CN106685122A - 一种高阻防电晕带及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高阻防电晕带及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高阻防电晕带及其制备方法和应用，该高阻防电晕带包括基材及涂覆在基材表面上的ZnO纳米材料涂层。本发明高阻防电晕带制备时采用热喷涂技术将ZnO纳米材料喷涂于基材表面上，然后冷却即得所述高阻防电晕带，该高阻防电晕带具有表面电率值稳定，在高压电机上应用，能够达到部标优等品指标：（1）单只线圈端部起晕电压≥5.0Un；（2）单只线圈端部在空气中闪络电压≥12Un，最高闪络电压达到300kV以上；（3）单只线圈在工频交流6.0Un电压下，通过持续1分钟工频交流耐电压试验；（4）电机定子绕组（整机）起晕电压≥3.0Un。

Description

一种高阻防电晕带及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种含有低纬度结构半导体材料的高压电机用高阻防电晕带及其制备方法。
背景技术
在高压电机槽内的定子线圈的低电阻防晕层末端至线圈绝缘内的铜芯导杆的终端之间有高电压差，使低组段末端处的电场集中，即电位陡变，从而产生电晕。
高压电机用中阻、中高阻和高阻防电晕材料表面的电阻率不稳定，致使端部防晕层经常产生放电、闪络等现象；电机定子安装后，电机定子绕组产生电晕电压(起晕电压)低，易造成防晕层沿面的击穿，有闪络、爬电、冒烟等问题。目前国内的高压电机(额定电压6.3kV-27kV)定子线圈普遍采用的防晕带是玻璃丝浸渍含有碳化硅的高阻漆。
如中国专利CN1929250A公开了一种高压电机中高阻防晕带的制备方法，通过以下步骤制备：一、采用无碱玻璃丝编织带或聚酯无纺布带；二、采用单一或混合的环氧、酚醛或聚酯树脂、甲苯、酒精和丙酮配制成母液，再向母液中添加碳化硅、石墨或炭黑、三氧化二铁、无机悬浮剂和植物油调整剂，搅拌成均匀液体；三、将无碱玻璃丝编织带或聚酯无纺布带，放入装有配制好液体的槽内浸渍均匀；四、将浸渍液体的带子通过间隙辊，再匀速通过烘干炉干燥固化，制成中高阻防晕带，对该防晕带进行性能测试，其单只线圈端部起晕电压≥3.0Un；单只线圈端部在空气中闪络电压≥6.5Un，最高闪络电压达到180kV以上；单只线圈在工频交流4.0Un电压下，通过持续1分钟工频交流耐电压试验；绕组(整机)起晕电压≥1.2Un。将上述防晕带用于高压电机，电机定子安装后，电机定子绕组产生电晕电压(起晕电压)低，易造成防晕层沿面的击穿，影响电机的运转。
上述制备方法采用的湿法涂布技术，该技术存在以下不足：变化涂布量及调整成本高，可调整机构少，涂布量不能够精确均匀分布，溶剂型涂布液清洗较困难，特别是清洗高精度供料系统管路和调缝涂布腔体，可操作性差，对涂布环境洁净度要求高，不够环保等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的高阻防电晕带及其制备方法和应用。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高阻防电晕带，包括基材，所述高阻防电晕带还包括涂覆在所述基材表面上的ZnO纳米材料涂层。
优选地，所述ZnO纳米材料涂层的厚度为100～200nm。
优选地，所述涂覆采用热喷涂技术涂覆。
更优选地，所述ZnO纳米材料涂层是采用热喷涂枪将熔化或半熔化状的ZnO纳米材料喷涂在所述基材表面形成。
优选地，所述ZnO纳米材料的平均粒径为100～200nm。更优选地，所述ZnO纳米材料的平均粒径为100nm。
优选地，所述ZnO纳米材料采用均相沉淀法制备。
优选地，所述基材包括无碱玻璃丝编织带、聚酯无纺布带或涤纶玻璃丝带。
本发明采取另一技术方案是：
