CN111180150B - 一种最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法,包括如下步骤：氧化锌薄膜电导测量；氧化锌薄膜溅射时间优化：建立GIL缩尺模型，并利用迭代优化的方法对绝缘子表面的氧化锌薄膜溅射时间进行优化；在每次迭代中，对绝缘子不同径向位置的溅射时间进行调整，随着迭代次数增加，绝缘子表面电场分布越来越均匀并最终趋于稳定，最优的溅射时间分布呈现出由中心向四周降低的趋势；最优化表面电导非线性绝缘子的制备。本发明提高直流GIL绝缘子的工作可靠性和进一步缩小GIL管道尺寸。利用磁控溅射氧化锌薄膜的方法在绝缘子表面构建非线性电导层并进行优化，最终获得电场调控效果最佳的表面电导非线性绝缘子。
Description
技术领域
本发明属于绝缘子制备技术领域,具体涉及一种最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法。
背景技术
高压直流管道输电具有传输容量大、可靠性高和占地面积小等诸多优点。支柱绝缘子沿面闪络是直流GIL(Gas Insulated Lines)的常见故障形式与限制因素。因此，设法提高直流GIL支柱绝缘子的沿面闪络电压，对于提高GIL的工作可靠性和进一步缩小管道尺寸具有重要意义。表面电导非线性绝缘子不仅具有良好的表面电场调控功能，而且电导损耗也较小，在直流GIL中具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明目的在于以简化的盆式绝缘子为原型，旨在提供一种最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法，从而提高直流GIL绝缘子的工作可靠性和进一步缩小GIL管道尺寸。
本发明利用磁控溅射氧化锌薄膜的方法在绝缘子表面构建非线性电导层并进行优化，最终获得电场调控效果最佳的表面电导非线性绝缘子。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
1)氧化锌薄膜电导测量
利用磁控溅射的方法构建不同溅射时间的氧化锌薄膜，利用三电极法测量其非线性表面电导率，结果如图1所示。
2)氧化锌薄膜溅射时间优化
建立GIL缩尺模型，并利用迭代优化的方法对绝缘子表面的氧化锌薄膜溅射时间进行优化。在每次迭代中，利用公式(1)对绝缘子不同径向位置的溅射时间进行调整：
Ti+1(r)＝Ti(r)·(Ei(r)/max{Ei(r)})β (1)
其中，Ti和Ti+1为第i和i+1次的溅射时间分布；Ei为第i次迭代的电场分布；β为收敛调节系数。
迭代流程和迭代结果如图2所示，随着迭代次数增加，绝缘子表面电场分布越来越均匀并最终趋于稳定，最优的溅射时间分布呈现出由中心向四周降低的趋势。
3)最优化表面电导非线性绝缘子的制备
在溅射过程中，将一个开槽的挡板放置于旋转的绝缘子上方，用于控制绝缘子不同位置的溅射时间。在绝缘子不同径向位置，有效溅射时间与总溅射时间的关系为：
其中，Te为有效溅射时间，Tt为总溅射时间，α为不同径向位置的开槽弧度。
第一步：依据最优的溅射时间分布设计挡板的开槽形状，如图3(a)所示。
第二步：在溅射过程中，将挡板放置于缓慢旋转的绝缘子上方用于控制溅射时间分布，如图3(b)。
有益效果
本发明可以制造出表面电场调控效果最佳的盘式绝缘子，其电场调控效果与附图4所示，绝缘子沿面电场几乎均匀分布。
本发明采用最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法，从而提高直流GIL绝缘子的工作可靠性和进一步缩小GIL管道尺寸。
本发明利用磁控溅射氧化锌薄膜的方法在绝缘子表面构建非线性电导层并进行优化，最终获得电场调控效果最佳的表面电导非线性绝缘子。
附图说明
图1所示为氧化锌薄膜非线性表面电导率。
图2所示为迭代流程与迭代结果。
图3所示为最优化表面电导非线性绝缘子的制备工艺示意图。
图4所示为GIL简化模型与绝缘子电场分布图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步的说明。
一种制备最优化表面电导非线性绝缘子的最佳实施方式如下：
1)磁控溅射制备氧化锌薄膜的气体环境为Ar:O2＝4:1，功率为40W。分别在环氧薄片上溅射时间为7.5、15、22.5和30min的氧化锌薄膜，利用三电极法在SF6气体环境中测量其表面电导，避免空气中气体放电干扰测量结果。
2)迭代优化过程中，控制氧化锌薄膜溅射时间上限为30min，初始溅射时间分布为均匀的30min。在每次迭代中，绝缘子不同径向位置的溅射时间依据公式(1)进行调整，收敛系数β定为0.5。
3)在挡板制作时，设置总溅射时间为45min，并依据最优化的溅射时间分布和公式(2)确定挡板不同径向位置的开槽弧度。
4)在绝缘子溅射过程中，将挡板放置于低速旋转的绝缘子上方，绝缘子的旋转时间不能太快，会影响氧化锌薄膜的沉积；绝缘子旋转速度也不能太慢，会导致氧化锌薄膜厚度在圆周上不均匀分布。
适宜的旋转速度在10s/r到30s/r之间，本发明设置为20s/r。
Claims (5)
1.一种最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法,其特征在于,包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜电导测量；
2)氧化锌薄膜溅射时间优化：
建立GIL缩尺模型，并利用迭代优化的方法对绝缘子表面的氧化锌薄膜溅射时间进行优化；
在每次迭代中，利用公式(1)对绝缘子不同径向位置的溅射时间进行调整：
Ti+1(r)＝Ti(r)·(Ei(r)/max{Ei(r)})β (1)
其中，Ti和Ti+1为第i和i+1次的溅射时间分布；Ei为第i次迭代的电场分布；β为收敛调节系数；
随着迭代次数增加，绝缘子表面电场分布越来越均匀并最终趋于稳定，最优的溅射时间分布呈现出由中心向四周降低的趋势；
3)最优化表面电导非线性绝缘子的制备：
在溅射过程中，将一个开槽的挡板放置于旋转的绝缘子上方，用于控制绝缘子不同位置的溅射时间；
在绝缘子不同径向位置，有效溅射时间与总溅射时间的关系为：
其中，Te为有效溅射时间，Tt为总溅射时间，α为不同径向位置的开槽弧度。
2.根据权利要求1所述的一种最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法,其特征在于,所述步骤3)具体为：
第一步：依据最优的溅射时间分布设计挡板的开槽形状；
第二步：在溅射过程中，将挡板放置于缓慢旋转的绝缘子上方用于控制溅射时间分布。
3.根据权利要求1所述的一种最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法,其特征在于,所述步骤1)具体为：磁控溅射制备氧化锌薄膜的气体环境为Ar:O2＝4:1，功率为40W；分别在环氧薄片上溅射时间为7.5、15、22.5和30min的氧化锌薄膜，利用三电极法在SF6气体环境中测量其表面电导。
4.根据权利要求1所述的一种最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法,其特征在于,所述步骤2)迭代优化过程中，控制氧化锌薄膜溅射时间上限为30min，初始溅射时间分布为均匀的30min；在每次迭代中，绝缘子不同径向位置的溅射时间依据公式(1)进行调整，收敛系数β定为0.5。
5.根据权利要求1所述的一种最优化表面电导非线性绝缘子的制备方法,其特征在于,所述步骤3)在挡板制作时，设置总溅射时间为45min，并依据最优化的溅射时间分布和公式(2)确定挡板不同径向位置的开槽弧度。
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