CN105462434B

CN105462434B - 环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料及表面改性方法

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Publication number: CN105462434B
Application number: CN201510880646.8A
Authority: CN
Inventors: �田�浩; 李继承; 袁端鹏; 林生军; 郭煜敬; 杨保利; 侯亚峰
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Pinggao Group Co Ltd; State Grid Beijing Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Pinggao Group Co Ltd; State Grid Beijing Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2035-12-03
Also published as: CN105462434A

Abstract

本发明公开了一种环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料及表面改性方法，属于高分子材料及电器绝缘技术领域。环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料由质量比为1:0.8～0.9:0.1～0.2的复合液态环氧树脂、固化剂和填料组成，复合液态环氧树脂由质量比为5:2.8～3.2:1.8～2.2的双酚A型环氧树脂、多官能团环氧树脂和脂环族环氧树脂组成。本发明通过将上述三种组分复配得到表面涂覆材料，经浸渍和固化处理对绝缘部件进行表面涂层改性，在其表面形成涂覆膜层，使得改性后的绝缘部件具有与本体材料相当的电气强度，表面电阻率更低，并且交流条件下的闪络电压得到大幅提升，提高了绝缘子的运行可靠性。

Description

环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料及表面改性方法

技术领域

本发明涉及一种环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料，同时还涉及采用该涂覆材料对环氧浇注绝缘部件进行表面改性的方法，属于高分子材料及电器绝缘技术领域。

背景技术

高压交流输变电设备中环氧浇注绝缘子的应用广泛，起到绝缘、支撑和隔离的重要作用。然而，由于绝缘子发生绝缘事故而引起的电站开关设备击穿、变压器失效甚至电力设备爆炸等也时有发生，有时甚至导致超高压、特高压变电站停止运行，其结果是区域性断电。在由绝缘子引发的事故中，90％以上的事故原因是绝缘子的闪络，而非击穿，因此提高绝缘子的耐闪能力是降低输变电设备绝缘事故风险的重要途径。

国内外对绝缘子沿面闪络的研究较多，在闪络机理的认识上分歧较大，但对影响闪络特性的几种重要物理因素的认识是趋同的，主要包括电压波形、磁场、绝缘材料介电常数、绝缘体几何形状、绝缘体表面状态等。通过表面处理提升绝缘子耐闪能力亦有报道，如西安交通大学通过电子束轰击等办法使绝缘子表面形成介质阻挡，闪络电压提升15％；清华大学通过绝缘子表面氟化处理，实现绝缘子表面惰性并降低绝缘子表面气体释放量，闪络电压提升18％；日本北海道大学通过表面臭氧化处理同样实现了绝缘子表面惰性，闪络电压提升18％；美国加州大学伯克利分校通过激光处理降低绝缘子表面二次电子发射系数，闪络电压提升19％。但是上述方法中闪络电压都是在真空条件下测得，在SF₆气氛下应用效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料。

同时，本发明还提供一种采用上述涂覆材料对环氧浇注绝缘部件进行表面改性的方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料，由质量比为1:0.8～0.9:0.1～0.2的复合液态环氧树脂、固化剂和填料组成，复合液态环氧树脂由质量比为5:2.8～3.2:1.8～2.2的双酚A型环氧树脂、多官能团环氧树脂和脂环族环氧树脂组成。

所述双酚A型环氧树脂、多官能团环氧树脂和脂环族环氧树脂均可采用市售商品。其中，双酚A型环氧树脂是复合液态环氧树脂的主要成分，其与环氧浇注绝缘部件的本体材料极为相似，起到增加与本体亲和性和结合力的作用。具体可选自美国陶氏化学ER102型、德国汉森805型、上海雄润HE-4728型等中的一种或多种。

多官能团环氧树脂的作用是在保证涂层韧性的同时增加其交联密度，使涂层更加致密，并减少活性基团，从而减少在电场作用下表面电荷释放和气体释放，同时保证其具备足够的电气强度。多官能团环氧树脂结构中主要含有多个环氧基团(三个以上)，具有较双酚A型更大的环氧值(双酚A型一般在2～3之间，多官能团环氧树脂一般在3～6之间)，还具有多羟基、多羰基、多碳氧单键、多双键结构、多分支链等特点，分子量虽较大，但大部分仍为液态树脂，40℃时粘度仅为40～500mPa·s，且在100℃附近具有较好的反应活性。另外由于其反应的复杂性，反应速率一般较慢，与大部分酸酐固化剂在100℃下的凝胶时间均不小于60min，有利于生成稳定、致密的高分子聚合物结构。

