CN111161931B

CN111161931B - 一种表层功能梯度绝缘子及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111161931B
Application number: CN202010006981.6A
Authority: CN
Inventors: 张冠军; 江智慧; 李文栋; 王超; 杨雄; 薛建议
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2040-01-03
Also published as: CN111161931A

Abstract

本申请公开了一种表层功能梯度绝缘子及其制备方法和应用，属于高压电设备制造领域。该表层功能梯度绝缘子包括：绝缘子基体和涂覆在所述绝缘子基体表面的涂层；所述绝缘子基体包括环氧树脂；所述涂层包括光敏树脂和介电常数高于所述光敏树脂的无机填料，所述涂层包括自所述绝缘子的高电位端至低电位端的第一段涂层至第n段涂层，所述n不小于2；所述第一段涂层的无机填料的含量高于所述第n段涂层的无机填料的含量。本申请的经过光固化后的介电梯度涂层与绝缘子基体结合紧密，界面结合力强；光固化介电梯度涂层能够有效调控交流电压下绝缘子表面电场分布，达到提升绝缘子沿面耐电性能的目的。

Description

一种表层功能梯度绝缘子及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及一种表层功能梯度绝缘子及其制备方法和应用，属于高压电设备制造领域。

背景技术

绝缘子是气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，GIS)的重要组件，起着机械支撑和电气隔离的双重作用。绝缘子的沿面耐电性能很大程度上限制了设备工作电压等级的提升。近年来，随着以SF6封闭式组合电器GIS为代表的电力设备向大容量、超/特高压方向发展，及以脉冲功率设备为代表的特种电气设备向高电压、小型化发展。我国GIS中采用环氧树脂及其他添加料在高真空下浇铸而成的环氧浇注类绝缘子闪络事故频发，固体绝缘破坏问题日益突出，严重影响电力系统的安全稳定运行。

传统结构优化及材料改性方法局限性已不能满足现今发展方向的需求，构建介电功能梯度绝缘材料(dielectric functionally graded materials,d-FGM)已被证实是一种全新而有效的解决方法，即通过控制材料介电特性的空间变化分布来均匀化绝缘子内外的电场分布。目前介电功能梯度绝缘材料的主要制备方法包括：离心法、叠层法及3D打印等，但其面临着工艺过程复杂、控制难度高、制备材料受限等问题。

表层功能梯度材料(surface functionally graded materials,SFGM)是在不改变绝缘子原有生产工艺及体性能的基础上，通过表面改性技术在绝缘子本体表面构建介电功能涂层。目前，SFGM的介电功能涂层是通过等离子体喷涂、磁控溅射、气相沉积、激光熔覆等方法在GIS的环氧绝缘表面涂覆高介电的无机填料制得，然而由于无机填料与绝缘子基本的环氧树脂等有机聚合物基体的化学性质相差大，两者的相容性和结合力较差，容易导致涂层脱落等问题；另一方面，现有工艺还具有涂层制备过程复杂、设备成本高、控制难度大等问题，上述问题限制了SFGM的推广应用。

发明内容

为解决上诉存在的绝缘子沿面高耐电制备工艺复杂、提升效果有限及界面结合强度差等问题，本申请提供了一种介电功能梯度GIS绝缘子及其制备方法和应用。该绝缘子的光固化介电梯度涂层能够有效调控交流电压下绝缘子表面电场分布，达到提升绝缘子沿面耐电性能的目的，其在促进设备小型化的同时可降低绝缘破坏发生率，对提升电网的安全稳定运行具有重要意义；该绝缘子的环氧树脂基体与光敏树脂涂层的化学结构相近，使得绝缘子基体与涂层界面结合强度高；该绝缘子的制备方法有效改善涂层与基体间的界面结合强度，结合成型快、精度高和节能环保。

根据本申请的一个方面，提供了一种表层功能梯度绝缘子，其包括：绝缘子基体和涂覆在所述绝缘子基体表面的涂层；所述绝缘子基体包括环氧树脂；所述涂层包括光敏树脂和介电常数高于所述光敏树脂的无机填料，所述涂层包括自所述绝缘子的高电位端至低电位端的第一段涂层至第n段涂层，所述n不小于2；所述第一段涂层的无机填料的含量高于所述第n段涂层的无机填料。根据电磁场理论，对于交流绝缘系统，其电场分布与介电常数呈反比分布，交流场下在传统GIS绝缘子表面构建梯度分布的高介电常数层，可利用表层的等效电容分布调控交流场中绝缘子沿面电场分布，从而缓解关键区域的耐电压力，进而提升整体的沿面耐电强度。

