CN113284684B - 一种三层梯度gis/gil支撑绝缘子的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，以降低绝缘子沿面或局部区域电场强度为优化目标，利用变密度算法求解支撑绝缘子内部介电常数的最优空间分布；根据优化结果，将介电常数发生变化区域分为介电常数过渡区域和高介电区域，并将介电常数过渡区域的结合轮廓提取出来，随后利用光固化3D打印生成带有支撑和树脂浇注口中空介电常数过渡区域；采用高介电填料/聚合物共混的方式制备可热固化的高介电复合材料，随后将高介电复合材料倒入介电常数过渡区域，并整体放入金属模具中予以固定；采用低介电填料/聚合物共混的方式制备可热固化的高介电复合材料，随后倒入金属模具中，真空中固化完成后即可得到三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子。

Description

一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法
技术领域
本发明属于高电压电力设备制造技术领域，具体涉及一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法。
背景技术
气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)因其占地面积小，运行环境稳定等优点，广泛应用于超、特高压变电站中。而气体绝缘管道输电(Gas InsulatedTransmission Line,GIL)作为一种新型的先进输电方式，具有输送容量大、传输损耗小、安全性高等优点，常作为架空线路的替代方案，应用于特殊的输电环境中。
在GIS/GIL电力设备中，支撑绝缘子起到了支撑金属导杆、隔离电位、气室密封隔气等作用。而当其结构设计不合理或表面存在气泡、金属微粒等缺陷时，SF6气体在均匀及稍不均匀电场中优异的绝缘性能会因局部电场的畸变而迅速劣化，诱发沿面闪络。传统改善电场分布的方法主要为绝缘子/金属电极结构优化设计。如在高压侧加装金属屏蔽罩优化盆体头部电场；设计合理的绝缘子中心嵌件结构；罐体法兰处设有“R”弧形金属屏蔽以及绝缘内嵌金属屏蔽内环降低盆体根部电场。然而，上述方法使得结构复杂度上升，制造难度增加，也常会带来附生问题。例如，现有GIS设备在罐体制造过程中，往往在接地法兰处设置“R”弧金属屏蔽，由于特殊的形状设计，往往需焊接后进行人工打磨，费时费力，且打磨不当容易形成金属尖端，引发局部放电。金属屏蔽内环的存在可在一定程度上均化法兰处电场，但一方面优化效果有限，另一方面，易造成绝缘子出现开裂等现象，劣化盆体的机械性能。近年来，通过材料介电分布优化主动调控电场分布的方法逐渐成为绝缘结构设计制造领域的研究热点。大量的数值模拟结果表明，通过叠层优化、拓扑优化等数值模拟手段构建介电参数梯度分布，可以大幅降低绝缘系统最大电场，均化沿面电场分布。基于材料特性调整改善电场分布突破了以往形状优化设计的局限性，为解决高电压等级GIS小型化提供了新思路。
然而，目前的梯度绝缘子缺乏行之有效的快速制造方案，叠层以及离心方法可控性差，同时成型尺寸受限，采用3D打印技术可在一定程度上避免上述问题，但仅靠3D打印完成绝缘子制造加工时间长，且材料热膨胀系数等力学/热学特性难以与传统真空浇注环氧树脂相匹配。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，实现绝缘子制备效率和电场控制效果的大幅提高。
本发明采用以下技术方案：
一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，包括以下步骤：
将支撑绝缘子划分为光固化介电过渡区域、热固化高介电区域以及热固化低介电区域；将绝缘子离散化，确定约束条件，寻找支撑绝缘子内部介电常数最优空间分布，根据最优空间分布结果划分介电常数过渡区域和高介电区域，生成中空的三维模型，通过光固化3D打印生成中空且带有支撑和树脂浇注口的光固化介电过渡区域；然后采用真空浇注方式将掺有高介电填料的热固化环氧树脂复合浆料倒入光固化介电过渡区域内，再将光固化介电过渡区域放入金属模具中固定；再采用真空浇注方式将掺有低介电填料的热固化环氧树脂复合浆料倒入金属模具中制成热固化低介电区域；最后经真空热固化处理得到三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子。
具体的，制备光固化介电过渡区域具体为：
S101、以降低绝缘子金属/环氧树脂界面电场、绝缘子沿面电场或法兰侧三结合点处区域内电场强度为优化目标，将绝缘子离散化，每个微小单元内的介电常数在基体介电常数值至介电常数变化上限的范围内变化，通过拓扑优化方法得到优化目标f，并确定约束条件；
S102、根据步骤S101计算得到的优化目标f，将介电常数取值为8～12的区域设为介电常数过渡区域，将介电常数取值为14～20的区域设为高介电区域；按照介电常数过渡区域的几何形状提取其表面轮廓，生成中空的三维模型，并在三维模型的外侧设置机械支撑点和浇注口；
S103、通过高介电填料/光敏树脂共混的方式制备高介电复合浆料；
S104、将步骤S103制备的高介电复合浆料倒入光固化3D打印机中，通过逐层固化成型，完成中空的介电过渡区域的制造，随后将制件放入后固化箱中固化进行固化处理，得到光固化介电过渡区域。
进一步的，步骤S101中，优化目标f如下：
Figure BDA0003129806020000031
其中，Ω1为介电常数设计区域，Ω2为优化目标区域1，Ω3为优化目标区域2；Cref为电场积分项中优化分量的归一化参数；A、hmesh和ρ分别为设计区域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度；q为权重系数，r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Ω为积分计算区域；
约束条件为：
Figure BDA0003129806020000032
1≤m≤3,0＜ρi＜1,0≤q≤10
Figure BDA0003129806020000033
其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限，m为密度函数形状控制系数，ρi为第i个网格内的材料密度；Up为高介电区域面积占总面积比值的上限。
进一步的，步骤S103中，高介电复合浆料在25℃条件下的粘度低于5000mP·s，经405nm紫外光辐照下的厚度大于0.2mm；完全固化后的介电常数为8～12，线性热膨胀系数为30～50×10-6/K。
