CN106409450A - 一种提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法及改性绝缘介质材料 - Google Patents

一种提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法及改性绝缘介质材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法及改性绝缘介质材料，该方法包括采用臭氧对固体绝缘介质材料表面进行改性处理；具体是将待处理的固体绝缘介质材料置于密闭腔室中，抽真空，后通入臭氧进行臭氧处理，即得改性绝缘介质材料。臭氧处理后的绝缘介质材料表面电导率、表面陷阱能级和陷阱密度发生变化，表面电导率明显增加，表面陷阱能级减小，陷阱密度增大；该方法可以明显提高固体绝缘介质材料的真空交流沿面闪络电压，且该方法操作简便，实现工艺复杂度低，重复性较好，环境友好性强，可广泛应用于高电压绝缘技术领域的固体绝缘介质材料表面处理。

Description

一种提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法及改性绝缘 介质材料
技术领域
本发明属于绝缘材料技术领域，具体涉及一种提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，同时还涉及一种采用上述方法所得的改性绝缘介质材料。
背景技术
电力设备中起到支撑作用的绝缘介质材料需要承受交直流高压的作用，并且正在向高功率密度和小型化方向发展，是高电压绝缘技术领域的关键。真空是一种特殊的电介质，具有较高的绝缘强度并可减小设备重量，在电真空器件、大功率脉冲装置、粒子加速器和高压气体绝缘关断设备中得到了广泛应用。
但是在电力设备中，固体绝缘介质材料与真空的界面会发生沿面闪络，闪络电压明显低于绝缘介质材料和真空的击穿电压，导致固体绝缘介质材料的耐压能力下降。这种现象造成了一定的经济损失，也制约了真空绝缘在电力设备中的应用。因此，研究真空沿面闪络特性，探寻提高真空沿面闪络电压的方法，对于提高电力设备的运行电压等级和设备向小型化发展具有重要的工程意义。
学者们对真空沿面闪络特性进行了多年研究，积累了大量实验数据，提出了很多解释沿面闪络现象的理论模型。但是，在实际工程应用所面临的小型化以及闪络电压的提高方面，仍有很多问题需要深入探索。目前，很多学者在提高沿面闪络电压方法上，采用的是对电力设备用传统聚合物基体掺杂纳米或微米氧化物，认为掺杂氧化物后可以改善原聚合物的体电导特性、介电特性、陷阱能级和陷阱分布特性等，从而改善聚合物介质的沿面闪络性能。传统用于气体关断绝缘设备中支撑绝缘子材料的环氧树脂，有学者对其进行纳米氧化铝或纳米氧化钛掺杂改性，发现纳米颗粒掺杂量在0.1-10wt％变化时，沿面闪络电压出现先增大后减小的趋势，并且在1wt％时闪络电压出现最大值，比未掺杂试样有了一定提高。这种对聚合物基体进行掺杂改性的研究存在实验数据分散较大的问题，对结果的分析也大多从掺入的粒子影响聚合物基体的体特性角度出发，而较少考虑表面特性尤其是表面电导、表面陷阱分布特性与沿面闪络的关系。
提高绝缘介质材料沿面闪络电压的一个直接途径是对材料进行表面改性。传统改善聚合物介质材料表面特性的方法有很多，典型的手段是表面进行金属氧化物或金属粒子涂覆。通过绝缘介质材料表面改性而改善沿面闪络电压，主要是降低材料表面二次电子发射系数，抑制电子崩的形成，从而提高闪络电压。但是，以往表面改性的方法需要的原料或设备较为复杂或昂贵，处理方法的操作非常繁琐但改性效果不明显，不适合大规模工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法。
本发明的第二个目的是提供一种采用上述方法所得的改性绝缘介质材料。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，包括采用臭氧对固体绝缘介质材料表面进行改性处理。
所述改性处理是指，将待处理的固体绝缘介质材料置于密闭腔室中，抽真空，后通入臭氧进行臭氧处理，即得改性绝缘介质材料。优选的，将待处理的固体绝缘介质材料悬挂于密封腔室内。
