环氧树脂材料在铁路电力设备中的绝缘应用

周俊

摘 要：绝缘技术对于提高电力设备的安全性能具有重要意义;而绝缘技术的好坏往往取决于所采用的绝缘材料，环氧树脂材料凭借其优异的绝缘新能被广泛的应用于各种电力设备中。针对环氧树脂材料进行了分析，且探讨了环氧树脂材料在铁路电力设备中的绝缘应用。

关键词：环氧树脂材料;铁路电力系统;铁路电力设备;绝缘性能

中图分类号：TQ323.5       文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0069-05

我国铁路电力系统的发展已经到达一个相当高的水平，尤其是近年来一些新型材料应用，以及一些新型电力设备的引进，使得我国的铁路电力系统日趋完善。绝缘材料的研究和开发与电力工业的发展和进步息息相关。一般来说，绝缘材料的应用总体可以分为3类，即气体、液体、固体绝缘材料。在现有的固体绝缘材料中，绝缘方式主要包括了绝缘胶、绝缘漆、绝缘纤维等多种技术，环氧树脂正是基于这种背景下产生的一种新型绝缘技术[1]。环氧树脂材料的应用，对于绝缘技术的发展具有重要的指导作用。

1 环氧树脂的简介

绝缘材料的应用历史十分悠久，早在20世纪初期，就有许多欧洲国家开始研究绝缘材料了，那时的主要原材料就是高压定子线圈，紧随其后美国等国家开始加入绝缘材料的研究，使得这一时期出现了许多种类的绝缘材料。而我国开始研究绝缘技术已经到了20世纪六七十年代了，研究人员利用酸性聚酯合成了绝缘材料，这些绝缘材料的成功研制打响了我国材料发展史上的第一枪，自此之后我国相继开发出了许多的绝缘性技术[2]。环氧树脂正是在科研人员不断的试验研究中产生的一种绝缘材料，它的应用对于电力行业的发展具有重要的推动作用。

1.1 环氧树脂的定义及分类

一个或两个以上的环氧基团组成的，将脂环族、脂肪族、芳香族化合物作为主要骨架，再经过环氧基团发生反应而产生的热固性高分子聚合物即为环氧树脂，这一类的高分子聚合物常被称作环氧化合物。

随着现代科学技术的发展，以及化学工业的日益进步，环氧树脂的结构也变得越来越复杂，其组合方式和构成也变得越来越繁琐。现阶段根据环氧树脂材料的组成方式，我们可以将其分为缩水甘油醚类，缩水甘油酯类以及脂肪族环氧化合物等等。根据目前的工作方法，又可以将其分为固态环氧树脂类和液态环氧树脂类两种。

1.2 环氧树脂的应用分析

根据目前环氧树脂在各个领域的应用情况来看，环氧树脂材料在其应用过程中具有良好的粘接性能，较为科学的固化过程，以及较高的耐久性和耐热性等特点。此外，环氧树脂材料还具有较高的抗机械强度、抗腐蚀性能[3]，环氧树脂材料的这些优良性能可以很好的满足不同种类，不同要求的高压配线的施工要求，而且其管理和设计工作也引起了人们的高度重视。

2 铁路电力工程概述

2.1 铁路的级别分类

我国的铁路一般分为三级，即Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级[4]。这种分类主要是依据具体路线在路网中的作用，以及远期年客运货运量来衡定的。铁路的等级和铁路电力工程的标准是相互匹配的，铁路电力工程的设计依据主要包括：通信负荷和与铁路密切相关的信号，通常按照复线铁路、单线铁路以及高速铁路进行设计。

2.2 铁路电力工程的内容

铁路电力工程的主要内容：10 kV自闭线路，10 kV配电所、10 kV贯通路线、10/0.4 kV变电所、10 kV电源线路、10/0.4/0.23 kV架杆式变电台、10/0.4 kV箱式变电站、站场照明、隧道照明、室内动力及照明、电力远动系统[5]。

