CN112951527A - 一种固体绝缘表面裂纹修复方法及其修复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体绝缘表面裂纹修复方法及其修复装置,其中，一种固体绝缘表面裂纹修复方法，包括：根据固体绝缘部件的类型，选用与等离子体反应后生成介电常数或电阻率为固体绝缘部件±50％的物质的介质溶液作为前驱物，利用微波等离子体射流使含前驱物的等离子体对固体绝缘部件的表面缺陷进行喷涂即可。该方法可以有效提高固体绝缘与介质之间的结合力，进而实现具有表面缺陷的固体绝缘部件的有效修复。
Description
技术领域
本发明涉及固体绝缘材料技术领域，具体涉及一种固体绝缘表面裂纹修复方法及其修复装置。
背景技术
绝缘子作为重要的绝缘和固定支撑部件，广泛应用于电力系统输变电设备中。工作电压下绝缘子的表面场强、内部工作场强以及支撑绝缘件的壳体表面场强要低于额定场强，同时绝缘子要达到一定耐受冲击的机械强度。但绝缘子在长时间运行过程中，受到安装、外部环境(机电负荷、日晒雨淋、冷热变化)和机械应力的影响，表面会出现裂纹、划痕等物理缺陷，引起局部电场集中，同时外部污染物更易渗入绝缘子内部进而导致绝缘劣化，增加了绝缘子沿面闪络或击穿等放电问题发生的概率，直接影响电力设备的安全运行，甚至会造成输变电设备故障和电力系统瘫痪。
例如，盆式绝缘子在运行过程中由于受到中心导体与设备外壳的机械挤压，绝缘子内部应力集中可能会产生裂纹缺陷；冷热温差造成的冲击作用会导致绝缘子表面产生微小裂纹，并且逐步向深度方向发展，最终可能造成绝缘子损坏；户外支柱绝缘子铁瓷结合部的胶结水泥容易产生裂纹，水分容易渗透到裂纹中，低温下水分结冰膨胀，使得裂纹扩大，结合部局部应力集中，造成支柱绝缘子断裂；电缆护套表面的裂纹及电缆附件和电缆本体之间的缝隙也是电缆系统渗水及绝缘劣化的重要原因。
近年来，以环氧和聚乙烯等为代表的固体绝缘材料取得了巨大的发展，多种性能优异的聚合物和陶瓷材料在电力设备中得到广泛应用，但是由于加工、装配和运行过程中的老化，固体绝缘部件的表面产生裂纹或划痕等缺陷，在特高压交流输电工程中，容易出现由于绝缘缺陷引发的绝缘子炸裂事故。随着特高压直流输电技术的发展，电力系统对于固体绝缘部件的电气性能要求也更加严格，但对于出现表面缺陷的固体绝缘部件，大面积地更新替代经济成本很高。并且目前对于存在表面缺陷的固体绝缘设备并没有十分有效的修复方法，发展快速高效的绝缘表面局部缺陷修复技术对电力设备的运维检修、保证电力系统安全可靠运行具有重要的实际意义。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于对于存在表面缺陷的绝缘设备并没有十分有效的修复方法的缺陷，从而提供能够提高封堵材料与基材的粘结力，进而实现具有表面缺陷的绝缘设备有效修复的一种固体绝缘表面裂纹修复方法，并提供了能适用于固体绝缘表面裂纹修复的装置。
一种固体绝缘表面裂纹修复方法，包括：根据固体绝缘部件的类型，选用与等离子体反应后生成介电常数或电阻率为固体绝缘部件±50％的物质的介质溶液作为前驱物，利用微波等离子体射流使含前驱物的等离子体对固体绝缘部件的表面缺陷进行喷涂即可。且该前驱物与固体绝缘部件之间具有良好的相容性。
形成微波等离子体射流的过程为：向微波谐振腔体中通入工作气，启动微波源即可产生微波等离子体射流；
形成含前驱物的等离子体的过程为：采用载气通入前驱物中并带出前驱物至微波谐振腔体的出口位置处，与微波等离子体射流结合即可生成含前驱物的等离子体。
当固体绝缘部件的材质为硅橡胶绝缘子时，所述前驱物选用含硅的介质溶液，当固体绝缘部件的材质为陶瓷时，所述前驱物选用含铝的介质溶液；
所述载气选用氩气与氧气混合气体或者氩气；
所述工作气为氩气或氮气。
