CN109694217A - 非线性电导复合材料及其制备方法和应用以及避雷器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及绝缘材料技术领域，尤其是一种非线性电导复合材料及其制备方法和应用以及避雷器，将氧化锌压敏电阻粉放置在马弗炉中烧结,研磨、过筛，得到75‑55微米均匀粒径的氧化锌压敏电阻粉体与液体硅橡胶按照质量比混合，搅拌均匀倒入模具中，在真空干燥箱中连续抽真空；在150℃的温度下硫化20分钟。本发明通过改变绝缘材料本身的特性，通过处理使其成为电导率参数随空间场强大小自适应变化的非线性电导复合材料，用于对避雷器高压端和接地端的硅橡胶外套进行替换，利用非线性电导特性，智能地调控分布极不均匀的电场，不用增加新的附加结构，解决避雷器外部空间电场分布不均匀的问题，缓解避雷器外部绝缘材料的因不均匀的场强带来的劣化问题。

Description

非线性电导复合材料及其制备方法和应用以及避雷器
技术领域
本发明涉及绝缘材料技术领域，尤其是一种非线性电导复合材料及其制备方法和应用以及避雷器。
背景技术
绝缘安全一直是高压输变电系统中最为重要的因素，保护高压输变电系统中各个电气设备安全稳定运行，免遭操作过电压和大气过电压的侵害就显得极为重要，而复合无间隙氧化锌避雷器作为一种限制过电压的保护设备便具备这样的功能，并且在当今的输变电系统中具有极为广泛的应用，但是它外部硅橡胶绝缘材料长期承受不均匀电场，高压端和接地端的电场强度过大，导致该部分的硅橡胶材料加速劣化，对避雷器本体的安全性能造成威胁，降低了避雷器的使用寿命。
越高电压等级的避雷器，其外部硅橡胶材料所承受的电场强度就越大，电场强度的分布就越不均匀，端部的电场强度就越大，目前较为常见的均压方法就是在避雷器的高压端加装均压环，具对不均匀电场的一定改善效果。例如某220KV的复合无间隙氧化锌避雷器，在使用了均压环之后，其外部绝缘材料处(不含金具)的不均匀度(最大最小场强数值之比)仍为7左右。但是其均压的效果有限，而且均压环的加装也使避雷器增加了新的物理结构，给避雷器的安全运行带来复杂性，增加新的运行隐患，并不是一种解决本质问题的办法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种非线性电导复合材料及其制备方法和应用以及避雷器，得到一种电导率参数随空间场强大小自适应变化的非线性电导复合材料，缓解避雷器外部绝缘材料的因不均匀的场强带来的劣化问题。
本发明采用的技术方案是：
非线性电导复合材料的制备方法，包括以下过程：
(1)烧结：将氧化锌压敏电阻粉放置在马弗炉中烧结；烧结，温度曲线为，25～500℃保持3h，500℃保持1h，500～800℃保持1.5h，800～1200℃保持5h，1200～25℃保持10h。
所述的氧化锌压敏电阻粉体以ZnO为主体，配以微量的Ni2O3、Bi2O3、MnCO3、Cr2O3、MnO2、Co2O3、Sb2O3材料混合。
(2)研磨与过筛：使用玛瑙研磨器对烧结好的氧化锌压敏电阻粉进行研磨处理，然后用200目和280目网筛进行过筛，得到75-55微米均匀粒径的氧化锌压敏电阻粉体；
(3)混料与搅拌：将过筛后的氧化锌压敏电阻粉体与液体硅橡胶按照质量比混合，并且使用大功率磁力搅拌器将其搅拌均匀；其中氧化锌压敏电阻粉体的质量比为原料的50％-70％；
(4)注模与抽真空：将搅拌均匀的混合物倒入模具中，然后放置在真空干燥箱中连续抽真空；
(5)硫化：将真空处理后的模具放置在电热鼓风干燥箱中，在150℃的温度下硫化20分钟，冷却既得非线性电导复合材料。
该非线性电导复合材料的应用，用于制备避雷器高压端和接地端的绝缘外套。
本发明还提供一种避雷器，使用该非线性电导复合材料对避雷器高压端和接地端的硅橡胶绝缘外套进行替换，高压端和接地端替换部分各占避雷器硅橡胶外套(不含金具)总长的10％、替换部分总计占避雷器硅橡胶外套(不含金具)总长的20％，替换部分位于绝缘外套最外端与金具连接处，避雷器硅橡胶外套(不含金具)其他未替换的部分仍为硅橡胶材料。避雷器的氧化锌阀片和绝缘筒等装置与传统复合无间隙氧化锌避雷器完全相同，区别之处只在于外部绝缘材料的不同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过改变绝缘材料本身的特性，通过处理使其成为电导率参数随空间场强大小自适应变化的非线性电导复合材料。并且使用该材料对避雷器高压端和接地端的硅橡胶外套进行替换，利用该材料的非线性电导特性，智能地调控分布极不均匀的电场，不用增加新的附加结构，从本质上解决避雷器外部空间电场分布不均匀的问题，缓解避雷器外部绝缘材料的因不均匀的场强带来的劣化问题。
附图说明
图1为实施例的非线性电导复合材料的电导率与电场强度关系；
图2为实施例避雷器二维轴对称模型图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
以氧化锌压敏电阻粉体和液体硅橡胶为原料，按照质量分数，即氧化锌压敏电阻粉体占整个复合物的质量分数50％-70％，氧化锌压敏电阻粉体是以ZnO为主体，配以一定微量的Ni2O3、Bi2O3、MnCO3、Cr2O3、MnO2、Co2O3、Sb2O3。制备的步骤如下：
1)烧结：将ZnO压敏粉料放置在马弗炉以表1所示升温设置进行烧结。
表1升温设置
2)研磨与过筛：使用玛瑙研磨器对烧结好的ZnO压敏粉料进行研磨处理，然后用200目和280目网筛进行过筛，得到75-55微米均匀粒径的ZnO压敏粉体。
3)混料与搅拌：将过筛后的ZnO压敏粉体按比例与液体硅橡胶进行混合，并且使用大功率磁力搅拌器将其搅拌均匀，确保其不出现因填料沉降而导致的混合不均匀现象。
4)注模与抽真空：将搅拌均匀的混合物倒入模具中，然后放置在真空干燥箱中连续抽真空。
5)硫化：将真空处理后的模具放置在电热鼓风干燥箱中，在150℃的温度下硫化20分钟。
如图1所示，该复合材料具有良好的非线性电导特性，在较低电场强度时，它的电导率和硅橡胶几乎一样，当外部电场强度达到临界场强(0.5kV/mm-2.0kV/mm)时，该材料的电导率随着场强的增大而呈指数式增长，迅速完成几个数量级的跃升，以此获得较高的暂态电导率。
使用该非线性电导复合材料对避雷器高压端和接地端的硅橡胶绝缘外套进行替换，高压端和接地端替换部分各占避雷器硅橡胶外套(不含金具)总长的10％、替换部分总计占避雷器硅橡胶外套(不含金具)总长的20％，避雷器硅橡胶外套(不含金具)其他未替换的部分仍为硅橡胶材料。避雷器的氧化锌阀片和绝缘筒等装置与传统复合无间隙氧化锌避雷器完全相同，区别之处只在于外部绝缘材料的不同。
图2为避雷器进行外部绝缘材料端部替换后的二维轴对称示意图，图中标记1、5为连接金具，标记2、4为使用本发明的非线性电导复合材料进行替换的区域，3为仍使用传统硅橡胶绝缘材料的区域。
在避雷器使用上述非线性电导复合材料进行替换之后，根据仿真的结果，避雷器不均匀的场强得到了显著的改善，高压端和接地端的电场强度均有所下降，与传统的避雷器(外部绝缘材料全部为硅橡胶)相比，该新型避雷器的外部绝缘材料处(不含金具)的不均匀度(最大最小场强数值之比)不到5，与采用均压环的避雷器的不均匀度相比也下降了35％。改善效果比均压环的好，能够使避雷器在不加均压环的情况下，也能获得比较理想的不均匀场强分布改善效果，保证避雷器的安全运行。

