CN113345659A - 一种基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法，其特征在于：所述方法的步骤为：S1、涂覆区域的确定；S2、柔性环氧涂层复合涂料制备；S3、柔性环氧涂层复合涂料涂覆。本发明在接地电极附近涂覆具有深陷阱的涂料以抑制电荷注入，在绝缘子的非平面区涂覆浅陷阱涂料，使电荷消散加快，而具有非线性导电特性的涂层则作为两者之间的过渡区涂覆在两者之间。采用柔性涂层技术的绝缘子的电场得到了优化，柔性涂层绝缘子的表面电荷密度低于未涂覆的绝缘子，提高了绝缘子的表面绝缘性能。此外，该技术工艺简单，柔性环氧涂层复合材料的价格便宜，有利于大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于高电压与绝缘技术领域，特别涉及一种基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法。
背景技术
我国地域辽阔，但电力资源的供需空间分布极不均匀，两者存在严重的空间错位关系，其中风电、水电等可再生能源主要集中在西部和北部，负荷中心集中在东部和南部。能源储备和电力负荷分布极不均衡的实际情况，迫使我国必须走远距离、大规模输电和全国范围优化电力资源配置的道路。为满足大功率电力输送的客观需求，直流输变电工程已成为构成中国坚强电网骨干网架和进行电力大规模远距离传输的重要方式，成为国家战略层面的重要统筹部署。相较交流系统，直流输变电系统可以极大提高电量的传输效率，减少外界环境因素对电能传输过程的干扰，具有损耗小、输送容量大、易于实现电网互联等优点，已在电能远距离输送、新能源接入等方面得到了广泛应用。
在我国特高压工程的建设过程中，因其输电距离远，沿线地理环境和地质条件复杂，不可避免地要经过一些高海拔、大落差等地理环境恶劣和气象条件多变的地区，这对于线路检修维护以及换流、变电站设备连接等技术都提出了更高的要求。同时，随着我国城市化进程的不断加快，高压输电线路经过城市区域时须严格限制其电磁辐射水平，对直流设备周边自然和人文环境的保护也面临更大的挑战。气体绝缘输电线路(Gas Insulatedtransmission Line,GIL)及气体绝缘开关柜(Gas Insulated Switchgear, GIS)是采用金属外壳封闭导电杆、压缩气体(如SF6、SF6混合气体等)绝缘、外壳与导电杆同轴布置的电力设备，采用全封闭式结构，具有安装方式灵活、占地面积小、输送容量大、可靠性高以及环境兼容性好等独特优势，可作为架空线、电缆和油断路器等设备的有效替代方案，满足特殊环境下大规模输电、配电的需求。尽管交流 GIL、GIS技术日趋成熟，结构愈加紧凑，电压等级和输电容量逐渐提高，但是与交流气体绝缘设备的成功研制和推广应用相比，面向工程应用的特高压直流气体绝缘设备的相关研究和工程实例仍十分匮乏。
目前普遍认为，制约气体绝缘设备在直流电压下稳定运行的关键问题是绝缘子长期承受单极性直流电场的作用时，因微放电、电晕放电和电极注入等原因产生的电荷积聚在绝缘子表面，形成表面电荷。表面电荷的积聚一方面导致绝缘子局部电场发生畸变，诱发表面放电；另一方面也为沿面放电的发展提供种子电荷，促进闪络过程的形成，大大降低设备的绝缘水平。因此，为保障电气电子设备的绝缘安全，有必要探寻表面电荷的调控方法，提高绝缘子绝缘性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法，该方法通过在盆式绝缘子表面进行柔性涂覆，能够显著抑制绝缘子的表面电荷积聚，降低电场强度。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
S1、涂覆区域的确定：针对具有复杂表面形貌的真实尺寸盆式环氧绝缘子，进行直流电压下的表面电荷积聚试验，分析绝缘子表面易积聚区域，根据电荷积聚分布，将涂覆区域分为A、B、C三个区域，A区域为绝缘子非平面区域，B、C区域为绝缘子平面区域；
S2、柔性环氧涂层复合涂料制备：柔性环氧涂层复合涂料包括深陷阱涂料、浅陷阱涂料及非线性涂料，深陷阱涂料为含Al2O3纳米颗粒的环氧复合涂料，浅陷阱涂料为含Al2O3微米颗粒的环氧复合涂料，非线性涂料为含SiC纳米颗粒的环氧复合涂料，