进一步的，步骤S104中，打印机的层厚为0.05mm或0.1mm，紫外光源功率为45～100mW/cm2，在40～60℃、60～80mW/cm2的条件下固化2～4个小时。
具体的，制备热固化高介电区域具体为：
S201、将热固化环氧树脂与高介电填料复合，配置高介电复合浆料；
S202、将步骤S201配置好的高介电复合浆料倒入步骤S1中获得的光固化介电过渡区域内部，然后放入支撑绝缘子浇注时使用的金属模具中制备热固化高介电区域。
进一步的，步骤S201中，复合浆料固化后的介电常数数值为18～20，25℃条件下线性热膨胀系数为30～50×10-6/K。
具体的，制备热固化低介电区域具体为：
S301、将热固化环氧树脂与低介电填料复合，配置高介电复合浆料；
S302、将步骤S301得到的低介电复合浆料倒入步骤S2中的金属模具中，然后采用环氧树脂浇注方案完成三层梯度支撑绝缘子的成型。
进一步的，步骤S301中，复合浆料固化后的介电常数数为5～5.8，25℃条件下的线性热膨胀系数为30～50×10-6/K。
进一步的，步骤S302中，浇注环氧树脂与氧化铝或二氧化硅粉体在110～120℃、真空度为1～2mbar的环境下共混1～2小时，然后加入与固化剂，在真空度为1～2mbar，温度为80～100℃，保持6～8小时，随后升温至110～120℃并保持2～4小时，之后取出绝缘子完成脱模，最后升温至120～130℃保持12～16小时，自然冷却至室温后得到三层梯度支撑绝缘子。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，在保证绝缘子主体材料不变的条件下，在绝缘子内部形成三层梯度用于控制沿面、绝缘子法兰侧电场分布，可在保证绝缘子机械强度的同时，显著改善电场分布，从而提高绝缘子沿面耐电强度以及抑制局部放电的能力。三层梯度结构包含高介电区域、过渡区域以及低介电区域，过渡区域的存在可在一定程度上消弭高低介电常数的宏观界面，实现材料介电特性的平稳过渡的同时，保持热膨胀系数等热力学参数相互匹配，使得支撑绝缘子在工作环境下能够长期运行；通过调整拓扑优化算法的参数，可以生成边界轮廓清晰、易于制造的的最优介电常数分布，从仿真结果上可以显著改善绝缘子的沿面电场分布或降低局部集中的电应力，算法本身灵活多变，可适用于各种不同类型绝缘结构的优化设计。
进一步的，采用光固化3D打印介电过渡区域，一方面光固化3D打印本身具有较高的成型精度和缺陷抑制能力，非常适合于复杂绝缘结构的制造。另一方面，介电常数过渡区域的介电常数仅需达到8～12即可满足要求，这样一来，光敏复合材料里面填料含量较低，相较于高填充量下的固化厚度可以显著提高，同时复合材料粘度能够降低，大大提高了3D打印的成功率，除了材料介电常数过渡外，介电过渡区域的另外两个作用分别是作为高介电区域的模具以及金属模具的内部支撑。利用光固化3D打印将介电常数过渡区域与支撑结构一体化制造，减少了材料界面的缺陷，设计更加灵活，3D打印介电结构相较于实心结构，打印效率可以大幅提高，同时制件内部的缺陷也能得到避免，由于空心结构的设计，后固化过程中紫外光源能够有效地穿透整个制件，保证制件内部的材料也能够完全后固化。
进一步的，针对具体结构，首先确定出现电场畸变的位置，即绝缘子金属/环氧树脂界面电场、绝缘子沿面电场或法兰侧三结合点处区域，然后以降低该位置电场为优化目标，采用拓扑优化算法寻找出绝缘子内部的梯度介电参数最优空间分布。采用的拓扑优化算法以绝缘子离散化后每个小区域内的介电参数为优化目标，相较于传统的结构优化或参数优化方法能够在较大优化可行域内寻找最优解，从而大幅降低优化目标指代的局部电场畸变现象。
进一步的，为了实现介电常数过渡区域的光固化3D打印制备，需要首先配置介电常数等材料参数满足优化需求的可光固化3D打印的浆料。采用高介电填料与光敏树脂共混的方式一方面可以显著提高复合材料的介电常数，满足设计所需的材料要求，另一方面，复合工艺方法成熟，操作简便，可用于实际生产工艺中的批量化生产。
进一步的，在复合浆料光固化3D打印过程中，打印层厚和光固化能量对于制件的打印成功率以及制件的表面质量至关重要。在此设置层厚为0.05或0.1mm，一方面能够满足制件表面质量的要求，另一方面该参数也是现有商用打印机常见的参数设置，实现难度低，能够保证制件的打印成功率。光源能量设为45～100mW/cm2的范围内，在该能量范围内，一方面该光强范围足以穿透吸光度较高的复合浆料，在固化层厚设置完成后能够实现相应厚度的业态转为固态，从而保证成型。另一方面，过高的能量辐照下，浆料内部由于吸热原因容易发生破坏，造成树脂变性，从而降低打印成功率。光固化打印完成后的制件内部仍存在未完全固化的有机高分子，后固化的目的是为了提高制件的交联度，从而提高打印件的机械、热学以及电气综合性能。在40～60℃、60～80mW/cm2的条件下固化2～4个小时，在该温度范围内，未固化的基团化学活性高，在光照条件下能够与周围的分子发生聚合，而60～80mW/cm2的光源能量一方面能够保证透射深度足以固化制件，另一方面也不会对制件造成额外的损伤。
进一步的，三层梯度支撑绝缘子真空浇注完成后，介电常数过渡区域作为高介电区域模具，一方面隔离了高低两种不同介电常数的材料，同时介电常数过渡区域本身也作为结构的一部分而不需要取出，从而可以实现一次性成型，高介电区域采用陶瓷填料混合热固化环氧树脂后真空浇注而成，材料特性除了介电常数差异外，线性膨胀系数等其他材料特性并无差异，因此不会出现界面开裂或热学参数不匹配等问题，从而显著提高了界面相容性。
进一步的，复合浆料固化后的介电常数数值为18～20。从复合材料实现的角度，该参数能够通过增加填料含量等方式方便地实现，从电场优化角度，介电常数上限为18～20时优化结果即可达到最优。
进一步的，低介电区域采用陶瓷填料混合热固化环氧树脂后真空浇注而成，材料特性除了介电常数差异外，线性膨胀系数等其他材料特性并无差异，因此不会出现界面开裂或热学参数不匹配等问题，从而显著提高了界面相容性。
进一步的，复合浆料固化后的介电常数数为5～5.8，25℃条件下的线性热膨胀系数为30～50×10-6/K，该参数为目前工程中实际使用的绝缘子材料介电常数的范围，可以在不改变现有生产工艺的基础上方便地实现，从而保证了制备出绝缘子的工程应用可靠性。
进一步的，环氧树脂与氧化铝或二氧化硅粉体在110～120℃、真空度为1～2mbar的环境下共混1～2小时，在该温度范围内，复合材料的粘度显著降低，共混1～2小时即可保证填料在树脂基体中均匀分散，而在低真空环境下搅拌能够使得复合材料中吸附的气体脱出，避免制件内部出现气泡缺陷。加入固化剂混合后浇注到模具中，可以避免提高加入固化剂造成的树脂凝胶，在110～120℃温度下树脂交联反应温和，2～4小时即可完成树脂硬化成型，之后取出绝缘子完成脱模，最后升温至120～130℃(是低于130还是就是130，建议给出范围值)保持12～16小时，在该后固化条件下，一方面未固化基团活性高，可重新参与交联反应，提高制件性能，另一方面长时保温过程有助于释放内部反应存在的机械应力，保证了绝缘子在满载条件下的机械性能。
