CN117107323B - 环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法及装置。该方法利用电场诱导效应，将金属配位离子有序组装于含铜金属界面，并结合热场作用诱发含铜金属表面的结晶重建和超薄表面配位层的形成。通过该方法表面改性含铜金属材料不会影响其导电率、热导率，但能够显著提升其耐环保绝缘气体腐蚀性。温和的处理条件使该技术适用于制备不同形式面向环保绝缘气体的含铜金属材料，解决环保绝缘气体与含铜金属相容性不足的难题。

Description

环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法及装置
技术领域
本发明属于高电压与绝缘技术领域，具体涉及一种环保气体绝缘设备含铜金属部件界面稳定性提升方法及装置。
背景技术
近年来，环保气体绝缘金属封闭开关设备、气体绝缘输电管道和气体绝缘变压器等气体绝缘电气设备已经开始逐步落地投产。但在实际电气设备的工程应用中，环保绝缘气体与电极材料的气-固稳定性还有待提升，部分环保绝缘气体因放电分解或过热分解而产生气体分解组分和表面固体析出物也会导致环保绝缘气体本身绝缘性能、灭弧性能等的降低，从而导致电气设备运行安全性的降低，也增大了运维的难度。
由于铜的高导热性和导电性，被广泛应用于电气设备中。作为电极材料，其受到环保绝缘气体因放电分解或过热分解而产生气体分解组分和表面固体析出物的影响，会降低其导电性，降低了电气设备正常运行的安全性，甚至导致一些电气事故的发生。
许多广泛使用的抗氧化和抑制表面析出物的技术，如合金化和电镀，往往会降低某些物理性能（例如，热导率和导电率），无法满足电气设备中电极等部位含铜金属材料的应用需求。
虽然目前已经尝试开发并使用有机分子、无机材料或碳基材料作为氧化抑制剂的表面钝化技术，但其大规模应用往往受限。因此，寻求温和的处理条件使该技术适用于制备不同形式的环保绝缘气体气氛下稳定铜材料并应用于电气设备和工程实际中意义重大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法及装置。该方法能够有效提升环保绝缘气体与金属材料的气-固界面稳定性并抑制含铜金属材料表面固体析出物。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明提供环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法，包括以下步骤：将含铜金属部件置于乙酸盐的混合溶液中，在含铜金属部件上施加直流电压，加热反应，使得内表面的含铜材料在电场作用下发生深晶格重建形成Cu（110）晶面，以形成钝化层。
进一步，所述含铜金属部件为由铜金属和其他金属形成的合金材料，包括紫铜、黄铜、铜钨合金中的一种或者多种。
进一步，所述乙酸盐包括乙酸钠、乙酸铵中的一种或两种。
进一步，所述乙酸盐的混合溶液由乙酸盐和极性溶剂混合形成，极性溶剂包括水、乙醇中的一种或两种。
更进一步，所述乙酸盐和极性溶剂的质量比为1:100~10:100。
进一步，所述含铜金属部件和乙酸盐混合溶液的质量比为1:10~1:2。
进一步，所述加热反应温度为50~70℃，反应时间为12~24小时。
进一步，反应过程中，含铜金属部件为10~100V正电位，溶液接地。
进一步，环保气体包括C4F7N、C5F10O、C6F12O、HFO-1234ze(E)、HFO-1336mzz(E)中的一种或几种的混合。
第二方面，本发明提供一种环保气体绝缘设备含铜金属部件界面稳定性提升装置，包括：
密闭容器，用于盛装乙酸盐的混合溶液；
直流高压电极，用于连接含铜金属部件；
加热热源，设置于密闭容器中；
接地电极，用于将混合溶液接地。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明利用乙酸盐作为还原剂，基于电场诱导的界面热溶剂反应（结合热场）对含铜金属材料表面配位钝化并构建防腐蚀界面，有效提高了铜表面的抗氧化性。通过应用于环保绝缘气体介质领域作为介质材料，达到提升环保绝缘气体与含铜金属材料气-固稳定性并抑制铜材料表面固体析出物的目的。
（2）本发明所述方法在处理过程中，铜原子晶界钝化层的产生仅仅是晶界重构，不会对铜表面导电性和导热性构成影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所应用的含铜金属材料防腐蚀处理装置；
图2为本发明实施例所应用的电极针板模型；
图3为本发明实施例处理的含铜金属材料表面与未处理铜材料表面的抗氧化性对比；
图4为本发明实施例在放电实验平台中经过长时间局部放电后的扫描电镜图；
图5为本发明实施例在放电实验平台中经过长时间局部放电后的气体分解产物浓度变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
实施例1
一种环保气体绝缘设备含铜金属部件界面稳定性提升的方法，包括以下步骤：
（1）制备乙酸盐的混合溶剂：将乙酸盐（本实施例选用乙酸钠）与适量极性溶剂（乙醇）按照1:100（质量比）的比例溶解，并利用超声处理15分钟使其充分分散，形成混合溶剂。
（2）将含铜金属部件（本实施例选用紫铜）放入盛有混合溶剂的反应槽中，质量比为1:10。
（3）在铜材料表面施加50V直流电压（电位），溶液接地；将所述的混合溶液加热至50~70℃，使其与含铜材料在电场作用下反应12~24小时，完成含铜材料表面防腐蚀结构生成；反应完成后，用去离子水或醇对含铜金属材料表面进行清洗，以去除游离的混合溶剂。
相关原理：
本发明所述方法采用直流电场诱导，含铜金属材料表面能够捕获乙酸盐根，并在加热协同下诱发铜材料表面发生了深晶格重建，即乙酸盐根具备诱导Cu（110）晶界的产生。
