约为2.3㎜，与公司公布材料工艺数据高度一致。

该材料能够广泛应用于配电线路自动涂覆工艺，对于某些自然条件恶劣、多数目、高污染等作业难度大、负面影响大等场景具备高度适用性。配电线路自动涂覆机器人技术不仅能够有效降低施工成本，同时还能以优异的绝缘材料性能改善作业后配电线路的运行条件，避免同一网段短期内多次修复等问题，极大地延长了配电线路使用寿命[9]。

4 结语

综上所述，文章针对配电线路自动涂覆工艺中应用乙烯基酯树脂纳米复合材料情况进行分析，对多种VER材料性能优势进行总结；通过对文献和网络资料的整理，着重分析了我国武汉某企业开发的配电线路自动涂覆工艺专用VER 纳米复合材料，该材料具备自动涂覆工艺必须的性能优势，在实际的涂覆作业中取得了良好的应用效果。随着我国电力事业的飞速发展，对部分配电线路受损、断线等问题的重视程度越来越高。对VER 纳米复合材料的性能和应用情况分析，旨在为我国电力事业配电线路自动涂覆绝缘材料选择提供数据和理论借鉴。