CN110136899B - 一种绝缘子及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种绝缘器件及其制备方法，具体涉及一种绝缘子及其制备方法。解决现有绝缘子耐表面击穿电压较低、可靠性差以及难以满足高压装置对真空绝缘要求的问题。一种绝缘子，包括绝缘子基体和弹性导电环，绝缘子基体外表面开设有多条相互平行的环形槽，相邻环形槽的槽间距相等，弹性导电环套设于环形槽内。通过将弹性导电环套设于环形槽内，显著降低高梯度绝缘子制备工艺难度和成本的同时，提高了稳定性与可靠性。由于不涉及后期机械加工和打磨的处理过程，避免了传统高梯度绝缘子加工之后绝缘层出现金属屑、毛刺等不稳定因素，规避了金属屑引起的电场畸变，在提高击穿电压的同时，保证了绝缘子性能的一致性。

Description

一种绝缘子及其制备方法
技术领域
本发明属于一种绝缘器件及其制备方法，具体涉及一种绝缘子及其制备方法。
背景技术
根据《IEEE Transactions on Dielectrics&Electrical Insulation》上发表的Flashover of insulators in vacuum:the last twenty years，在真空高压绝缘领域，真空与绝缘子的界面处是耐压的薄弱地带，在高电压下容易发生沿面击穿，击穿电压一般远低于同等厚度绝缘材料的体击穿电压和真空的击穿电压。在脉冲功率系统中，如高能粒子加速器、Z箍缩和高功率激光器等，绝缘子的破坏或失效经常表现为真空沿面闪络。绝缘子真空沿面闪络现象的发生，严重制约着高压真空设备的耐压能力，影响设备的正常运行，耐压的失败甚至造成巨大的损失。现阶段对脉冲功率装置提出了向高功率、小型化和高可靠性的发展需求，这就意味着在更小尺寸的绝缘部件上要承受更高的电压，真空沿面闪络现象已成为限制这一发展的瓶颈问题。
为解决该问题，人们对沿面闪络现象进行了大量的研究，提出了以二次电子雪崩模型为代表的解释理论，并在此基础上设计了高梯度绝缘子(HGI)，高梯度绝缘子是指绝缘层与导电金属层交替分布的一类绝缘子。普通绝缘结构中，电子发射之后，由于绝缘子表面导电性较差，正电荷容易在局部积累造成电场畸变，进一步增大电子发射，使得闪络容易发生。利用高梯度绝缘子技术，可将表面积累的电荷进行重新排布，有效地削弱电场畸变。除此之外，根据绝缘子厚度与闪络电场强度的关系，即E＝k/d1/2，降低绝缘子厚度可以提高闪络电场强度，即较薄的绝缘子能够获得单位距离上更高的闪络电压。多层高梯度绝缘子将单个厚绝缘子转化为多个薄绝缘子串联的结构，能够有效地提高整个绝缘子结构的电场击穿强度。依据《Proc of PAC》上发表的High gradient insulator technology for thedielectric wall accelerator，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室利用高梯度绝缘技术，在100ms的脉冲宽度下获得了最高绝缘强度达到约32MV/m的小尺寸HGI样品。国内中国科学院电工研究所也对高梯度绝缘子进行了相关研究，《强激光与粒子束》公开的纳秒脉冲下微堆层绝缘子的真空沿面闪络特性，得到了表面闪络场强超过15MV/m的耐压强度，中国工程物理研究院流体物理研究所在同本期刊中公布的介质壁加速器高梯度绝缘子研制一文中，得到了16.1MV/m的耐压强度。