Claims (6)

1.非线性电导复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)烧结：将氧化锌压敏电阻粉放置在马弗炉中烧结；
(2)研磨与过筛：使用玛瑙研磨器对烧结好的氧化锌压敏电阻粉进行研磨处理，然后用200目和280目网筛进行过筛，得到75-55微米均匀粒径的氧化锌压敏电阻粉体；
(3)混料与搅拌：将过筛后的氧化锌压敏电阻粉体与液体硅橡胶按照质量比混合，并且使用大功率磁力搅拌器将其搅拌均匀；其中氧化锌压敏电阻粉体的质量比为原料的50％-70％；
(4)注模与抽真空：将搅拌均匀的混合物倒入模具中，然后放置在真空干燥箱中连续抽真空；
(5)硫化：将真空处理后的模具放置在电热鼓风干燥箱中，在150℃的温度下硫化20分钟，冷却既得非线性电导复合材料。
2.根据权利要求1所述的非线性电导复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的烧结，温度曲线为，25～500℃保持3h，500℃保持1h，500～800℃保持1.5h，800～1200℃保持5h，1200～25℃保持10h。
3.根据权利要求1所述的非线性电导复合材料的制备方法，其特征在于，所述的氧化锌压敏电阻粉体以ZnO为主体，配以微量的Ni2O3、Bi2O3、MnCO3、Cr2O3、MnO2、Co2O3、Sb2O3材料混合。
4.非线性电导复合材料，其特征在于，根据权利要求1到3的方法制备所得。
5.根据权利要求4所述的非线性电导复合材料的应用，其特征在于，用于制备避雷器高压端和接地端的绝缘外套。
6.一种避雷器，其特征在于，所述的避雷器高压端和接地端的绝缘外套部分使用权利要求4所述的非线性电导复合材料进行替换，高压端和接地端替换部分各占避雷器硅橡胶外套总长的10％、替换部分总计占避雷器硅橡胶外套总长的20％，替换部分位于绝缘外套最外端与金具连接处，避雷器硅橡胶外套其他未替换的部分仍为硅橡胶材料。
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