多官能团环氧树脂中羟基和碳氧单键在反应过程中出现移位和异构，能增加聚合物的柔顺性，使其易于在部件上附着；而羰基、双键结构和分支链能增大加成反应能力，增强聚合物的互穿效应，有利于形成更加致密的分子网络结构。具体可选自德国汉森861型、美国亨斯迈CY5995型、美国陶氏化学ER113型、日本常濑CT200M型等中的一种或多种。

脂环族环氧树脂的作用是改善涂层的缠绕特性，改善溶解共混特性和涂覆工艺性。具体可选自美国亨斯迈CY179型、H-71型、R-122型等中的一种或多种。

所述固化剂可采用液态的有机酸、酸酐、三氟化硼及其络合物、脂肪族二胺和多胺、芳香族多胺、改性脂肪胺等，优选脂环族液态酸酐固化剂，如甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐、氢化甲基纳迪克酸酐等中的一种或多种，该类型固化剂固化速率较平缓，利于形成组织均匀的涂层。如南通福来特化工有限公司的912型甲基四氢苯酐，为液态，粘度仅为500mPa·s。

所述填料为钛白粉、氧化铝、二氧化硅、氢氧化铝等中的一种或多种(电工专用型)，其作用是降低电阻率，改善涂层涂覆工艺性。优选复合型钛白粉R-215型(中核华原钛白股份有限公司)，其特点是易于分散，性质稳定。

使用时，按照比例取复合液态环氧树脂、固化剂和填料，加热、混合，得到环氧浇注绝缘部件用表面涂覆混合液。

环氧浇注绝缘部件的表面改性方法，步骤如下：

1)按照比例取复合液态环氧树脂、固化剂和填料，混匀、预热，得到表面涂覆混合液；

2)将经预处理的环氧浇注绝缘部件浸入表面涂覆混合液中，取出后晾干，固化，冷却即可。

步骤1)中预热的温度为55～65℃，时间0.5～1.5h，以降低表面涂覆混合液的粘度。

步骤2)中环氧浇注绝缘部件的预处理操作，包括：将脂肪酸聚氧乙烯脂、椰油脂肪酸二乙醇酰胺按照质量比1:2.2混合，得到混合液，常温下将绝缘部件浸入混合液中，对绝缘部件表面的脱模剂进行溶解和萃取处理，清除掉脱模剂层，增强其与涂层的结合力，同时将绝缘部件预热至与表面涂覆混合液等温(55～65℃/0.4～0.6h)。绝缘部件如为绝缘子，在浸入表面涂覆混合液前，需要使用电工胶布对绝缘子上金属嵌件和电极部位进行保护，同时使用聚四氟乙烯堵头对金属件的螺纹孔进行保护，以避免涂覆混合液浸入上述部位，无金属电极、嵌件、螺纹孔时则无需保护，同时在固化前需进行去保护操作，去掉电工胶布和聚四氟乙烯堵头。

步骤2)中浸入的时间为5～15min，充分浸渍至厚度适中，形成稳定的膜层。

步骤2)中晾干为在室温下放置0.3～0.8h，充分干燥，以使未反应的固化剂挥发，并初步形成凝胶。

步骤2)中固化的温度为95～105℃，时间5.5～6.5h，固化形成稳定的膜层，膜层厚度为10～30μm。

步骤2)中冷却为自然冷却，如随炉温冷却至45℃以下，去除涂层与绝缘部件结合部位的应力。

本发明的有益效果：

本发明通过将复合液态环氧树脂、固化剂、填料复配得到表面涂覆材料，经浸渍和固化处理对绝缘部件进行表面涂层改性，在其表面形成涂覆膜层，使得改性后的绝缘部件具有与本体材料相当的电气强度，表面电阻率更低，并且交流条件下的闪络电压得到大幅提升，提高了绝缘子的运行可靠性，进而也降低了电站维护和大修成本。另外，由于闪络特性更优，为满足同样绝缘要求而设计的绝缘部件可以大幅减小尺寸，为输变电设备的小型化提供了重要技术支撑，在交流输变电设备小型化方面具有较好的应用前景。