现阶段，高梯度绝缘子的制备主要通过采用层压技术，即分别制备出金属薄片和绝缘材料薄片，然后将这些薄片逐层叠加并热压成型，最后再进行机械加工、打磨获得高梯度绝缘子。由于金属层与绝缘层热膨胀系数差别较大，加工过程中尺寸比例变化较大，造成两者结合不紧密，容易产生气隙，且在后期的加工和打磨中，容易使金属碎屑掺杂在非金属层，形成凸出或毛刺，在电场中成为电场增强点，使沿闪电压降低，造成高梯度绝缘子稳定性低、实用性差等问题，导致高梯度绝缘子的表面绝缘性能无法最大程度发挥。刘文元等提出在绝缘子表面通过逐层叠加和化学镀铜等方式制备了梯度导电金属环结构，有效地提升了绝缘子闪络电压，但存在制备过程复杂的问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了解决现有绝缘子耐表面击穿电压较低、可靠性差以及难以满足高压装置对真空绝缘要求的问题，提供一种绝缘子及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种绝缘子，包括绝缘子基体，其特殊之处在于，还包括弹性导电环；绝缘子基体外表面开设有多条相互平行的环形槽，相邻环形槽的槽间距相等；弹性导电环套设于环形槽内。
进一步地，绝缘子本体的材质可以是尼龙、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂和聚苯硫醚中的任一种聚合物，也可以采用其他绝缘性能比较好，且便于加工的陶瓷。
进一步地，弹性导电环套设于绝缘子基体后，弹性导电环环外侧或高于绝缘子基体表面，或低于绝缘子基体表面，或与绝缘子基体表面平齐。当弹性导电环的外侧高于绝缘子基体表面时，弹性导电环在绝缘子基体表面突出的部分将阻挡表面电子运动，抑制闪络发展；当弹性导电环的外侧低于绝缘子基体表面时，弹性导电环隐藏在绝缘材料表面之下，从而将弹性导电环电场增强点藏于绝缘子内部，有利于降低表面电场不均匀性，降低电子发射的概率。
进一步地，所述环形槽的槽型为U字型，便于弹性导电环的嵌入，使弹性导电环与环形槽间没有气隙。
进一步地，所述环形槽开口处的宽度为0.05mm-2mm，优选0.1mm-1mm；深度为0.05mm-2mm，优选0.1mm-1mm；槽间距为0.05mm-2mm，优选0.05mm-1mm；所述槽间距与所述环形槽开口处宽度的比值为1:1-5:1。
进一步地，所述环形槽在绝缘子基体的外表面沿轴向分布，环形槽横截面与两电极的连线相互垂直。
进一步地，当弹性导电环处于自然态时，弹性导电环的内表面周长比环形槽的周长小2％-10％，以确保弹性导电环能够依靠自身弹性收缩力与环形槽底部压接紧密，同时对于热形变的差异，能够依靠弹性导电环的形变范围进行补偿，使得两者始终结合紧密。
进一步地，一种如上所述绝缘子的制备方法，其特殊之处在于，
步骤1，加工得到绝缘子基体；
步骤2，在绝缘子基体表面加工出多条环形槽；
步骤3，根据环形槽的尺寸制备与其适配的弹性导电环，将弹性导电环套设于环形槽内，其中弹性导电环自然状态下的内表面周长比环形槽的周长小2％-10％；
步骤4，对套设有弹性导电环的绝缘子基体超声处理并清洗干燥，得到绝缘子。
进一步地，所述步骤2是使用激光或机械刻槽在绝缘子基体表面加工出环形槽，具体依据环形槽的尺寸进行选择。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.一种绝缘子，在绝缘子基体上进一步加工环形槽，将弹性导电环套设于环形槽内，束缚弹性导电环，不仅保持了绝缘子基体原有材料的强度和韧性等力学性能，而且由于弹性导电环形变的存在，能够有效缓冲两者热膨胀系数的差异，使得导电环紧密束缚在环形槽中。另外，弹性导电环的存在有利于分散电子，抑制局部电荷积累引起的局部场强增加，相比于金属微带绝缘子，弹性导电环可以实现分散电子的同时又不至于引起电场发生大幅度畸变，对抑制闪络的发展更为有利。
