CN105331046B - 一种直流特高压绝缘子、制备方法及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种绝缘子、制备方法及其用途。所述绝缘子其包括内芯和包覆在内芯外部的外层，其中，内芯和外层均独立地由纳米复合材料制备得到，内芯在厚度方向占绝缘子总厚度的90～99％，外层在厚度方向占绝缘子厚度的0.01～10％。一种绝缘子，其包括内芯和包覆在内芯外部的外层，其中，内芯和外层均独立地由纳米复合材料制备得到，内芯在厚度方向占绝缘子总厚度的90～99％，外层在厚度方向占绝缘子厚度的0.01～10％。
Description
技术领域
本发明涉及一种绝缘子、制备方法及其用途，具体涉及一种直流特高压绝缘子、制备方法及其用途。
背景技术
特高压输电网由线路、变电设备、开关设备及保护设备组成，而开关设备起转换线路、开断故障电流等关键作用，因而成为最需要研究的设备。气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated(Metal-enclosed)Switchgear，简称GIS)是一种采用六氟化硫(SF6)气体或SF6和N2混合气体绝缘、外壳与导线同轴布置的高电压、大电流电力传输设备。GIS具有传输容量大、电能损耗小、可靠性高和全寿命输电成本比较合理、安全环保等优点，被广泛应用于特高压输电线路中。
由于导体重量较大，因此间隔一定距离需要用绝缘子支撑导体，此种绝缘子由Al2O3/Epoxy复合材料和金属嵌件组成。绝缘子有两方面的作用：1)支撑作用，需要绝缘子满足一定机械强度和尺寸稳定性；2)绝缘作用，保证绝缘子内部绝缘层不被击穿。与交流GIS不同，直流GIS绝缘子长期承受单极性直流高压，在直流高压作用下，一方面介质内部会产生空间电荷，另一方面在介质分界层容易产生表面电荷积累且不易消散。这些静电荷会畸变绝缘子原有电场，造成绝缘子闪络或击穿。
目前，国内针对直流特高压环氧树脂的研究主要集中在材料体积电阻率以及空间电荷方面。如CN 103694636A通过微、纳复配制备体积电阻率达到1017Ω·cm的直流特高压用环氧树脂复合材料体系。CN 104327456A通过加入极少量的纳米金属颗粒，并通过与微米、纳米颗粒复配，制备了可以同时提高材料的体积电阻率和击穿强度的绝缘子用环氧树脂复合材料。
研究表明：提高材料的体积电阻率可以提高绝缘子材料体系的击穿性能，但是在直流特高压使用过程中，不利于表面电荷的消散，容易造成表面闪络。
发明内容
针对已有技术的问题，本发明的目的之一在于提供一种直流特高压绝缘子，所述绝缘子采用具有梯度分布的纳米复合材料，绝缘子内层纳米复合材料具有高体积电阻率，同时具有较高的击穿强度并可减小空间电荷积累。绝缘子外层纳米复合材料的体积电阻率是内层体积电阻率的10-1～10-7倍，起到抑制表面电荷积聚，加快表面电荷消散的作用。
在本发明中，所述特高压指，±800千伏及以上的直流电和1000千伏及以上交流电的电压等级。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种绝缘子，其包括内芯和包覆在内芯外部的外层，其中，内芯和外层均独立地由纳米复合材料制备得到，内芯在厚度方向占绝缘子总厚度的90～99％，外层在厚度方向占绝缘子厚度的0.01～10％。
本发明通过采用具有上述梯度分布的纳米复合材料制备得到的内芯和外层制备绝缘子，使得到的绝缘子内层具有高体积电阻率，抗击穿性能提高，同时外层具有低体积电阻率，有利于直流特高压条件下的表面电荷消散。
在本发明中，内芯在厚度方向占绝缘子总厚度的90～99％，例如90.5％、91％、91.5％、92％、92.5％、93％、93.5％、94％、94.5％、95％、95.5％、96％、96.5％、97％、97.5％、98％或98.5％。
在本发明中，外层在厚度方向占绝缘子厚度的0.01～10％，例如0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％或9.5％。
优选地，制备内芯的纳米复合材料主要由纳米金属颗粒、微米无机颗粒、纳米无机颗粒以及环氧树脂组成，内芯的体积电阻率大于1017Ω·cm。采用该组分的纳米复合材料得到的内芯具有高体积电阻率，同时具有较高的击穿强度并可减小空间电荷积累。
优选地，制备内芯的纳米复合材料包括如下组分：
(A)至少一种环氧树脂与至少一种纳米金属颗粒的混合物，所述金属纳米颗粒是环氧树脂的重量的0.01～0.1％；
(B)至少一种酸酐固化剂；
(C)至少一种微米无机颗粒，所述组分(C)占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为60～70％；
(D)至少一种无机纳米颗粒。
