Направления разработки перспективных способов применения композитных материалов в электроустановках и требований к данным материалам

Мировой спрос на электроэнергию ежегодно растёт примерно на 1,8 %, при этом проблема старения инфраструктуры электросетей становится всё более острой. Исследования показывают, что в некоторых регионах Африки и Азии из-за недостаточного обслуживания сетей и дефектов материалов проводников часто происходят отключения электроэнергии [1]. Традиционные проводники, такие как сталеалюминиевые провода (АС) и провода из алюминиевого сплава, характеризуются низкой рабочей температурой, высоким коэффициентом теплового расширения и подверженностью коррозии, что затрудняет удовлетворение растущих потребностей в передаче электроэнергии [2].

В этом контексте композитные материалы, благодаря своим превосходным механическим свойствам, лёгкости, высокой удельной прочности и возможности функционального проектирования, стали предметом активных исследований в о бласт и ™,™            57

Агротехника и энергообеспечение. – 2026. – № 3 (52)

электротехники. Полимерные композитные материалы, металлические композитные материалы и керамические композитные материалы уже продемонстрировали широкие перспективы применения в токопроводящих жилах, изоляторах, лопастях ветрогенераторов и топливных элементах [3-5].

Композитные материалы состоят из двух или более компонентов с различными свойствами. В зависимости от типа матрицы их можно разделить на полимерные композитные материалы (ПКМ), металлические композитные материалы (МКМ) и керамические композитные материалы (ККМ). В электротехнике наиболее широко используются полимерные композитные материалы благодаря их хорошей технологичности, относительно низкой стоимости и широкому диапазону настраиваемых функциональных возможностей [6].

Исследования показывают, что комплексные свойства композитных материалов зависят не только от характеристик отдельных компонентов, но и от равномерности распределения наполнителя, качества межфазного взаимодействия и фазовой структуры [7]. Как показано на SEM-изображениях, распределение наполнителя в матрице оказывает определяющее влияние на механические и электрические свойства композита.

В области передачи электроэнергии достигнут значительный прогресс в применении композитных материалов. Исследования показывают, что наноупрочнённые алюминиевые композитные проводники обладают лучшими комплексными характеристиками по сравнению с традиционными проводами АС и АСУ [1]. Уджа и соавторы [8] разработали композитный проводник Al-CNTs-Nb, теплопроводность которого достигает 128 Вт/(м·К), а максимальная рабочая температура – 400°C, что значительно превышает 95°C у провода АС и 180°C у провода АСУ. Однако этот материал сталкивается с проблемой большого веса из-за высокой плотности ниобия, поэтому исследователи предлагают использовать графеновые нанолисты (ГН) или титан (Ti) в качестве альтернативных материалов для снижения плотности [1].

В области возобновляемой энергетики композитные материалы играют незаменимую роль. Лопасти ветрогенераторов являются одним из крупнейших направлений применения композитных материалов; композиты, армированные стекловолокном, углеродным волокном и натуральными волокнами, широко используются для изготовления крупногабаритных лопастей [3]. Исследования показывают, что замена стекловолокна натуральными волокнами (например, пенькой, волокном листьев ананаса) позволяет снизить вес лопасти на 27,9-38 % [3].

В области топливных элементов биполярные пластины протонно-обменных мембранных топливных элементов (ПОМТЭ) всё чаще изготавливаются из полимеруглеродных композитов вместо традиционных графита и нержавеющей стали. Полимеруглеродные композиты обладают низкой плотностью, коррозионной стойкостью и пригодностью к литью под давлением, что делает их важным направлением развития материалов для биполярных пластин [3].

В области солнечной фотоэлектрики нанокомпозитные покрытия используются для повышения эффективности преобразования кремниевых солнечных элементов. Исследования показывают, что композитное покрытие CNT-TiO₂-SiO₂ позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного элемента на 31,25 % [3].

Таким образом, обзор источников показывает, что композитные материалы уже широко применяются в электроэнергетике. Однако современные исследования в основном сосредоточены на оптимизации какой-либо одной функции, им не хватает систематической классификации применения в различных сценариях и стандартизации технических требований.

Цель данной работы – на основе систематического анализа существующих исследований предложить передовые методы применения композитных материалов в электротехнических установках и сформировать соответствующую систему технических требований.

Материалы и методы

В работе проведён анализ литературных источников с целью выявления основных существующих направлений применения композитных материалов в электроэнергетике. Проанализированы перспективные направления и предложены новые способы применения композитных материалов, изложены основные требования к материалам для реализации предложенных способов.

Результаты и обсуждение

На основе анализа существующих исследований и функциональных потребностей электротехнических установок в данной работе предлагаются шесть ориентированных на практическое применение методов использования композитных материалов.

• 1.    Метод индикации напряжения. Используя электролюминесцентные свойства композитных материалов, можно разработать встроенные устройства индикации напряжения. Добавление в полимерную матрицу электролюминофоров, таких как ZnS:Cu, позволяет материалу излучать видимый свет под действием электрического поля, наглядно указывая на наличие напряжения на оборудовании. Напряжение зажигания свечения должно контролироваться в пределах 2-5 кВ/см для соответствия уровню электрического поля в оборудовании среднего напряжения [9].

• 2.    Метод самосвечения в аварийных ситуациях. Композитные материалы с длительным послесвечением представляют большую ценность для аварийного освещения. Такие материалы, как SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺, способны накапливать энергию при освещении и непрерывно излучать свет в течение нескольких часов после отключения электроэнергии [10]. Начальная яркость композитного материала должна быть не менее 1000 мкд/м², а длительность послесвечения – не менее 6 часов.

