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电气工程领域中新材料的应用

2021-12-03 307 上传者：管理员

摘要：创新是驱动发展的动力，社会各个行业的优质发展都需要不断创新，电气工程领域的发展也不例外。随着科技的发展，更多高性能且环保的材料走进电气工程领域。这些新材料的广泛使用，优化了电气产业结构，提高了电气的各种性能，有些还大幅降低了电气工程项目成本，推动了新技术在电力行业的运用，促进电气行业的可持续发展和创新。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相关新材料技术必将在电气行业中得到更广泛地应用。

关键词：
产品设计
新材料
环境保护
电气工程
电气性能
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产品设计的物质基础是材料，不同材料的出现能够促进人类社会的进步与发展。在时代发展迅速的今天，任何一次技术的突飞猛进都离不开新材料的使用。随着科技的发展，人们通过将现代科技成果同各种新性能材料相融合，开发出了众多电气领域的新材料[1]。电气工程领域的发展，本质就是实现不同级别不同特性电能的传输、转换和使用。当前，我国电气工程领域发展迅速，这与在生产制造中投入了大量新材料的应用密不可分。

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。

如何处理好在经济快速发展下既能为各行各业提供充足的电能又能保护环境和节约资源，作者认为已经不单单是设定发电权和排污权的市场交易机制问题，而是要把重心放在创新上。通过研发和应用更多新材料，提高发电、输电效率以及终端的电能利用率。积极开发更多新能源材料并应用在可再生能源的发电技术上，才是减少污染，保护生态环境更有效的方案。

2、电气工程领域新能源的现状和存在的问题

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

在铝合金电气导体材料的研发中，目前全球较为出名的生产公司有古河电工、比瑞利公司、国家电网公司等。国家电网公司在2010～2015年五年期间，研发了钢芯58.5%IACS中强全铝合金节能导线和钢芯62.5%的IACS高导电率硬铝绞线，它们在110～500kV的电网线路中表现出不错的导电性能[2]，但是其导电性和国外相应材料对比还有一定差距。

3.1.2 铜合金材料

对于制造户外电气元件的厂商，材料使用功能的好坏是选择电气元件时的关键，即必须满足电导率、机械性能、耐腐蚀性能等。制作电气元件的国际铜合金材料及其特性，如表1所示。铝黄铜的成本在同类铜合金中最低，且它的强度高，硬度大，机械性能、耐腐蚀性都略胜于其他铜合金，所以非常适合在户外使用。铝黄铜材料主要是用于制作具有较高的受力和耐腐蚀性能的传动件、结构件和支撑件等电气元件[3]。

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[2]。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[4]。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[5]。

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[6]。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[7]。应用在GIS(GeographicInformationScience，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[8]。

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[9]。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。

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

中科院北京纳米能源与系统研究所所长王中林研究的纳米发电机，是利用了规则的氧化锌纳米线，可纳米范围内将机械能转化成电能。氧化锌纳米材料如图4所示。目前，有3类由氧化锌纳米材料研发的发电机，分别是压电纳米发电机、摩擦纳米发电机和热释电纳米发电机。具体应用例如可以将纳米发电机放在鞋垫内，走路就可以驱动发光，也可用于GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位系统）定位，还可以用于驱动传感。

3.4 复合材料

复合材料通常具备绝缘性好、无磁性、防腐能力强、制造成本低等特性，可以满足电力系统的不同受力要求。

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。

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[10]。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。

该复合材料具有成本低、制造工艺简单、易于掌握、所需投资少、经济效益高等优点，适合工业化大规模生产和使用，将是电力配件应用材料的一项革命性创新。

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[11]。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[12]。

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

为了能安全地用于购物中心、高层建筑、交通枢纽、医院机场、数据中心、发电设施和海上平台等一些大型重要的基础设施，需要材料具有诸如优秀的热力学性能、机械性能、导电性和良好的切割加工性等，能使其适用于通信和传输电力。

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[13]。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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[4]唐佩绵.磁性材料在电力电器行业的应用动向[N].世界金属导报,2015-01-20(B08).

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