极少量的金属纳米颗粒加入聚合物体系中会产生库伦阻塞效应，提高了材料的体积电阻率和击穿强度。本发明通过极少量的金属纳米颗粒、微米无机颗粒以及无机纳米颗粒三者之间的复配协同效应，使得到的环氧树脂组合物具有高的体积电阻率和高的击穿强度，并且空间电荷积累少，空间电荷密度低。体积电阻率均大于1×1017，击穿强度较不添加金属纳米颗粒提高20％，空间电荷积累较不添加金属纳米颗粒至少减少17％。
优选地，所述环氧树脂为电工级环氧树脂，优选蓝星化工的E44树脂、无锡化工厂的E51树脂或美国亨斯曼的CY5995多官能团环氧树脂中的任意一种或者至少两种的混合物。
根据本发明，所述金属纳米颗粒是环氧树脂重量的0.01～0.1％，例如0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％或0.09％，优选0.02％～0.06％。
根据本发明，所述组分(A)占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为25～40％，例如26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％或39％。
根据本发明，所述组分(B)至少一种酸酐固化剂占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为10～15％，例如10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％或14.5％。
根据本发明，所述组分(C)占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为60～70％，例如61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％或69％。
根据本发明，所述组分(D)至少一种无机纳米颗粒占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为0.5～5％，例如1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％或4.5％。
根据本发明，所述组分(A)中的金属纳米颗粒的直径为1～100nm，优选1～20nm。
根据本发明，所述组分(A)中的金属纳米颗粒为金、铂、铜或银金属纳米颗粒中的任意一种或者至少两种的混合物，优选金或/和银纳米颗粒。
根据本发明，所述组分(C)中的微米无机颗粒选自氧化铝、氧化镁、氧化硅或氧化锆中的任意一种或者至少两种的混合物，优选氧化铝，进一步优选ɑ-AL2O3。
根据本发明，所述组分(C)中的微米无机颗粒的直径为1-20μm，优选5～15μm。
根据本发明，所述组分(D)中的无机纳米颗粒选自氧化铝、氧化镁、氧化硅或氧化锆中的任意一种或者至少两种的混合物，优选地，所述氧化铝为ɑ-AL2O3。
根据本发明，所述组分(D)中的无机纳米颗粒的直径为1-100nm，优选10～30nm。
优选地，制备外层的纳米复合材料主要由环氧树脂、固化剂以及任选地纳米无机颗粒组成，该外层的体积电阻率介于1010Ω·cm～1017Ω·cm，其中，纳米无机颗粒优选ɑ-AL2O3。
优选地，制备外层的纳米复合材料包括至少一种环氧树脂，环氧树脂占制备外层的纳米复合材料的重量百分比为40％～60％，例如42％、44％、46％、48％、50％、52％、54％、56％或58％，优选45％～55％。
优选地，制备外层的纳米复合材料中的环氧树脂为E51(无锡树脂厂)、E44(巴陵石化)或XB5860型多管能团环氧树脂(美国亨斯迈)中的任意一种或者至少两种的混合物。
优选地，制备外层的纳米复合材料包括至少一种固化剂，固化剂占绝缘子用环氧树脂组合物的重量百分比为25％～40％，例如26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％或39％，优选30％～35％。
优选地，制备外层的纳米复合材料至少包括一种纳米无机颗粒，纳米无机颗粒占绝缘子用环氧树脂组合物的重量百分比为0.5％～10％，例如1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％或9.5％，优选0.5％～5％。
优选地，制备外层的纳米复合材料中的纳米无机颗粒选自氧化铝、氧化镁、氧化硅或氧化锆中的任意一种或者至少两种的混合物，优选地，所述氧化铝为ɑ-Al2O3。
优选地，制备外层的纳米复合材料中的纳米无机颗粒直径为1-100nm，优选地，直径为10-30nm。
优选地，制备外层的纳米复合材料中的纳米无机颗粒通过使用偶联剂进行表面修饰，优选地，所述偶联剂为n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(AEAPS)，长链硅烷偶联剂(DTES)或乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷(VMES)中的任意一种或者至少两种的混合物。