综上所述，本发明提出了一种高效、可靠的三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法。通过材料内部介电常数拓扑优化结合光固化3D打印制备出介电的介电常数过渡区域，再通过热固化真空浇注在过渡区域内外分别形成高介电区域和低介电区域，完成三层梯度支撑绝缘子的制造。所制备的绝缘子在保证良好的沿面电场及法兰侧三结合点区域的电场调控效果下，具有良好的机械性能和界面强度，同时三个区域材料的热膨胀系数保持不变，不会出现界面开裂或热学参数不匹配等问题，从而显著提高了绝缘子在长期运行条件下的稳定性和可靠性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明实施案例，其中，(a)为以沿面电场为优化目标得到的110kV支撑绝缘子高介电区域结构，(b)为以沿面电场为优化目标得到的110kV支撑绝缘子介电过渡区域结构，(c)为以法兰侧气隙内电场为优化目标得到的110kV支撑绝缘子高介电区域结构，(d)为以法兰侧气隙内电场为优化目标的到的110kV支撑绝缘子介电过渡区域结构，(e)为以法兰侧气隙内电场为优化目标得到的550kV支撑绝缘子高介电区域结构，(f)为以法兰侧气隙内电场为优化目标的到的550kV支撑绝缘子介电过渡区域结构，(g)为以绝缘内部中轴线电场为优化目标得到的252kV支柱绝缘子高介电区域结构，(h)为以绝缘内部中轴线电场为优化目标得到的252kV支柱绝缘子介电过渡区域结构。
具体实施方式
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，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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，将绝缘子分为光固化介电过渡区域、热固化高介电区域、以及热固化低介电区域三部分。首先采用光固化3D打印技术制备介电过渡区域，具体地，采用拓扑优化理论，以降低绝缘子沿面或局部区域电场强度为优化目标，利用变密度算法求解支撑绝缘子内部介电常数的最优空间分布；根据优化结果，将介电常数发生变化区域分为介电常数过渡区域和高介电区域，并将介电常数过渡区域的结合轮廓提取出来，随后利用光固化3D打印生成带有支撑和树脂浇注口中空介电常数过渡区域；采用高介电填料/聚合物共混的方式制备可热固化的高介电复合材料，随后将高介电复合材料倒入介电常数过渡区域，并整体放入金属模具中予以固定；采用低介电填料/聚合物共混的方式制备可热固化的高介电复合材料，随后倒入金属模具中，真空中热固化完成后即得到三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子。
请参阅图1，本发明一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，将支撑绝缘子分为光固化介电过渡区域、热固化高介电区域、以及热固化低介电区域三部分；具体为步骤如下：
S1、光固化介电过渡区域：光固化介电过渡区域采用光固化3D打印光敏复合材料制成，主要功能包括绝缘内部梯度介电常数过渡、金属模具内部支撑固定以及充当热固化高介电区域模具，其制造步骤为：
S101、以降低绝缘子沿面电场和法兰侧三结合点处区域内电场强度为优化目标，将绝缘子离散化，每个微小单元内的介电常数可在基体介电常数值(此处选取为5.8)至介电常数变化上限(此处选取为20)的范围内变化，通过拓扑优化算法，寻找支撑绝缘子内部介电常数最优空间分布；
设计变量为离散化后每个微小单元内的介电常数，具体如下：
ε(r,z),(r,z)∈Ω1
绝缘子内部离散化后每一点的介电常数记为ε(r,z),(r,z)∈Ω1，得到优化目标f如下：
Figure BDA0003129806020000101
其中，Ω1为介电常数设计区域，Ω2为优化目标区域1，Ω3为优化目标区域2；Cref为电场积分项中优化分量的归一化参数；A、hmesh和ρ分别为设计区域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度；q为权重系数，r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Ω为积分计算区域。
约束条件为：
Figure BDA0003129806020000102
1≤m≤3,0＜ρi＜1,0≤q≤10
Figure BDA0003129806020000103
其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限(设为20)以及介电常数下限(设为5.8)，m为密度函数形状控制系数，ρi为第i个网格内的材料密度。Up为高介电区域面积占总面积比值的上限(其取值范围在0.1～06之间)。在数值优化过程中，通过调控优化参数m、q以及Up，寻找出适合制造、优化效果良好的介电常数空间分布。
在计算过程中，为了得到清晰的边界，便于后续高介电区域和介电常数过渡区域的提取，经过优化选取后，m取值范围为1、2或3，q为0～5。
约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限(设为20)以及介电常数下限(设为目前工程中绝缘子实际介电常数5.8)。为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的Up倍以下，Up为密度利用率，其取值范围为0～1，0表示整个设计区域的介电常数都是εmin，1表示整个设计区域的介电常数都是εmax。
S102、根据步骤S101计算得到的最优空间分布结果，将介电常数取值范围为8～12的区域设为介电常数过渡区域，将介电常数取值范围为14～20的区域设为高介电区域；并按照介电常数过渡区域的几何形状提取其表面轮廓，生成中空的三维模型，并在三维模型的外侧设置机械支撑点，用于将介电过渡区域几何模型固定在金属模具当中；
采用软件建模的手段，将取值范围为7～12的介电常数过渡区域边界轮廓提取出来，并根据支撑绝缘子金属模具的结构，在过渡区域轮廓的基础上，增加带有螺纹线的支撑结构，用于将过渡区域固定在浇注使用的金属模具当中；预留树脂浇注口，用于后续高介电区域的浇注成型；几何模型建立好后，生成可用于3D打印的stl文件或stp文件。