一种上述高阻防电晕带的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将ZnO纳米材料加热成熔化或半熔化状态，然后使用热喷涂枪将熔化或半熔化状态的ZnO纳米材料喷涂至基材表面形成ZnO纳米材料涂层，所述ZnO纳米材料涂层的厚度为5～200nm；
(2)将涂覆有所述ZnO纳米材料涂层的基材冷却，即得表面电阻率为3MΩ～500000MΩ、非线性系数β为0.20～1.50的高阻防电晕带。
优选地，所述高阻防电晕带的制备方法还包括ZnO纳米材料的制备，通过以下步骤制备：将Zn(NO3)2加入NaOH溶液中，加热至100℃～120℃，搅拌反应，反应出现沉淀，待沉淀完全，加热至300℃～400℃进行热分解反应，反应2～4h后冷却，调节pH为6.5～7.5，过滤，水洗，干燥即得所述ZnO纳米材料，其中，所述Zn(NO3)2和NaOH的质量比为1:0.7～1.2。
更优选地，所述Zn(NO3)2和NaOH的质量比为1:1。
更优选地，所述NaOH溶液的浓度为0.7～1.2mol/L。更进一步优选地，所述NaOH溶液的浓度为1.0mol/L。
更优选地，所述搅拌的搅拌速度为300～500rpm。
优选地，步骤(2)中，所述冷却采用以5m/min～40m/min的速度匀速进入冷却炉内冷却，冷却后的高阻防电晕带匀速收卷。
更优选地，所述冷却炉为立式或卧式冷却炉，其长度为3m～10m。
本发明采取的又一技术方案是：上述高阻防电晕带在高压电机中的应用。
由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的高阻防电晕带是在基材表面上使用热喷涂技术涂覆ZnO纳米材料制成，涂层厚度可控制在纳米级范围内，达到了纳米级厚度的低维度结构的涂层的要求。相比现有的高阻防电晕带，本发明的高阻防电晕带大大减薄了高阻防电晕带的厚度，使之更加服贴在线棒等各种形状的物件表面上，配合低阻带和绝缘层，可以组成一个完整的防晕结构。也可以减薄主绝缘层厚度，提高起晕电压数倍以上，延长绝缘结构的寿命。减小对无线电通讯和电子设备的干扰。ZnO纳米材料固化后在表面形成一个连续的量子线方向导电层面，其优点在于电子迁移率高、介电常数小，能引入深能级杂质、电子有效质量小，能带结构特殊等，能够让电子按照理想的路径迁移，有效的解决了端部防晕层经常产生放电、闪络、爬电、冒烟等问题。并且具有适应性强及经济效益好等优点。
本发明的高阻防电晕带采用热喷涂技术制备，与现有的湿法涂布技术相比，能够制成纳米级厚度的低纬度结构的涂层，而且基材材料不受限制，可以在各种基体材料上喷涂；喷涂过程中基体材料温升小，不产生应力和变形；操作工艺灵活方便，不受工件形状限制。
本发明的高阻防电晕带表面电阻率值稳定，在高压电机上应用，各项指标均达到或优于国际先进水平：(1)单只线圈端部起晕电压≥5.0Un(ICE标准≥1.5Un，国家标准GB/T7894-2001≥1.5Un，德国Siemens≥2.0Un+1.0kV)。该指标达到国内外先进水平；(2)单只线圈端部在空气中闪络电压≥12Un，最高闪络电压达到300kV以上，该指标达到国内外先进水平；(3)单只线圈在工频交流6.0Un电压下，通过持续1分钟工频交流耐电压试验(JB/T6204-2002要求2.75Un+6.5kV，持续1分钟)；(4)电机定子绕组(整机)起晕电压≥3.0Un(国标GB/T-2001要求≥1.0Un)，使电机高效安全运行。
具体实施方式
本发明提供一种含有低纬度结构半导体的高阻防电晕带，所述高阻防电晕带包括基材及涂覆在基材表面的ZnO纳米材料涂层。
现有技术中，制备该ZnO纳米材料涂层使用的ZnO纳米材料通常采用液相法制备，但本发明采用均相沉淀法制备低纬度结构半导体材料，即ZnO纳米材料。
本发明中，ZnO纳米材料涂层是采用热喷涂技术将熔化或半熔化状态的ZnO纳米材料喷涂于基材表面。具体制备高阻防电晕带时，基材二侧表面均热喷涂ZnO纳米材料。
本发明中，ZnO纳米材料涂层厚度可达纳米级。
相对现有技术，本发明具有如下优势：
