隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和能源轉(zhuǎn)型的需要，電力系統(tǒng)正逐步向低碳環(huán)保的方向發(fā)展。目前GIS、GIL和開關(guān)柜中廣泛使用的熱固性環(huán)氧樹脂絕緣子，在退役后難以直接回收利用，將不可避免地造成大量環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。因此，研究綠色環(huán)保、可回收的絕緣子，已經(jīng)成為了支撐絕緣部件發(fā)展的關(guān)鍵問題。

針對(duì)這一課題，西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張冠軍教授課題組以熱塑性聚碳酸酯為原料，采用熔融沉積成形3D打印技術(shù)工藝制備樣片，測(cè)量了其介電譜、體積電阻率和工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)。并打印了環(huán)保型10 kV支撐絕緣子，開展了工頻閃絡(luò)電壓和局部放電測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3D打印聚碳酸酯的電學(xué)性能優(yōu)良，接近甚至超過電工絕緣環(huán)氧樹脂的性能水平。

試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

本研究中所用的樣品均使用上海遠(yuǎn)鑄公司的PC 3D打印絲材進(jìn)行打印，絲材平均直徑為1.75 mm，誤差小于0.03 mm，滿足高精度3D打印的要求。

在兼顧成本和性能的基礎(chǔ)上，此次實(shí)驗(yàn)選擇聚碳酸酯(PC) 作為3D打印原料。

PC是一種常用的工程塑料，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的耐熱性。在電子、汽車、航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已經(jīng)具有廣泛的應(yīng)用。

01 3D打印樣片的電學(xué)性能測(cè)量

為評(píng)估3D打印PC材料的電學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了打印樣片的介電特性，體積電阻率以及擊穿場(chǎng)強(qiáng)。作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)還利用熱壓成型的傳統(tǒng)制造方式制造了PC樣片，并對(duì)其進(jìn)行了相同的測(cè)試。

02 環(huán)保型支撐絕緣子的3D打印制造

在對(duì)3D打印PC材料的電學(xué)性能進(jìn)行研究后，為實(shí)現(xiàn)環(huán)保型支撐絕緣子的制造，本文以前述的PC絲材為原料，以剝離型支撐材料(HIPS)作為支撐結(jié)構(gòu)原料，使用3D打印機(jī)(型號(hào)FUMMAT PRO 410)制造支撐絕緣子。

FUNMAT PRO 410是遠(yuǎn)鑄智能首款工業(yè)級(jí)智能雙噴頭高溫3D打印機(jī)。其打印尺寸可達(dá)305*305*406mm，可處理多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

雙噴頭溫度可達(dá)500℃，平臺(tái)溫度可達(dá)160℃，腔室溫度可達(dá)90℃。高溫優(yōu)勢(shì)讓FUNMAT PRO 410可以優(yōu)秀的打印PEEK, PEEK-CF, PEKK, PPS等高性能材料，以及打印如PA, PC, ABS, PETG這樣的工程塑料。

內(nèi)置線性導(dǎo)軌及高性能定向驅(qū)動(dòng)讓FUNMAT PRO 410可實(shí)現(xiàn)高速度，高精度的3D打印。

除了絕緣主體的制造外，金屬嵌件的加裝對(duì)于絕緣子的制造也至關(guān)重要。本文將金屬嵌件加熱至260 ℃后，采用熱壓的方法實(shí)現(xiàn)了絕緣子金屬嵌件的安裝。

環(huán)保型10 kV支撐絕緣子外形與尺寸圖

Dimensions of environment-friendly 10 kV supporting insulators

03 環(huán)保型支撐絕緣子的電學(xué)性能測(cè)試

為評(píng)估3D打印制造的環(huán)保型支撐絕緣子的電學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了絕緣子的閃絡(luò)電壓與局部放電特性。

局部放電/閃絡(luò)電壓測(cè)試平臺(tái)

Flashover voltage test platform

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

01 3D打印聚碳酸酯樣片的介電譜特性

實(shí)驗(yàn)得知，3D打印PC材料的相對(duì)介電常數(shù)數(shù)值穩(wěn)定，溫度依賴性較弱。熱壓PC的εr隨頻率和溫度的變化則更小。3D打印PC在高溫和頻率接近工頻的條件下仍能保持較低的介質(zhì)損耗水平，滿足應(yīng)用于電氣絕緣的性能要求。