S103、通过高介电填料/光敏树脂共混的方式制备高介电复合浆料，通过调整填料的类型、粒径、含量等参数，保证复合浆料的粘度(25℃条件下)低于5000mP·s，100mW/cm2功率的405nm紫外光辐照下的厚度大于0.2mm；完全固化后的复合材料介电常数在8～12范围内，线性热膨胀系数(25℃条件下)在30～50×10-6/K的范围内；
制备过渡区域复合材料中使用的高介电填料为高填充量的钛酸锶、二氧化钛陶瓷填料或低填充量的钛酸锶、二氧化钛陶瓷填料辅以碳纳米管、石墨烯导电填料。给出了几种满足上述条件的材料配比如下：
Figure BDA0003129806020000121
S104、将步骤S103制备的复合浆料倒入355nm或405nm光固化3D打印机中，打印机层厚设为0.05mm或0.1mm，紫外光源功率为45～100mW/cm2，通过逐层固化成型，完成中空的介电过渡区域的制造，随后将制件放入后固化箱中，在60℃、60mW/cm2的条件下后固化4个小时，提高制件的固化程度。
355nm或405nm紫外光源是常见的工业级3D打印机光源，获取形式方便，此外，相较于其长波段光源具有更强的穿透能力，固化深度更高，能够保证制件具有较高的打印成功率。曝光能量范围在45～100mW/cm2内，过低的曝光能量会使得穿透至树脂内部的能量低于树脂本身曝光临界率，导致固化厚度低，制件难以成型。过高的曝光能量会使得光斑下区域温升过高，对树脂本身结构造成破坏，同样难以实现制件成型。因此，曝光能量45～100mW/cm2内，可以通过固化时间的调整控制固化厚度和固化程度，保证打印的成功率。
过渡区域后固化过程中，环境温度为60℃，固化4小时情况下，制件内部未固化的组分可以在化学反应较为活跃的情况下，获得更高的交联程度，从而提高制件的机械性能，降低线性膨胀系数。
S2、热固化高介电区域：热固化高介电区域由掺有高介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为绝缘子沿面以及法兰侧根部电场调控；具体步骤如下：
S201、将热固化环氧树脂与高介电填料复合，配置高介电复合浆料，通过调整填料的类型、粒径、含量等参数，保证复合浆料固化后的介电常数数值在18～20范围内，线性热膨胀系数(25℃条件下)在30～50×10-6/K的范围内；
制备高介电复合材料中使用的高介电填料为高填充量的钛酸锶、二氧化钛陶瓷填料或低填充量的钛酸锶、二氧化钛陶瓷填料辅以碳纳米管、石墨烯导电填料。
下表列出了满足上述条件的不同填料类型下，复合材料的介电常数和线性膨胀系数。
Figure BDA0003129806020000131
S202、将步骤S201配置好的浆料倒入步骤S1中获得的光固化介电过渡区域内部，然后将其置入支撑绝缘子浇注时使用的金属模具中。
S3、热固化低介电区域：热固化低介电区域为支撑绝缘子的主体部分，由掺有低介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为承担运行环境下的三层梯度支撑绝缘子的机械应力和其在GIS/GIL管道中的安装固定。其制造步骤为：
S301、将热固化环氧树脂与低介电填料复合，配置低介电复合浆料，通过调整填料的类型、粒径、含量等参数，保证复合浆料固化后的介电常数数值在5～5.8范围内，线性热膨胀系数(25℃条件下)在30～50×10-6/K的范围内；
制备低介电复合材料中使用的低介电填料可为氧化铝、二氧化硅陶瓷填料中的一种或两种组合。
下表列出了满足上述条件的不同填料类型下，复合材料的介电常数和线性膨胀系数。
Figure BDA0003129806020000141
S302、将步骤S301得到的低介电复合浆料倒入步骤S2中的金属模具中，然后采用工程中使用的环氧树脂浇注方案，完成三层梯度支撑绝缘子的成型。
浇注环氧树脂与氧化铝或二氧化硅粉体在110～120℃、真空度为1～2mbar的环境下共混1～2小时，然后加入与固化剂，在真空度为环境下1～2mbar的条件下100℃下保持8小时，随后升温至120℃下保持2小时，之后取出绝缘子完成脱模，最后升温至130℃下保持12小时后，将温度自然冷却至室温取出，即可得到三层梯度支撑绝缘子。
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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1、110kV盘式支撑绝缘子
一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，将绝缘子分为光固化介电过渡区域、热固化高介电区域、以及热固化低介电区域三部分。
光固化介电过渡区域光固化3D打印光敏复合材料制成，主要功能包括绝缘内部梯度介电常数过渡、金属模具内部支撑固定以及充当热固化高介电区域模具，其制造步骤为：
S101、以降低110kV盘式支撑绝缘子法兰侧三结合点处区域内电场强度为优化目标，将绝缘子离散化，每个微小单元内的介电常数可在基体介电常数值(此处选取为5.8)至介电常数变化上限(此处选取为20)的范围内变化，通过拓扑优化算法，寻找支撑绝缘子内部介电常数最优空间分布。优化问题的数学描述如下：
设计变量：ε(r,z),(r,z)∈Ω1
优化目标：
Figure BDA0003129806020000151
约束条件：
Figure BDA0003129806020000152
1≤m≤3,0＜ρi＜1,0≤q≤5
Figure BDA0003129806020000153
设计变量为离散化后每个微小单元内的介电常数。Ω1为绝缘子内部区域，Ω2为支撑绝缘子法兰侧三结合点处区域，优化目标分为两部分，f1为电场调控项，用于降低优化目标区域Ω2内的电场。Cref为f1的归一化参数，使得初次计算过程中得到的数值为1，从而达到无量纲化得目的。f2为梯度惩罚项，用于控制介电常数分布得形式。r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Ω为积分计算区域。参数A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度(取值范围为0～1)。权重系数q用于调整f1和f2在总优化目标中的权重。
在计算过程中，m取值范围为2，q为0.1。
约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限(设为20)以及介电常数下限(设为5.8)。
为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的Up倍以下，Up为密度利用率，此处选取为0.6。