1、电子在块体材料里，在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不再是连续的，而是量子化的，电子只能沿着量子线方向自由运动，另外两个方向上受到限制。无机纳米颗粒因其所具有的体积效应、量子尺寸效应、表面和界面效应以及宏观量子隧道效应等而具有诸多特殊性能，因此，可以被广泛应用于电子电气绝缘材料，用于提高其介电性能、耐电晕性能、耐热性能和导热性能等。
目前基于ZnO和SiC基的低维度材料已经发展的相当成熟，每层的厚度都可以控制在零点几个纳米的精度，此类材料的引入，将大大地减薄高阻防电晕带厚度，使之更加服贴在线棒等各种形状的物件表面上，配合低阻带和绝缘层，可以组成一个完整的防晕结构。也可以减薄主绝缘层厚度，提高起晕电压数倍以上，延长绝缘结构的寿命。减小对无线电通讯和电子设备的干扰。因此本发明将引用了这种新型的低维度半导体材料作为涂覆于玻璃丝双面的高阻漆，固化后在表面形成一个连续的量子线方向导电层面，其优点在于电子迁移率高、介电常数小，能引入深能级杂质、电子有效质量小，能带结构特殊等，能够让电子按照理想的路径迁移，有效的解决了端部防晕层经常产生放电、闪络、爬电、冒烟等问题。并且具有适应性强及经济效益好等优点。
2、现有技术中，低维度半导体材料比较普遍采用液相法来制得，液相法包括溶胶—凝胶法，微乳液法，喷雾热解法，水热法等等。与其他方法相比，液相法具有反应条件温和，易控制，制得的纳米材料纯度高等优点。但是也存在种种缺点，大部分方法现仅停留于实验阶段，且成本较高，能耗大，真正能实现大规模工业化应用的很少，所以本发明使用了一种全新的均相沉淀法来制得相应的纳米材料。一般的沉淀过程是不平衡的，而均相沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀的释放出来，通过控制溶液中的沉淀剂浓度，使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现。通常加入的沉淀剂，不会立刻与被沉淀组分发生反应，而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成，克服了由外部向溶液中加沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性，造成沉淀不能在整个溶液中均匀出现的缺点。因此均相沉淀法制得的纳米粉体材料具有表面活性高，容易控制颗粒的尺寸和形状，工业生产成本低，操作过程简单，而且不需要煅烧处理便可制得相应的纳米材料。
3、现有阶段大部分高阻防电晕带的制作方法都是采用的湿法涂布技术，例如参照CN1929250A的具体实施例的制备方法，该技术存在以下不足：变化涂布量及调整成本高，可调整机构少，涂布量不能够精确均匀分布，溶剂型涂布液清洗较困难，特别是清洗高精度供料系统管路和调缝涂布腔体，可操作性差，对涂布环境洁净度要求高，不够环保等缺点，最关键的是传统的湿法涂覆的涂层厚度通常只能保持在0.01～2mm范围内，远远达不到纳米级厚度的低维度结构的涂层的要求，因此传统的方法不足满足本发明的制备。
所以本发明的涂覆方式采用的是热喷涂技术，该技术是指：细微而分散的低维度半导体涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过处理的基体表面，形成某种喷涂沉积层。热喷涂枪由燃料气、电弧或等离子弧提供必需的热量，将热喷涂材料加热到塑态或熔融态，再经受压缩空气的加速，使受约束的颗粒束流冲击到基体表面上。冲击到表面的颗粒，因受冲压而变形，形成牢固的覆盖层，粘附在经过处理的基体表面，随之冷却，最终形成一种纳米级厚度的低维度结构的涂层。
该技术与原有的湿法技术相比，除了保持了原有的优势外还解决了现有的湿法涂布技术的缺点，是故有如下优点：基体材料不受限制，可操作性高，可以在各种基体材料上喷涂；变化涂布量及调整成本低，涂布量能够根据需求精确均匀分布；不采用溶剂型涂布液，故不存在设备清洗困难的问题；喷涂过程中基体材料温升小，不产生应力和变形；操作工艺灵活方便，不受工件形状限制；涂层厚度可以精确控制在100～200nm纳米级范围内，达到了纳米级厚度的低维度结构的涂层的要求；适应性强、经济效益好及环保等优点。