3D打印PC材料的介電譜特性

Dielectric spectrum properties of 3D printed PC

02 3D打印聚碳酸酯樣片的體積電阻率

3D打印PC樣片和熱壓PC樣片在25~105 ℃時(shí)體積電阻率的測(cè)試結(jié)果如圖 5所示?？傻靡姡诟邷貭顟B(tài)下3D打印PC仍能夠保持較高的體積電阻率。

3D打印PC材料的體積電阻率

Volume resistivity of 3D printed PC materials

03 3D打印聚碳酸酯樣片的擊穿場(chǎng)強(qiáng)

3D打印PC樣片和熱壓PC樣片的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果論證了3D打印PC和熱壓PC的擊穿場(chǎng)強(qiáng)均符合威布爾概率分布。

04 3D打印支撐絕緣子的閃絡(luò)電壓

為了更深入地研究3D打印環(huán)保型支撐絕緣子的沿面耐電特性，本實(shí)驗(yàn)對(duì)同一個(gè)樣品在表面拋光處理前后兩種不同狀態(tài)下的閃絡(luò)電壓進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，拋光后3D打印環(huán)保型支撐絕緣子的閃絡(luò)電壓得到一定提升。

3D打印環(huán)保型支撐絕緣子拋光前后對(duì)比

Comparison of 3D printed environmental friendly support insulators before and after polishing

05 3D打印支撐絕緣子的局部放電

實(shí)驗(yàn)分析表明，3D打印環(huán)保型支撐絕緣子局放起始電壓達(dá)到36.1 kV，工頻閃絡(luò)電壓為69.7 kV，均遠(yuǎn)高于其運(yùn)行時(shí)的額定電壓(約5.8 kV)。另外，3D打印環(huán)保型絕緣子滿足10 kV開關(guān)柜工頻耐壓的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求，具有一定實(shí)用潛力。

電學(xué)性能分析

根據(jù)聚碳酸酯3D打印樣片的電學(xué)性能分析，3D打印環(huán)保型絕緣子沿面耐電強(qiáng)度分析和3D打印環(huán)保型絕緣子局部放電特性分析，其結(jié)果顯示3D打印PC與電工絕緣中常用的環(huán)氧樹脂材料電學(xué)性能相當(dāng)；3D打印環(huán)保型絕緣子的平均閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)比傳統(tǒng)環(huán)氧絕緣子更高；另外對(duì)嵌件的幾何外形進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)安裝工藝進(jìn)行改進(jìn)(如對(duì)嵌件進(jìn)行涂膠處理等)可進(jìn)一步提升3D打印環(huán)保型絕緣子的電學(xué)性能。

結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，3D打印聚碳酸酯材料的電學(xué)性能優(yōu)異，其介電特性、電阻特性和擊穿場(chǎng)強(qiáng)均與目前支撐絕緣子常用的環(huán)氧材料相當(dāng)，因此，3D打印聚碳酸酯材料可以滿足支撐絕緣子材料對(duì)電學(xué)性能的要求。

本文制造的3D打印環(huán)保型支撐絕緣子局部放電起始電壓和閃絡(luò)電壓分別為36.1 kV和69.7 kV，均遠(yuǎn)高于其運(yùn)行額定電壓(5.8 kV)，并與傳統(tǒng)10 kV開關(guān)柜環(huán)氧樹脂支撐絕緣子的性能相接近。其耐電性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有走向?qū)嶋H應(yīng)用的潛力，后續(xù)將進(jìn)行長(zhǎng)期帶電測(cè)試，以進(jìn)一步深入研究并推動(dòng)其走向應(yīng)用。

關(guān)于遠(yuǎn)鑄智能

遠(yuǎn)鑄智能（INTAMSYS）是一家全球領(lǐng)先的提供高性能材料3D打印和工業(yè)直接增材制造解決方案的高科技公司，由來自海內(nèi)外世界一流高科技公司從事多年精密設(shè)備開發(fā)、高性能材料研究的工程師團(tuán)隊(duì)聯(lián)合創(chuàng)建。公司在上海、東莞、德國(guó)斯圖加特和美國(guó)明尼蘇達(dá)有研發(fā)和營(yíng)銷、技術(shù)服務(wù)中心，當(dāng)前已建立了覆蓋全球的完整營(yíng)銷和售后服務(wù)體系。

遠(yuǎn)鑄智能（INTAMSYS）聚焦于航空航天、汽車、電子制造、消費(fèi)品、醫(yī)療、科研等行業(yè)領(lǐng)域，提供從功能測(cè)試原型制作、工裝夾具制造到最終產(chǎn)品直接批量生產(chǎn)的完整增材制造解決方案，產(chǎn)品涵蓋設(shè)備、軟件、高性能材料及打印服務(wù)等。