高導熱環氧膠粘劑在變電設備應用中抗老化運維探究

摘 要：為提高運維能力，有效地降低環氧樹脂膠粘劑在變電設備應用過程中的溫度，延長設備的使用壽命。

通過對不同粒徑比的Al 2 O 3 高導熱環氧樹脂膠粘劑進行熱導率測試、擊穿場強測試、介電常數測試，研究Al 2 O 3填料的粒徑對環氧樹脂膠粘劑導熱性能的影響。實驗結果表明，適當配比的大、中、小粒徑Al 2 O 3 填料能夠顯著提升環氧樹脂膠粘劑的熱導率，其中第8種配方的復合膠粘劑展現出最高的熱導率，有效減少了熱傳導路徑上的界面熱阻。同時，第7種配方在保證高導熱性的基礎上，優化了擊穿場強至32.37 kV/mm，有利于提高變電設備在高溫環境下的運行安全性。此外，研究發現第3種粒徑比填料體系的復合膠粘劑展現出最優的介電性能。

關鍵詞：環氧樹脂；Al 2 O 3 ；擊穿場強；電力設備；抗老化

中圖分類號：TQ433.4 + 37 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0032-04

Research on anti-aging operation and maintenanceof high thermal conductivity epoxy adhesive in

substation equipment application

WANG Wei，LI Zhiwei，ZHANG Zhaoyang，XU Hanping，SUN Liping

（State Grid Hubei Electric Power Co.，Ltd.，Economic and Technical Research Institute，Wuhan 430000，China）

Abstract：In order to improve the operation and maintenance capabilities，effectively reduce the temperature of ep?oxy resin adhesive in the application process of substation equipment，and prolong the service life of equipment.The effect of the particle size of Al 2 O 3 filler on the thermal conductivity of epoxy resin adhesive was studied by con?ducting thermal conductivity test，breakdown field strength test and dielectric constant test of Al 2 O 3 high thermalconductivity epoxy resin adhesive with different particle size ratios. The experimental results showed that the appro?priate ratio of large，medium and small particle size Al 2 O 3 fillers could significantly improve the thermal conductivi?ty of epoxy resin adhesives，and the composite adhesive of the eighth formulation showed the highest thermal con?ductivity，which effectively reduced the interfacial thermal resistance in the heat conduction path. At the same time，on the basis of ensuring high thermal conductivity，the seventh formula optimized the breakdown field strength to32.37 kV/mm，which was conducive to improving the operation safety of substation equipment in high-temperatureenvironments. In addition，it was found that the composite adhesive of the third particle size ratio filler system exhib?ited the best dielectric properties.

Key words：epoxy resin；Al 2 O 3 ；breakdown field strength；power equipment；anti-aging

變電設備作為電力網絡中的關鍵組件，其長期穩定運行對于保障電網安全、提高供電質量至關重要。然而，在長期運行過程中，變電設備內部的熱應力是導致設備老化、性能下降乃至故障的主要原因之一 [1-2] 。特別是在高溫、高負荷條件下，熱應力加速了絕緣材料的老化，增加了設備的維護成本，降低了系統的整體效率。環氧樹脂膠粘劑因其優異的電氣絕緣性能、機械強度和化學穩定性，在變電設備中被廣泛用作絕緣和粘接材料。然而，傳統環氧樹脂的熱導率較低，無法有效散熱，從而限制了其在高溫環境下的應用。近年來，通過添加高導熱填料制備的高導熱環氧樹脂膠粘劑能顯著提升熱導率 [3-4] 。這類新型膠粘劑不僅保持了原有環氧樹脂的優點，還大幅提高了熱管理能力，為變電設備的熱老化問題提供了新的解決方案。研究旨在探討基于高導熱環氧樹脂膠粘劑的變電設備防熱老化運維策略。以期為電力行業的設備運維提供科學依據，延長設備壽命，減少維護成本，提高電力系統的整體運行效率。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

本研究選用山東鋁業股份有限公司生產的直徑為12、5 和1.5 μm球形氧化鋁；南京晨光化工研究院有限公司生產的CGC-174和CGC-KH550改性偶聯劑，增強填料與環氧樹脂的結合力；德國亨斯邁公司生產的ARALDITE GT 7031液態環氧樹脂，是高性能雙酚A型環氧樹脂，具有低揮發性和良好的熱穩定性。液態環氧樹脂基本性質如表1所示。