(1)称取一定质量的Al2O3、SiC纳米颗粒，将这些颗粒放置在电焊条干燥箱中，干燥箱温度设置为100℃，时间设定为24h以尽量去除水分；
(2)称取一定量的环氧树脂，并将烘干后的纳米颗粒按照一定的质量比加入到环氧树脂中，充分搅拌得到初混溶液；
(3)将得到的初混溶液置于数显恒温磁力搅拌水浴锅中，在50℃的温度下磁力搅拌1h；
(4)将搅拌后的混合溶液移至超声波清洗器中，设置超声温度为50℃，利用超声波进行分散处理1h，以保证纳米颗粒在环氧树脂中分散均匀；
(5)按照环氧树脂与固化剂按照质量比为100：30称取固化剂，将固化剂加入到纳米颗粒与环氧树脂的混合溶液中；
(6)将加入了固化剂的混合溶液置于恒温水浴锅中，水浴锅温度仍然设定为为 50℃，并在此温度下搅拌10min，搅拌过后溶液表面有很多细小气泡；
(7)为了排除上一步骤中的气泡，将真空干燥箱温度设置为30℃，对上述溶液进行真空预处理10min，然后将其平摊倒入模具；
(8)将模具放入真空干燥箱中，在真空环境下脱气处理1h，此时真空干燥箱的温度保持在30℃；
(9)经过上述处理后，将模具放置到热延伸试验仪中进行固化，在70℃的温度下放置3h，然后在120℃温度下放置3h做后固化处理；
(10)调节热延伸试验仪内的温度，以1℃/min的速率逐步下降到室温，最后获得需要的柔性环氧涂层复合涂料；
S3、柔性环氧涂层复合涂料涂覆：将上述制备的柔性环氧涂层复合涂料采用刷涂沉积法进均匀涂覆，区域A涂覆浅陷阱涂料，区域C涂覆深陷阱涂料，区域B涂覆非线性涂料，并与绝缘子表面紧密贴附。
而且，所述深陷阱涂料、浅陷阱涂料及非线性涂料的涂层厚度为100～300μm。
本发明的优点和有益效果为：
本发明一种基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法，在接地电极附近涂覆具有深陷阱的涂料以抑制电荷注入，在绝缘子的非平面区涂覆浅陷阱涂料，使电荷消散加快，而具有非线性导电特性的涂料则作为两者之间的过渡区涂覆在两者之间；采用柔性涂覆的绝缘子电场得到优化，柔性涂覆绝缘子的表面电荷密度低于未涂覆的绝缘子，提高绝缘子的表面绝缘性能。此外，该方法工艺简单，柔性环氧涂层复合材料的价格便宜，有利于大规模生产。
附图说明
图1为本发明空气中不同电压下绝缘子表面电荷平均密度径向分布图；
图2为本发明绝缘子表面涂层分布图；
图3为涂层制备流程图；
图4为本发明绝缘子表面电荷密度沿径向分布图(深浅陷阱涂层对比)；
图5为本发明绝缘子表面电荷密度沿径向分布图(有无涂层对比)；
图6为本发明绝缘子法向电场分布图；
图7为本发明深陷阱负压下EP/Al2O3涂层的陷阱能级典型分布特征图；
图8为本发明浅陷阱负压下EP/Al2O3涂层的陷阱能级典型分布特征图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法，其创新之处特征在于：所述方法的步骤为：
S1、涂覆区域的确定：针对具有复杂表面形貌的真实尺寸盆式环氧绝缘子，进行直流电压下的表面电荷积聚试验，在-10、-20、-30kV电压下绝缘子表面电荷平均密度径向分布如图1所示，图中可见电荷平均密度径向分布的峰值随电压增大而增大，在-10kV、-20kV、-30kV下最大峰值分别为5.8pC/mm2、16.9pC/mm2、25.1 pC/mm2，同时电荷斑覆盖区域面积占绝缘子总表面积的百分比分别为4.3％、15.4％、 31.8％。因此在负极性直流电压作用下，空气中表面电荷以电荷斑的形式积聚于绝缘子的非平面区，电荷斑的总面积随电压幅值增大而增大。
由于盆式绝缘子在非平面区和接地电极附近容易积聚电荷，因此提出了分区涂覆的柔性涂覆方案。为了便于描述，模型表面分为A、B、C三个区域，如图2所示，其中区域A为绝缘子的非平面区域，区域B、C为绝缘子平面区域；
S2、柔性环氧涂层复合涂料制备，制备流程如图3所示：
a、深陷阱涂料制备：
(1)称取一定质量的Al2O3纳米颗粒，将这些颗粒放置在电焊条干燥箱中，干燥箱温度设置为100℃，时间设定为24h以尽量去除水分；
(2)称取一定量的环氧树脂，并将烘干后的纳米颗粒与环氧树脂按照1％～10％的质量比混合，充分搅拌得到初混溶液；