密闭腔室中，腔室内臭氧的压强为0.13～0.15MPa，臭氧处理的时间为2～4h。根据多次实验发现，臭氧处理超过4h时，试样开始发生软化变形，无法满足其他测试要求，影响固体绝缘介质材料的使用性能。
上述方法中，抽真空至密闭腔室的真空度为10Pa以下。当密闭腔室内的真空度达到10Pa以下后，向密闭腔室通入臭氧使其满足浓度要求。
所述固体绝缘介质材料为氧化铝掺杂的环氧树脂材料。所述氧化铝为微米级的氧化铝粒子。
所述固体绝缘介质材料由以下重量份数的组分组成：环氧树脂100份、氧化铝300～330份、固化剂40～50份。
所述固化剂为固态酸酐型固化剂。所述氧化铝为微米氧化铝；所述微米氧化铝的粒径为10～100μm。
所述固体绝缘介质材料是由包括下列步骤的方法制备的：
1)110～130℃条件下，将微米氧化铝粒子加入熔融的环氧树脂中，真空条件下混合后，加入固化剂，混合均匀，得混合物；
2)将所得混合物浇注至110～130℃预热的模具中，在110～130℃条件下固化，脱模即得。
所述固体绝缘介质材料在进行改性处理之前进行烘干；所述烘干的温度为60～70℃，烘干的时间为10～14h。
一种上述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法所得改性绝缘介质材料。
本发明的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，是采用臭氧对固体绝缘介质材料表面进行改性处理；该方法可以明显提高固体绝缘介质材料的真空交流沿面闪络电压，且该方法操作简便，实现工艺复杂度低，重复性较好，环境友好性强，可广泛应用于高电压绝缘技术领域的固体绝缘介质材料表面处理。
进一步的，本发明的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，与传统的表面进行金属氧化物或金属离子涂覆等方法不同，是在密封腔室中通入一定浓度臭氧对固体绝缘介质材料进行一定时间的处理，得到表面改性后的绝缘介质材料；臭氧处理后的绝缘介质材料表面电导率、表面陷阱能级和陷阱密度发生变化，表面电导率明显增加，表面陷阱能级减小，陷阱密度增大；增大的表面电导率对提高绝缘介质材料的沿面闪络电压具有重要作用；该方法可以明显提高固体绝缘介质材料的真空交流沿面闪络电压，工艺简单，原料及设备投入低(仅需臭氧气源或臭氧发生系统)，操作非常简便，处理效率高，适用于大规模工业化生产。
进一步的，采用本发明的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，对氧化铝掺杂的环氧树脂材料进行臭氧处理，表面电导率显著增加，相对于未改性材料提高了18～80倍，而表面电位衰减速度变快；与未改性处理的相同材料相比，真空交流沿面闪络电压提高了约35％以上，效果显著。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式中，所用的固体绝缘介质材料为氧化铝掺杂的环氧树脂材料，由以下重量份数的组分组成：环氧树脂100份、氧化铝315份、固化剂46份。所述固化剂为固态酸酐型固化剂。所述氧化铝为粒径为10～100μm的微米氧化铝粉体。
该氧化铝掺杂的环氧树脂材料的制备方法如下：
1)将微米氧化铝粉末在120℃的烘箱中干燥12h，备用；
2)将固态环氧树脂在65℃烘箱中加热2h使之熔融，将熔融的环氧树脂倒入三口烧瓶中进行搅拌，三口烧瓶采用120℃恒温油浴加热；
将步骤1)所得干燥后的微米氧化铝粒子加入上述三口烧瓶中，真空条件下搅拌30min；取固化剂加入三口烧瓶中，继续真空条件下搅拌15min，混合均匀后停止搅拌和抽真空，得混合物；
3)将所得混合物浇注至120℃预热的模具中，将浇注好的模具置于120℃的烘箱中固化24h后脱模，即得氧化铝掺杂的环氧树脂材料试样。
上述所得试样为圆形，厚度为1mm，直径为50mm。将制备好的试样在干燥箱中烘干，烘干温度为65℃，烘干时间为12h，去除水分和残余电荷的影响。
实施例1