S102、根据步骤S101计算得到的最优空间分布结果，将介电常数取值范围为8～12的区域设为介电常数过渡区域，如图2a所示。将介电常数取值范围为14～20的区域设为高介电区域，如图2b所示；并按照介电常数过渡区域的几何形状提取其表面轮廓，生成中空的三维模型，并根据支撑绝缘子金属模具的结构，在过渡区域轮廓的基础上，在三维模型的外侧设置带有螺纹线机械支撑点和浇注口，分别用于将介电过渡区域几何模型固定在金属模具当中和高介电区域的浇注成型。几何模型建立好后，生成可用于3D打印的stl文件或stp文件。
S103、通过15vol％钛酸锶填料与光敏树脂共混，制备高介电复合浆料，保证复合浆料的粘度(25℃条件下)为3200mP·s，100mW/cm2功率的405nm紫外光辐照下的厚度为0.52mm；完全固化后的复合材料介电常数为10，线性热膨胀系数(25℃条件下)为38×10-6/K。
S104、将S103制备的复合浆料倒入355nm光固化3D打印机中，打印机层厚设为0.05mm，紫外光源功率为45mW/cm2，通过逐层固化成型，完成中空的介电过渡区域的制造，随后将制件放入后固化箱中，在60℃、60mW/cm2的条件下后固化4个小时，提高制件的固化程度。过渡区域后固化过程中，环境温度为60℃，固化4小时情况下，制件内部未固化的组分可以在化学反应较为活跃的情况下，获得更高的交联程度，从而提高制件的机械性能，降低线性膨胀系数。
热固化高介电区域由掺有高介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为绝缘子沿面以及法兰侧根部电场调控；其制造步骤为：
S201、将热固化环氧树脂与35vol％钛酸锶填料复合，配置高介电复合浆料，复合浆料固化后的介电常数数值为20，线性热膨胀系数(25℃条件下)为32×10-6/K。
S202、将S201配置好的浆料倒入S1中获得的光固化介电过渡区域内部，然后将其置入支撑绝缘子浇注时使用的金属模具中。
热固化低介电区域为支撑绝缘子的主体部分，由掺有低介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为承担运行环境下的三层梯度支撑绝缘子的机械应力和其在GIS/GIL管道中的安装固定。其制造步骤为：
S301、将热固化环氧树脂与40vol％氧化铝填料复合，配置低介电复合浆料，复合浆料固化后的介电常数为5.8，线性热膨胀系数(25℃条件下)为30×10-6/K。
S302、将S301得到的低介电复合浆料倒入S2中的金属模具中，然后采用工程中使用的环氧树脂浇注方案，完成三层梯度支撑绝缘子的成型。具体地，浇注环氧树脂与氧化铝粉体在110℃、真空度为1mbar的环境下共混1小时，然后加入与固化剂，在真空度为环境下1mbar的条件下100℃下保持8小时，随后升温至120℃下保持2小时，之后取出绝缘子完成脱模，最后升温至130℃下保持12小时后，将温度自然冷却至室温取出，即可得到三层梯度支撑绝缘子。
仿真结果表明，在雷电冲击电压550kV下，使用三层梯度结构后，绝缘子法兰处三结合点区域内的最大电场可由匀质绝缘子的16kV/mm降低至7kV/mm；闪络电压测试结果表明，制备的三层梯度110kV盘式绝缘子与传统匀质绝缘子相比，雷电冲击击穿电压可由最初的542kV提高至619kV。水压试验中的破坏压力由匀质的3.7MPa变为3.5MPa，仍远高于2.4MPa的许用值。这说明本发明所制备的三层梯度110kV盘式绝缘子具有优良的机械和电气特性。
实施例2：110kV盘式支撑绝缘子
一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，将绝缘子分为光固化介电过渡区域、热固化高介电区域、以及热固化低介电区域三部分。
光固化介电过渡区域光固化3D打印光敏复合材料制成，主要功能包括绝缘内部梯度介电常数过渡、金属模具内部支撑固定以及充当热固化高介电区域模具，其制造步骤为：
S101、以均化110kV盘式支撑绝缘子沿面电场强度为优化目标，将绝缘子离散化，每个微小单元内的介电常数可在基体介电常数值(此处选取为5.8)至介电常数变化上限(此处选取为20)的范围内变化，通过拓扑优化算法，寻找支撑绝缘子内部介电常数最优空间分布。优化问题的数学描述如下：
设计变量：ε(r,z),(r,z)∈Ω1
优化目标：
Figure BDA0003129806020000181
约束条件：
Figure BDA0003129806020000182
1≤m≤3,0＜ρi＜1,0≤q≤5
Figure BDA0003129806020000183
设计变量为离散化后每个微小单元内的介电常数。Ω1为绝缘子内部区域，Ω2为支撑绝缘子法兰侧三结合点处区域，优化目标分为两部分，f1为电场调控项，用于降低优化目标区域Ω2内的电场。Cref为f1的归一化参数，使得初次计算过程中得到的数值为1，从而达到无量纲化得目的。f2为梯度惩罚项，用于控制介电常数分布得形式。r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Emean为平均场强，Ω为积分计算区域。参数A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度(取值范围为0～1)。权重系数q用于调整f1和f2在总优化目标中的权重。
在计算过程中，m取值范围为1，q为5。
约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限(设为20)以及介电常数下限(设为5.8)。
为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的Up倍以下，Up为密度利用率，此处选取为0.3。
S102、根据步骤S101计算得到的最优空间分布结果，将介电常数取值范围为8～12的区域设为介电常数过渡区域，如图2c所示。将介电常数取值范围为14～20的区域设为高介电区域，如图2d所示；并按照介电常数过渡区域的几何形状提取其表面轮廓，生成中空的三维模型，并根据支撑绝缘子金属模具的结构，在过渡区域轮廓的基础上，在三维模型的外侧设置带有螺纹线机械支撑点和浇注口，分别用于将介电过渡区域几何模型固定在金属模具当中和高介电区域的浇注成型。几何模型建立好后，生成可用于3D打印的stl文件或stp文件。
S103、通过20vol％二氧化钛与光敏树脂共混，制备高介电复合浆料，保证复合浆料的粘度(25℃条件下)为3600mP·s，100mW/cm2功率的405nm紫外光辐照下的厚度为0.47mm；完全固化后的复合材料介电常数为11，线性热膨胀系数(25℃条件下)为35×10-6/K。
