CN112786263B - 一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆工程领域，特别涉及一种具有可调参数绝缘介质的电气贯穿件，包括主绝缘结构、辅助绝缘结构、导体、法兰、玻璃、硅胶层和固定螺钉。主绝缘结构位于导体与法兰之间，在导体方向上延伸，超出法兰的长度，主绝缘结构远离导体的一侧有一个凸台。辅助绝缘结构位于主绝缘结构远离导体的另一侧。主绝缘结构的材料是介电常数小、电阻率高、电导率低的材料，主绝缘结构采用聚醚醚酮，用于降低绝缘介质表面场强。辅助绝缘结构的材料是可变电导材料，辅助绝缘结构在绝缘材料中掺杂金属氧化物获得可变电导材料，用于改善绝缘介质表面电场的不均匀分布，防止局部出现电场高点。

Description

一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件
技术领域
本发明属于核反应堆工程领域，特别涉及一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件。
背景技术
电气贯穿件是核电厂的重要电气设备，按照安全等级分类，是IE级电气设备。电气贯穿件主要用途是在正常和事故工况下，为反应堆内的电气设备提供电气连接的通道，提供电源或输送控制、监测信号，同时要保证密封性。高温气冷堆为实现放射性包容，将主氦风机等电气设备布置于一回路压力边界内，因此需要电气贯穿件贯穿一回路压力边界，为压力边界内的电气设备提供电源，传输信号，同时保证一回路压力边界的完整。
高温气冷堆是国际公认的具有第四代安全特征的核反应堆堆型。我国在高温气冷堆的研发、示范工程建设居于世界领先地位。高温气冷堆采用耐高温的陶瓷包覆颗粒燃料元件，以氦气为一回路冷却剂，可仅靠非能动的热传导和热辐射机制，将堆芯热量带走，保证燃料最高温度不超过限值，与传统压水堆核电站相比，具有固有安全性。
常规压水堆核电站，电气贯穿件贯穿反应堆安全壳，安全壳内外都是空气，电气贯穿件承压较小。高温气冷堆一回路压力边界内侧是高温高压(150℃、7MPa)的氦气，外侧是常压空气，因此一回路电气贯穿件需要在承受高温高压的同时保持密封性；高温气冷堆主氦风机的驱动电机是高压大容量变频电机，额定电压6kV，因此为主氦风机供电的一回路电气贯穿件需要承受高电压、大电流的作用，绝缘性能也必须满足要求。
由此可见，高温气冷堆一回路电气贯穿件的工作条件与常规压水堆电气贯穿件有很大区别，因此一直是高温气冷堆安全级电气设备研制的重点之一。国内，清华大学、江苏华光电缆电器有限公司开展了一回路电气贯穿件的研制，申请了专利。其中，申请号为201310282770.5的专利公开了一种金属陶瓷烧结高温高压电气贯穿件，申请号为201610192458.0的专利公开了一种金属玻璃烧结的一回路电气贯穿件。这两项专利均是围绕无机物(陶瓷、玻璃)与金属烧结构成密封结构，所提出的一回路电气贯穿件结构形式电场分布具有明显的垂直于绝缘体的特征，容易发生沿面放电，也俗称“爬电”。
发明内容
针对上述问题，本发明的一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件，针对玻璃-金属密封电气贯穿件的结构，从主绝缘的材料选择、结构设计以及辅助绝缘材料改性等方面进行特殊设计，以此降低电场幅值，改善电场均匀性，降低发生沿面放电的风险。
一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件，所述电气贯穿件包括导体、法兰、主绝缘结构和辅助绝缘结构；
所述主绝缘结构位于导体与法兰之间；所述辅助绝缘结构位于主绝缘结构远离导体的另一侧；
所述主绝缘结构的材料是介电常数小、电阻率高、电导率低的材料；所述辅助绝缘结构的材料是可变电导材料。
进一步地，所述主绝缘结构在所述导体方向上延伸，并超出法兰的长度，主绝缘结构远离导体的一侧有一个凸台，固定螺钉将凸台固定在法兰上面。
进一步地，所述辅助绝缘结构为薄壁圆筒，辅助绝缘结构的内壁加工成内螺纹，在主绝缘结构与辅助绝缘结构的接合处，主绝缘结构的内壁加工成外螺纹，辅助绝缘结构和主绝缘结构成为一体。
进一步地，所述电气贯穿件还设有玻璃，玻璃位于导体和法兰之间，玻璃的底部高于法兰的底部，并未超出法兰的上边缘。
进一步地，所述电气贯穿件还设有硅胶层，硅胶层位于玻璃和主绝缘结构之间，并未超出法兰的上边缘。
