CN111599548B - 特高压交流gil用柔性界面功能梯度盆式绝缘子制造方法 - Google Patents

特高压交流gil用柔性界面功能梯度盆式绝缘子制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种全新的特高压交流GIL用柔性界面功能梯度盆式绝缘子制造方法，通过静电纺丝方法对环氧树脂基件表面电纺PVA/BaTiO3材料薄膜，在盆式绝缘子表面形成介电常数二维梯度分布的沉积层，达到调控其表面交流电场的分布，提升绝缘子耐电性能的目的。本发明通过控制电纺位置与纺丝材料性质，构建具有二维介电常数梯度分布的环氧树脂盆式绝缘子，进而灵活调控交流电压下盆式绝缘子表面的电场分布情况，提高GIL设备中盆式绝缘子的沿面闪络电压，提升盆式绝缘子的耐电性能。

Description

特高压交流GIL用柔性界面功能梯度盆式绝缘子制造方法
技术领域
本发明属于高电压设备制造领域中改性绝缘聚合材料的制备领域，具体涉及一种具有表面二维介电常数线性梯度分布的盆式绝缘子制作方法，主要应用于特高压交流GIL设备，提高特高压交流GIL设备运行的稳定性和电力***的安全可靠性。
背景技术
气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)装置具有电压等级高、结构紧凑等优点，近年来随着电力***高电压、大容量输电的发展需求，GIL装备得到了广泛的应用。环氧树脂浇注绝缘子作为GIL装备中的关键绝缘部件，内置于GIL外壳，同时起到机械支撑、电气绝缘和单元隔离等作用，对于维护整个GIL的安全稳定运行具有重要意义。由于盆式绝缘子的沿面闪络电压低于环氧树脂的击穿电压与空气的击穿电压，即使在质量严苛的特高压工程中，环氧树脂绝缘子极易由于绝缘设计不足、工作环境复杂或制造工艺缺陷等引发电场畸变而导致沿面闪络事故的发生，对电力***的稳定运行构成巨大威胁。绝缘材料与气氛环境的电气参数不匹配而导致在绝缘子、金属电极和气体三结合点的位置上局部电场强度集中，绝缘子的耐电性能降低，是造成绝缘子沿面闪络起始电压较低的主要原因。
本发明将材料学领域的功能梯度材料概念应用于电气绝缘领域，通过构建相对介电常数梯度分布的绝缘结构，对交流电压下的绝缘子表面电场分布进行调控。在绝缘子表面沉积介电常数呈梯度分布的功能材料，从而达到均匀绝缘子表面电场，抑制局部电场畸变，提高绝缘子沿面闪络起始电压的目的。针对绝缘子表面功能梯度建设中存在的问题，参考工业中静电纺丝薄膜制作工艺，发明设计了一种基于静电纺丝方法的绝缘子表面柔性梯度薄膜建设新方法。利用静电纺丝方法将纺丝聚合物基体与目标建设材料共同沉积在盆式绝缘子表面，通过目标建设材料的特殊的电气参数特性，调控在交流电压工作条件下的表面电场分布，提高盆式绝缘子的耐电性能。
目的
本发明提出了一种全新的特高压交流GIL用柔性界面功能梯度盆式绝缘子制造方法，通过静电纺丝方法对环氧树脂基件表面电纺PVA/BaTiO3材料薄膜，在盆式绝缘子表面形成介电常数二维梯度分布的沉积层，达到调控其表面交流电场的分布，提升绝缘子耐电性能的目的。
本发明通过控制电纺位置与纺丝材料性质，构建具有二维介电常数梯度分布的环氧树脂盆式绝缘子，进而灵活调控交流电压下盆式绝缘子表面的电场分布情况，提高GIL设备中盆式绝缘子的沿面闪络电压，提升盆式绝缘子的耐电性能。
本发明方法的具体建设过程如下：
1)制备环氧树脂材料：
(1)将双酚A型环氧树脂基体、固化剂和氧化铝按照100:38:330配比混合得到环氧树脂混合材料；
(2)电动搅拌20-30分钟、在-0.1MPa的真空度下真空脱泡一个小时；
(3)将步骤(2)中所得的环氧树脂混合材料浇注至经预热处理(130℃下不低于1小时)后内壁涂有脱模剂的盆式绝缘子模具内，进行抽空处理；
2)采用阶梯固化方法进行处理，固化过程分为两步：
