新材料在電氣工程領域的應用

成 楠，朱 蘭，潘文聯，鄭黎明，富 巍

（廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024）

產品設計的物質基礎是材料，不同材料的出現能夠促進人類社會的進步與發展。在時代發展迅速的今天，任何一次技術的突飛猛進都離不開新材料的使用。隨著科技的發展，人們通過將現代科技成果同各種新性能材料相融合，開發出了眾多電氣領域的新材料[1]。電氣工程領域的發展，本質就是實現不同級別不同特性電能的傳輸、轉換和使用。當前，我國電氣工程領域發展迅速，這與在生產制造中投入了大量新材料的應用密不可分。

1 我國電力行業可持續發展背景

我國在經濟高速發展的背景下，全國的發電量和用電需求每年均在遞增中。我國經濟已取得了相當大的發展，同時國家越發注重環境污染問題、生態問題和健康問題，拒絕先污染后治理的老道路。我國未來是要逐漸從高碳能源發展模式過渡到以低碳、清潔、綠色能源為主的發展模式。

如何處理好在經濟快速發展下既能為各行各業提供充足的電能又能保護環境和節約資源，作者認為已經不單單是設定發電權和排污權的市場交易機制問題，而是要把重心放在創新上。通過研發和應用更多新材料，提高發電、輸電效率以及終端的電能利用率。積極開發更多新能源材料并應用在可再生能源的發電技術上，才是減少污染，保護生態環境更有效的方案。

2 電氣工程領域新能源的現狀和存在的問題

2.1 我國電氣工程領域新能源現狀

聯合國新能源和可再生能源會議對新能源的定義為：“以新技術和新材料為基礎，使傳統的可再生能源得到現代化的開發和利用。”現階段，我國仍是以煤炭火力發電為主的國家，大量的煤炭資源集中在我國的西部與北部地區，東部地區的煤炭資源貧乏、人口多、用電量相對集中，導致電力能源與電力負荷分布不均衡。目前，新能源中天然氣成為我國長期宏觀政策規劃和戰略部署，“西氣東輸”從國內氣源地新疆塔里木輪南油氣田出發，外加三條進口天然氣線，分別為中亞線、中緬線和中俄線。我國風能資源也非常豐富，風電技術的開發利用已經有了很大進展，但是風力發電也存在一些問題，比如并網消納難，風機制造技術不完善等。我國太陽能的利用中太陽能熱水器在居民生活中具有一定比例的普及，光伏產業發展態勢良好，建立了不少示范光熱電站。我國核能資源豐富，是低碳的新能源。地質軸資源保守預測在200 萬噸以上，是我國目前非常看好的新能源。截至2020 年1 月，我國建成核電廠 19 座，在用 18 座。

2.2 電氣工程領域新能源存在的問題

我國雖然各種能源總量大，在世界排名領先，但是人口基數大，經濟實力和發達國家相比還有一定距離，人均擁有量并不充裕。由于我國是以煤炭火力發電為主的國家，導致環境污染大。雖然，我國光伏產業產量居于世界首位，但國內市場發展卻略有停滯。就太陽能產業而言，目前多種硅材料的生產中，其環境污染問題還需要考慮，有待尋找更好的工藝流程或者更好的替代材料。風電和太陽能是具有地域和季節性的，能源供應具有不穩定性；核能確實經濟高效，但是對安全要求高，對建設也有著極高的技術要求，一些國家正在研究更加安全的核反應堆。我國能源消費呈現持續增長模式，綠色低碳是能源發展的主旋律。關注新能源發電，必然要關注發電成本以及并網價格問題，既要結合新能源自身的發電成本來看，也要把新能源并網的系統性成本考慮進來。而成本問題本質上是材料和技術問題，所以不斷研發新材料，發現更好的材料勢在必行。

3 電氣工程領域新材料的應用分析

3.1 新型節能材料

3.1.1 高導鋁合金

在鋁合金電氣導體材料的研發中，目前全球較為出名的生產公司有古河電工、比瑞利公司、國家電網公司等。國家電網公司在2010~2015 年五年期間，研發了鋼芯58.5%IACS 中強全鋁合金節能導線和鋼芯62.5%的IACS 高導電率硬鋁絞線，它們在110~500kV的電網線路中表現出不錯的導電性能[2]，但是其導電性和國外相應材料對比還有一定差距。

3.1.2 銅合金材料

對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的關鍵，即必須滿足電導率、機械性能、耐腐蝕性能等。制作電氣元件的國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，且它的強度高，硬度大，機械性能、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件、結構件和支撐件等電氣元件[3]。

3.1.3 磁性材料

關于磁性材料的使用，國際上公認的材料有硅鋼，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，有兩種厚度規格，分別是0.18mm 和0.20mm，它們磁感應強度能夠超過1.92T，鐵損率為0.6~0.85W/kg，能夠在電網系統中得到普遍運用[4]。國內的國家電網公司也生產了取向硅鋼，分別是0.27mm 和0.18mm 這兩種規格，該取向硅鋼的研發已經遙遙領先于世界絕大部分國家，處于相對先進的發展水平。

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域發揮絕緣及密封作用，液態石蠟不僅有良好的潤滑功能，而且還具有較強的熱穩定性，氯化石蠟具有不易揮發的特性，且對人體不會構成傷害，主要用作聚氯乙烯電纜材料的增塑劑，還能降低生產成本和產品的燃燒性能[5]。