优选的，所述含硅的介质溶液中的介质为六甲基二硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、正硅酸乙酯或四氯化硅；所述含铝的介质溶液中的介质为三甲基铝溶液、三甲基铝溶胶、氧化铝溶液或氧化铝溶胶。
在利用含前驱物的等离子体对固体绝缘部件的表面缺陷进行喷涂之前，采用大气压微波等离子体对固体绝缘部件的表面缺陷进行预处理。
一种微波谐振腔体，包括：
中空金属管，顶端为前驱物气体入口；
外腔体，同轴套设在中空金属管外部，其上设置有工作气入口以及微波接口；
调谐器，活动连接在外腔体顶端用于实现外腔体与中空金属管之间的电连接；同时，调谐器沿着外腔体的中轴线移动用于调节耦合腔体的长度使反射功率为零。耦合腔体的长度为调谐器底端至外腔体底端之间的长度。
所述调谐器底端与外腔体顶端之间螺纹连接。
所述微波接口为BNC接头，优选的，BNC接头的中心导体和中空金属管连接，BNC接头的外壳与外腔体连接。
一种固体绝缘表面裂纹修复装置，包括上述的一种微波谐振腔体。
还包括与所述中空金属管的前驱物气体入口连通的前驱物存储容器；与所述外腔体的工作气入口连通的工作气存储容器；与所述微波接口连接的微波源，如WSPS-2450-200。
所述前驱物存储容器上还连通有驱动前驱物进入中空金属管的载气容器。
所述微波源通过同轴电缆连接在微波接口上。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供了一种固体绝缘表面裂纹修复方法，利用微波等离子体对介质边界的自适应性，使等离子体沉积介质浸入到固体绝缘部件上缺陷部位的微小孔道结构中，实现对固体绝缘部件的表面裂纹等不同缺陷的修复；结合选用与等离子体反应后可生成介电常数或电阻率为固体绝缘部件±50％的物质的介质作为前驱物，该方式可以提高固体绝缘部件的整体电气性能和力学性能，避免缺陷部位修复后出现短时失效的问题，达到提高封堵材料(介质)与基材(固体绝缘部件)的结合力，有效提高固体绝缘部件的断裂伸长率和沿面耐压效果，进而实现具有表面缺陷的固体绝缘部件的有效修复。
2.本发明所提供的修复方法，可适用于不同材料、不同结构的固体绝缘部件的表面缺陷修复，具体的，当固体绝缘部件为硅橡胶绝缘子时，所述前驱物选用含硅的介质溶液，当固体绝缘部件为陶瓷时，所述前驱物选用含铝的介质溶液等，可根据不同处理对象灵活设置前驱物和反应气体，进而获得不同介电性能的介质层，适用范围更广。
3.本发明提供的修复方法中，在利用含前驱物的等离子体对固体绝缘部件的表面缺陷进行喷涂之前，采用大气压微波等离子体对固体绝缘部件的表面缺陷进行预处理；该方式采用大气压微波等离子体预处理及等离子体沉积两道处理工艺，进一步提高沉积介质和缺陷部位之间的粘接性和相容性，提高固体绝缘部件的整体电气性能和力学性能。
4.本发明提供的一种微波谐振腔体可有效适用于本发明中固体绝缘部件的表面裂纹的修复，具体为：在中空金属管与外腔体之间腔体中通入工作气，工作气在输入的微波下可以在外腔体底端形成微波等离子体射流，而中空金属管中可以通入含前驱物的气体，该含前驱物的气体在中空金属管底端与微波等离子体射流接触后能够有效实现含前驱物的等离子体的生成，通过微波等离子体射流将含前驱物的等离子体带入到固体绝缘部件的表面缺陷部位，即可实现喷涂操作，根据微波等离子体对介质边界的自适应性，实现固体绝缘部件的表面缺陷部位的修复。
5.本发明提供的一种固体绝缘表面裂纹修复装置，不仅仅能有效适用于本发明中固体绝缘部件的表面裂纹的修复；同时，该装置体积小、便携，参数宽范围可调，无高压部分，安全性高，可简单快速地修复不同运行环境下的固体绝缘部件的缺陷，可广泛应用于电力系统外绝缘及不同电力装备绝缘系统的缺陷修复。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明中一种固体绝缘表面裂纹修复装置对固体绝缘部件进行修复时的结构示意图。
