可持續(xù)絕緣材料新路徑

在全球邁向“碳中和”的進程中，電力系統(tǒng)被視為能源轉(zhuǎn)型的核心支點。然而，相比發(fā)電側(cè)的清潔能源替代，一個長期被忽視的問題正在逐漸浮出水面——電力系統(tǒng)中廣泛使用的絕緣材料，本身并不“綠色”。無論是氣體絕緣設(shè)備中大量使用的六氟化硫（SF?），還是變壓器中的礦物絕緣油，亦或是電纜和絕緣子中不可回收的高分子固體材料，它們在全生命周期中都伴隨著溫室效應(yīng)、環(huán)境污染和資源浪費等問題。隨著全球電力需求持續(xù)增長，這些絕緣材料的使用規(guī)模也在不斷擴大，其環(huán)境代價愈發(fā)難以忽視。如何在確保電力系統(tǒng)安全可靠運行的前提下，實現(xiàn)絕緣材料的可持續(xù)轉(zhuǎn)型，已經(jīng)成為電力工程與材料科學(xué)領(lǐng)域面臨的一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

在此，上海交通大學(xué)黃興溢教授聯(lián)合武漢大學(xué)肖淞教授、湖北工業(yè)大學(xué)張曉星教授發(fā)表綜述論文，系統(tǒng)梳理了氣體、液體和固體三大類電力絕緣材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，深入分析了它們在環(huán)境與可持續(xù)性方面面臨的核心瓶頸，并總結(jié)了當(dāng)前可行的技術(shù)路徑，包括替代、回收、再利用、溫和降解以及資源化轉(zhuǎn)化等策略。文章不僅從材料本身出發(fā)，討論了絕緣性能、環(huán)境影響與工程適配之間的權(quán)衡關(guān)系，還進一步將視角拓展至政策法規(guī)、技術(shù)成熟度和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等層面，勾勒出一條通向“凈零電力系統(tǒng)”的系統(tǒng)性路線圖。相關(guān)成果以“Sustainable insulating materials for power systems”為題發(fā)表在《Nature Reviews Electrical Engineering》上，李祎、陳杰和石生堯為共同第一作者。

圖1直觀展示了絕緣材料在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的廣泛分布：從發(fā)電廠、變電站到輸電線路、儲能裝置，幾乎所有關(guān)鍵設(shè)備都離不開絕緣材料的支撐。然而，不同類型的絕緣材料，其環(huán)境影響卻截然不同。氣體絕緣材料（如SF?）因其極高的溫室效應(yīng)潛勢，被視為電力系統(tǒng)中的“隱形排放源”；液體絕緣材料在泄漏后容易造成水體和土壤污染；而固體絕緣材料則往往難以回收，最終以高能耗焚燒或填埋的方式退出系統(tǒng)。這一圖景清晰地揭示了：絕緣材料的可持續(xù)性，已經(jīng)成為制約電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型的重要因素之一。

圖1：電力系統(tǒng)中絕緣材料的應(yīng)用及其不可持續(xù)影響

在氣體絕緣領(lǐng)域，SF? 幾乎是無法回避的核心材料。它卓越的絕緣和滅弧性能，使其長期占據(jù)主導(dǎo)地位，但同時也因極高的全球變暖潛勢而受到嚴格監(jiān)管。圖2系統(tǒng)梳理了圍繞 SF? 展開的多條技術(shù)路線。一方面，通過低溫冷凝、吸附分離等方式對 SF? 進行回收、凈化和再利用，可以在一定程度上降低新氣體的使用量；另一方面，開發(fā)低溫和等離子體等溫和降解技術(shù)，有助于實現(xiàn) SF? 的安全處置。更具前景的方向，則是尋找能夠替代 SF? 的新型絕緣氣體，如氟腈、氟酮及其混合氣體體系。這些替代氣體在降低溫室效應(yīng)的同時，也面臨絕緣性能、材料相容性和長期穩(wěn)定性等多重考驗。

圖2：邁向可持續(xù)氣體絕緣材料的技術(shù)路線

圖3聚焦于電力設(shè)備中使用最廣泛的液體絕緣材料。傳統(tǒng)礦物油雖然性能成熟、成本低廉，但其可燃性、不可降解性以及污染風(fēng)險，使其難以滿足未來可持續(xù)發(fā)展的要求。研究總結(jié)了三條并行路徑：其一是通過添加抗氧化劑、納米填料等方式延長礦物油使用壽命；其二是通過過濾、蒸餾、吸附和萃取等技術(shù)，實現(xiàn)廢舊絕緣油的再生和梯級利用；其三，也是最受關(guān)注的方向，是以天然酯和合成酯為代表的可持續(xù)替代絕緣液體。這些新型絕緣液體在生物降解性和防火安全性方面具有明顯優(yōu)勢，但在低溫流動性、氧化穩(wěn)定性和電氣性能方面仍需持續(xù)優(yōu)化。

圖3：可持續(xù)液體絕緣材料的發(fā)展策略

相比氣體和液體絕緣材料，固體絕緣材料的難題更多集中在服役壽命和退役后的處置問題。圖4展示了多種面向可持續(xù)固體絕緣材料的創(chuàng)新思路。通過引入電場自適應(yīng)結(jié)構(gòu)、自修復(fù)機制以及自診斷功能，可以在材料內(nèi)部缺陷尚未演化為失效之前進行修復(fù)或預(yù)警，從而顯著延長服役壽命。同時，基于動態(tài)共價鍵的可重構(gòu)高分子網(wǎng)絡(luò)，為實現(xiàn)“既像熱固性材料一樣耐用，又像熱塑性材料一樣可回收”提供了新的可能。此外，光化學(xué)、電化學(xué)、超聲和超臨界流體等新型回收技術(shù)，也為固體絕緣材料的綠色退役提供了技術(shù)儲備。

圖4：面向可持續(xù)固體絕緣材料的設(shè)計與回收路徑

在最后一幅圖中，研究將視角從材料本身提升至系統(tǒng)層面，強調(diào)政策框架、技術(shù)成熟度與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在推動可持續(xù)絕緣材料落地中的關(guān)鍵作用。無論是SF? 的逐步禁用，還是新型絕緣油和可回收電纜材料的規(guī)?；瘧?yīng)用，都離不開法規(guī)引導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)制定以及跨學(xué)科協(xié)同。圖5所描繪的，是一個貫穿“材料研發(fā)—裝備制造—運行維護—退役回收”的閉環(huán)體系，只有在這一體系中，可持續(xù)絕緣材料才能真正轉(zhuǎn)化為電力系統(tǒng)低碳化的現(xiàn)實支撐。

圖5：可持續(xù)絕緣材料支撐凈零電力系統(tǒng)的路徑框架

小結(jié)

這篇綜述表明，絕緣材料雖然在電力系統(tǒng)中“隱身于幕后”，卻在能源轉(zhuǎn)型中扮演著不可或缺的角色。通過材料替代、壽命延長、回收利用和資源轉(zhuǎn)化等多種路徑協(xié)同推進，電力系統(tǒng)有望在保障安全可靠的同時，大幅降低其環(huán)境足跡。未來，隨著人工智能輔助材料設(shè)計、精準(zhǔn)制造技術(shù)以及更加完善的政策與標(biāo)準(zhǔn)體系逐步成熟，可持續(xù)絕緣材料將不再只是實驗室中的概念，而是支撐全球電力系統(tǒng)邁向凈零目標(biāo)的重要基石。