可选地，所述第一段涂层至所述第n段涂层等长度设置，即所述第一段涂层至所述第n段涂层分别为环绕所述绝缘子基体表面的环状结构，所述环状结构的宽度相同；所述第一段涂层至所述第n段涂层中的无机填料的含量递减，即所述第一段涂层至所述第n段涂层的介电常数递减。靠近所述高电位端的第一段涂层的介电常数最大，优选无限大；靠近所述低电位端的第n段涂层的介电常数最小，不低于所述绝缘子基体的介电常数。

作为一种实施方式，该光固化梯度涂层每段厚度相同，每段径向宽度保持一致，则每段涂层宽度为沿绝缘子表面从高电位端到低电位端距离的1/n。

优选地，第一段涂层至所述第n段涂层的厚度相同，涂层表面为平整表面。

可选地，所述无机填料的介电常数不低于20。

可选地，以所述涂层原料中的光敏树脂和无机填料体积总和为100v％计，所述涂层原料中的所述无机填料的体积百分含量为0v％～30v％，每段涂层纳米颗粒体积占比在0v％～30v％范围内变化。所述无机填料选自二氧化钛、锆钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡和钛酸铜钙纳米颗粒中的至少一种。优选地，所述无机填料为钛酸钡和/或钛酸锶。

可选地，所述涂层原料中的无机填料的体积百分含量为0v％～16v％，还包括气相二氧化硅和/或气相氧化铝。气相二氧化硅和/或气相氧化铝可以适当提高原料涂层的屈服应力，解决涂敷过程中的流挂问题，进而保证涂敷质量，抑制涂层流挂导致的界面尖端放电，提升绝缘子沿面耐电强度。

可选地，所述涂层的原料中的无机填料的体积百分含量为19v％～30v％，还包括丙烯酸活性稀释剂，以调节原料的粘度可以涂覆在所述绝缘子基体并且不会发生流动。气相二氧化硅和/或气相氧化铝既可以降低涂层原料的粘度使其可以涂覆在所述绝缘子基体并且不会发生流动，解决涂敷过程中的流挂问题，进而保证涂敷质量，抑制涂层流挂导致的界面尖端放电，提升绝缘子沿面耐电强度。

优选地，所述光敏树脂为环氧丙烯酸光敏树脂。

根据本申请的另一个方面，提供了一种任一所述的表层功能梯度绝缘子的制备方法，其包括下述步骤：

1)提供所述绝缘子基体；

2)将所述无机填料、光敏树脂和有机溶剂混匀制得混合液，去除所述混合液中有机溶剂和气泡，调节混合浆料的粘度，分别制备不同体积百分含量无机填料的第一段涂层浆料至第n段涂层浆料，所述第一段涂层浆料的无机填料的含量高于所述第n段涂层浆料的无机填料的含量；

4)分别将制得的第一段涂层浆料至第n段涂层浆料沿着绝缘子基体的高电位端至低电位端分段涂覆在所述绝缘子基体的表面，即制得初绝缘子；

5)将所述初绝缘子进行光固化制得所述表层功能梯度绝缘子。

可选地，以所述涂层原料中的光敏树脂和无机填料体积总和为100v％计，所述涂层的原料中的无机填料的体积百分含量为0v％～16v％，使用气相二氧化硅和/或气相氧化铝可以适当提高所述原料涂层的屈服应力，提高所述混合浆料的粘度至0.1-10Pa·s解决涂敷过程中的流挂问题，进而保证涂敷质量，抑制涂层流挂导致的界面尖端放电，提升绝缘子沿面耐电强度。

可选地，以所述涂层原料中的光敏树脂和无机填料体积总和为100％计，所述涂层的原料中的无机填料的体积百分含量大于16v％和低于19v％的粘度为0.1-10Pa·s。

可选地，以所述涂层原料中的光敏树脂和无机填料体积总和为100％计，所述涂层的原料中的无机填料的体积百分含量为19v％～30v％，使用丙烯酸活性稀释剂降低所述混合浆料的粘度至0.1-10Pa·s，该混合浆料的粘度使其刚好可以流动，既可以涂覆在所述绝缘子基体并且不会发生流动，解决涂敷过程中的流挂问题，进而保证涂敷质量，抑制涂层流挂导致的界面尖端放电，提升绝缘子沿面耐电强度。

可选地，所述丙烯酸活性稀释剂选自乙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和三丙二醇二丙烯酸酯中的至少一种。