图2为本发明中用于沿面耐压测试的指型平面电极的结构示意图。
附图标记说明：
1-微波源，2-同轴电缆，3-BNC接头，4-调谐器，5-中空金属管，6-外腔体，7-前驱物存储容器，8-载气容器，9-工作气存储容器，10-微波等离子体，11-固体绝缘部件；
12-聚四氟乙烯托架，13-电极。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
一种固体绝缘表面裂纹修复方法，包括：
(1)采用等离子体对固体绝缘部件11修复前，需要对被处理对象进行简单清洗，如采用酒精对固体绝缘部件11的缺陷附近进行清洗，去除表面污垢。
(2)连接固体绝缘表面裂纹修复装置；具体的，包括获取微波谐振腔体，将微波源1和微波谐振腔体的外腔体6上的微波接口连接，载气和工作气体通过软管分别接入中空金属管5的顶端和外腔体6的工作气入口，同时载气通过前驱物存储容器7将前驱物溶液带出至中空金属管5中；
其中，微波谐振腔体包括：中空金属管5、外腔体6、调谐器4，该中空金属管5顶端为前驱物气体入口；该外腔体6同轴套设在中空金属管5外部，其上设置有工作气入口以及微波接口；该调谐器4活动连接在外腔体6顶端用于实现外腔体6与中空金属管5之间的电连接，同时，调谐器4可以沿着外腔体6的轴线上下移动，进而便于调节中空金属管5、外腔体6和调谐器4之间形成的耦合腔体的长度L，长度L的示意如图1所示；优选的调谐器4螺纹连接在外腔体6上，可以更加方便且精准的调节耦合腔体的长度。
(3)根据固体绝缘部件11的成分，选用合适的前驱物、载气和工作气体。如固体绝缘部件11的材质为硅橡胶绝缘子时，可用等离子体射流喷涂类二氧化硅介质；可选用含硅的介质溶液作为前驱物，如六甲基二硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、正硅酸乙酯或四氯化硅，载气可选用氩气或氩气与氧气混合气体，工作气体可为氩气或氮气。如固体绝缘部件11的材质为陶瓷时，可用等离子体射流喷涂类氧化铝介质；可选用含铝的介质溶液作为前驱物，如三甲基铝、氧化铝溶液或溶胶，载气可选用氩气或氩气与氧气混合气体，工作气体可为氩气或氮气。
(4)调节工作气体流量，待流速稳定后，启动微波电源，设置微波功率参数，由于微波在为其四分之三波长的电极结构中发生谐振，在开路端电场最强，使开路端发生气体击穿形成微波等离子体，因此，微波启动后可以在中空金属管下方引发微波等离子体形成；然后，调整载气流量，确保前驱物存储容器7中有均匀气泡产生，同时中空金属管5有流畅的气体吹出，此时可以在中空金属管下方产生带有前驱物的微波等离子体。载气的作用一是产生气泡，二是可以在前驱物存储容器7的出气口带出气化后的前驱物，前驱物的气化可以根据载气的通入自然气化，也可以通过气溶胶发生器对作为前驱物的介质溶液进行气化，气化后的前驱物即可被载气带出至中空金属管5中。由于腔体出口处形成带有前驱物的微波等离子体时，负载特性的改变使初始设计的耦合腔体发生改变，因此，通过调节调谐器4，靠其上设置的螺纹连接方式微细调整耦合腔体的长度，使微波源1输出功率和耦合腔体之间的功率匹配，保证耦合腔体的反射功率为零，进而在耦合腔体的出口处获得最大的微波输出功率和电场。
(5)将中空金属管对准固体绝缘部件11的微裂纹处，中空金属管的管口与固体绝缘部件之间的距离为5-100mm，只要保证射流等离子体的焰头接触待修复部位即可，该方式即可对固体绝缘部件的表面微裂纹进行等离子体喷涂，生成介电性能和固体绝缘部件接近的介质。
(6)处理完成后，固体绝缘在工作气体为氩气气氛下进行冷却即可。