下面通过具体实施例对本发明做进一步地说明。
实施例1
本实施例提供一种高压电机用高阻防电晕带，该防电晕带通过以下步骤制备：
(1)基材材料放卷，采用0.10±0.02mm×25mm电工用无碱玻璃丝编织带；
(2)采用均相沉淀法制备低维度结构半导体材料，即ZnO纳米材料，其具体制备方法如下：将Zn(NO3)2放入浓度为1.0mol/L的NaOH溶液中加热搅拌反应，温度控制在110℃反应，搅拌速度控制在400rpm，反应大概2h后出现沉淀，经过4h沉淀完全，然后将温度升温至350℃进行热分解反应，反应3h后停止加热，冷却，静置。调节pH值、抽滤并反复水洗至中性，干燥，即得ZnO纳米材料，其中，Zn(NO3)2与NaOH的质量比为1:1。
反应式如下：
Zn2++2OH-→Zn(OH)2↓
Zn(OH)2+2OH-→Zn(OH)4 2-
Zn(OH)4 2-→ZnO↓+H2O+2OH-
(3)将步骤(2)所制得的ZnO纳米材料加热成熔化状态，然后采用热喷涂枪，再经受压缩空气的加速后迅速冲击到电工用无碱玻璃丝编织带表面，这些纳米颗粒因受冲压而变形，形成牢固的覆盖层，粘附在基材表面形成纳米级厚度的ZnO纳米材料涂层，涂层厚度控制在100nm纳米级，其中，热喷涂的工艺参数为喷枪距离基材5-10cm，喷射角度0-15°，喷枪移动速度为12-18cm/s，喷压不低于0.4mpa。
(4)将涂覆均匀的无碱玻璃丝编织带以20m/min的速度匀速进入冷却炉内冷却，用无级调速电机匀速收卷，制成表面电阻率在3MΩ～500000MΩ、非线性系数β在0.20～1.50的高阻防电晕带。
本实施例步骤(2)制备的ZnO纳米材料的性能表征如下：根据投射电子显微镜的评估可判断制备的ZnO纳米材料的平均直径在100nm，粒径分散较好，形状呈球形。
实施例2
本实施例提供一种高压电机用高阻防电晕带，该高阻防电晕带通过以下步骤制备：
(1)基材材料放卷，采用0.10±0.02mm×25mm聚酯无纺布带；
(2)将Zn(NO3)2放入浓度为2.0mol/L的NaOH溶液中加热搅拌反应，温度控制在100℃反应，搅拌速度控制在300rpm，反应大概2h后出现沉淀，经过4h沉淀完全，然后将温度升温至400℃进行热分解反应，反应4h后停止加热，冷却，静置。调节pH值、抽滤并反复水洗至中性，干燥，即得ZnO纳米材料，其中，Zn(NO3)2与NaOH的质量比为1:2。
(3)将步骤(2)所制得的ZnO纳米材料加热成半熔化状态，然后采用热喷涂枪将半熔化状态的ZnO纳米材料喷涂到聚酯无纺布带表面，形成纳米级厚度的ZnO纳米材料涂层，涂层厚度控制在150nm纳米级，其中，热喷涂的工艺参数为喷枪距离基材5-10cm，喷射角度0-15°，喷枪移动速度为12-18cm/s，喷压不低于0.4mpa。
(4)将涂覆均匀的聚酯无纺布带以40m/min的速度匀速进入冷却炉内冷却，用无级调速电机匀速收卷，制成表面电阻率在3MΩ～500000MΩ、非线性系数β在0.20～1.50的高阻防电晕带。
本实施例步骤(2)制备的ZnO纳米材料的性能表征如下：根据投射电子显微镜的评估可判断制备的ZnO纳米材料的平均直径在150nm，粒径分散较好但有少量团聚，形状呈球形，少量柱状。
实施例3
本实施例提供一种高压电机用高阻防电晕带，该防晕带通过以下步骤制备：
(1)基材材料放卷，采用0.10±0.02mm×25mm电工用无碱玻璃丝编织带；
(2)将Zn(NO3)2放入浓度为3.0mol/L的NaOH溶液中加热搅拌反应，温度控制在120℃反应，搅拌速度控制在300rpm之间，反应大概1h后出现沉淀，经过4h沉淀完全，然后将温度升温至300℃进行热分解反应，反应3h后停止加热，冷却，静置。调节pH值、抽滤并反复水洗至中性，干燥，即得ZnO纳米材料，其中，Zn(NO3)2与NaOH的质量比为1:3。
