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

通過對不同粒徑比的Al 2 O 3 高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行熱導(dǎo)率測試、擊穿場強測試、介電常數(shù)測試，研究Al 2 O 3填料的粒徑對環(huán)氧樹脂膠粘劑導(dǎo)熱性能的影響。實驗結(jié)果表明，適當(dāng)配比的大、中、小粒徑Al 2 O 3 填料能夠顯著提升環(huán)氧樹脂膠粘劑的熱導(dǎo)率，其中第8種配方的復(fù)合膠粘劑展現(xiàn)出最高的熱導(dǎo)率，有效減少了熱傳導(dǎo)路徑上的界面熱阻。同時，第7種配方在保證高導(dǎo)熱性的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了擊穿場強至32.37 kV/mm，有利于提高變電設(shè)備在高溫環(huán)境下的運行安全性。此外，研究發(fā)現(xiàn)第3種粒徑比填料體系的復(fù)合膠粘劑展現(xiàn)出最優(yōu)的介電性能。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；Al 2 O 3 ；擊穿場強；電力設(shè)備；抗老化

中圖分類號：TQ433.4 + 37 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)備作為電力網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組件，其長期穩(wěn)定運行對于保障電網(wǎng)安全、提高供電質(zhì)量至關(guān)重要。然而，在長期運行過程中，變電設(shè)備內(nèi)部的熱應(yīng)力是導(dǎo)致設(shè)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(fù)荷條件下，熱應(yīng)力加速了絕緣材料的老化，增加了設(shè)備的維護(hù)成本，降低了系統(tǒng)的整體效率。環(huán)氧樹脂膠粘劑因其優(yōu)異的電氣絕緣性能、機(jī)械強度和化學(xué)穩(wěn)定性，在變電設(shè)備中被廣泛用作絕緣和粘接材料。然而，傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率較低，無法有效散熱，從而限制了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。近年來，通過添加高導(dǎo)熱填料制備的高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂膠粘劑能顯著提升熱導(dǎo)率 [3-4] 。這類新型膠粘劑不僅保持了原有環(huán)氧樹脂的優(yōu)點，還大幅提高了熱管理能力，為變電設(shè)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(dǎo)熱環(huán)氧樹脂膠粘劑的變電設(shè)備防熱老化運維策略。以期為電力行業(yè)的設(shè)備運維提供科學(xué)依據(jù)，延長設(shè)備壽命，減少維護(hù)成本，提高電力系統(tǒng)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(yè)股份有限公司生產(chǎn)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(chǎn)的CGC-174和CGC-KH550改性偶聯(lián)劑，增強填料與環(huán)氧樹脂的結(jié)合力；德國亨斯邁公司生產(chǎn)的ARALDITE GT 7031液態(tài)環(huán)氧樹脂，是高性能雙酚A型環(huán)氧樹脂，具有低揮發(fā)性和良好的熱穩(wěn)定性。液態(tài)環(huán)氧樹脂基本性質(zhì)如表1所示。

武漢嵐月化工有限公司生產(chǎn)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(dǎo)熱環(huán)氧樹脂膠粘劑，以應(yīng)對變電設(shè)備在高溫環(huán)境下的熱老化問題。

1.2 配合比設(shè)計

以環(huán)氧樹脂EP828為基體，2-二甲基咪唑作為固化劑，經(jīng)偶聯(lián)劑表面處理過的Al 2 O 3 作為導(dǎo)熱填料制備 8 種配方的高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合膠粘劑，研究Al 2 O 3 填料不同粒徑比對復(fù)合膠粘劑黏度、導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)化流程制備高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合膠粘劑，具體流程如圖1所示。

（1）模具預(yù)處理：為防止材料粘附，預(yù)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(nèi)預(yù)熱3 h；

（2）原料預(yù)處理：將填充材料Al 2 O 3 于80 ℃下干燥2 h；將環(huán)氧樹脂加熱至90 ℃以提高流動性，隨后在干燥箱中進(jìn)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(jī)中按100∶1∶1.5 質(zhì) 量 比 加 入 不 同 粒 徑 的 Al 2 O 3 ∶CGC-174∶CGC-KH550偶聯(lián)劑，并充分?jǐn)嚢?，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(yù)處理后的Al 2 O 3 填料，遵循少量多次原則逐步加入環(huán)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(jī)反復(fù)攪拌脫泡；

（5）預(yù)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(jī)進(jìn)行攪拌脫泡 [8-9] ；

（6）固化與脫模：從干燥箱取出預(yù)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(fù)合材料完全固化并自然冷卻至室溫后進(jìn)行脫模處理，獲得目標(biāo)試樣。