作为一种具体的实现方式：待修复物品的材质为硅橡胶绝缘体时，即固体绝缘部件11为硅橡胶绝缘体时，其上的裂纹情况为：深度2mm、长度5mm、宽度1mm；前驱物为正硅酸乙酯，载气为氩气，流速为1000sccm，温度常温；微波功率100W，频率2.45GHz；外腔体内的工作气体为氩气，流速为3slm，处理的时间5min。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：在步骤(2)和(3)之间增加了一个预处理步骤，具体如下：
对固体绝缘部件11的表面缺陷进行预处理；具体的，断开载气和工作气体与中空金属管5和外腔体6的连接，中空金属管和外腔体直接接入空气，利用微波源产生大气压微波等离子体，作用于固体绝缘部件11的表面缺陷，对微裂纹等进行预处理，预处理时间为1min，进一步清除微裂纹内部的杂质，同时，等离子体预处理引入的极性基团可提高微裂纹的附着力，进一步提高沉积的介质和微裂纹之间的结合力。
本实施例中，筛选与实施例1中裂纹情况基本一致的另一硅橡胶绝缘体作为待修复的固体绝缘部件11，本实施例中采用的固体绝缘部件11的裂纹情况为：深度2mm、长度5mm、宽度1mm；前驱物为正硅酸乙酯，载气为氩气，流速为1000sccm，温度常温；微波功率100W，频率2.45GHz；外腔体内的工作气体为氩气，流速为3slm，处理的时间3min。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，裂纹修复时采用的参数条件不同，具体如下：
筛选与实施例1中裂纹情况基本一致的另一硅橡胶绝缘体作为待修复的固体绝缘部件11，本实施例中采用的固体绝缘部件11的裂纹情况为：深度2mm、长度5mm、宽度1mm；前驱物为正硅酸乙酯，载气为氩气与氧气混合气体，混合比例为40：1，流速为1000sccm，温度常温；微波功率100W，频率2.45GHz；外腔体内的工作气体为氩气，流速为3slm，处理的时间3min。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，裂纹修复时采用的参数条件不同，具体如下：
筛选与实施例1中裂纹情况基本一致的另一硅橡胶绝缘体作为待修复的固体绝缘部件11，本实施例中采用的固体绝缘部件11的裂纹情况为：深度2mm、长度5mm、宽度1mm；前驱物为六甲基二硅氧烷，载气为氩气，流速为1000sccm，温度常温；微波功率100W，频率2.45GHz；外腔体内的工作气体为氩气，流速为3slm，处理的时间3min。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，裂纹修复时采用的参数条件不同，具体如下：
本实施例中的固体绝缘部件11为陶瓷，本实施例中采用的固体绝缘部件11的裂纹情况为：深度2mm、长度5mm、宽度1mm；前驱物为氧化铝溶液，浓度为20wt％，载气为氩气，流速为1000sccm，温度常温；微波功率200W，频率2.45GHz；外腔体内的工作气体为氩气，流速为5-8slm，优选为7slm，处理的时间5min。
试验例
采用实施例1和2修复后的固体绝缘部件进行力学性能以及电学性能检测。
检测方法：GBT 528-2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定；同时，采用如图2所示的指型平面电极对修复前后的硅橡胶试样进行沿面耐压测试，该指型平面电极中电极13的曲率半径R为12mm。
测试前，先将固体绝缘部件11固定在聚四氟乙烯托架12和电极13之间，调节两个电极13之间的电极间距L，测试时对两个电极持续加压，加压到两个电极之间的绝缘表面出现放电时的电压即为沿面耐压值。
检测结果为：实施例1和2修复后硅橡胶断裂伸长率相比未修复的硅橡胶的断裂伸长率增加至少1倍，未修复前约为150％，实施例1修复后硅橡胶断裂伸长率约为300％，实施例2修复后硅橡胶的断裂伸长率约为350％。