(3)将步骤(2)所制得的ZnO纳米材料加热成熔化，然后采用热喷涂枪将熔化的ZnO纳米材料喷涂到电工用无碱玻璃丝编织带表面，形成纳米级厚度的ZnO纳米材料涂层，涂层厚度控制在200nm纳米级，其中，热喷涂的工艺参数为喷枪距离基材5-10cm，喷射角度0-15°，喷枪移动速度为12-18cm/s，喷压不低于0.4mpa。
(4)将涂覆均匀的无碱玻璃丝编织带以5m/min的速度匀速进入冷却炉内冷却，匀速收卷，制成表面电阻率在3MΩ～500000MΩ、非线性系数β在0.20～1.50的高阻防电晕带。
本实施例步骤(2)制备的ZnO纳米材料的性能表征如下：根据投射电子显微镜的评估可判断制备的ZnO纳米材料的平均直径在200nm，粒径分散较好但有少量团聚，形状呈球形，少量柱状。
对比例1
本对比例参照CN1929250A具体实施方式二的方法和条件制备，具体制备方法如下：
(1)采用电工用无碱玻璃丝编织带作为基材；
(2)按重量百分比由环氧、酚醛或聚酯树脂为20％、甲苯、酒精和丙酮按重量百分比为80％的复合溶剂，甲苯、酒精和丙酮的比例1：1：1，配制成母液，再按占母液重量的百分比向母液中添加280～1000目不同电阻值的非线性绿色和/或灰色50％的碳化硅、10％的石墨、3％的三氧化二铁、0.5％的无机悬浮剂和1.5％的植物油调整剂，搅拌成均匀液体；
(3)将基材浸渍与步骤(2)的液体中，然后依次经间隙辊机、烘干炉，制成表面电阻率3MΩ～100000MΩ的高阻防电晕带。
对比例2
按照CN106366861A实施例1的方法和条件制备得到防电晕带。
对实施例1～3制备出的高阻防电晕带及对比例1-2制备的高阻防电晕带进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1
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 (10)

1.一种高阻防电晕带，包括基材，其特征在于：所述高阻防电晕带还包括涂覆在所述基材表面上的ZnO纳米材料涂层。
2.根据权利要求1所述的高阻防电晕带，其特征在于：所述ZnO纳米材料涂层的厚度为100～200nm。
3.根据权利要求1所述的高阻防电晕带，其特征在于：所述涂覆采用热喷涂技术涂覆。
4.根据权利要求3所述的高阻高阻防电晕带，其特征在于：所述ZnO纳米材料涂层是采用热喷涂枪将熔化或半熔化状的ZnO纳米材料喷涂在所述基材表面形成。
5.根据权利要求1所述的高阻防电晕带，其特征在于：所述ZnO纳米材料的平均粒径为100～200nm。
6.根据权利要求1所述的高阻防电晕带，其特征在于：所述ZnO纳米材料采用均相沉淀法制备。
7.根据权利要求1所述的高阻防电晕带，其特征在于：所述基材包括无碱玻璃丝编织带、聚酯无纺布带或涤纶玻璃丝带。
8.一种权利要求1~7中任一项权利要求所述的高阻防电晕带的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
（1）将ZnO纳米材料加热成熔化或半熔化状态，然后使用热喷涂枪将熔化或半熔化状态的ZnO纳米材料喷涂至基材表面形成ZnO纳米材料涂层，所述ZnO纳米材料涂层的厚度为100~200nm；
（2）将涂覆有所述ZnO纳米材料涂层的基材冷却，即得表面电阻率为3MΩ～500000MΩ、非线性系数β为0.20～1.50的高阻防电晕带。
9.根据权利要求8所述的高阻防电晕带的制备方法，其特征在于，所述高阻防电晕带的制备方法还包括ZnO纳米材料的制备，其通过以下步骤制备：将Zn(NO3)2加入NaOH溶液中，加热至100℃～120℃，搅拌反应，反应出现沉淀，待沉淀完全，加热至300℃～400℃进行热分解反应，反应2~4h后冷却，调节pH为6.5~7.5，过滤，水洗，干燥即得所述ZnO纳米材料，其中，所述Zn(NO3)2和NaOH的质量比为1：0.7～1.2。
10.如权利要求1~7中任一项权利要求所述的高阻防电晕带在高压电机中的应用。
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