进一步地，所述主绝缘结构采用聚醚醚酮。
进一步地，所述辅助绝缘结构在绝缘材料中掺杂金属氧化物获得可变电导材料。
本发明特别涉及一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件，包括主绝缘结构、辅助绝缘结构、导体、法兰、玻璃、硅胶层和固定螺钉。主绝缘结构位于导体与法兰之间，在导体方向上延伸，超出法兰的长度，主绝缘结构远离导体的一侧有一个凸台。辅助绝缘结构位于主绝缘结构远离导体的另一侧。主绝缘结构的材料是介电常数小、电阻率高、电导率低的材料，主绝缘结构采用聚醚醚酮，用于降低绝缘介质表面场强。辅助绝缘结构的材料是可变电导材料，辅助绝缘结构在绝缘材料中掺杂金属氧化物获得可变电导材料，用于改善绝缘介质表面电场的不均匀分布，防止局部出现电场高点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例中电气贯穿件的轴对称结构示意图；
图2示出了本发明实施例中不同主绝缘材料绝缘介质表面电场变化示意图；
图3示出了本发明实施例中不同辅助绝缘材料绝缘介质表面在不同可变电导率非线性系数下的电场变化示意图；
其中，1—导体，2—法兰，3—玻璃，4—主绝缘结构，5—辅助绝缘结构，6—硅胶层，7—固定螺钉。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
绝缘介质的电学绝缘特性主要取决于绝缘介质的相对介电常数与电导率。根据电磁场理论，相对介电常数与电导率对于电场分布有重要影响。因此，改变绝缘介质的相对介电常数或电导率，能够起到调控或者优化电场分布的作用。传统的绝缘介质的相对介电常数与电导率是固定不变的，随着纳米复合技术在内的聚合物材料改性技术得到广泛应用，使得绝缘介质的介电常数与电导率可以进行调控，可以改善电场分布的均匀性，但会带来较高的漏电流和介电损耗。
为了进一步调控电场，希望绝缘介质的参数能够与外界因素(例如电场)呈现非线性关系，即电参数对电场强度具有自适应性：在较低电场作用下，非线性绝缘介质材料具有较低的相对介电常数或电导率，可作为常规的绝缘材料，而在强电场作用下，非线性材料的相对介电常数或电导率较高，从而调节了电场分布。电场的不均匀性越高，调节效果越显著。
本发明实施例中的一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件，包括导体1、法兰2、玻璃3、主绝缘结构4、辅助绝缘结构5、硅胶层6和固定螺钉7。
采用金属-玻璃封接工艺制作高温高压电气贯穿件的密封结构，密封结构包括导体1、法兰2和玻璃3。在实际使用中，导体1承受高电压，通过大电流，例如：有效值6kV的工频电压(峰值可以达到8.5kV)；法兰2接地，用于将电气贯穿件固定于一回路压力边界，因此为了防止导体1与法兰2之间发生放电，需要有主绝缘结构4，起到绝缘作用；由于封接技术限制，玻璃3是环状结构，沿轴向方向的高度较小；主绝缘结构4根据导体1-玻璃3-法兰2的尺寸进行设计，保证紧密配合，也要考虑装配方案。
如图1所示，主绝缘结构4位于导体1与法兰2之间，主绝缘结构4在导体1方向上延伸，在轴向具有一定的长度，并超出法兰2的长度，以防止沿面放电，主绝缘结构4远离导体1的一侧有一个凸台，固定螺钉7将凸台固定在法兰2上面。辅助绝缘结构5位于主绝缘结构4远离导体1的另一侧，辅助绝缘结构5为薄壁圆筒，辅助绝缘结构5的内壁加工成内螺纹，在主绝缘结构4与辅助绝缘结构5的接合处，主绝缘结构4的内壁加工成外螺纹，辅助绝缘结构5和主绝缘结构4成为一体。玻璃3位于导体1和法兰2之间，玻璃3的底部高于法兰2的底部，并未超出法兰2的上边缘。为了防止因机械装配导致在主绝缘结构4与玻璃3之间存在缝隙，在固定主绝缘结构4和玻璃3之前预先填充硅胶层6，硅胶层6位于玻璃3和主绝缘结构4之间，并未超出法兰2的上边缘。
主绝缘结构4的材料是介电常数小、电阻率高、电导率低的材料；辅助绝缘结构5的材料是可变电导材料。主绝缘结构4采用聚醚醚酮，用于降低绝缘介质表面场强，辅助绝缘结构5在绝缘材料中掺杂金属氧化物获得可变电导材料，用于改善绝缘介质表面电场的不均匀分布，防止局部出现电场高点。