实施例1和2修复后硅橡胶的沿面耐压相比未修复的硅橡胶至少提高60％，未修复前10mm电极间距下硅橡胶的直流沿面耐压为10kV,实施例1修复后硅橡胶的沿面耐压为16kV，实施例2修复后硅橡胶的沿面耐压为16.5kV。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种固体绝缘表面裂纹修复方法，其特征在于，包括：根据固体绝缘部件的类型，选用与等离子体反应后生成介电常数或电阻率为固体绝缘部件±50％的物质的介质溶液作为前驱物，利用微波等离子体射流使含前驱物的等离子体对固体绝缘部件的表面缺陷进行喷涂即可。
2.根据权利要求1所述的一种固体绝缘表面裂纹修复方法，其特征在于，形成微波等离子体射流的过程为：向微波谐振腔体中通入工作气，启动微波源即可产生微波等离子体射流；
形成含前驱物的等离子体的过程为：采用载气通入前驱物中并带出前驱物至微波谐振腔体的出口位置处，与微波等离子体射流结合即可生成含前驱物的等离子体。
3.根据权利要求2所述的一种固体绝缘表面裂纹修复方法，其特征在于，当固体绝缘部件的材质为硅橡胶绝缘子时，所述前驱物选用含硅的介质溶液，当固体绝缘部件的材质为陶瓷时，所述前驱物选用含铝的介质溶液；
所述载气选用氩气与氧气混合气体或者氩气；
所述工作气为氩气或氮气；
优选的，所述含硅的介质溶液中的介质为六甲基二硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、正硅酸乙酯或四氯化硅；所述含铝的介质溶液中的介质为三甲基铝溶液、三甲基铝溶胶、氧化铝溶液或氧化铝溶胶。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种固体绝缘表面裂纹修复方法，其特征在于，在利用含前驱物的等离子体对固体绝缘部件的表面缺陷进行喷涂之前，采用大气压微波等离子体对固体绝缘部件的表面缺陷进行预处理。
5.一种微波谐振腔体，其特征在于，包括：
中空金属管(5)，顶端为前驱物气体入口；
外腔体(6)，同轴套设在中空金属管(5)外部，其上设置有工作气入口以及微波接口；
调谐器(4)，活动连接在外腔体(6)顶端用于实现外腔体(6)与中空金属管(5)之间的电连接。
6.根据权利要求5所述的一种微波谐振腔体，其特征在于，所述调谐器(4)底端与外腔体(6)顶端之间螺纹连接，调谐器(4)沿着外腔体(6)的中轴线移动用于调节耦合腔体的长度使反射功率为零；
优选的，所述微波接口为BNC接头(3),BNC接头(3)的中心导体和中空金属管(5)连接，BNC接头(3)的外壳与外腔体(6)连接。
7.一种固体绝缘表面裂纹修复装置，其特征在于，包括权利要求5-6任一所述的一种微波谐振腔体。
8.根据权利要求7所述的一种固体绝缘表面裂纹修复装置，其特征在于，还包括与所述中空金属管(5)的前驱物气体入口连通的前驱物存储容器(7)；与所述外腔体(6)的工作气入口连通的工作气存储容器(9)；与所述微波接口连接的微波源(1)。
9.根据权利要求8所述的一种固体绝缘表面裂纹修复装置，其特征在于，所述前驱物存储容器(7)上还连通有驱动前驱物进入中空金属管(5)的载气容器(8)。
10.根据权利要求8或9所述的一种固体绝缘表面裂纹修复装置，其特征在于，所述微波源(1)通过同轴电缆(2)连接在微波接口上。
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| CN114496430A (zh) * | 2022-02-14 | 2022-05-13 | 南京工业大学 | 一种基于等离子体射流的表面裂纹精准修复装置和方法 |
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2021
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