(1)先将模具放入烤箱在130℃下进行一次固化8小时，然后脱模；
(2)脱模后的产品放入烤箱在130℃下进行二次固化8小时，冷却后即可得到环氧树脂盆式绝缘子试样；
3)制备静电纺丝前驱体溶液
(1)将PVA粉末以10wt％的浓度溶解在去离子水中，将BaTiO3粉末以10wt％比例分散在无水乙醇中。
(2)将步骤(1)中的PVA溶液与BaTiO3溶液以10:1和1:1的比例均匀混合，电机搅拌40-60分钟，超声震荡2-3小时，温度90℃，使BaTiO3粉末在PVA溶液里均匀分散。
(3)将经过步骤(2)处理后的溶液置于真空箱中，常温真空脱泡处理40min，除去PVA/BaTiO3溶液中的气泡，静置30min得到不同浓度BaTiO3含量的纺丝前驱体溶液
4)对环氧树脂盆式绝缘子进行梯度设计：
(1)将其表面由内向外分为五个紧密相连的环形，令环形的介电常数依次减小；
(2)将环氧树脂盆式绝缘子放置于静电纺丝设备内，按照单调分布梯度在不同位置电纺不同浓度BaTiO3的静电纺丝溶液得到二维梯度分布的盆式绝缘子。
5)静电纺丝过程
(1)将前驱体溶液转移到注射器中进行静电纺丝，向上排出针管内多余气体，注射器出口处连接塑料软管，软管另一端接金属针头。
(2)缓慢增加针头处的电压，针头处混合液滴呈丝状喷出，通过注射泵控制溶液流速。
(3)带有BaTiO3的PVA丝状粘稠溶液会定向喷涂缠绕在被沉积试样表面，在圆台绝缘子表面构建介电常数梯度分布的功能材料层。
(4)电纺完成之后，将绝缘子置于80-90℃的真空烘箱中干燥10-12小时。最终在绝缘子的表面形成一层均匀、致密的PVA/BaTiO3功能梯度层。
所述步骤3)中分步骤(1)中高介电常数材料优选粒径为10nm的纳米BaTiO3粉末。
所述步骤3)中分步骤(3)中不同浓度BaTiO3溶液至少两种
所述步骤4)中分步骤(2)中按照单调分布梯度在不同位置溅射时间优选范围为30-60分钟
所述步骤5)中分步骤(2)中纺丝过程中的射频电压优选为7-10kV，距离为7-10cm。
所述步骤5)中分步骤(2)中纺丝过程中的纺丝溶液流速优选为0.5-2mL/h。
本发明的优点与有益效果
本发明借鉴了静电纺丝的制作方法，参考了功能梯度材料的概念，创新性地运用静电纺丝方法将具有高介电常数材料BaTiO3附着在环氧树脂盆式绝缘子的表面，且通过控制纺丝位置与纺丝溶液BaTiO3浓度，在环氧树脂表面形成介电常数的二维梯度分布，构建表面介电特性功能梯度材料，进而达到缓解交流电压下局部电场畸变情况以及提升绝缘子器件耐电性能的目的。
本发明可以有效延长GIL中盆式绝缘子的使用寿命，对提高GIL的运行稳定性和电力***的安全可靠性有着重要的理论价值和工程意义
附图说明
图1为盆式绝缘子柔性表面功能材料层静电纺丝建设过程示意图。
图2为盆式绝缘子表面功能材料层梯度分布示意图(俯视图)。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。
本发明所述绝缘子基体是采用由双酚A型环氧树脂、固化剂和氧化铝填料浇注而成的盆式绝缘子。所述静电纺丝所用前驱体溶液为PVA/BaTiO3混合溶液。
实施例1
1)将绝缘子表面用砂纸打磨，去除表面附着的杂质；
2)将PVA粉末溶解在去离子水中，并将钛酸钡粉末分散在无水乙醇中，并把两种溶液以一定比例均匀混合制成不同浓度的PVA/BaTiO3悬浊液，在90℃温度下电机搅拌1小时，超声震荡2小时充分混合，在真空干燥箱中脱气40min，得到PVA/BaTiO3混合溶液；
3)将环氧树脂盆式绝缘子放置于静电纺丝设备内，针口与绝缘子表面垂直；接通针口处电极针的电源，使电极针带电；打开注射器推进器开关，将涂料从针口呈丝状喷向绝缘子表面；按照绝缘子梯度分布，将表面由中心向外分成4个相邻的环形，并在不同位置静电纺丝的不同浓度的PVA/BaTiO3溶液；在静电纺丝结束后，将绝缘子置于100℃烤箱中加热30min，冷却后最终在绝缘子表面形成功能梯度层。