2.当弹性导电环的外径大于绝缘子基体外径时，弹性导电环在绝缘子基体表面突出的部分将阻挡表面电子运动，抑制闪络发展；当弹性导电环的外径小于绝缘子基体外径时，弹性导电环隐藏在绝缘材料表面之下，从而将弹性导电环电场增强点藏于绝缘子内部，有利于降低表面电场不均匀性，降低电子发射的概率。
3.通过将环形槽设计为U型槽，便于弹性导电环嵌入，使弹性导电环与环形槽之间没有气隙。
4.当弹性导电环处于自然态时，弹性导电环的内表面周长比环形槽的周长小2％-10％，以确保弹性导电环能够依靠自身弹性收缩力在环形槽内压接紧密，同时对于热形变的差异，能够依靠弹性导电环的形变范围进行补偿，使得两者始终结合紧密；另外，若弹性导电环形变量过大会使其失去导电能力。
5.一种绝缘子的制备方法，通过在绝缘子基体表面加工环形槽，并将弹性导电环套设于环形槽内，显著降低高梯度绝缘子制备工艺难度和成本的同时，提高了稳定性与可靠性。绝缘子通过加工环形槽和束缚弹性导电环两步主要工艺，不涉及后期机械加工和打磨的处理过程，避免了传统高梯度绝缘子加工之后绝缘层出现金属屑、毛刺等不稳定因素，规避了金属屑引起的电场畸变，在提高击穿电压的同时，保证了绝缘子性能的一致性。另外，通过超声处理带动弹性导电环震动，释放了弹性导电环局部形变不均匀引起的受力不平衡。
6.采用激光或机械刻槽来加工环形槽，主要依据于环形槽的尺寸，当环形槽开口处宽度为0.05mm-1mm时采用激光加工环形槽，当环形槽开口处宽度为0.5mm-2mm时采用机械刻槽的方法来加工。
附图说明
图1为本发明实施例中一种绝缘子的制备方法流程示意图；
图2为本发明实施例中一种绝缘子制备过程中的结构示意图。
其中，1-绝缘子基体；2-弹性导电环；3-环形槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例和附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
一种绝缘子，包括绝缘子基体1和弹性导电环2，绝缘子基体1外表面开设有多条相互平行的环形槽3，相邻环形槽3的槽间距相等，弹性导电环2套设于环形槽3内。环形槽3的一种优选开设方式，环形槽3在绝缘子基体1的表面沿轴向开设，此时环形槽3的横截面与两电极的连线相互垂直。
绝缘子基体1为聚合物或陶瓷材质，可以是尼龙、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂或聚苯硫醚等聚合物的一种，也可以是其他绝缘性能比较好且便于加工的陶瓷。弹性导电环2有利于分散电子，抑制局部电荷积累引起的局部场强增加，相比于金属微带绝缘子，弹性导电环2在分散电子的同时又不至于引起电场发生大幅度畸变，对抑制闪络的发展更为有利。
弹性导电环2为银颗粒、铜颗粒或石墨粉等导电颗粒与橡胶材料混捏、压接而成的导电材料，具有一定的弹性，且电导率变化范围为0.01S/cm-10S/cm。
为了弹性导电环2在环形槽3内贴合更紧密，环形槽3开设为U”槽。由于弹性导电环2的截面多为圆形，因此U型槽能够使弹性导电环2紧密镶嵌在绝缘子基体1表面的环形槽3内。另外，弹性导电环2的弹性要适当，在弹性导电环2处于自然状态时，其内表面周长比环形槽3的周长小2％-10％，以确保弹性导电环2能够依靠自身弹性收缩力与环形槽3压接紧密，同时对于热形变的差异，能够依靠弹性导电环2形变范围大的特性进行补偿，使得两者始终结合紧密；但弹性导电环2的弹性也不可过大，若形变量过大可能会失去导电能力。