沿线路通信、信号、红外轴温探测等负荷的供电由10 kV贯通、自闭线路提供。10 kV配电所不仅要向所在站内的用电负荷供电。还要向相邻的两个10 kV配电所的10 kV贯通线路和10 kV自闭线路供电。10 kV电源线路主要为铁路10 kV配电所供电，是地方公共电网所接引的电源线路。10/0.4 kV变电所通常设置在大型厂房、站房内没有人值班的变电所，主要为厂房及站房的照明和电力提供电源。一般情况下10/0.4 kV箱式变电站都应用在高等级的铁路上，为沿线分散信号和通信等負荷提供电源，通常会设置在铁路沿线的区间上，其10 kV电源由10 kV自闭/贯通线路接引。10/0.4/0.23 kV杆架式变电台，通常应用在双线或单线普速铁路上，主要为沿线及站场的负荷供电。站场照明，根据站场的规模安装灯塔、灯桥、灯柱等为站场提供照明。室内动力及照明，按照各个单体建筑的性质，为建筑室内提供照明和动力。隧道照明。按照高速铁路和普速铁路的要求，在隧道里面安装照明。电力远动系统，近年来，铁路电力远动技术得到了很大的提高，新建的铁路都设有电力远动系统，在电力系统中纳入铁路电力设备，成功实现对电力设备的遥测、遥控、遥信、遥调功能。

2.3 铁路电力工程的设计标准

通常情况下，铁路电力工程的设计主要根据铁路的性质，设计标准有：

复线铁路。采用电缆敷设和架空混合方式，设置1回10 kV电力贯通先和1回10 kV电力自闭线，铁路配电所的设置与上面一致。

单线铁路。通常情况下设置1回10 kV电力贯通线，并且采用电缆敷设和架空混合方式，根据铁路电力设计规范的要求，通常情况下设40～60 km为宜，如果受到电源条件的限制，可以将其延长至70 km。然后在满足这种供电距离的要求下，设置铁路10 kV配电所，并且该配电所通常设置在车站，这样便于维护和检修。此外，给贯通线路和自闭线路供电的配电所的10 kV电源有一路设为专盘专线为宜。相邻的两个配电所电源应该相互独立，并且其中的一个配电所的电源为两路电源为宜。

高速铁路。设置1回综合负荷贯通线，以及1回kV一级负荷贯通线，利用全电缆沿路基预留的电缆槽敷设2回贯通线。铁路配电所的配置与上面一致，但是配电所的电源通常都按照两路10 kV电源设置[6]。

电化铁路和非电化。针对非电化铁路10 kV贯通线路或10 kV自闭线路通常采用架空线路形式;如果是电化铁路，还需要增加电化各类所、供电亭，此外在跨越铁路时，10 kV贯通线路或10 kV自闭线路采用电缆敷设形式。

2.4 主要设备选型和技术标准

外部电源工程。接引方式，外部电源工程包含为车站或10 kV配电所供电的引自地方公共电网的10 kV电源线路工程，通常使用电缆直埋敷设和架空线路混合方式。采用专盘专用与T接两种接引方式。T接方式指的是由公共电力线路上接引，专盘专用则是由地方变电站10 kV馈出柜直接接引。电源线路的形式，架空线路使用钢芯铝线（LGJ型）混凝土电杆，绝缘子、横担及金具，电缆线通常使用三芯铜芯铠装（YJV22型）或铝芯（YJLV22型）。施工单位的工作，施工单位施工前的主要工作是配合建设单位，根据设计文件提供电源接引方案，同时还要与当地供电公司办理相关的手续，将接引方案确定下来。当确认方案后，参考施工图施工单位需要完成线路路径的测量，且线路路径方案必须获得当地规划部门批准之后才能够开展施工。变、配电所，新建铁路的10 kV配电所通常按照有人值守和无人值班的方式来设计。10 kV配电所4个控制设备见图1。

配电所需要按照2路电源设计，并且其主接線要使用单母线分段，两路电源同时运行方式。使用调压器对10 kV贯通线进行调压后设置贯通母线供电，配电所要使用微机保护综合自动化系统，同时提供远动接口，以达到远方监控的目的。

高铁调压器使用SCZ9型Dyn11接线形式，同时调压器后面使用中性点经小电阻接地系统，此外2回贯通母线段都要设置磁控电抗器补偿装置补偿，普速铁路通常使用SZ10型油浸式调压器（图3）。