附图说明

图1为闪络电压测试中各部件安装结构示意图。

具体实施方式

下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料，由质量比为1:0.85:0.15的复合液态环氧树脂、固化剂和填料组成；复合液态环氧树脂由质量比为5:3:2的双酚A型环氧树脂(美国陶氏化学ER102型)、多官能团环氧树脂(德国汉森861型)和脂环族环氧树脂(美国亨斯迈CY179型)组成，液态，在60℃下粘度仅为3500mPa·s，具备良好的涂覆工艺性；固化剂为甲基四氢苯酐(南通福来特化工有限公司912型，液态，粘度仅为500mPa·s)；填料为电工钛白粉(中核华原钛白股份有限公司复合型钛白粉R-215型)，易于分散，且性质稳定。

环氧浇注绝缘部件的表面改性方法，步骤如下：

1)按照比例取复合液态环氧树脂、固化剂和填料，室温下混合，搅拌均匀，在温度60℃下预热1h，得到表面涂覆混合液；

2)环氧浇注绝缘子本体表面处理工艺

将脂肪酸聚氧乙烯脂、椰油脂肪酸二乙醇酰胺按照质量比1:2.2混合，得到混合液，常温下将绝缘子浸入混合液中，清除其表面的脱模剂层；

3)电极及金属嵌件保护

取经表面处理的绝缘子，使用电工胶布对其上的金属嵌件和电极部位进行保护，同时使用聚四氟乙烯堵头对金属件的螺纹孔进行保护；

4)浸渍工艺

取上述绝缘子在温度60℃下预热0.5h，预热完毕浸入表面涂覆混合液中10min，取出，在室温下晾置0.5h，充分干燥后去掉电工胶布和聚四氟乙烯堵头；

5)固化工艺

取上述绝缘子在温度100℃下恒温固化6h，形成稳定的膜层，之后随炉温冷却至35℃以下即可。

实施例2

环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料，由质量比为1:0.9:0.1的复合液态环氧树脂、固化剂和填料组成；复合液态环氧树脂由质量比为5:2.8:2.2的双酚A型环氧树脂(德国汉森805型)、多官能团环氧树脂(美国亨斯迈CY5995型)和脂环族环氧树脂(H-71型)组成，液态，在60℃下粘度仅为3500mPa·s，具备良好的涂覆工艺性；固化剂为市售甲基六氢苯酐；填料为电工氧化铝(中国铝业郑州轻金属研究院A-F-5型)。

环氧浇注绝缘部件的表面改性方法，步骤如下：

1)按照比例取复合液态环氧树脂、固化剂和填料，室温下混合，搅拌均匀，在温度55℃下预热1.5h，得到表面涂覆混合液；

2)环氧浇注绝缘子本体表面处理工艺

3)电极及金属嵌件保护

4)浸渍工艺

取上述绝缘子在温度55℃下预热1.5h，预热完毕浸入表面涂覆混合液中15min，取出，在室温下晾置0.8h，充分干燥后去掉电工胶布和聚四氟乙烯堵头；

5)固化工艺

取上述绝缘子在温度105℃下恒温固化5.5h，形成稳定的膜层，之后随炉温冷却至45℃以下即可。

实施例3

环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料，由质量比为1:0.8:0.2的复合液态环氧树脂、固化剂和填料组成；复合液态环氧树脂由质量比为5:3.2:1.8的双酚A型环氧树脂(上海雄润HE-4728型)、多官能团环氧树脂(美国陶氏化学ER113型)和脂环族环氧树脂(R-122型)组成，液态，在60℃下粘度仅为3500mPa·s，具备良好的涂覆工艺性；固化剂为市售氢化甲基纳迪克酸酐；填料为电工二氧化硅(浙江湖州市硅微粉厂1-92型)。