(3)将得到的初混溶液置于数显恒温磁力搅拌水浴锅中，在50℃的温度下磁力搅拌1h；
(4)将搅拌后的混合溶液移至超声波清洗器中，设置超声温度为50℃，利用超声波进行分散处理1h，以保证纳米颗粒在环氧树脂中分散均匀；
(5)按照环氧树脂与固化剂按照质量比为100：30称取固化剂，将固化剂加入到纳米颗粒与环氧树脂的混合溶液中；
(6)将加入了固化剂的混合溶液置于恒温水浴锅中，水浴锅温度仍然设定为为 50℃，并在此温度下搅拌10min，搅拌过后溶液表面有很多细小气泡；
(7)为了排除上一步骤中的气泡，将真空干燥箱温度设置为30℃，对上述溶液进行真空预处理10min，然后将其平摊倒入模具；
(8)将模具放入真空干燥箱中，在真空环境下脱气处理1h，此时真空干燥箱的温度保持在30℃；
(9)经过上述处理后，将模具放置到热延伸试验仪中进行固化，在70℃的温度下放置3h，然后在120℃温度下放置3h做后固化处理；
(10)调节热延伸试验仪内的温度，以1℃/min的速率逐步下降到室温，最后获得深陷阱涂料；
b、浅陷阱涂料制备：
(1)称取一定质量的Al2O3微米颗粒，将这些颗粒放置在电焊条干燥箱中，干燥箱温度设置为100℃，时间设定为24h以尽量去除水分；
(2)称取一定量的环氧树脂，并将烘干后的微米颗粒与环氧树脂按照1％～10％的质量比混合，充分搅拌得到初混溶液；
(3)将得到的初混溶液置于数显恒温磁力搅拌水浴锅中，在50℃的温度下磁力搅拌1h；
(4)将搅拌后的混合溶液移至超声波清洗器中，设置超声温度为50℃，利用超声波进行分散处理1h，以保证纳米颗粒在环氧树脂中分散均匀；
(5)按照环氧树脂与固化剂按照质量比为100：30称取固化剂，将固化剂加入到纳米颗粒与环氧树脂的混合溶液中；
(6)将加入了固化剂的混合溶液置于恒温水浴锅中，水浴锅温度仍然设定为为 50℃，并在此温度下搅拌10min，搅拌过后溶液表面有很多细小气泡；
(7)为了排除上一步骤中的气泡，将真空干燥箱温度设置为30℃，对上述溶液进行真空预处理10min，然后将其平摊倒入模具；
(8)将模具放入真空干燥箱中，在真空环境下脱气处理1h，此时真空干燥箱的温度保持在30℃；
(9)经过上述处理后，将模具放置到热延伸试验仪中进行固化，在70℃的温度下放置3h，然后在120℃温度下放置3h做后固化处理；
(10)调节热延伸试验仪内的温度，以1℃/min的速率逐步下降到室温，最后获得浅陷阱涂料；
c、非线性涂料制备：
(1)称取一定质量的SiC纳米颗粒，将这些颗粒放置在电焊条干燥箱中，干燥箱温度设置为100℃，时间设定为24h以尽量去除水分；
(2)称取一定量的环氧树脂，并将烘干后的纳米微米颗粒与环氧树脂按照 1％～20％的质量比混合，充分搅拌得到初混溶液；
(3)将得到的初混溶液置于数显恒温磁力搅拌水浴锅中，在50℃的温度下磁力搅拌1h；
(4)将搅拌后的混合溶液移至超声波清洗器中，设置超声温度为50℃，利用超声波进行分散处理1h，以保证纳米颗粒在环氧树脂中分散均匀；
(5)按照环氧树脂与固化剂按照质量比为100：30称取固化剂，将固化剂加入到纳米颗粒与环氧树脂的混合溶液中；
(6)将加入了固化剂的混合溶液置于恒温水浴锅中，水浴锅温度仍然设定为为 50℃，并在此温度下搅拌10min，搅拌过后溶液表面有很多细小气泡；
(7)为了排除上一步骤中的气泡，将真空干燥箱温度设置为30℃，对上述溶液进行真空预处理10min，然后将其平摊倒入模具；
(8)将模具放入真空干燥箱中，在真空环境下脱气处理1h，此时真空干燥箱的温度保持在30℃；
(9)经过上述处理后，将模具放置到热延伸试验仪中进行固化，在70℃的温度下放置3h，然后在120℃温度下放置3h做后固化处理；
(10)调节热延伸试验仪内的温度，以1℃/min的速率逐步下降到室温，最后获得非线性涂料；
S3、柔性环氧涂层复合涂料涂覆：将上述制备的柔性环氧涂层复合涂料采用刷涂沉积法进均匀涂覆，涂覆厚度为100～300μm，且区域A涂覆浅陷阱涂料，区域C涂覆深陷阱涂料，区域B涂覆非线性涂料，并与绝缘子表面紧密贴附。
涂覆效果试验
通过COMSOL软件进行仿真，如图4～6可以得出，柔性涂层的应用可以显著抑制电荷积聚，降低电场强度。