2.5 配电所主要设备类型

新建的普速铁路10 kV配电所，其高压开关柜一般采用内KYN28型开关柜，新建的高铁10 kV配电所一般采用GIS开关柜方式，此外有载调压器使用SCZ9型干式的不附带外壳的调压器，采用智能高频开关电源直流电源，同时配置铅酸免维护电池。配电所使用单元式微机保护装置，及微机综合自动化系统。

普速铁路区间及站场一般采用架杆式变电台来为用电负荷提供电源，但是当变压器容量超过200 kVA或者部分重要的厂所会使用10/0.4 kV变电所、箱式变电站方式（图4）。

箱式变电站、变电所的高压部分一般使用SF6气体绝缘环网柜;而里面所选用的是SCB10系列的干式变压器，采用可靠性、数据化高柜型的低压开关柜，智能远动箱式变电站、电力远动变电所的所有高低压开关都要设置电动操作机构，同时通过集中设置好的RT装置纳入电力远动系统。

箱式变电站内的变压器一般采用SCB10型环氧树脂浇注干式电力变压器，另外包含在远动箱变的所有高低压开关都能够进行电动操作，便于远方及本地操作。

3 环氧树脂材料在铁路电力设备中的应用

近些年来，使用环氧树脂材料制成的绝缘件被广泛的应用到了各种电力设备当中，常见的有用环氧树脂制成的用在三相交流高压开关设备上的套管、绝缘铜、支撑绝缘子以及触头盒等[7]（见图6），这里简单的分析了一下环氧树脂材料制成的绝缘件在铁路电力设备中的应用情况。

3.1 环氧树脂绝缘件的制作

在有机绝缘材料中环氧树脂具有许多突出的优良特点，如粘附力强、内聚力大、柔顺性好，同时具有十分稳定的耐化学腐蚀性能，优良的热固化性能。环氧树脂材料通过浇注体系可以浇注制成各种固体材料，如自动环氧压力凝胶制造工艺（APG工艺）。环氧树脂材料制成的绝缘件具有耐电弧性强、机械强度高、表面光洁、致密性高、耐热性能良好、耐寒性能良好等优点，所以环氧树脂在电力领域应用较为广泛，能够发挥支撑和绝缘的作用，表1为环氧树脂制成的绝缘件之间的力学，电气以及物理性能。

为了获得更好的应用价值，环氧树脂常与其他添加物一同使用，在选用是按照不同的用途来选择不同的添加物，常见的添加物有：改性剂、固化剂、稀释剂、填料以及其他的一些添加物。这里添加物中固化剂是必不可少的，因为不管是作涂料、粘接还是浇注材料都需要加入固化剂，否则环氧树脂材料不能固化。环氧树脂固化剂、改性剂、填料、稀释剂等添加物会因为成品的不同用途、性能而有不同的使用要求。此外，产品制造中用到的原材料的质量、模具、工艺温度、压力、固化时间等都会影响成品的质量，所以通常制造单位都会制定严格遵守标准的工艺流程，保证绝缘件的质量最佳。

3.2 环氧树脂具远见的击穿机理

众所周知，击穿液体和气体介质的场强要低于击穿固体介质的场强，而环氧树脂绝缘件显然属于固体介质，因此其击穿场强较大。此外击穿固体介质的场强会受到电压作用时间长短的影响，通常来讲，作用时间小于1 s时为电击穿;而热击穿指的是电压作用时间在一秒到几小时之间的击穿，当电压作用时间大于几小时时就是电化学击穿[8]。从电压作用时间可知这3种击穿方式的击穿过程不一样，但是最后的结果都是使固体介质产生永久性的破坏。研究人员对开关设备进行了工频耐压试验，试验过程中的试验电压有调压器进行控制，并保持持续均匀地升压，试验发现只有在升压后，在标准的耐受电压下绝缘件一分钟被击穿，其他部位在整个升压过程中都是被瞬时击穿的，即电击穿。环氧树脂绝缘件在实际生活中经常会碰到这种情况，这里以40.5 kV真空断路器固封极柱作为研究对象，就这个现象进行具体分析。