可选地，所述丙烯酸活性稀释剂的浓度为20wt％～50wt％；该丙烯酸活性稀释剂的浓度既可有效解决混合浆料在绝缘子表面涂覆过程中的流挂问题，还可保证添加量对混合浆料的特性(介电常数)影响不大。所述的气相二氧化硅和/或气相氧化铝的浓度为0.1wt％～0.25wt％。该气相二氧化硅和/或气相氧化铝的浓度既可有效解决混合浆料在绝缘子表面涂覆过程中的流挂问题，还可保证添加量对混合浆料的特性(介电常数)影响不大。

优选地，所述步骤2)中有机溶剂选自乙醇、异丙醇和丙酮中的至少一种；混匀方可以为机械搅拌、高剪切分散、超声分散和球磨中的至少一种；去除有机溶剂及气泡选自鼓风干燥、真空干燥、真空搅拌和冷冻干燥。

可选地，所述制备方法还包括在进行步骤4)之前对所述绝缘子基体进行打磨、去污和烘干。所述涂覆方式可以为喷涂或刷涂。

可选地，所述步骤5)中所述光固化的照射光源波长355～405nm，固化温度30～40℃，固化时间1～3h。光固化可以使用固化功率为0～200mW/cm²的紫外LED照射。该光固化条件的设置可在最低能耗下使涂层完全固化。

可选地，所述制备方法还包括对制得的表层功能梯度绝缘子进行闪络电压和涂层附着力检测。

可选地，所述无机填料等离子球化处理、烧结和超声处理；或所述无机纳米颗粒经过等离子球化处理、烧结和球磨处理。该处理后的无极填料的球度高、流动性好和表面干净，既提高涂层浆料的加工性，提高涂层浆料中混溶的无机填料的含量，提高涂层的介电常数。

根据本申请的又一个方面，提供了一种高压电器设备，其包括任一上述的表层功能梯度绝缘子，和/或任一上述方法制得的表层功能梯度绝缘子；所述高压电器设备包括高压气体绝缘设备或脉冲功率设备。

优选地，所述高压气体绝缘设备包括气体绝缘输电管道GIL和气体绝缘开关装置GIS；所述脉冲功率设备包括速调管、加速器和Z箍缩装置。

本申请的有益效果包括但不限于：

1.根据本申请的表层功能梯度绝缘子，经过光固化后的介电梯度涂层与绝缘子基体结合紧密，界面结合力强。

2.根据本申请的表层功能梯度绝缘子，具有光固化的介电梯度涂层能够有效调控交流电压下表层功能梯度绝缘子表面电场分布，有效提升表层功能梯度绝缘子沿面耐电性能。

3.根据本申请的表层功能梯度绝缘子的制备方法，相较于传统介电梯度绝缘结构制造技术，本申请的表层功能梯度绝缘子的光固化的介电梯度涂层制备工艺简单、成本低和易实现工业化生产。

4.根据本申请的表层功能梯度绝缘子的制备方法，能够用于改造原有的绝缘子或其他使用绝缘子的电器化设备，直接在原绝缘子的表面进行涂覆涂层，不仅制得的表层功能梯度绝缘子的涂层与绝缘子基体的粘合度高，闪络电压高，并且制备工艺简单和成本低。

5.根据本申请的气体绝缘开关设备，具有光固化介电梯度涂层能够有效调控交流电压下绝缘子表面电场分布，提升绝缘子沿面耐电性能，提高气体绝缘开关设备的寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例涉及的GIS剖面示意图。

图2为本申请实施例涉及的GIS环氧绝缘子的n段涂层俯视示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。其中，钛酸钡纳米颗粒购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司12047-27-7型号；耐高温光敏树脂购自Formlabs公司High Temp型号；气相二氧化硅购自上海麦克林生化科技有限公司112945-52-5型号；GIS环氧绝缘子购自西安广缘电气有限公司。

本申请的实施例中分析方法如下：

交流闪络电压的测试方法：在一个大气压、15％SF₆气氛下测试绝缘子的交流闪络电压。

界面粘结强度的测试方法：①采用漆膜划格器(划格法)对梯度涂层的界面粘结强度进行测试，按照GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》相关标准要求对其测定的等级评价。②采用专用附着力测定仪对梯度涂层的界面粘结强度进行测试，按照GB/T1720—1979《漆膜附着力测定法》相关标准要求对其测定的等级评价。③采用漆膜划格器(划格法)对梯度涂层的界面粘结强度进行测试，按照ANSI/ASTM D3359—87《用胶带试验测定附着力》相关标准要求对其测定的等级评价。