环形槽3的尺寸根据使用要求可以具体设计与调整，本实施例中环形槽3开口处的宽度为0.05mm-2mm，优选0.1mm-1mm；深度为0.05mm-2mm，优选0.1mm-1mm；槽间距为0.05mm-2mm，优选0.05mm-1mm；槽间距与所述环形槽3开口处宽度的比值为1:1-5:1。
弹性导电环2套设在环形槽3内有三种可能的布置方式：第一种，弹性导电环2环径较小时，弹性导电环2外侧低于绝缘子基体1表面；第二种，弹性导电环2环径适中时，弹性导电环2外侧与绝缘子基体1表面平齐；第三种，弹性导电环2环径较大时，弹性导电环2高出绝缘子基体1表面。当弹性导电环2高出绝缘子基体1表面时，弹性导电环2的突出部分将阻挡表面电子运动，抑制闪络发展；当弹性导电环2低于绝缘子基体1表面时，弹性导电环2隐藏在绝缘子基体1表面之下，从而将弹性导电环2的电场增强点藏于绝缘子内部，有利于降低表面电场的不均匀性，降低电子发射的概率。
上述绝缘子的制备方法如下：
步骤1，加工得到绝缘子基体1。绝缘子基体1的尺寸根据使用情况预设。
步骤2，在绝缘子基体1表面加工出多条环形槽3。
步骤3，根据环形槽3的尺寸制备与其适配的弹性导电环2，将弹性导电环2套设于环形槽3内，其中弹性导电环2自然状态下的内表面周长比环形槽的周长小2％-10％。这里环形槽3的尺寸包括环形槽3的深度、宽度和周长，制备弹性导电环2的尺寸与环形槽3相适配。
步骤4，对套设有弹性导电环2的绝缘子基体1超声处理并清洗干燥，得到绝缘子。本实施例中超声处理，是将套设有弹性导电环2的绝缘子基体1放入去离子水中超声震荡，直至弹性导电环2由于局部形变不均匀引起的受力不平衡消失。
在加工环形槽3时，可选择机械加工或激光刻槽，其中激光刻槽用于环形槽3开口处宽度0.05mm-1mm的结构中，机械加工用于0.5mm-2mm尺寸范围内的结构制备。若采用激光刻槽，激光器可根据需要选择紫外激光器、光纤激光器或二氧化碳激光器中的一种。由于同种激光器对不同物质作用效果相差较大，也要根据激光与绝缘子基体1材料的作用效果特征、环形槽3尺寸参数选择合适的激光器。一般来讲，对于聚合物材料选用二氧化碳激光器，陶瓷材料多用紫外激光器或光纤激光器。
通过在绝缘子基体表面加工环形槽，并将弹性导电环套设于环形槽内，显著降低高梯度绝缘子制备工艺难度和成本的同时，提高了稳定性与可靠性。绝缘子通过加工环形槽和束缚弹性导电环两步主要工艺，不涉及后期机械加工和打磨的处理过程，避免了传统高梯度绝缘子加工之后绝缘层出现金属屑、毛刺等不稳定因素，规避了金属屑引起的电场畸变，在提高击穿电压的同时，保证了绝缘子性能的一致性。另外，通过超声处理带动弹性导电环震动，释放了弹性导电环局部形变不均匀引起的受力不平衡。
实施例一
以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为绝缘子基体1的材质，利用机械加工的方式将其加工为Ф30.0mm×10mm的圆柱形绝缘子，清洗干净后安装在二氧化碳激光器旋转工作台上，设置合适的激光参数，在绝缘子基体1表面刻蚀出开口处宽度为0.2mm，槽深为0.4mm，槽间距为0.5mm的多条环形槽。将制备好的内径为28mm、截面直径为0.2mm、电导率为0.1S/cm的弹性导电环2逐个套设在环形槽3内。最后，将制得的样品放于去离子水中，超声震荡1h，通过超声波带动弹性导电环2震动，释放局部形变不均匀引起的受力不平衡，最终得到弹性导电环2低于绝缘子基体1表面的绝缘子，记为绝缘子1。
实施例二