固封极柱指的是将断路器相关的导电零件与真空灭弧室一起嵌入到环氧树脂或其他热塑性材料的固体绝缘材料中形成极柱，使其成为一个独立部件。固封极柱中用到的主要的绝缘材料有粘接剂、电力硅橡胶以及环氧树脂等，将环氧树脂、粘接剂、电力硅橡胶等包裹在真空灭弧室的外表面，形成极柱，并且保证真空灭弧室的性能不能丧失或者有多降低，同时保证其表面光滑平整，不能有降低力学性能和电气性能的气泡、气孔、疏松、也不能有裂纹等缺陷。尽管在其生产过程中严格按照要求制作，但是固封极柱的成品的成功率还是没有达到理想的状态。此外，真空灭弧室还会受到损坏，生产固封极柱的造成的损失是相当大的。分析其中的原因，主要是因为极柱不能达到绝缘要求，从而造成废品率较高。

根据高压绝缘原理可知，固体介质的电击穿过程和气体介质电击穿过程十分相似，其原理都是由于电力碰撞形成电子崩，介质的晶格结构会被高强度的电子崩破坏，从而造成击穿。固封极柱中所使用到的几种绝缘材料，其多能承受的最高击穿电压都较高，也就是说材料的击穿场强较高，尤其是环氧树脂材料，其击穿场强Eb≈20 kV/mm。但是对固定介质绝缘性能影响非常大的是电场的均匀度。当绝缘卷内部存在过强的电场，即使绝缘材料有足够的绝缘裕度和厚度，同时也通过了出厂时的耐压试验和局部放电试验，但是在其运行一段时间过后，绝缘极击穿故障还是有可能出现的。如果有机絕缘内部有对绝缘材料过强的场强存在时，就有可能发生锥孔效应，进而使绝缘材料逐渐被击穿。而这种问题在早期阶段是没有办法检测出来的，无论是进行局部放电试验还是工频耐压试验都无法做到，针对这种隐患目前也没有更好的检测方法来排查，所以主要还是要靠优化制造工艺来确保其质量。所以，必须要用圆弧对固封极柱的上下线边缘进行过渡，同时保证其半径尽可能的大，以此来优化其场强的分布。对于电力硅橡胶、环氧树脂等固体介质，固封极柱在制造过程中会因为面积与体积的大小差异，导致击穿破环被积累，进而使得其击穿场强不同，体积或面积大时击穿场强较低，所以在包封固化之前一定要将环氧树脂等固体介质在混料设备中进行均匀混合，提高场强作用在绝缘介质中的分散性。

除此之外，由于固体介质是非自恢复绝缘材料，因此在对固封极柱施加试验电压作用时，固体介质内部的损伤都会随着作用次数的增加而累加，损伤会不断扩大，进而导致极柱被击穿。所以应该在设计之初就将极柱的绝缘余量尽可能地设置大一些，这样就能够在一定程度上减少试验电压对极柱的损伤。此外，如果极柱中不同介质之间的粘接不够好，会导致气泡和气隙的形成。当对极柱施加电压作用时，因为气泡或气隙中的场强高于固体介质中的场强，会使得气泡或者气隙中的击穿场强远远低于固体介质的击穿场强。为了解决这种绝缘问题，就要防止气泡或气隙的形成，常用的方法有：采用优良的浇注设备和原材料，确保固体介质的绝缘性;对粘接表面进行处理，使其变成坑洼面或磨砂面，同时应用合理的粘结剂，对粘接界面进行有效粘接。

4 结语

环氧树脂具有粘附力强、内聚力大、热固化性能优良、耐化学腐蚀性能优良等特点，是十分出色的有机绝缘材料。通过环氧树脂浇注体系可以制成各种固体绝缘件，被广泛的应用铁路电力设备中。虽然环氧树脂是绝佳的绝缘材料，但是在其制造过程中还是存在一些缺陷，目前我们，能够做到的就是对环氧树脂材料的制造工艺进行优化，同时对电力设备中的电场进行优化，使环氧树脂的绝缘特性能够发挥更大的作用，也使环氧树脂绝绝缘材料在铁路电力设备中的应用更加完善。

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