如图2所示，横坐标是沿主绝缘结构4表面距离法兰2上边缘的距离，纵坐标表示主绝缘结构4表面的电场幅值。曲线1是氧化铝陶瓷(已公开的一种材料，相对介电常数是10)作为主绝缘材料4时的绝缘介质表面场强；曲线2是采用介电常数较小的材料(聚醚醚酮，相对介电常数在3～4之间)时的绝缘介质表面场强，但不仅限于聚醚醚酮此种材料。由图2可见，介电常数较小的材料2的绝缘介质表面场强小于介电常数较大的材料1的绝缘介质表面场强。
辅助绝缘结构5，这种材料的电导率σ可以表达为材料所在电场E的函数，如公式(1)所示。辅助绝缘结构5可以通过在绝缘材料中掺杂金属氧化物获得，掺杂后的材料电导率σ可以表达为公式(2)所示，σ0是介质的固有电导率，E是电场，α是可变电导材料电导率的非线性程度，由于可变电导材料的电导率σ随着电场E的增大而增大，此时材料性质由绝缘介质转向导体，起到改善电场分布，避免局部出现电场高点的作用。
σ＝f(E) (1)
σ＝σ0eαE (2)
可变电导材料，将金属或金属氧化物颗粒添加到绝缘介质中实现。在本发明实施例中，将氧化锌陶瓷颗粒(5％～30％体积比)添加到聚醚醚酮中，形成复合绝缘介质，这种绝缘介质具有非线性电导。当外加电场增大时，电导也发生变化，称之为可变电导材料。
如图3所示，横坐标是辅助绝缘结构5表面距离法兰2上边缘的距离，纵坐标是辅助绝缘结构5表面的电场幅值。如公式(2)所示，α越大，非线性程度越高，辅助绝缘结构5的电场幅值相对较小，也更均匀；采用上述辅助绝缘结构5后，绝缘介质表面电场的不均匀性得到改善。在施加工频电压条件下，当α是0时，是固定电导率，可以看到电场在径向、轴向方向上均呈现不均匀分布的特征；当采用非线性可变电导率材料时，在较大范围内非线性系数越大，薄层根部的场强幅值越小，且薄层表面的电场分布的均匀性明显提升。
本发明特别涉及一种具有可调参数绝缘介质的电气贯穿件，包括主绝缘结构、辅助绝缘结构、导体、法兰、玻璃、硅胶层和固定螺钉。主绝缘结构位于导体与法兰之间，在导体方向上延伸，超出法兰的长度，主绝缘结构远离导体的一侧有一个凸台。辅助绝缘结构位于主绝缘结构远离导体的另一侧。主绝缘结构的材料是介电常数小、电阻率高、电导率低的材料，主绝缘结构采用聚醚醚酮，用于降低绝缘介质表面场强。辅助绝缘结构的材料是可变电导材料，辅助绝缘结构在绝缘材料中掺杂金属氧化物获得可变电导材料，用于改善绝缘介质表面电场的不均匀分布，防止局部出现电场高点。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件，其特征在于，所述电气贯穿件包括导体(1)、法兰(2)、主绝缘结构(4)和辅助绝缘结构(5)；
所述主绝缘结构(4)位于导体(1)与法兰(2)之间；所述辅助绝缘结构(5)位于主绝缘结构(4)远离导体(1)的另一侧；所述主绝缘结构(4)在所述导体(1)方向上延伸，并超出法兰(2)的长度；
所述主绝缘结构(4)的材料是介电常数小、电阻率高、电导率低的材料；所述辅助绝缘结构(5)的材料是可变电导材料，所述辅助绝缘结构(5)在绝缘材料中掺杂金属氧化物获得可变电导材料，可变电导材料为复合绝缘介质，复合绝缘介质包括氧化锌陶瓷和聚醚醚酮，其中，氧化锌陶瓷在复合绝缘介质中的体积比为5％～30％；
所述电气贯穿件还设有玻璃(3)，玻璃(3)位于导体(1)和法兰(2)之间，玻璃(3)的底部高于法兰(2)的底部，玻璃(3)的顶部未超出法兰(2)的上边缘；
所述电气贯穿件还设有硅胶层(6)，硅胶层(6)位于玻璃(3)和主绝缘结构(4)之间，硅胶层(6)的顶部未超出法兰(2)的上边缘。
2.根据权利要求1所述的一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件，其特征在于，主绝缘结构(4)远离导体(1)的一侧有一个凸台，固定螺钉(7)将凸台固定在法兰(2)上面。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件，其特征在于，辅助绝缘结构(5)为薄壁圆筒，辅助绝缘结构(5)的内壁加工成内螺纹，在主绝缘结构(4)与辅助绝缘结构(5)的接合处，主绝缘结构(4)的内壁加工成外螺纹，辅助绝缘结构(5)和主绝缘结构(4)成为一体。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有可调参数绝缘介质的高温高压电气贯穿件，其特征在于，所述主绝缘结构(4)采用聚醚醚酮。
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