未经处理的含铜金属材料容器，其表面主要是Cu（111）晶面，耐腐蚀性较差；在乙酸盐以及直流电场的作用下，Cu（111）晶面重建为稳定的Cu（110）晶面，即通过原位晶界重构产生钝化层。其中，施加于含铜材料表面的直流电场（电势）能够确保乙酸根的高浓度界面附着，促进晶界深层重构。
具体的，金属材料表面的铜原子在直流正电位的作用下，失去电子形成Cu2+，而次表面Cu原子的化合价为+1，与乙酸盐进行配位反应，形成钝化层。钝化层的产生，能够避免铜原子进一步和环保绝缘气体如全氟异丁腈（C4F7N）中的-CN活性基团、全氟酮（C5F10O、C6F12O）中的-CO活性基团发生强相互作用，避免了环保绝缘气体与含铜金属相互作用诱发界面腐蚀。
实施例2
一种环保气体绝缘设备含铜金属部件界面稳定性提升的方法，包括以下步骤：
（1）制备乙酸盐的混合溶剂：将乙酸盐（本实施例选用乙酸铵）与适量极性溶剂（乙醇）按照5:100（质量比）的比例溶解，并利用超声处理15分钟使其充分分散，形成混合溶剂。
（2）将含铜金属部件（本实施例选用黄铜）放入盛有混合溶剂的反应槽中，质量比为1:6。
（3）在铜材料表面施加10V直流电压（电位），溶液接地；将所述的混合溶液加热至50~70℃，使其与含铜材料在电场作用下反应12~24小时，完成含铜材料表面防腐蚀结构生成；反应完成后，用去离子水或醇对含铜金属材料表面进行清洗，以去除游离的混合溶剂。
实施例3
一种环保气体绝缘设备含铜金属部件界面稳定性提升的方法，包括以下步骤：
（1）制备乙酸盐的混合溶剂：将乙酸盐（本实施例选用乙酸钠）与适量极性溶剂（水）按照10:100（质量比）的比例溶解，并利用超声处理15分钟使其充分分散，形成混合溶剂。
（2）将含铜金属部件（本实施例选用铜钨合金）放入盛有混合溶剂的反应槽中，质量比为1:2。
（3）在铜材料表面施加100V直流电压（电位），溶液接地；将所述的混合溶液加热至50~70℃，使其与含铜材料在电场作用下反应12~24小时，完成含铜材料表面防腐蚀结构生成；反应完成后，用去离子水或醇对含铜金属材料表面进行清洗，以去除游离的混合溶剂。
实施例4
一种环保气体绝缘设备含铜金属部件界面稳定性提升装置，如图1所示，包括：
密闭容器，用于盛装乙酸盐的混合溶液；
直流高压电极，用于连接含铜金属部件；
加热热源，设置于密闭容器中；
接地电极，用于将混合溶液接地。
气-固金属稳定性评估测试：
图2示出了电极针板模型，其中针为黄铜材料，底部直径5mm，总长17mm，针尖部分长5mm，针尖为弧形，圆弧半径0.3mm。板电极为经处理过的紫铜材料，直径为70mm，厚度为8mm，两侧为圆弧形，圆弧半径为4mm。电极针针尖与板电极的高度为10mm。
图3为本发明实施例处理的铜材料表面与未处理铜材料表面的抗氧化性对比。左侧为经处理的含铜材料在C4F7N/CO2混合气体中暴露48小时后的表面扫描电镜图，右侧为未经处理的样品在C4F7N/CO2混合气体暴露48小时后的扫描电镜图，可以看到未经处理过的铜表面氧化较为严重，产生白色腐蚀点。
图4为本发明实施例在放电实验平台中经过长时间局部放电后的扫描电镜图，左侧为经防腐蚀处理的样品扫描电镜图，右侧为未经处理的扫描电镜图，可以看到经过表面钝化处理过的铜电极材料表面基本没有劣化和缺陷，未经处理过的铜电极材料表面劣化明显。
图5为本发明实施例在放电实验平台中经过长时间局部放电后的部分分解产物浓度变化图，随着长时间的局部放电，可见处理过的含铜金属材料对环保绝缘气体介质的放电分解有抑制作用，钝化层有效避免了C4F7N因局部放电分解产生的粒子与铜原子的反应，提升了气-固界面稳定性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法，其特征在于，包括以下步骤：将含铜金属部件置于乙酸盐混合溶液中，在含铜金属部件上施加直流电压，加热反应，使得部件表面的含铜材料在电场作用下发生深晶格重建形成Cu（110）晶面，以形成钝化层；反应过程中，含铜金属部件为10~100V正电位，溶液接地。
2.根据权利要求1所述的环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法，其特征在于：所述含铜金属部件为由铜金属和其他金属形成的合金材料，包括紫铜、黄铜、铜钨合金中的一种或者多种。
3.根据权利要求1所述的环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法，其特征在于：所述乙酸盐包括乙酸钠、乙酸铵中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法，其特征在于：所述乙酸盐的混合溶液由乙酸盐和极性溶剂混合形成，极性溶剂包括水、乙醇中的一种或两种。
5.根据权利要求4所述的环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法，其特征在于：所述乙酸盐和极性溶剂的质量比为1:100~10:100。
6.根据权利要求1所述的环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法，其特征在于：所述含铜金属部件和乙酸盐混合溶液的质量比为1:10~1:2。
7.根据权利要求1所述的环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升方法，其特征在于：所述加热反应温度为50~70℃，反应时间为12~24小时。
8.环保气体绝缘设备含铜部件界面稳定性提升装置，其特征在于，用于实施权利要求1-7任一项所述的方法，该装置包括：
密闭容器，用于盛装乙酸盐的混合溶液；
直流高压电极，用于连接含铜金属部件；
加热热源，设置于密闭容器中；
接地电极，用于将混合溶液接地。
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