参考图1、2，根据本申请的一种实施方式，表层功能梯度绝缘子的制备方法，其包括下述步骤：

1、称取每层所需的高介电常数无机填料、光敏树脂和有机溶剂置于烧杯中，混合2～3h后去除溶剂及气泡，得到均匀涂层溶液；

2、步骤1中的涂层溶液刚好能流动时(记为涂层浆料)，将其按照顺序依次涂覆在经表面预处理后的GIS绝缘子基体上，自GIS绝缘子基体的导体1高电位端向外壳2低电位端依次涂覆第一段涂层至第n段涂层，n≥2；参考图1、2，n为4时则包括第一段涂层、第二段涂层、第三段涂层和第四段涂层；

3、将表面涂覆有浆料的GIS绝缘子放入光固化箱中，采用光固化成型工艺制得表层介电梯度固体绝缘材料；

4、对步骤3中形成的介电梯度涂层GIS绝缘子进行检验和测试。

实施例1

GIS环氧绝缘子1#的制备方法包括下述步骤：

1.以钛酸钡纳米颗粒与耐高温光敏树脂的总体积为100v％计算，按钛酸钡与光敏树脂的体积比为15v％：85v％；10v％：90v％分别称取相对应质量的钛酸钡纳米颗粒和光敏树脂，然后将其依次加入丙酮溶液中，机械搅拌2h，真空搅拌40min后得到均匀a涂层混合浆料、b涂层混合浆料；

2.向步骤1中制备的a、b涂层混合浆料中添加0.2wt％的气相二氧化硅使其刚好能够流动记为a涂层浆料、b涂层浆料，然后将a、b涂层浆料按照从高电位端到低电位端顺序依次刷涂在经打磨、去污及烘干等预处理后的GIS环氧绝缘子基体1#表面；

3.将表面涂覆有涂层浆料的GIS环氧绝缘子基体1#转移至紫外固化箱中，采用波长为405nm的紫外LED面光源进行照射，在功率20mW/cm²，温度30℃的条件下固化时间1h即得到表面两段光固化介电梯度涂层的GIS环氧绝缘子1#；GIS环氧绝缘子1#的交流闪络电压为56.8Kv；采用漆膜划格器(划格法)对梯度涂层的界面粘结强度进行测试，按照GB/T9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》相关标准要求对其测定的等级为0，测试结果为合格。

实施例2

GIS环氧绝缘子2#的制备方法包括下述步骤：

1.以钛酸钡纳米颗粒与耐高温光敏树脂的总体积为100v％计算，按钛酸钡与光敏树脂的体积比为20v％：80v％；15v％：85v％；10v％：90v％分别称取相对应质量的钛酸钡纳米颗粒和光敏树脂，然后将其依次加入丙酮溶液中，机械搅拌2h，真空干燥1h后得到均匀a涂层混合浆料、b涂层混合浆料和c涂层混合浆料；

2.向步骤1中制备的a涂层混合浆料中添加20wt％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(交联剂TMPTA)，b、c涂层混合浆料中添加0.2wt％的气相二氧化硅使其刚好能够流动分别记为a涂层浆料、b涂层浆料和c涂层浆料，然后将a、b、c涂层浆料按照顺序从高电位端到低电位端依次刷涂在经打磨、去污及烘干等预处理后的GIS环氧绝缘子基体1#表面；

3.将表面涂覆有涂层浆料的GIS环氧绝缘子基体1#转移至紫外固化箱中，采用波长为405nm的紫外LED面光源进行照射，在功率50mW/cm²，温度35℃的条件下固化时间2h，即得到表面三段光固化介电梯度涂层的GIS环氧绝缘子2#；GIS环氧绝缘子2#的交流闪络电压为57.9kV。采用专用附着力测定仪对梯度涂层的界面粘结强度进行测试，按照GB/T 1720—1979《漆膜附着力测定法》相关标准要求对其测定的等级为1，测试结果为合格。

实施例3

GIS环氧绝缘子3#的制备方法包括下述步骤：

1.以钛酸钡纳米颗粒与耐高温光敏树脂的总体积为100v％计算，按与光敏树脂的体积比为25v％：75v％；20v％：80v％；15v％：85v％；10v％：90v％分别称取相对应质量的钛酸钡纳米颗粒和光敏树脂，然后将其依次加入丙酮溶液中，机械搅拌2h，真空干燥1h后得到均匀a、b、c、d涂层混合浆料；

2.向步骤1中制备的a、b涂层混合浆料中分别添加25wt％及20wt％的乙二醇二丙烯酸酯(HDDA)，b、c涂层混合浆料中添加0.2wt％的气相二氧化硅使其刚好能够流动，记为a、b、c、d涂层浆料，然后将a、b、c、d涂层浆料按照顺序从高电位端到低电位端依次刷涂在经打磨、去污及烘干等预处理后的GIS环氧绝缘子基体1#表面；

