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。

針對這一課題，西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(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打印工藝制備樣片，測量了其介電譜、體積電阻率和工頻擊穿場強(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
材料選擇與樣件制備
熔融沉積成形FDM3D打印的原料眾多，從常用的聚乳酸(PLA)到特種塑料聚醚醚酮(PEEK)，幾乎所有的熱塑性材料都可以用作3D打印的原料。研究團(tuán)隊(duì)在兼顧成本和性能的基礎(chǔ)上，選擇聚碳酸酯(PC)作為3D打印原料。

△表1 PC絲材基本物理性能
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。本研究中所用的樣品均使用INTAMSYS遠(yuǎn)鑄智能公司的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。其主要性能參數(shù)如表1所示。
△ PC 3D打印樣片圖
以上述絲材為成型材料進(jìn)行FDM 3D打印，制備測試所需的圓片狀試樣。試樣厚度為1 mm，根據(jù)測試需求，直徑分別為40 mm和100 mm，所有試樣均采用沿厚度方向切片的方式進(jìn)行打印。制得的試樣實(shí)物如上圖所示，經(jīng)測量其厚度誤差小于0.05 mm，具有較高的打印質(zhì)量。

3D打印樣片的電學(xué)性能測量
為評估3D打印PC材料的電學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)測量了打印樣片的介電特性，體積電阻率以及擊穿場強(qiáng)。作為對比，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，并對其進(jìn)行了相同的測試。

環(huán)保型支撐絕緣子的3D打印制造
在對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，研究團(tuán)隊(duì)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FUMMAT PRO 410，INTAMSYS 遠(yuǎn)鑄智能)制造支撐絕緣子。

除了絕緣主體的制造外，金屬嵌件的加裝對于絕緣子的制造也至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)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 環(huán)保型支撐絕緣子的電學(xué)性能測試
為評估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)電壓測試平臺
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
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

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)體積電阻率的測試結(jié)果如下圖所示。可得見，在高溫狀態(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
3D打印聚碳酸酯樣片的擊穿場強(qiáng)
3D打印PC樣片和熱壓PC樣片的交流擊穿場強(qiáng)測試結(jié)果論證了3D打印PC和熱壓PC的擊穿場強(qiáng)均符合威布爾概率分布。

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比
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)場強(qiáng)比傳統(tǒng)環(huán)氧絕緣子更高；另外對嵌件的幾何外形進(jìn)行優(yōu)化，并對安裝工藝進(jìn)行改進(jìn)(如對嵌件進(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電學(xué)性能的要求。

研究團(tuán)隊(duì)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)行長期帶電測試，以進(jìn)一步深入研究并推動其走向應(yīng)用。