本实施例的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法为：将烘干后的试样一端用金属夹夹紧后悬挂于金属支架上，金属支架置于臭氧处理样品室(密闭腔室)中，调整金属夹使试样的圆面朝向样品室的进气口方向；关闭样品室的进气口，打开放气阀，开启机械泵对样品室抽真空，30min后，样品室的真空度达到10Pa以下，关闭放气阀和机械泵停止抽真空。打开氧气瓶减压阀，为臭氧发生系统(臭氧机)供氧，开启臭氧发生系统，产生的臭氧通过进气口进入样品室；调节臭氧发生系统的氧气进气量，并打开样品室的放气阀，调节腔体内臭氧的压强为0.14MPa进行试样表面臭氧处理，处理时间为2h；臭氧处理结束后，关闭臭氧发生系统，打开样品室的放气阀，至样品室内气压为大气压后，打开样品室，取出的试样即为改性绝缘介质材料。
实施例2
本实施例的本实施例的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法中，臭氧处理的时间为4h，其余同实施例1。
实施例3
本实施例的本实施例的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法中，样品室内臭氧的压强为0.13MPa，臭氧处理的时间为4h，其余同实施例1。
实施例4
本实施例的本实施例的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法中，样品室内臭氧的压强为0.15MPa，臭氧处理的时间为2h，其余同实施例1。
实验例
本实验例对实施例1-4中臭氧处理前后的试样进行检测。
1)使用表面电导率测量系统对实施例1-4中臭氧处理前后的试样进行表面电导率测试。表面电导率测量系统包括Keithley 6517B静电计，三电极测试系统和屏蔽箱。其中，三电极测试系统的高压电极直径为40mm，测量电极的内径为38mm，保护电极直径为40mm。将待测试样水平放置于保护电极的中心，高压电极圆环紧压试样上表面，并与保护电极上下对齐，圆环电极内部放置测量电极且与高压电极保持同心。静电计内置电源输出电压施加在试样上，测量时输出电压为100V，加压时间为1min；静电计检测加压期间的电流衰减，测量数据通过计算机软件进行显示和输出。
测试结果如表1所示。
表1实施例1-4所得改性绝缘介质材料的表面电导率测试结果
试样 表面电导率平均值/S 表面电导率标准差/S
未经臭氧处理的试样 1.14×10-15 3.35×10-17
实施例1 2.20×10-14 4.78×10-15
实施例2 9.14×10-14 5.68×10-15
实施例3 3.77×10-14 3.38×10-16
实施例4 6.10×10-14 4.36×10-16
从表1可以看出，与未经臭氧处理的试样相比，实施例1-4所得表面经过臭氧处理的试样的表面电导率分别增加了1830％、7900％、3210％和5250％。实验结果表明，本发明的方法可显著增加固体绝缘介质材料的表面电导率。
2)使用表面电位衰减测试系统对实施例1-4中臭氧处理前后的试样进行表面电位衰减测试。方法为：对试样的一面涂凡士林，将试样紧密贴在测试装置的接地铝板上；使用针栅电极对试样未涂凡士林的上表面进行电晕充电，针极电压为-10kV，栅极电压为-5kV，充电时间为2min；充电完成后，移开针栅电极，把表面电位探头对准试样中心，进行表面电位衰减测试，使用表面电位计、数据采集卡和计算机进行数据测量、采集和记录。
使用表面电位衰减模型对表面电位测量结果进行分析计算。计算时认为表面陷阱在绝缘介质的一定厚度内均匀分布，电晕充电的深度在1μm以内，表面陷阱随能级连续分布。在电晕充电期间，绝缘介质的表面陷阱以同样的概率捕获电荷。当电晕充电停止后，表面陷阱中的电荷脱陷造成绝缘介质的表面电位衰减。
对实施例1-4中臭氧处理前后的试样的表面电位衰减结果进行比较，结果显示，经过臭氧表面处理后试样的表面电位衰减速度明显变快。利用表面电位衰减模型对结果进行计算，未经臭氧处理的试样的两个陷阱密度峰值分别为5.88×1019eV-1m-3和2.84×1020eV- 1m-3，对应的陷阱能级分别为0.91eV和1.04eV。实施例2中臭氧处理4h后试样的陷阱密度峰值为3.73×1020eV-1m-3，对应的陷阱能级为0.85eV。实验结果表明，采用本发明的方法，表面经臭氧处理后的试样比处理前试样的表面陷阱能级变小，陷阱密度增大。