涂层表面的陷阱能级分布特征
深陷阱调控
采用等温表面电位衰减法(ISPD)测量了涂层表面的陷阱分布，结果如图7所示，从图中可以看出，随着涂层中纳米Al2O3含量的增加，电子陷阱中心先增大后减小，但陷阱能级都大于纯环氧的陷阱能级，可调控的范围为0.88～0.93。
浅陷阱调控
采用等温表面电位衰减法(ISPD)测量了涂层表面的陷阱分布，结果如图8所示，从图中可以看出，随着涂层中微米Al2O3含量的增加，电子陷阱中心先增大后减小，可调控的范围为0.85～0.88。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (2)
1.一种基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
S1、涂覆区域的确定：针对具有复杂表面形貌的真实尺寸盆式环氧绝缘子，进行直流电压下的表面电荷积聚试验，分析绝缘子表面易积聚区域，根据电荷积聚分布，将涂覆区域分为A、B、C三个区域，A区域为绝缘子非平面区域，B、C区域为绝缘子平面区域；
S2、柔性环氧涂层复合涂料制备：柔性环氧涂层复合涂料包括深陷阱涂料、浅陷阱涂料及非线性涂料，深陷阱涂料为含Al2O3纳米颗粒的环氧复合涂料，浅陷阱涂料为含Al2O3微米颗粒的环氧复合涂料，非线性涂料为含SiC纳米颗粒的环氧复合涂料，
(1)称取一定质量的Al2O3、SiC纳米颗粒，将这些颗粒放置在电焊条干燥箱中，干燥箱温度设置为100℃，时间设定为24h以尽量去除水分；
(2)称取一定量的环氧树脂，并将烘干后的纳米颗粒按照一定的质量比加入到环氧树脂中，充分搅拌得到初混溶液；
(3)将得到的初混溶液置于数显恒温磁力搅拌水浴锅中，在50℃的温度下磁力搅拌1h；
(4)将搅拌后的混合溶液移至超声波清洗器中，设置超声温度为50℃，利用超声波进行分散处理1h，以保证纳米颗粒在环氧树脂中分散均匀；
(5)按照环氧树脂与固化剂按照质量比为100：30称取固化剂，将固化剂加入到纳米颗粒与环氧树脂的混合溶液中；
(6)将加入了固化剂的混合溶液置于恒温水浴锅中，水浴锅温度仍然设定为为50℃，并在此温度下搅拌10min，搅拌过后溶液表面有很多细小气泡；
(7)为了排除上一步骤中的气泡，将真空干燥箱温度设置为30℃，对上述溶液进行真空预处理10min，然后将其平摊倒入模具；
(8)将模具放入真空干燥箱中，在真空环境下脱气处理1h，此时真空干燥箱的温度保持在30℃；
(9)经过上述处理后，将模具放置到热延伸试验仪中进行固化，在70℃的温度下放置3h，然后在120℃温度下放置3h做后固化处理；
(10)调节热延伸试验仪内的温度，以1℃/min的速率逐步下降到室温，最后获得需要的柔性环氧涂层复合涂料；
S3、柔性环氧涂层复合涂料涂覆：将上述制备的柔性环氧涂层复合涂料采用刷涂沉积法进均匀涂覆，区域A涂覆浅陷阱涂料，区域C涂覆深陷阱涂料，区域B涂覆非线性涂料，并与绝缘子表面紧密贴附。
2.根据权利要求1所述的基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法，其特征在于：所述深陷阱涂料、浅陷阱涂料及非线性涂料的涂层厚度为100～300μm。
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| CN202110317496.5A Pending CN113345659A (zh) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | 一种基于柔性涂覆的盆式绝缘子表面电荷防控方法 |
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| CN (1) | CN113345659A (zh) |
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- 2021-03-25 CN CN202110317496.5A patent/CN113345659A/zh active Pending
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