环保型支撑绝缘子的3D打印制造

随着“双碳”目标的提出和能源转型的需要，电力系统正逐步向低碳环保的方向发展。目前GIS、GIL和开关柜中广泛使用的热固性环氧树脂绝缘子，在退役后难以直接回收利用，将不可避免地造成大量环境污染和资源浪费。因此，研究绿色环保、可回收的绝缘子，已经成为了支撑绝缘部件发展的关键问题。

针对这一课题，西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室张冠军教授课题组以热塑性聚碳酸酯为原料，采用熔融沉积成形3D打印工艺制备样片，测量了其介电谱、体积电阻率和工频击穿场强。并打印了环保型10 kV支撑绝缘子，开展了工频闪络电压和局部放电测试。实验结果表明，3D打印聚碳酸酯的电学性能优良，接近甚至超过电工绝缘环氧树脂的性能水平。

试样制备与实验方法
材料选择与样件制备
熔融沉积成形FDM 3D打印的原料众多，从常用的聚乳酸(PLA)到特种塑料聚醚醚酮(PEEK)，几乎所有的热塑性材料都可以用作3D打印的原料。研究团队在兼顾成本和性能的基础上，选择聚碳酸酯(PC)作为3D打印原料。
 
△表1 PC丝材基本物理性能
PC是一种常用的工程塑料，具有较高的机械强度和良好的耐热性，在电子、汽车、航天、医疗器械等领域已经具有广泛的应用。本研究中所用的样品均使用INTAMSYS 远铸智能公司的PC 3D打印丝材进行打印，丝材平均直径为1.75 mm，误差小于0.03 mm，满足高精度3D打印的要求。其主要性能参数如表1所示。
△ PC 3D打印样片图
以上述丝材为成型材料进行FDM 3D打印，制备测试所需的圆片状试样。试样厚度为1 mm，根据测试需求，直径分别为40 mm和100 mm，所有试样均采用沿厚度方向切片的方式进行打印。制得的试样实物如上图所示，经测量其厚度误差小于0.05 mm，具有较高的打印质量。

3D打印样片的电学性能测量
为评估3D打印PC材料的电学性能，实验测量了打印样片的介电特性，体积电阻率以及击穿场强。作为对比，实验还利用热压成型的传统制造方式制造了PC样片，并对其进行了相同的测试。

环保型支撑绝缘子的3D打印制造
在对3D打印PC材料的电学性能进行研究后，为实现环保型支撑绝缘子的制造，研究团队以前述的PC丝材为原料，以剥离型支撑材料(HIPS)作为支撑结构原料，使用3D打印机(型号FUMMAT PRO 410，INTAMSYS 远铸智能)制造支撑绝缘子。

除了绝缘主体的制造外，金属嵌件的加装对于绝缘子的制造也至关重要。研究团队将金属嵌件加热至260 ℃后，采用热压的方法实现了绝缘子金属嵌件的安装。
  △环保型10 kV支撑绝缘子外形与尺寸图 环保型支撑绝缘子的电学性能测试
为评估3D打印制造的环保型支撑绝缘子的电学性能，实验测试了绝缘子的闪络电压与局部放电特性。

 
△局部放电/闪络电压测试平台
实验结果
3D打印聚碳酸酯样片的介电谱特性

实验得知，3D打印PC材料的相对介电常数数值稳定，温度依赖性较弱。热压PC的εr随频率和温度的变化则更小。3D打印PC在高温和频率接近工频的条件下仍能保持较低的介质损耗水平，满足应用于电气绝缘的性能要求。
 
△3D打印PC材料的介电谱特性

3D打印聚碳酸酯样片的体积电阻率
3D打印PC样片和热压PC样片在25~105 ℃时体积电阻率的测试结果如下图所示。可得见，在高温状态下3D打印PC仍能够保持较高的体积电阻率。
 
△3D打印PC材料的体积电阻率
3D打印聚碳酸酯样片的击穿场强
3D打印PC样片和热压PC样片的交流击穿场强测试结果论证了3D打印PC和热压PC的击穿场强均符合威布尔概率分布。

3D打印支撑绝缘子的闪络电压
为了更深入地研究3D打印环保型支撑绝缘子的沿面耐电特性，本实验对同一个样品在表面抛光处理前后两种不同状态下的闪络电压进行了测试。结果表明，抛光后3D打印环保型支撑绝缘子的闪络电压得到一定提升。
  △3D打印环保型支撑绝缘子抛光前后对比
3D打印支撑绝缘子的局部放电
实验分析表明，3D打印环保型支撑绝缘子局放起始电压达到36.1 kV，工频闪络电压为69.7 kV，均远高于其运行时的额定电压(约5.8 kV)。另外，3D打印环保型绝缘子满足10 kV开关柜工频耐压的应用标准要求，具有一定实用潜力。

电学性能分析
根据聚碳酸酯3D打印样片的电学性能分析，3D打印环保型绝缘子沿面耐电强度分析和3D打印环保型绝缘子局部放电特性分析，其结果显示3D打印PC与电工绝缘中常用的环氧树脂材料电学性能相当；3D打印环保型绝缘子的平均闪络场强比传统环氧绝缘子更高；另外对嵌件的几何外形进行优化，并对安装工艺进行改进(如对嵌件进行涂胶处理等)可进一步提升3D打印环保型绝缘子的电学性能。

结论
实验表明，3D打印聚碳酸酯材料的电学性能优异，其介电特性、电阻特性和击穿场强均与目前支撑绝缘子常用的环氧材料相当，因此，3D打印聚碳酸酯材料可以满足支撑绝缘子材料对电学性能的要求。

研究团队制造的3D打印环保型支撑绝缘子局部放电起始电压和闪络电压分别为36.1 kV和69.7 kV，均远高于其运行额定电压(5.8 kV)，并与传统10 kV开关柜环氧树脂支撑绝缘子的性能相接近。其耐电性能满足相关标准要求，具有走向实际应用的潜力，后续将进行长期带电测试，以进一步深入研究并推动其走向应用。