S104、将S103制备的复合浆料倒入355nm光固化3D打印机中，打印机层厚设为0.1mm，紫外光源功率为50mW/cm2，通过逐层固化成型，完成中空的介电过渡区域的制造，随后将制件放入后固化箱中，在60℃、80mW/cm2的条件下后固化2个小时，提高制件的固化程度。过渡区域后固化过程中，环境温度为60℃，固化2小时情况下，制件内部未固化的组分可以在化学反应较为活跃的情况下，获得更高的交联程度，从而提高制件的机械性能，降低线性膨胀系数。
热固化高介电区域由掺有高介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为绝缘子沿面以及法兰侧根部电场调控；其制造步骤为：
S201、将热固化环氧树脂与40vol％二氧化钛填料复合，配置高介电复合浆料，复合浆料固化后的介电常数数值为20，线性热膨胀系数(25℃条件下)为30×10-6/K。
S202、将S201配置好的浆料倒入S1中获得的光固化介电过渡区域内部，然后将其置入支撑绝缘子浇注时使用的金属模具中。
热固化低介电区域为支撑绝缘子的主体部分，由掺有低介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为承担运行环境下的三层梯度支撑绝缘子的机械应力和其在GIS/GIL管道中的安装固定。其制造步骤为：
S301、将热固化环氧树脂与35vol％二氧化硅填料复合，配置低介电复合浆料，复合浆料固化后的介电常数为5，线性热膨胀系数(25℃条件下)为36×10-6/K。
S302、将S301得到的低介电复合浆料倒入S2中的金属模具中，然后采用工程中使用的环氧树脂浇注方案，完成三层梯度支撑绝缘子的成型。具体地，浇注环氧树脂与二氧化硅粉体在115℃、真空度为2mbar的环境下共混1小时，然后加入与固化剂，在真空度为环境下1mbar的条件下100℃下保持8小时，随后升温至115℃下保持3小时，之后取出绝缘子完成脱模，最后升温至120℃下保持16小时后，将温度自然冷却至室温取出，即可得到三层梯度支撑绝缘子。
仿真结果表明，在雷电冲击电压550kV下，使用三层梯度结构后，绝缘子沿面最大最大电场可由匀质绝缘子的14.8kV/mm降低至10.6kV/mm；闪络电压测试结果表明，制备的三层梯度110kV盘式绝缘子与传统匀质绝缘子相比，雷电冲击击穿电压可由最初的542kV提高至642kV。水压试验中的破坏压力由匀质的3.7MPa变为3.4MPa，仍远高于2.4MPa的许用值。这说明本发明所制备的三层梯度110kV盘式绝缘子具有优良的机械和电气特性。实施例3：550kV盆式支撑绝缘子
一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，将绝缘子分为光固化介电过渡区域、热固化高介电区域、以及热固化低介电区域三部分。
光固化介电过渡区域光固化3D打印光敏复合材料制成，主要功能包括绝缘内部梯度介电常数过渡、金属模具内部支撑固定以及充当热固化高介电区域模具，其制造步骤为：
S101、以降低550kV盆式支撑绝缘子法兰侧三结合点处区域内电场强度为优化目标，将绝缘子离散化，每个微小单元内的介电常数可在基体介电常数值(此处选取为5.8)至介电常数变化上限(此处选取为20)的范围内变化，通过拓扑优化算法，寻找支撑绝缘子内部介电常数最优空间分布。优化问题的数学描述如下：
设计变量：ε(r,z),(r,z)∈Ω1
优化目标：
Figure BDA0003129806020000211
约束条件：
Figure BDA0003129806020000212
1≤m≤3,0＜ρi＜1,0≤q≤5
Figure BDA0003129806020000213
设计变量为离散化后每个微小单元内的介电常数。Ω1为绝缘子内部区域，Ω2为支撑绝缘子法兰侧三结合点处区域，优化目标分为两部分，f1为电场调控项，用于降低优化目标区域Ω2内的电场。Cref为f1的归一化参数，使得初次计算过程中得到的数值为1，从而达到无量纲化得目的。f2为梯度惩罚项，用于控制介电常数分布得形式。r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Ω为积分计算区域。参数A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度(取值范围为0～1)。权重系数q用于调整f1和f2在总优化目标中的权重。
在计算过程中，m取值范围为1，q为0.05。
约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限(设为20)以及介电常数下限(设为5.8)。
为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的Up倍以下，Up为密度利用率，此处选取为0.5。
S102、根据步骤S101计算得到的最优空间分布结果，将介电常数取值范围为8～12的区域设为介电常数过渡区域，如图2e所示。将介电常数取值范围为14～20的区域设为高介电区域，如图2f所示；并按照介电常数过渡区域的几何形状提取其表面轮廓，生成中空的三维模型，并根据支撑绝缘子金属模具的结构，在过渡区域轮廓的基础上，在三维模型的外侧设置带有螺纹线机械支撑点和浇注口，分别用于将介电过渡区域几何模型固定在金属模具当中和高介电区域的浇注成型。几何模型建立好后，生成可用于3D打印的stl文件或stp文件。
S103、通过0.1wt％碳纳米管和10vol％二氧化钛填料与光敏树脂共混，制备高介电复合浆料，保证复合浆料的粘度(25℃条件下)为2800mP·s，100mW/cm2功率的405nm紫外光辐照下的厚度为0.32mm；完全固化后的复合材料介电常数为9，线性热膨胀系数(25℃条件下)为42×10-6/K。
S104、将S103制备的复合浆料倒入355nm光固化3D打印机中，打印机层厚设为0.05mm，紫外光源功率为45mW/cm2，通过逐层固化成型，完成中空的介电过渡区域的制造，随后将制件放入后固化箱中，在60℃、60mW/cm2的条件下后固化4个小时，提高制件的固化程度。过渡区域后固化过程中，环境温度为60℃，固化4小时情况下，制件内部未固化的组分可以在化学反应较为活跃的情况下，获得更高的交联程度，从而提高制件的机械性能，降低线性膨胀系数。
热固化高介电区域由掺有高介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为绝缘子沿面以及法兰侧根部电场调控；其制造步骤为：
S201、将热固化环氧树脂与0.2wt％碳纳米管加20vol％二氧化钛填料复合，配置高介电复合浆料，复合浆料固化后的介电常数数值为20，线性热膨胀系数(25℃条件下)为40×10-6/K。
S202、将S201配置好的浆料倒入S1中获得的光固化介电过渡区域内部，然后将其置入支撑绝缘子浇注时使用的金属模具中。