本发明对功能及工作过程的描述，仅为示意性，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.特高压交流GIL用柔性界面功能盆式绝缘子制造方法，其中，柔性表面功能层为介电常数呈梯度分布的功能材料沉积层，建设方法为静电纺丝构筑法，该方法包括如下步骤:
1)制备环氧树脂材料：
(1)将双酚A型环氧树脂基体、聚酰胺和氧化铝按照100:38:330配比混合得到环氧树脂混合材料；
(2)电动搅拌20-30分钟，在-0.1MPa的真空度下真空脱泡一个小时；
(3)将步骤(2)中所得的环氧树脂混合材料浇注至经预热处理后内壁涂有脱模剂的盆式绝缘子模具内，进行抽空处理；
2)采用阶梯固化方法进行处理，固化过程分为两步：
(1)先将模具放入烤箱在130℃下进行一次固化7-8小时，然后脱模；
(2)脱模后的产品放入烤箱在130℃下进行二次固化8-9小时，冷却后即可得到环氧树脂盆式绝缘子试样；
3)制备静电纺丝前驱体溶液：
(1)将PVA粉末以10wt％的浓度溶解在去离子水中得到PVA溶液，将BaTiO3粉末以10wt％的比例分散在无水乙醇中得到BaTiO3溶液；
(2)将步骤(1)中的PVA溶液与BaTiO3溶液分别以10:1、1:1的比例均匀混合，电机搅拌40-60分钟，超声震荡2-3小时，温度90℃，使BaTiO3粉末在PVA溶液里均匀分散；
(3)将经过步骤(2)处理后的溶液置于真空箱中，常温真空脱泡处理30-40min，除去PVA/BaTiO3溶液中的气泡，静置30min得到不同浓度BaTiO3含量的纺丝前驱体溶液；
4)对环氧树脂盆式绝缘子进行梯度设计：
(1)将其表面由内向外分为五个紧密相连的环形，令环形的介电常数依次减小；
(2)将环氧树脂盆式绝缘子放置于静电纺丝设备内，按照单调分布梯度在不同位置电纺不同浓度BaTiO3的静电纺丝溶液得到二维梯度分布的盆式绝缘子；
其中，步骤4)中的静电纺丝过程为：
(1)将前驱体溶液转移到注射器中进行静电纺丝，向上排出针管内多余气体，注射器出口处连接塑料软管，软管另一端接金属针头；
(2)缓慢增加针头处的电压，针头处混合液滴呈丝状喷出，通过注射泵控制溶液流速；
(3)带有BaTiO3的PVA丝状粘稠溶液会定向喷涂缠绕在被沉积试样表面，在圆台绝缘子表面构建介电常数梯度分布的功能材料层；
(4)电纺完成之后，将绝缘子置于80-90℃的真空烘箱中干燥10-12小时，最终在绝缘子的表面形成一层均匀、致密的PVA/BaTiO3功能梯度层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中分步骤(1)中高介电常数材料粒径为10nm以下的纳米BaTiO3粉末。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中分步骤(3)中根据绝缘子表面功能层建设方案，不同梯度不同浓度BaTiO3溶液至少两种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中分步骤(2)中按照单调分布梯度在不同位置溅射时间范围为30-60分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静电纺丝过程中分步骤(2)中纺丝过程中的射频电压为7-10kV，距离为7-10cm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静电纺丝过程中分步骤(2)中纺丝过程中的纺丝溶液流速为0.5-2ml/h。
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