本发明的目的之二在于提供一种如上所述的直流特高压绝缘子的制备方法，所述方法包括如下步骤：
将制备外层的纳米复合材料涂敷于制备内层的纳米复合材料表面，固化成型，得到直流特高压绝缘子。
优选地，在本发明中，通过喷涂或/和蘸取方法将制备外层的纳米复合材料涂敷于制备内层的纳米复合材料表面。
优选地，制备内层的纳米复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将金属纳米颗粒与环氧树脂均匀混合，通过高速搅拌和三辊研磨制备组分(A)金属纳米颗粒与环氧树脂的混合物；
(2)将配方量的组分(A)、组分(B)、组分(C)和组分(D)均匀混合，混合过程中抽真空脱气，并浇注固化成型，得到制备内层的纳米复合材料。
本发明的目的之三在于提供一种如上所述的直流特高压绝缘子的用途，其用于直流特高压输变电中。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：有利于减少绝缘子表面电荷积聚，表面电荷密度降低18.5％-38.9％。同时提高表面电荷消散速度，表面电荷消散速度提高36.4％-98％，防止运行过程中闪络事故。
所述直流特高压绝缘子，由于外层体积电阻率低，有利于表面电荷消散。同时由于绝缘子外层复合材料中纳米无机颗粒的存在，可以进一步减少表面电荷积聚，加速表面电荷消散。可用于直流特高压输变电中。
附图说明
图1是本发明绝缘子结构图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
各原料来源如下：
蓝星化工的E44树脂；无锡化工厂的E51树脂；美国亨斯曼的CY5995多官能团环氧树脂；
陶氏ER314多官能团酸酐固化剂；美国亨斯曼的HY1235、HY5996多官能团酸酐固化剂；
金、银纳米颗粒；
日本昭和电工的ɑ-Al2O3，牌号分别为E1、E3、Al-170；
德固赛纳米ɑ-Al2O3(AlC)、MgO；
本发明绝缘子环氧树脂组合物性能测试标准以及测试方法如下：
(1)体积电阻率测试(GB/T1410～2006)
(2)表面电荷测试：按照有关文献，将试样放置与测试台，施加直流电压，结束后，立即关闭高压电源，撤去针电极，并迅速将连接于静电电位计的振动式探头放置于试样上方3mm处，测量其表面电荷的消散。
本发明实施例如下：
通过喷涂、蘸取等方法制备直流特高压绝缘子。
实施例1
本实施例的绝缘子内芯由质量比为环氧树脂：纳米金颗粒：固化剂：纳米Al2O3颗粒：微米Al2O3＝100：0.03：52.5：5：300固化而成。样品为直径70mm和厚度1mm的圆片，无外层纳米复合材料。
本实施例的试验步骤：
1.将金属纳米颗粒与环氧树脂均匀混合，通过高速搅拌、三辊研磨制备成金属纳米颗粒环氧树脂复合料。
2.按照所述配方比例均匀混合，混合过程中抽真空脱气，并浇注固化成型。
实施例2
本实施例的内芯纳米复合材料由质量比为环氧树脂：纳米金颗粒：固化剂：纳米金颗粒：固化剂：纳米Al2O3颗粒：微米Al2O3＝100：0.03：52.5：5：300固化而成。样品为直径70mm和厚度1mm的圆片。
本实施例的外层纳米复合材料由环氧树脂：固化剂＝100：52.5固化而成。
本实施例的试验步骤
1.将金属纳米颗粒与环氧树脂均匀混合，通过高速搅拌、三辊研磨制备成金属纳米颗粒环氧树脂复合料。
2.按照所述配方比例均匀混合，混合过程中抽真空脱气，并浇注固化成型，得到内芯纳米复合材料。
3.通过喷涂将外层纳米复合材料涂敷于内芯纳米复合材料表面，固化成型，外层纳米复合材料在厚度方向上的比例为0.05％。
实施例3
本实施例的内层纳米复合材料由质量比为环氧树脂：纳米金颗粒：固化剂：纳米Al2O3颗粒：微米Al2O3＝100：0.03：52.5：5：300固化而成。
本实施例的外层纳米复合材料由环氧树脂：固化剂：纳米Al2O3颗粒＝100：52.5：0.5固化而成。
本实施例的试验步骤
1.将金属纳米颗粒与环氧树脂均匀混合，通过高速搅拌、三辊研磨制备成金属纳米颗粒环氧树脂复合料。
2.按照所述配方比例均匀混合，混合过程中抽真空脱气，并浇注固化成型，得到内芯纳米复合材料。
3.通过喷涂将外层纳米复合材料涂敷于内芯纳米复合材料表面，固化成型，外层纳米复合材料在厚度方向上的比例为0.05％。
实施例4
本实施例的内芯纳米复合材料由质量比为环氧树脂：纳米金颗粒：固化剂：纳米Al2O3颗粒：微米Al2O3＝100：0.03：52.5：5：300固化而成。
本实施例的外层纳米复合材料由环氧树脂：固化剂：纳米Al2O3颗粒＝100：52.5：5固化而成。
本实施例的试验步骤
1.将金属纳米颗粒与环氧树脂均匀混合，通过高速搅拌、三辊研磨制备成金属纳米颗粒环氧树脂复合料。
2.按照所述配方比例均匀混合，混合过程中抽真空脱气，并浇注固化成型，得到内芯纳米复合材料。