3.将表面涂覆有涂层浆料的GIS环氧绝缘子基体1#转移至紫外固化箱中，采用波长为405nm的紫外LED面光源进行照射，在功率70mW/cm²，温度45℃的条件下固化时间3h，即得到表面三段光固化介电梯度涂层的GIS环氧绝缘子3#；GIS环氧绝缘子3#交流闪络电压为58.4kV。采用漆膜划格器(划格法)对梯度涂层的界面粘结强度进行测试，按照ANSI/ASTMD3359—87《用胶带试验测定附着力》相关标准要求对其测定的等级为4B，测试结果为合格。

对比例1

测试未进行涂覆的GIS环氧绝缘子基体1#的交流闪络电压为54.0kV。

对比例2

GIS环氧绝缘子D2#与GIS环氧绝缘子2#的制备方法不同之处在于，将制得的a涂层混合浆料、b涂层混合浆料和c涂层混合浆料直接按照顺序从高电位端到低电位端依次刷涂在经打磨、去污及烘干等预处理后的GIS环氧绝缘子基体D1#表面。

GIS环氧绝缘子D2#的交流闪络电压为56.8kV。采用专用附着力测定仪对梯度涂层的界面粘结强度进行测试，按照GB/T 1720—1979《漆膜附着力测定法》相关标准要求对其测定的等级为3，测试结果为不合格。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种表层功能梯度绝缘子，其特征在于，其包括：绝缘子基体和涂覆在所述绝缘子基体表面的涂层；

所述绝缘子基体包括环氧树脂；

所述涂层包括光敏树脂和介电常数高于所述光敏树脂的无机填料，所述涂层包括自所述绝缘子的高电位端至低电位端的第一段涂层至第n段涂层，所述n不小于2；所述第一段涂层的无机填料的含量高于所述第n段涂层的无机填料，所述第一段涂层至所述第n段涂层等长度设置；

以所述涂层原料中的光敏树脂和无机填料体积总和为100v％计，所述涂层原料中的所述无机填料的体积百分含量为0v％～30v％；

所述无机填料选自二氧化钛、锆钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡和钛酸铜钙纳米颗粒中的至少一种；

所述涂层的原料中的无机填料的体积百分含量为0v％～16v％，还包括气相二氧化硅和/或气相氧化铝；和

所述涂层的原料中的无机填料的体积百分含量为19v％～30v％，还包括丙烯酸活性稀释剂。

2.根据权利要求1所述的表层功能梯度绝缘子，其特征在于，所述第一段涂层至所述第n段涂层的所述无机填料的含量递减。

3.权利要求1或2所述的表层功能梯度绝缘子的制备方法，其特征在于，其包括下述步骤：

1)提供所述绝缘子基体；

2)将所述无机填料、光敏树脂和有机溶剂混匀制得混合液，去除所述混合液中的有机溶剂和气泡，调节混合浆料的粘度，分别制备不同体积百分含量无机填料的第一段涂层浆料至第n段涂层浆料，所述第一段涂层浆料的无机填料的含量高于所述第n段涂层浆料的无机填料的含量；

5)将所述初绝缘子进行光固化制得所述表层功能梯度绝缘子；

以所述涂层原料中的光敏树脂和无机填料体积总和为100v％计，所述涂层原料中的无机填料的体积百分含量为0v％～16v％，使用气相二氧化硅和/或气相氧化铝提高所述混合浆料粘度至0.1-10Pa·s；

所述涂层的原料中的无机填料的体积百分含量为19v％～30v％，使用丙烯酸活性稀释剂降低所述混合浆料的粘度至0.1-10Pa·s；和/或

所述涂层的原料中的无机填料的体积百分含量大于16v％和低于19v％的粘度为0.1-10Pa·s。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸活性稀释剂选自乙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和三丙二醇二丙烯酸酯中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸活性稀释剂的浓度为20wt％～50wt％；和/或

所述的气相二氧化硅和/或气相氧化铝的浓度为0.1wt％～0.25wt％。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，其还包括在进行步骤4)之前对所述绝缘子基体进行打磨、去污和烘干；和/或

所述步骤5)中所述光固化的照射光源波长355～405nm，固化温度30～40℃，固化时间1～3h。

7.一种高压电器设备，其特征在于，其包括权利要求1或2所述的表层功能梯度绝缘子，和/或权利要求3-6中任一项所述的方法制得的表层功能梯度绝缘子；所述高压电器设备包括高压气体绝缘设备或脉冲功率设备。