1.3.2 熱導(dǎo)率測試

熱導(dǎo)率是指在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)材料兩端存在單位溫度梯度時，單位時間內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)測試儀，結(jié)合穩(wěn)態(tài)熱流法測定材料熱導(dǎo)率 [10] 。穩(wěn)態(tài)熱流法的理論基礎(chǔ)在于單向穩(wěn)定導(dǎo)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(jìn)行擊穿場強測試 [11-12] 。實驗儀具備計算機(jī)控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的自動化記錄與分析，確保測試過程的精確性和數(shù)據(jù)的可靠性，電壓擊穿試驗儀技術(shù)參數(shù)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(yán)格控制樣品厚度的一致性，以保障實驗結(jié)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(yīng)。為避免沿面閃絡(luò)，實驗全程將試樣與電極系統(tǒng)浸入經(jīng)過過濾干燥處理的二甲基硅油中。在進(jìn)行交流擊穿測試時，升壓速率設(shè)定為0.5 kV/s，每種試樣需重復(fù)測試至少10次以上，以獲得穩(wěn)定可靠的擊穿場強數(shù)據(jù)。測試結(jié)果通過威布爾（Weibull）分布進(jìn)行統(tǒng)計分析，以評估材料擊穿強度的分布特性。

1.3.4 介電常數(shù)測試

介電常數(shù)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(xué)性質(zhì)測試 [15] 。采用北京中航時代儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZJD-C型介電常數(shù)及介質(zhì)損耗測試儀進(jìn)行介電常數(shù)測試。該儀器由S916測試裝置（夾具）、ZJD-C型高頻Q表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、LKI-1型電感器幾部分組成。ZJD-C型介電常數(shù)及介質(zhì)損耗測試儀的主要技術(shù)指標(biāo)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(jīng)歷嚴(yán)格的平整與干燥預(yù)處理過程，排除任何可能干擾測試結(jié)果的外部因素。隨后，將預(yù)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(wěn)定的測試條件，嚴(yán)格控制測試環(huán)境在5～40 ℃，相對濕度保持在20%～80%。準(zhǔn)備階段，調(diào)節(jié)電極間壓力穩(wěn)定在0.3 MPa，隨后施加0.5 kV/mm的電場強度，以激發(fā)材料的介電響應(yīng)。利用測溫控溫裝置對電極進(jìn)行加熱，確保在不同溫度下測量材料的介電常數(shù)。考慮到材料與電極的熱平衡時間差異，當(dāng)電極溫度達(dá)到設(shè)定值后需繼續(xù)保持5 min，從而獲得更準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 高導(dǎo)熱填料對膠粘劑熱導(dǎo)率的影響

圖2直觀展示了8種配方的熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)。

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(jié)構(gòu)，有效減少了熱傳導(dǎo)路徑上的界面熱阻，實現(xiàn)了最高熱導(dǎo)率。這一配方的設(shè)計原理在于利用大粒徑填料構(gòu)建主要的熱傳導(dǎo)骨架，填充小粒徑填料在骨架間隙中減少空隙率，進(jìn)一步優(yōu)化熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)應(yīng)用于實際設(shè)備時，這種高熱導(dǎo)率的復(fù)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(yīng)力積累，進(jìn)而預(yù)防熱老化現(xiàn)象，顯著延長設(shè)備的使用壽命。因此，在制定變電設(shè)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(dǎo)率的關(guān)鍵步驟。

2.2 膠粘劑的擊穿場強與溫度關(guān)系分析

圖3為8種配方復(fù)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(dǎo)熱性，同時優(yōu)化了擊穿場強至32.37 kV/mm，這表明即便是在高溫環(huán)境下，該配方也能夠保持較高的電氣強度，這主要是因為優(yōu)化的填料分布可以有效分散應(yīng)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(shè)備運維中，采用第7種配方的高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂膠粘劑可以顯著降低設(shè)備內(nèi)部的熱量積聚，從而減少熱老化的風(fēng)險。這種策略尤其適用于高頻、高功率的變電應(yīng)用，如高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)中的換流器和變壓器，以及電力電子設(shè)備中的IGBT模塊。

3 結(jié)語

（1）高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂膠粘劑的性能優(yōu)化關(guān)鍵在于填料的選擇與粒徑比設(shè)計。第8種配方展現(xiàn)出最高的熱導(dǎo)率，表明通過合理設(shè)計填料的堆積結(jié)構(gòu)可以顯著提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)性能，這對于變電設(shè)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(shè)備運維過程中，第7種配方的高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂膠粘劑展現(xiàn)了良好的綜合性能，不僅具備較高的熱導(dǎo)率，而且在高溫環(huán)境下保持了相對穩(wěn)定的擊穿場強。這一配方的使用能夠有效緩解熱應(yīng)力，降低熱老化風(fēng)險，特別適合于高壓直流輸電等高功率應(yīng)用場景；

（3）介電性能的優(yōu)化是實現(xiàn)變電設(shè)備高效運維的另一關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，第3種粒徑比填料體系下的復(fù)合膠粘劑在介電常數(shù)方面表現(xiàn)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(yōu)異的膠粘劑可以進(jìn)一步提升變電設(shè)備的熱穩(wěn)定性和抗老化能力，為電力系統(tǒng)的長期可靠運行提供保障。

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（責(zé)任編輯：蘇 幔）