3.通过喷涂将外层纳米复合材料涂敷于内芯纳米复合材料表面，固化成型，外层纳米复合材料在厚度方向上的比例为0.05％。
实施例5
本实施例的内芯纳米复合材料由环氧树脂：纳米金颗粒：固化剂：纳米Al2O3颗粒：微米Al2O3＝100：0.03：52.5：5：300固化而成。
本实施例的外层纳米复合材料由环氧树脂：固化剂：纳米Al2O3颗粒＝100：52.5：5固化而成。
本实施例的试验步骤
1.将金属纳米颗粒与环氧树脂均匀混合，通过高速搅拌、三辊研磨制备成金属纳米颗粒环氧树脂复合料。
2.按照所述配方比例均匀混合，混合过程中抽真空脱气，并浇注固化成型，得到内芯纳米复合材料。
3.通过蘸取将外层纳米复合材料涂敷于内芯纳米复合材料表面，固化成型，外层纳米复合材料在厚度方向上的比例为1％。
实施例6
本实施例的内芯纳米复合材料由环氧树脂：纳米金颗粒：固化剂：纳米Al2O3颗粒：微米Al2O3＝100：0.03：52.5：5：300固化而成。
本实施例的外层纳米复合材料由环氧树脂：固化剂：纳米Al2O3颗粒＝100：52.5：5固化而成，其中纳米氧化铝经过长链硅烷偶联剂(DTES)表面改性。
本实施例的试验步骤
1.将金属纳米颗粒与环氧树脂均匀混合，通过高速搅拌、三辊研磨制备成金属纳米颗粒环氧树脂复合料。
2.按照所述配方比例均匀混合，混合过程中抽真空脱气，并浇注固化成型，得到内芯纳米复合材料。
3.通过蘸取将外层纳米复合材料涂敷于内芯纳米复合材料表面，固化成型，外层纳米复合材料在厚度方向上的比例为1％。
实施例7
其余与实施例6相同，除外层纳米复合材料在厚度方向上的比例为10％。
对比例1
其余与实施例6相同，除外层纳米复合材料在厚度方向上的比例为0.005％。
对比例2
其余与实施例6相同，除外层纳米复合材料在厚度方向上的比例为12％。
表1和为实施例1-7和对比例1～2得到的绝缘子梯度纳米复合材料的表面电荷减少比例以及表面电荷消散速度。试样均为500V加压10分钟后的电荷密度以及在30分钟内的电荷消散速度。
表1绝缘子的电气性能
表2绝缘子的电气性能
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (35)
1.一种绝缘子，其包括内芯和包覆在内芯外部的外层，其中，内芯和外层均独立地由纳米复合材料制备得到，内芯在厚度方向占绝缘子总厚度的90～99％，外层在厚度方向占绝缘子厚度的0.01～1％；
制备外层的纳米复合材料由环氧树脂、固化剂以及纳米无机颗粒组成；
制备外层的纳米复合材料包括至少一种环氧树脂，环氧树脂占制备外层的纳米复合材料的重量百分比为40％～60％；
制备外层的纳米复合材料包括至少一种固化剂，固化剂占绝缘子用环氧树脂组合物的重量百分比为25％～40％；
制备外层的纳米复合材料至少包括一种纳米无机颗粒，纳米无机颗粒占绝缘子用环氧树脂组合物的重量百分比为0.5％～10％。
2.如权利要求1所述的绝缘子，其特征在于，制备内芯的纳米复合材料主要由纳米金属颗粒、微米无机颗粒、纳米无机颗粒以及环氧树脂组成。
3.如权利要求2所述的绝缘子，其特征在于，制备内芯的纳米复合材料包括如下组分：
(A)至少一种环氧树脂与至少一种纳米金属颗粒的混合物，所述金属纳米颗粒是环氧树脂的重量的0.01～0.1％；
(B)至少一种酸酐固化剂；
(C)至少一种微米无机颗粒，所述组分(C)占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为60～70％；
(D)至少一种无机纳米颗粒。
4.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述环氧树脂为电工级环氧树脂。
5.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述环氧树脂选自蓝星化工的E44树脂、无锡化工厂的E51树脂或美国亨斯曼的CY5995多官能团环氧树脂中的任意一种或者至少两种的混合物。
6.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述金属纳米颗粒是环氧树脂重量的0.02％～0.06％。
7.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(A)占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为25～40％。
8.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(B)至少一种酸酐固化剂占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为10～15％。