武漢嵐月化工有限公司生產的2-甲基咪唑（以下簡稱2-MI）作為固化劑，主要物理特性見表2。

上述材料用于制備高導熱環氧樹脂膠粘劑，以應對變電設備在高溫環境下的熱老化問題。

1.2 配合比設計

以環氧樹脂EP828為基體，2-二甲基咪唑作為固化劑，經偶聯劑表面處理過的Al 2 O 3 作為導熱填料制備 8 種配方的高導熱環氧樹脂復合膠粘劑，研究Al 2 O 3 填料不同粒徑比對復合膠粘劑黏度、導熱性能以及電性能的影響 [5-6] 。具體的配合比如表3所示。

1.3 實驗方法

1.3.1 試樣的制備

采用標準化流程制備高導熱環氧樹脂復合膠粘劑，具體流程如圖1所示。

（1）模具預處理：為防止材料粘附，預先在鋼制模具表面涂抹硅脂，并將其密封固定后置于80 ℃的干燥箱內預熱3 h；

（2）原料預處理：將填充材料Al 2 O 3 于80 ℃下干燥2 h；將環氧樹脂加熱至90 ℃以提高流動性，隨后在干燥箱中進行5次真空處理，去除樹脂中的微小氣泡 [7] ；

（3）粉體表面改性：在高速分散機中按100∶1∶1.5 質 量 比 加 入 不 同 粒 徑 的 Al 2 O 3 ∶CGC-174∶CGC-KH550偶聯劑，并充分攪拌，確保其均勻分布于填料表面；

（4）基體材料與填料混合：利用電子天平精確稱量預處理后的Al 2 O 3 填料，遵循少量多次原則逐步加入環氧樹脂中，每次加入后均需60 ℃加熱5 min降低黏度，并使用MT300型行星真空攪拌機反復攪拌脫泡；

（5）預混固化劑：按照EP828∶咪唑固化劑=100∶8的比例稱量固化劑，并加入上述基體樹脂與填料的混合物中，再次使用MT300型行星真空攪拌機進行攪拌脫泡 [8-9] ；

（6）固化與脫模：從干燥箱取出預熱鋼板，均勻倒入靜置好的混合物，通過輕敲模具排除氣泡，隨后在80 ℃條件下保溫2 h，繼而提升至120 ℃再保溫2 h，分段固化；

（7）成品制備：待復合材料完全固化并自然冷卻至室溫后進行脫模處理，獲得目標試樣。

1.3.2 熱導率測試

熱導率是指在穩定狀態下，當材料兩端存在單位溫度梯度時，單位時間內通過單位截面積的熱量，反映了材料傳遞熱能的效率。采用DRL-III型導熱系數測試儀，結合穩態熱流法測定材料熱導率 [10] 。穩態熱流法的理論基礎在于單向穩定導熱原理，即Fouri?er （傅里葉）傳熱方程，如式（1）所示：

1.3.3 擊穿場強測試

擊穿場強測試用于確定絕緣材料承受高電壓的能力。采用LJC-50kV電壓擊穿試驗儀進行擊穿場強測試 [11-12] 。實驗儀具備計算機控制功能，能夠實現實驗數據的自動化記錄與分析，確保測試過程的精確性和數據的可靠性，電壓擊穿試驗儀技術參數見表4。

試樣為直徑16 cm、厚度500 μm的圓形薄片。鑒于樣品厚度對擊穿場強有直接影響，實驗中需嚴格控制樣品厚度的一致性，以保障實驗結果的有效性 [13-14] 。測試電極采用不同直徑的不銹鋼圓柱體，下電極直徑為75 mm，高度為15 mm，上電極直徑與高度均為25 mm，電極邊緣加工成半徑為（4±0.3）mm的圓角，以減少尖端效應。為避免沿面閃絡，實驗全程將試樣與電極系統浸入經過過濾干燥處理的二甲基硅油中。在進行交流擊穿測試時，升壓速率設定為0.5 kV/s，每種試樣需重復測試至少10次以上，以獲得穩定可靠的擊穿場強數據。測試結果通過威布爾（Weibull）分布進行統計分析，以評估材料擊穿強度的分布特性。