热固化低介电区域为支撑绝缘子的主体部分，由掺有低介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为承担运行环境下的三层梯度支撑绝缘子的机械应力和其在GIS/GIL管道中的安装固定。其制造步骤为：
S301、将热固化环氧树脂与20vol％氧化铝加20vol％二氧化硅填料复合，配置低介电复合浆料，复合浆料固化后的介电常数为5.5，线性热膨胀系数(25℃条件下)为34×10-6/K。
S302、将S301得到的低介电复合浆料倒入S2中的金属模具中，然后采用工程中使用的环氧树脂浇注方案，完成三层梯度支撑绝缘子的成型。具体地，浇注环氧树脂与氧化铝、二氧化硅粉体在115℃、真空度为1mbar的环境下共混2小时，然后加入与固化剂，在真空度为环境下2mbar的条件下90℃下保持7小时，随后升温至115℃下保持1小时，之后取出绝缘子完成脱模，最后升温至125℃下保持15小时后，将温度自然冷却至室温取出，即可得到三层梯度支撑绝缘子。
仿真结果表明，在雷电冲击电压1675kV下，使用三层梯度结构后，盆式绝缘子法兰处三结合点区域内的最大电场可由匀质绝缘子的14.5kV/mm降低至6.5kV/mm；闪络电压测试结果表明，制备的三层梯度550kV盆式绝缘子与传统匀质绝缘子相比，雷电冲击击穿电压可由最初的1752kV提高至2275kV。水压试验中的破坏压力由匀质的3.8MPa变为3.6MPa，仍远高于2.4MPa的许用值。这说明本发明所制备的三层梯度110kV盘式绝缘子具有优良的机械和电气特性。实施例4：252kV柱式支撑绝缘子
一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，将绝缘子分为光固化介电过渡区域、热固化高介电区域、以及热固化低介电区域三部分。
光固化介电过渡区域光固化3D打印光敏复合材料制成，主要功能包括绝缘内部梯度介电常数过渡、金属模具内部支撑固定以及充当热固化高介电区域模具，其制造步骤为：
S101、以降低252kV柱式支撑绝缘子金属嵌件/环氧树脂界面区域内电场强度为优化目标，将绝缘子离散化，每个微小单元内的介电常数可在基体介电常数值(此处选取为5.8)至介电常数变化上限(此处选取为20)的范围内变化，通过拓扑优化算法，寻找支撑绝缘子内部介电常数最优空间分布。优化问题的数学描述如下：
设计变量：ε(r,z),(r,z)∈Ω1
优化目标：
Figure BDA0003129806020000241
约束条件：
Figure BDA0003129806020000242
1≤m≤3,0＜ρi＜1,0≤q≤5
Figure BDA0003129806020000243
设计变量为离散化后每个微小单元内的介电常数。Ω1为绝缘子内部区域，Ω2为支撑绝缘子法兰侧三结合点处区域，优化目标分为两部分，f1为电场调控项，用于降低优化目标区域Ω2内的电场。Cref为f1的归一化参数，使得初次计算过程中得到的数值为1，从而达到无量纲化得目的。f2为梯度惩罚项，用于控制介电常数分布得形式。r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Emean为平均场强，Ω为积分计算区域。参数A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度(取值范围为0～1)。权重系数q用于调整f1和f2在总优化目标中的权重。
在计算过程中，m取值范围为3，q为0.2。
约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限(设为20)以及介电常数下限(设为5.8)。
为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的Up倍以下，Up为密度利用率，此处选取为0.3。
S102、根据步骤S101计算得到的最优空间分布结果，将介电常数取值范围为8～12的区域设为介电常数过渡区域，如图2g所示。将介电常数取值范围为14～20的区域设为高介电区域，如图2h所示；并按照介电常数过渡区域的几何形状提取其表面轮廓，生成中空的三维模型，并根据支撑绝缘子金属模具的结构，在过渡区域轮廓的基础上，在三维模型的外侧设置带有螺纹线机械支撑点和浇注口，分别用于将介电过渡区域几何模型固定在金属模具当中和高介电区域的浇注成型。几何模型建立好后，生成可用于3D打印的stl文件或stp文件。
S103、通过0.2wt％石墨烯加8vol％钛酸锶填料与光敏树脂共混，制备高介电复合浆料，保证复合浆料的粘度(25℃条件下)为2500mP·s，100mW/cm2功率的405nm紫外光辐照下的厚度为0.45mm；完全固化后的复合材料介电常数为12，线性热膨胀系数(25℃条件下)为48×10-6/K。
S104、将S103制备的复合浆料倒入355nm光固化3D打印机中，打印机层厚设为0.1mm，紫外光源功率为100mW/cm2，通过逐层固化成型，完成中空的介电过渡区域的制造，随后将制件放入后固化箱中，在60℃、60mW/cm2的条件下后固化4个小时，提高制件的固化程度。过渡区域后固化过程中，环境温度为60℃，固化4小时情况下，制件内部未固化的组分可以在化学反应较为活跃的情况下，获得更高的交联程度，从而提高制件的机械性能，降低线性膨胀系数。
热固化高介电区域由掺有高介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为绝缘子沿面以及法兰侧根部电场调控；其制造步骤为：
S201、将热固化环氧树脂与0.2wt％石墨烯加25vol％钛酸锶填料复合，配置高介电复合浆料，复合浆料固化后的介电常数数值为20，线性热膨胀系数(25℃条件下)为38×10-6/K。
S202、将S201配置好的浆料倒入S1中获得的光固化介电过渡区域内部，然后将其置入支撑绝缘子浇注时使用的金属模具中。
热固化低介电区域为支撑绝缘子的主体部分，由掺有低介电填料的热固化环氧树脂复合浆料真空浇注而成。主要功能为承担运行环境下的三层梯度支撑绝缘子的机械应力和其在GIS/GIL管道中的安装固定。其制造步骤为：
S301、将热固化环氧树脂与10vol％氧化铝加30vol％二氧化硅填料复合，配置高介电复合浆料，复合浆料固化后的介电常数为5.3，线性热膨胀系数(25℃条件下)为32×10-6/K。
S302、将S301得到的低介电复合浆料倒入S2中的金属模具中，然后采用工程中使用的环氧树脂浇注方案，完成三层梯度支撑绝缘子的成型。具体地，浇注环氧树脂与氧化铝、二氧化硅粉体在120℃、真空度为2mbar的环境下共混2小时，然后加入与固化剂，在真空度为环境下2mbar的条件下100℃下保持6小时，随后升温至110℃下保持4小时，之后取出绝缘子完成脱模，最后升温至120℃下保持16小时后，将温度自然冷却至室温取出，即可得到三层梯度支撑绝缘子。