9.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(C)占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为60～70％。
10.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(D)至少一种无机纳米颗粒占制备内芯的纳米复合材料的重量百分比为0.5～5％。
11.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(A)中的金属纳米颗粒的直径为1～100nm。
12.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(A)中的金属纳米颗粒的直径为1～20nm。
13.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(A)中的金属纳米颗粒为金、铂、铜或银金属纳米颗粒中的任意一种或者至少两种的混合物。
14.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(A)中的金属纳米颗粒为金或/和银纳米颗粒。
15.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(C)中的微米无机颗粒选自氧化铝、氧化镁、氧化硅或氧化锆中的任意一种或者至少两种的混合物。
16.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(C)中的微米无机颗粒为氧化铝。
17.如权利要求16所述的绝缘子，其特征在于，所述氧化铝为ɑ-AL2O3。
18.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(C)中的微米无机颗粒的直径为1-20μm。
19.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(C)中的微米无机颗粒的直径为5～15μm。
20.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(D)中的无机纳米颗粒选自氧化铝、氧化镁、氧化硅或氧化锆中的任意一种或者至少两种的混合物。
21.如权利要求20所述的绝缘子，其特征在于，所述氧化铝为ɑ-AL2O3。
22.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(D)中的无机纳米颗粒的直径为1-100nm。
23.如权利要求3所述的绝缘子，其特征在于，所述组分(D)中的无机纳米颗粒的直径为10～30nm。
24.如权利要求1或2所述的绝缘子，其特征在于，制备外层的纳米复合材料包括至少一种环氧树脂，环氧树脂占制备外层的纳米复合材料的重量百分比为优选45％～55％。
25.如权利要求1或2所述的绝缘子，其特征在于，制备外层的纳米复合材料中的环氧树脂为E51、E44或XB5860型多官能团环氧树脂中的任意一种或者至少两种的混合物。
26.如权利要求1或2所述的绝缘子，其特征在于，制备外层的纳米复合材料包括至少一种固化剂，固化剂占绝缘子用环氧树脂组合物的重量百分比为优选30％～35％。
27.如权利要求1或2所述的绝缘子，其特征在于，制备外层的纳米复合材料至少包括一种纳米无机颗粒，纳米无机颗粒占绝缘子用环氧树脂组合物的重量百分比为0.5％～5％。
28.如权利要求1或2所述的绝缘子，其特征在于，制备外层的纳米复合材料中的纳米无机颗粒选自氧化铝、氧化镁、氧化硅或氧化锆中的任意一种或者至少两种的混合物。
29.如权利要求28所述的绝缘子，其特征在于，所述氧化铝为ɑ-Al2O3。
30.如权利要求1或2所述的绝缘子，其特征在于，制备外层的纳米复合材料中的纳米无机颗粒直径为1-100nm。
31.如权利要求1或2所述的绝缘子，其特征在于，制备外层的纳米复合材料中的纳米无机颗粒直径为10-30nm。
32.如权利要求1或2所述的绝缘子，其特征在于，制备外层的纳米复合材料中的纳米无机颗粒通过使用偶联剂进行表面修饰。
33.如权利要求32所述的绝缘子，其特征在于，所述偶联剂为N -(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、长链硅烷偶联剂或乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷中的任意一种或者至少两种的混合物。
34.一种如权利要求1-33之一所述的绝缘子的制备方法，所述方法包括如下步骤：
将制备外层的纳米复合材料涂敷于制备内层的纳米复合材料表面，固化成型，得到绝缘子。
35.一种如权利要求1-33之一所述的绝缘子的用途，其用于直流特高压输变电中。
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