3)实施例1-4中臭氧处理前后的试样进行真空交流沿面闪络测试。试样安放于指形电极装置上，指形电极由两个手指形状不锈钢电极和一块聚四氟乙烯基板组成，电极端部为半圆。试样被两个指形电极紧密压在基板上，电极间距为5mm，电极装置放置于真空腔体内。闪络测试的电压源使用工频50Hz交流电压源，最大电压100kV。对试样采用连续升压的方式进行测试，电压从0开始按照1kV/s的速率升压，直至试样发生闪络。对每个试样进行三次闪络测试，两次测试间隔时间2min，记录每次的闪络电压。
臭氧处理前后试样的真空交流沿面闪络电压测试结果如表2所示。
表2实施例1-4中臭氧处理前后试样的真空交流沿面闪络电压测试结果
试样 闪络电压平均值/kV 闪络电压标准差/kV
未经臭氧处理的试样 9.49 0.20
实施例1 12.8 0.34
实施例2 13.1 0.18
实施例3 12.19 0.47
实施例4 12.61 1.28
从表2可以看出，臭氧处理可以提高微米氧化铝掺杂环氧树脂试样的真空交流沿面闪络电压，随着处理时间的增加，闪络电压呈增加的趋势。与未经臭氧处理的试样相比，实施例1-4所得经臭氧处理后的试样闪络电压分别提高了34.9％、38.0％、28.5％和32.9％。由于表面电导的升高程度远大于表面陷阱能级减小的程度，表面电导的增加，导致介质表层积聚电荷减小，减小了三结合点电场畸变，降低了初始电子发射，提高了沿面闪络电压。实验结果表明，本发明的方法可显著提高固体绝缘介质材料的真空交流沿面闪络电压。

Claims (10)

1.一种提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于：包括采用臭氧对固体绝缘介质材料表面进行改性处理。
2.根据权利要求1所述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于：所述改性处理是指，将待处理的固体绝缘介质材料置于密闭腔室中，抽真空，后通入臭氧进行臭氧处理，即得改性绝缘介质材料。
3.根据权利要求2所述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于：密闭腔室中，腔室内臭氧的压强为0.13～0.15MPa，臭氧处理的时间为2～4h。
4.根据权利要求2所述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于：抽真空至密闭腔室的真空度为10Pa以下。
5.根据权利要求2所述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于：所述固体绝缘介质材料为氧化铝掺杂的环氧树脂材料。
6.根据权利要求5所述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于：所述固体绝缘介质材料由以下重量份数的组分组成：环氧树脂100份、氧化铝300～330份、固化剂40～50份。
7.根据权利要求6所述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于：所述固化剂为固态酸酐型固化剂。
8.根据权利要求6所述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于：所述固体绝缘介质材料是由包括下列步骤的方法制备的：
1)110～130℃条件下，将微米氧化铝粒子加入熔融的环氧树脂中，真空条件下混合后，加入固化剂，混合均匀，得混合物；
2)将所得混合物浇注至110～130℃预热的模具中，在110～130℃条件下固化，脱模即得。
9.根据权利要求5所述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于：所述固体绝缘介质材料在进行改性处理之前进行干燥；所述干燥的温度为60～70℃，干燥的时间为10～14h。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的提高绝缘介质材料真空沿面闪络电压的方法所得改性绝缘介质材料。
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