仿真结果表明，在雷电冲击电压1050kV下，使用三层梯度结构后，绝缘子金属嵌件/环氧树脂界面最大电场可由匀质绝缘子的35kV/mm降低至20kV/mm；闪络电压测试结果表明，制备的三层梯度252kV支撑绝缘子与传统匀质绝缘子相比，雷电冲击击穿电压可由最初的815kV提高至980kV。水压试验中的破坏压力由匀质的3.5MPa提高至3.7MPa，远高于2.4MPa的许用值。这说明本发明所制备的三层梯度252kV支撑绝缘子具有优良的机械和电气特性。
综上所述，本发明一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，在设计理念方面，引入介电常数过渡区域，一方面可以更好地实现绝缘子沿面或局部区域内的电场优化。另一方面，介电常数过渡可以消弭高低介电常数区域的宏观界面，实现材料介电特性的平稳过渡。在制造方法方面，采用光固化3D打印中空的介电常数过渡区域，可以实现浇注口、支撑结构以及过渡区域的一体化成型。3D打印中空结构相较于实心结构，打印效率可以大幅提高，后固化过程更加有效，同时制件内部的缺陷也能得到避免。浇注完成后，模具也作为结构的一部分而不需要取出，从而可以实现一次性成型。构成支撑绝缘子三部分材料的线性热膨胀系数较为接近，可以显著提高了温度梯度下材料界面的相容性，避免内部机械应力的出现。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将支撑绝缘子划分为光固化介电过渡区域、热固化高介电区域以及热固化低介电区域；
将绝缘子离散化，确定约束条件，寻找支撑绝缘子内部介电常数最优空间分布，根据最优空间分布结果划分介电常数过渡区域和高介电区域，生成中空的三维模型，通过光固化3D打印生成中空且带有支撑和树脂浇注口的光固化介电过渡区域；
然后采用真空浇注方式将掺有高介电填料的热固化环氧树脂复合浆料倒入光固化介电过渡区域内，再将光固化介电过渡区域放入金属模具中固定；
采用真空浇注方式将掺有低介电填料的热固化环氧树脂复合浆料倒入金属模具中制成热固化低介电区域；最后经真空热固化处理得到三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子；
制备光固化介电过渡区域具体为：
S101、以降低绝缘子金属/环氧树脂界面电场、绝缘子沿面电场或法兰侧三结合点处区域内电场强度为优化目标，将绝缘子离散化，每个微小单元内的介电常数在基体介电常数值至介电常数变化上限的范围内变化，通过拓扑优化方法得到优化目标f，优化目标f如下：
Figure FDA0003424774390000011
其中，Ω1为介电常数设计区域，Ω2为优化目标区域1，Ω3为优化目标区域2；Cref为电场积分项中优化分量的归一化参数；A、hmesh和ρ分别为设计区域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度；q为权重系数，r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Ω为积分计算区域；
并确定约束条件为：
Figure FDA0003424774390000012
1≤m≤3,0＜ρi＜1,0≤q≤10
Figure FDA0003424774390000021
其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限，m为密度函数形状控制系数，ρi为第i个网格内的材料密度；Up为高介电区域面积占总面积比值的上限；
S102、根据步骤S101得到的优化目标f，将介电常数取值为8～12的区域设为介电常数过渡区域，将介电常数取值为14～20的区域设为高介电区域；按照介电常数过渡区域的几何形状提取表面轮廓，生成中空的三维模型，并在三维模型的外侧设置机械支撑点和浇注口；
S103、通过高介电填料/光敏树脂共混的方式制备高介电复合浆料，高介电复合浆料在25℃条件下的粘度低于5000mP·s，经405nm紫外光辐照下高介电复合浆料的厚度大于0.2mm；完全固化后的介电常数为8～12，线性热膨胀系数为30～50×10-6/K；
S104、将步骤S103制备的高介电复合浆料倒入光固化3D打印机中，通过逐层固化成型，完成中空的介电过渡区域的制造，随后将制件进行固化处理，得到光固化介电过渡区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S104中，打印机逐层打印的每层层厚为0.05mm或0.1mm，紫外光源功率为45～100mW/cm2，在40～60℃、60～80mW/cm2的条件下固化2～4个小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备热固化高介电区域具体为：
S201、将热固化环氧树脂与高介电填料复合，配制高介电复合浆料；
S202、将步骤S201配制好的高介电复合浆料倒入光固化介电过渡区域内部，然后放入支撑绝缘子浇注时使用的金属模具中制备热固化高介电区域。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S201中，复合浆料固化后的介电常数数值为18～20，25℃条件下线性热膨胀系数为30～50×10-6/K。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备热固化低介电区域具体为：
S301、将热固化环氧树脂与低介电填料复合，配制低介电复合浆料；
S302、将步骤S301得到的低介电复合浆料倒入金属模具中，然后采用环氧树脂浇注方法完成三层梯度支撑绝缘子的成型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S301中，复合浆料固化后的介电常数为5～5.8，25℃条件下的线性热膨胀系数为30～50×10-6/K。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S302中，将浇注环氧树脂与氧化铝或二氧化硅粉体在110～120℃、真空度为1～2mbar的环境下共混1～2小时，然后加入固化剂，在真空度1～2mbar和温度80～100℃环境下保持6～8小时，随后升温至110～120℃并保持2～4小时，之后取出绝缘子完成脱模，最后升温至120～130℃并保持12～16小时，自然冷却至室温后得到三层梯度GIS/GIL支撑绝缘子。
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