环氧浇注绝缘部件的表面改性方法，步骤如下：

1)按照比例取复合液态环氧树脂、固化剂和填料，室温下混合，搅拌均匀，在温度65℃下预热0.5h，得到表面涂覆混合液；

2)环氧浇注绝缘子本体表面处理工艺

3)电极及金属嵌件保护

4)浸渍工艺

取上述绝缘子在温度65℃下预热0.5h，预热完毕浸入表面涂覆混合液中5min，取出，在室温下晾置0.3h，充分干燥后去掉电工胶布和聚四氟乙烯堵头；

5)固化工艺

取上述绝缘子在温度95℃下恒温固化6.5h，形成稳定的膜层，之后随炉温冷却至40℃以下即可。

实施例4

环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料，由质量比为1:0.85:0.15的复合液态环氧树脂、固化剂和填料组成；复合液态环氧树脂由质量比为5:3.2:1.8的双酚A型环氧树脂(德国汉森805型)、多官能团环氧树脂(日本常濑CT200M型)和脂环族环氧树脂(H-71型)组成，液态，在60℃下粘度仅为3500mPa·s，具备良好的涂覆工艺性；固化剂为市售甲基四氢苯酐；填料为电工氢氧化铝(日本昭和H-32型)。

环氧浇注绝缘部件的表面改性方法，步骤如下：

2)环氧浇注绝缘子本体表面处理工艺

3)电极及金属嵌件保护

4)浸渍工艺

5)固化工艺

取上述绝缘子在温度90℃下恒温固化6h，形成稳定的膜层，之后随炉温冷却至45℃以下即可。

对比例

环氧浇注绝缘件本体材料，原料由环氧树脂(美国亨斯迈B41CI型，固态)、固化剂(美国亨斯迈HT903CI型)和填料(中国铝业公司郑州轻金属研究院A-F-3型电工填料氧化铝)组成。

环氧浇注绝缘件本体材料的制备步骤如下：1)按照质量比环氧树脂:固化剂:填料＝1:0.4:3.2取各原料，混合后在120℃、1000Pa、60r/min条件下搅拌脱气4h；2)固化工艺：80℃/4h+140℃/10h；3)冷却至室温，脱模取出。

试验例

电气强度测试方法：按照近似GB/T 1408-2006中10.1描述的方法进行试验，试样直径100mm，厚度1mm，测试温度23±2℃，在0.4MPa SF₆气体中进行，升压速率500V/s，使用两对称平板电极，测试5个试样，取平均值。

表面电阻率测试方法：按照GB/T 1040-2006中11.2描述的方法进行试验，测试温度23±2℃，测试5个试样，取平均值。

闪络电压测试方法：试样直径25mm，厚度5mm，测试温度23±2℃，在0.4MPa SF₆气体中进行，升压速率500V/s，使用两对称平板电极(电极为不锈钢材料，直径100mm，厚度4mm，两面均倒R2圆角)夹持，上端电极从电极背面圆心引线，下端电极由电极侧面引线，测试5个试样，取平均值。测试操作中各部件安装结构示意图见图1。

取实施例1中表面涂覆材料适量，参照实施例1中固化工艺直接固化，制备成符合测试标准的材料样片，进行电气强度测试，结果为32kV/mm。参照实施例1中改性方法对绝缘件本体材料进行表面涂覆，获得的绝缘材料表面电阻率8.7×10¹³Ω，0.4MPa SF₆下Φ25mm×5mm支柱绝缘子模型的闪络电压高达63kV。

取实施例2中表面涂覆材料适量，参照实施例2中固化工艺直接固化，制备成符合测试标准的材料样片，进行电气强度测试，结果为33kV/mm。参照实施例2中改性方法对绝缘件本体材料进行表面涂覆，获得的绝缘材料表面电阻率9.2×10¹³Ω，0.4MPa SF₆下Φ25mm×5mm支柱绝缘子模型的闪络电压高达64kV。