以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为绝缘子基体1的材质，利用机械加工的方式将其加工为Ф30.0mm×10mm的圆柱形绝缘子，清洗干净后安装在二氧化碳激光器旋转工作台上，设置合适的激光参数，在绝缘子基体1表面刻蚀出开口处宽度为0.4mm，槽深为0.3mm，槽间距为0.5mm的多条环形槽。将制备好的内径为28mm、截面直径为0.4mm、电导率为1S/cm的弹性导电环2逐个套设在环形槽3内。最后，将制得的样品放于去离子水中，超声震荡1h，通过超声波带动弹性导电环2震动，释放局部形变不均匀引起的受力不平衡，最终得到弹性导电环2高于绝缘子基体1表面的绝缘子，记为绝缘子2。
实施例三
以聚苯乙烯作为绝缘子基体1的材质，利用机械加工的方式将其加工为Ф30.0mm×10mm的圆柱形绝缘子，清洗干净后利用机械加工的方式在绝缘子基体1表面刻蚀出开口处宽度为0.5mm，槽深为0.5mm，槽间距为1mm的多条环形槽。将制备好的内径为28mm、截面直径为0.5mm、电导率为0.01S/cm的弹性导电环2逐个套设在环形槽3内。最后，将制得的样品放于去离子水中，超声震荡1h，通过超声波带动弹性导电环2震动，释放局部形变不均匀引起的受力不平衡，最终得到弹性导电环2与绝缘子基体1表面平齐的绝缘子，记为绝缘子3。
实施例四
以陶瓷作为绝缘子基体1的材质，利用机械加工的方式将其加工为Ф30.0mm×10mm的圆柱形绝缘子，清洗干净后安装在光纤激光器旋转工作台上，设置合适的激光参数，在绝缘子基体1表面刻蚀出开口处宽度为0.1mm，槽深为0.3mm，槽间距为0.05mm的多条环形槽。将制备好的内径为28mm、截面直径为0.1mm、电导率为0.1S/cm的弹性导电环2逐个套设在环形槽3内。最后，将制得的样品放于去离子水中，超声震荡1h，通过超声波带动弹性导电环2震动，释放局部形变不均匀引起的受力不平衡，最终得到弹性导电环2低于绝缘子基体1表面的绝缘子。
实施例五
以聚苯硫醚作为绝缘子基体1的材质，利用机械加工的方式将其加工为Ф30.0mm×10mm的圆柱形绝缘子，并在其表面机械刻蚀出开口处宽度为0.5mm，槽深为1mm，槽间距为0.5mm的多条环形槽。将制备好的内径为27mm、截面直径为1mm、电导率为1S/cm的弹性导电环2逐个套设在环形槽3内。最后，将制得的样品放于去离子水中，超声震荡1h，通过超声波带动弹性导电环2震动，释放局部形变不均匀引起的受力不平衡，最终得到弹性导电环2与绝缘子基体1表面平齐的绝缘子。
实施例六
以聚酰亚胺作为绝缘子基体1的材质，利用机械加工的方式将其加工为Ф30.0mm×10mm的圆柱形绝缘子，并在其表面机械刻蚀出开口处宽度为0.5mm，槽深为0.5mm，槽间距为0.5mm的多条环形槽。将制备好的内径为28mm、截面直径为0.2mm、电导率为0.1S/cm的弹性导电环2逐个套设在环形槽3内。最后，将制得的样品放于去离子水中，超声震荡1h，通过超声波带动弹性导电环2震动，释放局部形变不均匀引起的受力不平衡，最终得到弹性导电环2低于绝缘子基体1表面的绝缘子。
实施例七
以尼龙作为绝缘子基体1的材质，利用机械加工的方式将其加工为Ф30.0mm×10mm的圆柱形绝缘子，清洗干净后利用机械加工的方式在绝缘子基体1表面刻蚀出开口处宽度为1.4mm，槽深为2mm，槽间距为0.1mm的多条环形槽。将制备好的内径为25mm、截面直径为0.5mm、电导率为0.1S/cm的弹性导电环2逐个套设在环形槽3内。最后，将制得的样品放于去离子水中，超声震荡1h，通过超声波带动弹性导电环2震动，释放局部形变不均匀引起的受力不平衡，最终得到弹性导电环2比绝缘子基体1表面低的绝缘子。
实施例八