• 3.    Метод сенсорного мониторинга. Введение в композитные материалы токопроводящих наполнителей (например, технического углерода, углеродных нанотрубок) позволяет создавать самовоспринимающие интеллектуальные изоляционные детали. При содержании наполнителя, приближающемся к порогу перколяции, композитный материал становится наиболее чувствительным к механическим деформациям или изменениям электрического поля [4]. Данный метод обеспечивает возможность онлайн-оценки состояния оборудования.

• 4.    Метод усиленной изоляции. Модификация нанонаполнителями позволяет значительно улучшить изоляционные свойства полимеров. Исследования показывают, что добавление наночастиц Al₂O₃, SiO₂ или BN подавляет развитие электрических дендритов и повышает пробивную напряжённость [1, 4]. Электрическая прочность усиленных изоляционных композитов должна быть не менее 20 кВ/мм, а класс стойкости к поверхностному разряду и эрозии должен достигать уровня 1A 4.5.

• 5.    Метод накопления энергии. Энергонакапливающие композиты в основном применяются в конденсаторах и суперконденсаторах. Путём создания рациональной структуры межфазной границы между наполнителем с высокой диэлектрической проницаемостью (например, BaTiO₃) и полимерной матрицей можно по лучит ь

  Агротехника и энергообеспечение. – 2026. – № 3 (52) 59

• 6.    Метод защиты окружающей среды. Экологичные композитные материалы изготавливаются на основе биодеградируемых полимеров, армированных натуральными волокнами (джут, лён, бамбук), что позволяет в определённой степени заменить пластики на основе нефти и снизить загрязнение электронными отходами [3]. Кроме того, композиты, содержащие фотокаталитические наполнители, такие как TiO₂, обладают свойством самоочистки [4].

диэлектрические материалы с высокой плотностью накопления энергии [4]. В соответствующих исследованиях предложены такие стратегии, как использование наполнителей типа «ядро-оболочка» и формирование трёхмерных сеток из наполнителя.

Для обеспечения надёжного применения композитных материалов в электротехнических установках необходимо сформировать систему технических требований по следующим направлениям:

Требования к электрическим свойствам. Удельное объёмное электрическое сопротивление изоляционных композитных материалов должно быть ≥10¹² Ом·см, электрическая прочность ≥20 кВ/мм (промышленная частота), тангенс угла диэлектрических потерь ≤0,005. Для функциональных композитных материалов также необходимо устанавливать специальные параметры, такие как чувствительность и время отклика [9, 11].

Требования к механическим свойствам. Композитные материалы должны удовлетворять требованиям по выполнению несущих функций: предел прочности при растяжении для материалов общего назначения ≥30 МПа, для высокопрочных конструкционных элементов ≥120 МПа, ударная вязкость ≥8 кДж/м², класс огнестойкости по стандарту UL 94 – V-0 [11, 12].

Требования к климатической адаптации и надёжности. Композитные материалы для наружного применения должны быть устойчивы к ультрафиолетовому старению, воздействию тепла и влаги, соляному туману и температурным циклам. Конкретные требования включают: сохранение механических свойств не менее 70 % после 1000 часов ускоренного УФ-старения, снижение электрической прочности не более чем на 30 % после 500 часов старения в условиях 85°C / 8 5% относительной влажности [12].

Ожидаемый срок службы должен составлять не менее 25 лет [1].

Развитие композитных материалов идёт во многом в направлении применения функциональных наполнителей, позволяющих расширить возможности материалов. Введение функциональных наполнителей и нанонаполнителей в полимерную или металлическую матрицу обеспечивает целенаправленную оптимизацию структуры композита, что приводит к улучшению механических, тепловых, электрических и антикоррозионных свойств. Такая структурная оптимизация создаёт предпосылки для многофункциональной интеграции, при которой материал одновременно выполняет несущие, изоляционные, сенсорные и энергонакопительные функции. Способность сохранять структурную целостность и работоспособность в экстремальных условиях напрямую повышает надёжность электротехнического оборудования, что позволяет обоснованно установить ожидаемый срок службы таких установок не менее 25 лет [1, 4].

Таким образом, для достижения указанных выше требований необходимо усилить исследования по таким ключевым технологиям, как низкозатратное получение функциональных нанонаполнителей, совместное проектирование многокомпонентных наполнителей и утилизация отходов, чтобы иметь возможность реализовывать новые способы применения композитных материалов и способствовать масштабному внедрению их в электротехнические установки.

Выводы:

• 1.    Благодаря своей высокой конструктивной гибкости и настраиваемой функциональности композитные материалы являются эффективным способом преодоления ограничений традиционных материалов для электротехнических установок. Нанокомпозитные проводники, такие как Al-CNTs, значительно превосходят традиционные проводники по теплопроводности и рабочей температуре.

• 2.    В данной работе предложены шесть передовых методов применения композитных материалов в электротехнических установках: индикация напряжения, аварийное самосвечение, сенсорный мониторинг, усиленная изоляция, накопление энергии и защита окружающей среды, что обеспечивает системный набор функциональных решений для инженерного применения.

• 3.    Сформирована система технических требований по четырём направлениям: электрические свойства, механические свойства, климатическая адаптация и долговременная надёжность, с определением ключевых количественных показателей.

• 4.    В будущем необходимо усилить исследования по таким ключевым технологиям, как низкозатратное получение функциональных нанонаполнителей, совместное проектирование многокомпонентных наполнителей и утилизация отходов, чтобы способствовать масштабному внедрению композитных материалов в электротехнические установки.