1.3.4 介電常數測試

介電常數測試是用來測量材料在電場作用下存儲電能能力的一項重要電學性質測試 [15] 。采用北京中航時代儀器設備有限公司生產的ZJD-C型介電常數及介質損耗測試儀進行介電常數測試。該儀器由S916測試裝置（夾具）、ZJD-C型高頻Q表、數據采集系統、LKI-1型電感器幾部分組成。ZJD-C型介電常數及介質損耗測試儀的主要技術指標見表5。

為精確評估測試樣品的介電性能，實驗采用直徑10 cm、厚度約為500 μm的圓形薄片作為樣品。在正式測試前，樣品需經歷嚴格的平整與干燥預處理過程，排除任何可能干擾測試結果的外部因素。隨后，將預處理完成的樣品置于YG87-1固體電極之間，確保其完全覆蓋測量電極表面。為營造穩定的測試條件，嚴格控制測試環境在5～40 ℃，相對濕度保持在20%～80%。準備階段，調節電極間壓力穩定在0.3 MPa，隨后施加0.5 kV/mm的電場強度，以激發材料的介電響應。利用測溫控溫裝置對電極進行加熱，確保在不同溫度下測量材料的介電常數。考慮到材料與電極的熱平衡時間差異，當電極溫度達到設定值后需繼續保持5 min，從而獲得更準確的測試數據。

2 結果與討論

2.1 高導熱填料對膠粘劑熱導率的影響

圖2直觀展示了8種配方的熱導率測試數據。

由圖2所示，第8種配方采用了8∶1∶1的大、中、小粒徑比，形成了高度有序且緊密的填料堆砌結構，有效減少了熱傳導路徑上的界面熱阻，實現了最高熱導率。這一配方的設計原理在于利用大粒徑填料構建主要的熱傳導骨架，填充小粒徑填料在骨架間隙中減少空隙率，進一步優化熱傳導網絡。當應用于實際設備時，這種高熱導率的復合膠粘劑能有效降低熱點溫度，減輕因溫度不均引起的熱應力積累，進而預防熱老化現象，顯著延長設備的使用壽命。因此，在制定變電設備的防熱老化運維策略時，精確控制填料的粒徑比例及其在樹脂基體中的分布成為提升材料熱導率的關鍵步驟。

2.2 膠粘劑的擊穿場強與溫度關系分析

圖3為8種配方復合膠粘劑擊穿場強的Weibull分布圖。

由圖3所示，第7種配方中采用2∶3∶5的粒徑比，不僅確保了材料的高導熱性，同時優化了擊穿場強至32.37 kV/mm，這表明即便是在高溫環境下，該配方也能夠保持較高的電氣強度，這主要是因為優化的填料分布可以有效分散應力集中點，減少因局部過熱而引起的材料性能退化。在變電設備運維中，采用第7種配方的高導熱環氧樹脂膠粘劑可以顯著降低設備內部的熱量積聚，從而減少熱老化的風險。這種策略尤其適用于高頻、高功率的變電應用，如高壓直流輸電（HVDC）系統中的換流器和變壓器，以及電力電子設備中的IGBT模塊。

3 結語

（1）高導熱環氧樹脂膠粘劑的性能優化關鍵在于填料的選擇與粒徑比設計。第8種配方展現出最高的熱導率，表明通過合理設計填料的堆積結構可以顯著提升復合材料的熱導性能，這對于變電設備的高效熱管理和延長其使用壽命具有重大意義；

（2）在變電設備運維過程中，第7種配方的高導熱環氧樹脂膠粘劑展現了良好的綜合性能，不僅具備較高的熱導率，而且在高溫環境下保持了相對穩定的擊穿場強。這一配方的使用能夠有效緩解熱應力，降低熱老化風險，特別適合于高壓直流輸電等高功率應用場景；

（3）介電性能的優化是實現變電設備高效運維的另一關鍵因素。研究發現，第3種粒徑比填料體系下的復合膠粘劑在介電常數方面表現最佳，這歸功于填料與基體之間接觸面積的增加和界面極化的增強。合理選擇介電性能優異的膠粘劑可以進一步提升變電設備的熱穩定性和抗老化能力，為電力系統的長期可靠運行提供保障。

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（責任編輯：蘇 幔）