以陶瓷作为绝缘子基体1的材质，利用机械加工的方式将其加工为Ф30.0mm×10mm的圆柱形绝缘子，清洗干净后利用机械加工的方式在绝缘子基体1表面刻蚀出开口处宽度为2mm，槽深为0.5mm，槽间距为1.6mm的多条环形槽。将制备好的内径为28mm、截面直径为1mm、电导率为1S/cm的弹性导电环2逐个套设在环形槽3内。最后，将制得的样品放于去离子水中，超声震荡1h，通过超声波带动弹性导电环2震动，释放局部形变不均匀引起的受力不平衡，最终得到弹性导电环2比绝缘子基体1表面高的绝缘子。
表1是对实施例一至实施例三中加工的绝缘子的表面击穿阈值进行测试，并测试传统绝缘子的表面击穿阈值进行比较，其中传统绝缘子与实施例至实施例三中绝缘子基体1的材质相对应，测试是在脉宽500nm的脉冲真空绝缘沿面闪络特性测试台上进行的，具体测试结果如下：
表1绝缘子表面击穿阈值测试结果对照表
Figure BDA0002093437920000091
从表1中的测试结果可知，本发明实施例一至实施例三中绝缘子的闪络电压相比于对应材质的普通绝缘子闪络电压提高了30％-50％，表明使用本发明实施例中制备方法制得的绝缘子能够有效提升绝缘子的闪络电压。另外，实施例四至实施例八制得的绝缘子闪络电压也均得到了提高，至少提高30％。
本发明通过上述的绝缘子设计及相应制备方法，实现了弹性导电环2在绝缘子表面的均压作用，使绝缘子表面击穿电压显著提高。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种绝缘子，包括绝缘子基体(1)，其特征在于：还包括弹性导电环(2)；
绝缘子基体(1)外表面开设有多条相互平行的环形槽(3)，相邻环形槽(3)的槽间距相等；
弹性导电环(2)套设于环形槽(3)内；
弹性导电环(2)套设于绝缘子基体(1)后，弹性导电环(2)环外侧或高于绝缘子基体(1)表面，或低于绝缘子基体(1)表面，或与绝缘子基体(1)表面平齐；
当弹性导电环(2)处于自然态时，弹性导电环(2)的内表面周长比环形槽(3)的周长小2％-10％。
2.如权利要求1所述一种绝缘子，其特征在于：绝缘子本体(1)的材质为尼龙、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、聚苯硫醚和陶瓷中的任一种。
3.如权利要求1所述一种绝缘子，其特征在于：所述环形槽(3)的槽型为U字型。
4.如权利要求1所述一种绝缘子，其特征在于：所述环形槽(3)开口处的宽度为0.05mm-2mm，深度为0.05mm-2mm，槽间距为0.05mm-2mm，所述槽间距与所述环形槽(3)开口处宽度的比值为1-5:1。
5.如权利要求1所述一种绝缘子，其特征在于：所述环形槽(3)开口处的宽度为0.1mm-1mm，深度为0.1mm-1mm，槽间距为0.05mm-1mm。
6.如权利要求1所述一种绝缘子，其特征在于：所述环形槽(3)在绝缘子基体(1)的外表面沿轴向布置。
7.如权利要求1至6任一项所述绝缘子的制备方法，其特征在于：
步骤1，根据预设尺寸加工得到绝缘子基体(1)；
步骤2，在绝缘子基体(1)表面加工出多条环形槽(3)；
步骤3，根据环形槽(3)的尺寸制备与其适配的弹性导电环(2)，将弹性导电环(2)套设于环形槽(3)内，其中弹性导电环(2)自然状态下的内表面周长比环形槽(3)的周长小2％-10％；
步骤4，对套设有弹性导电环(2)的绝缘子基体(1)超声处理并清洗干燥，得到绝缘子。
8.如权利要求7所述一种绝缘子的制备方法，其特征在于：所述步骤2是使用激光或机械刻槽在绝缘子基体(1)表面加工出环形槽(3)。
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