乳化蠟材料制品也在電氣工程領域得到普遍運用，蠟乳液也是一種重要的衍生專用蠟制品，它的特點是：化學性能穩定，無腐蝕性，覆蓋性好。蠟乳液可用作涂料助劑，對電線電纜設備能夠起到保護作用，提高它們的抗氧化性能，延長其使用年限[6]。我國在乳化蠟材料制品上的研究顯著，它的應用前景十分廣闊，為新材料和新技術在電氣工程領域的應用打開了空間。

3.2.2 半導電硅膠材料

半導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]。應用在GIS（Geographic Information Science，地理信息科學）絕緣件中，將半導電硅膠材料制成的有機硅密封膠涂到絕緣件的金屬嵌件與環氧樹脂結合處，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[8]。

圖1 絕緣件金屬嵌件

圖2 絕緣件金屬嵌件涂抹有機硅密封膠

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，它擁有導電性能極好、導熱性能良好、強度超高、表面積比超大等很多其他材料沒有的特性[9]。目前，研發的石墨烯電纜材料有：銅基石墨烯復合材料、鋁基石墨烯復合材料、高分子基石墨烯復合材料。

圖3 石墨烯

石墨烯的導電率高，能夠起到改善半導電屏蔽層的導電率和平滑度，優化電場的均質化的效果，并提高電纜操作的安全性和可靠性。同時，它對增加產品使用壽命也有積極意義。石墨烯材料除了被用來制作電纜，還可以應用于太陽能電池、儲能和其他領域，從而改善相關設備的性能。

3.3.2 氧化鋅納米材料

中科院北京納米能源與系統研究所所長王中林研究的納米發電機，是利用了規則的氧化鋅納米線，可納米范圍內將機械能轉化成電能。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的發電機，分別是壓電納米發電機、摩擦納米發電機和熱釋電納米發電機。具體應用例如可以將納米發電機放在鞋墊內，走路就可以驅動發光，也可用于GPS（Global Positioning System，全球定位系統）定位，還可以用于驅動傳感。

圖4 氧化鋅納米材料

3.4 復合材料

復合材料通常具備絕緣性好、無磁性、防腐能力強、制造成本低等特性，可以滿足電力系統的不同受力要求。

3.4.1 玻璃鋼

一種俗稱玻璃鋼的復合材料，如圖5 所示，主要原材料是無堿玻璃纖維增強樹脂基，用于輸電干塔結構領域，現已成功運用在750V 復合橫擔塔上。傳統的全鋼制結構質量大，容易銹蝕且易開裂，而復合材料成本低，桿塔輕便，易加工成型，憎水性能好，不但能經受住結構性能試驗和電氣性能試驗，且綠色環保可回收利用，是環境友好型材料。

圖5 玻璃鋼

3.4.2 工程塑料

工程塑料已經成為國民經濟發展、國防建設、電力建設、科技進步、日常生活等諸多行業不可缺少的結構塑料[10]。工程塑料也已經被應用于每一個有益于民生的領域。如碳纖維復合芯導線的復合芯、復合絕緣子、絕緣導線、配套配件、耐張線夾的楔塊和絕緣子的附件。圖6 是碳纖維復合芯導體，圖7 是復合電絕緣體和絕緣導體。

圖6 碳纖維復合芯導體

圖7 復合電絕緣體和絕緣導體

該復合材料具有成本低、制造工藝簡單、易于掌握、所需投資少、經濟效益高等優點，適合工業化大規模生產和使用，將是電力配件應用材料的一項革命性創新。

4 新材料發展趨勢分析

新材料的研發與應用和電力行業本身的需求以及技術應用息息相關[11]。與發達國家相比，我國電氣行業的技術發展水平略有不足，很多技術依舊被發達國家壟斷。目前，我國電氣行業新材料的發展方向關注環境保護和資源短缺的問題，以及電力能源的特征和電氣技術水平、應用場景等[12]。

4.1 環境保護和資源短缺的問題

很多傳統材料雖然電氣特性穩定，經久耐用，但是生產過程中環境污染大。很多電氣器件原材料成本高，如果能找到效能一樣，且經濟效益高的環境友好型材料替代新材料將會為電氣行業帶來新的活力。

4.2 電力能源的特征和電氣技術水平

要多關注和新能源技術開發相關的材料需求和創新。目前，我們制造大型發電機組的生產能力尚且有限，只有通過加強對環流化機組和臨界機組等發電組的研發和建設，才能提高生產制造能力。與此同時，我國對于百萬千瓦的核電機組的生產制造能力尚處于滯后階段，仍然需要從其他發達國家進口核電制造生產技術和核心部件。我國目前正在推進核能源的大力發展，努力研發大型先進的壓水堆核電新技術，而相關電氣材料也有迫切研發需求。

4.3 應用場景

為了能安全地用于購物中心、高層建筑、交通樞紐、醫院機場、數據中心、發電設施和海上平臺等一些大型重要的基礎設施，需要材料具有諸如優秀的熱力學性能、機械性能、導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 結束語

人類與材料之間存在著密切的聯系，材料在人類由無知走向文明的發展過程中發揮了關鍵的作用[13]。材料是技術在具體行業中運用的載體，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域得到很好的應用，推動著電力行業的可持續化發展。在材料的發展過程中，我們能夠看到人類社會的歷史進程，也能夠預測未來新材料和新能源必將在電力行業中得到廣泛應用，讓我們期待更多更優秀的材料能夠在電氣工程領域出現，促進電氣行業的可持續發展和創新。