取实施例3中表面涂覆材料适量，参照实施例3中固化工艺直接固化，制备成符合测试标准的材料样片，进行电气强度测试，结果为31kV/mm。参照实施例3中改性方法对绝缘件本体材料进行表面涂覆，获得的绝缘材料表面电阻率5.6×10¹³Ω，0.4MPa SF₆下Φ25mm×5mm支柱绝缘子模型的闪络电压高达61kV。

取实施例4中表面涂覆材料适量，参照实施例4中固化工艺直接固化，制备成符合测试标准的材料样片，进行电气强度测试，结果为33kV/mm。参照实施例4中改性方法对绝缘件本体材料进行表面涂覆，获得的绝缘材料表面电阻率7.4×10¹³Ω，0.4MPa SF₆下Φ25mm×5mm支柱绝缘子模型的闪络电压高达63kV。

取绝缘件本体材料，参照对比例中固化工艺直接固化，制备成符合测试标准的材料样片，进行电气强度测试，结果为31kV/mm，表面电阻率7.6×10¹³Ω，0.4MPa SF₆下Φ25mm×5mm支柱绝缘子模型的闪络电压为52kV。

不难看出，采用本发明中表面涂覆材料和改性方法对绝缘件本体进行表面涂覆，电气强度与本体材料相当，但具有更低的表面电阻率，且闪络电压提升21％，大幅提高了环氧浇注绝缘子的运行可靠性，也为实现输变电设备的进一步小型化提供了技术支撑。

随着高电压绝缘技术的发展，环氧浇注绝缘子的沿面闪络现象成为输变电设备中面临的一个突出问题，沿面闪络使绝缘子的耐压能力大幅下降，远低于其材料本体击穿电压，从而导致许多电站绝缘事故的发生。随着电力设备向更高电压、更高容量、更加小型化的方向发展，对环氧浇注绝缘件沿面闪络特性提出了更高的要求，因此通过一定表面处理来提高绝缘部件的沿面闪络特性具有重要的意义。而现有的通过电子束轰击、表面氟化、表面臭氧化、激光处理等手段虽然取得了良好效果，但实现大规模应用和工厂化制造仍有一定难度，且成本高昂，在SF₆气氛下应用效果并不理想。本发明通过表面涂层改性来提高绝缘部件的沿面闪络特性，工艺简单、成本低廉，易于工业化，且不受气氛影响。因此，研究环氧浇注绝缘子用表面涂覆材料配方、制备方法具有重要意义。

Claims

1.环氧浇注绝缘部件用表面涂覆材料，其特征在于：由质量比为1:0.8~0.9:0.1~0.2的复合液态环氧树脂、固化剂和填料组成，复合液态环氧树脂由质量比为5:2.8~3.2:1.8~2.2的双酚A型环氧树脂、多官能团环氧树脂和脂环族环氧树脂组成；

所述多官能团环氧树脂为德国汉森861型、美国亨斯迈CY5995型、美国陶氏化学ER113型、日本常濑CT200M型中的一种或多种；

所述脂环族环氧树脂为美国亨斯迈CY179型、H-71型、R-122型中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的表面涂覆材料，其特征在于：所述双酚A型环氧树脂为美国陶氏化学ER102型、德国汉森805型、上海雄润HE-4728型中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的表面涂覆材料，其特征在于：所述固化剂为甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐、氢化甲基纳迪克酸酐中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的表面涂覆材料，其特征在于：所述填料为钛白粉、氧化铝、二氧化硅、氢氧化铝中的一种或多种。

5.采用如权利要求1~4中任一项所述表面涂覆材料对环氧浇注绝缘部件进行表面改性的方法，其特征在于：步骤如下：

1）按照比例取复合液态环氧树脂、固化剂和填料，混匀、预热，得到表面涂覆混合液；

2）将经预处理的环氧浇注绝缘部件浸入表面涂覆混合液中，取出后晾干，固化，冷却即可。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤1）中预热的温度为55~65℃，时间0.5~1.5h。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：步骤2）中环氧浇注绝缘部件的预处理操作，包括：将脂肪酸聚氧乙烯酯、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺按照质量比1:2.2混合，得到混合液，常温下将绝缘部件浸入混合液中，清除其表面的脱模剂层；再预热至与表面涂覆混合液等温。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤2）中固化的温度为95~105℃，时间5.5~6.5h。