CN1284190C - 可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层及制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层及制备工艺。涂层由环氧树脂、氢氧化铝、改性合成胺类固化剂、丁基缩水甘油醚类稀释剂组成；制备工艺包括配料、烘干、抽真空、搅拌、升温固化、冷却脱模步骤；用本发明工艺制备的涂层经测试，与常用材料，尼龙，有机玻璃，纯环氧树脂相比，老练闪络电压上有一定程度的提高，与真空绝缘子本体材料相比，具有更高的沿面闪络电压值，同时具有耐电弧烧灼的能力，可以抗树枝化放电，经历多次闪络放电以后，绝缘性能不下降，机械性能良好，易加工制作，与本体材料附着力强，不易剥落，成本低廉。

Description

可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层及制备工艺

技术领域

本发明属于真空高压绝缘技术领域，涉及一种可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层及制备工艺。

背景技术

绝缘子在各种电力设备和许多现代真空器件中被大量采用，同时也在大型尖端设备中得到应用，如X射线管，高功率微波管，粒子加速器等，起到高压绝缘，真空密封和支持固定的作用。在真空中应用绝缘子，存在着一个特殊现象：当在一个真空间隙中加入一个绝缘子支撑后，该绝缘体系在一个较低的电压下被击穿，发生在绝缘子的表面，这种现象称为绝缘子的沿面闪络击穿。也就是说，绝缘子的表面耐电压强度远低于同尺寸的真空间隙和绝缘子体的耐电压强度。

沿面闪络现象严重影响了系统的耐电压性能和可靠性。例如，真空的临界击穿场强约为35kV/mm，氧化铝陶瓷约为40kV/mm，而真空-氧化铝系统的沿面闪络通常在几kV/mm的电场下就会发生。据报道，美国斯坦福大学线形加速器中心的调速管，美国能源部的加速器，俄罗斯国家核物理实验室的高功率脉冲发生器以及日本高能物理国家实验室的加速器都曾发生过由于真空中绝缘子沿面闪络而引发的严重事故。由于真空中绝缘子沿面闪络现象严重影响了电真空器件的耐电压性能和工作可靠性，制约了真空绝缘系统电气强度的提高，因此，从60年代开始，美国、日本、法国的科学家投入了大量精力和经费对这一现象进行了研究，企图弄清楚真空中绝缘子沿面闪络现象的形成机理以及影响因素，同时寻求防止绝缘子沿面闪络、提高沿面闪络电压的方法。但是到目前为止，还没有一种假说能够完美地解释真空中绝缘子沿面闪络的所有实验现象，目前的研究，主要集中在了两个方面，沿面闪络的物理机制和提高闪络电压的方法。为了提高真空绝缘子的耐电压等级，国内外的学者做了大量的工作，比如屏蔽交界区，改变绝缘子形状和电极结构设计以降低交界区的电场，改变绝缘子的角度以避免二次电子回到绝缘子表面等，这些技术被证明在不同程度上有效。但是，从绝缘材料本身出发，以提高绝缘子性能为手段来提高沿面闪络电压的研究却很少。仅有的研究集中在陶瓷绝缘子上。对于有机材料绝缘子真空表面的研究更是缺乏相关的资料。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明目的是提供一种既能提高绝缘性能，又能控制成本和简化工艺的简单易行、成本低廉的解决真空绝缘子的沿面闪络问题的途径。

研究结果表明，降低真空绝缘子表面电阻率或提高真空绝缘子表面电导率，有助于二次电子发射以后留下的正电荷的流动，从而降低空间电场，减少场致电子和二次电子的发射，在一定程度可提高沿面闪络电压。同时由于真空绝缘子本体材料的可选择性有限，现有的材料又存在着种种问题，考虑到工艺的可操作性、简便性、成本的控制，以及国内大型真空绝缘子加工能力的限制，因此，综合上述因素，本发明提高沿面闪络电压值的技术解决方案不是开发新型绝缘子本体材料，而是采用在原有绝缘子表面覆盖一层涂层材料的办法，首先寻找可降低真空绝缘子表面电阻率或提高表面电导率从而提高沿面闪络电压的涂层材料，然后提供该涂层的制备工艺。

根据上述发明构思，涂层材料的选择，必须满足以下几项标准：1、与本体材料相比，具有更高的沿面闪络电压值。2、具有耐电弧烧灼的能力，可以抗树枝化放电，经历多次闪络放电以后，绝缘性能不下降。3、机械性能良好，易加工制作。与本体材料附着力强，不易剥落。4、成本低廉。

本发明可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层，采用可以直接浇注的、成本低廉的、附着牢固的且机械性能良好的热固型材料和可提高耐电痕性材料以及配合使用的固化剂、稀释剂，其特征在于：所述的可提高沿面闪络电压值的真空绝缘子涂层由环氧树脂、氢氧化铝、改性合成胺类固化剂、丁基缩水甘油醚类稀释剂组成；其质量百分比为：环氧树脂20％～62.5％；氢氧化铝0％～60％；改性合成胺类固化剂13％～37.5％；丁基缩水甘油醚类稀释剂0％～6.6％。

所述的环氧树脂是指粘度≤2.5，环氧当量为185～208(g/mol)，环氧值0.48～0.54(mol/100g)，常温下为液态的环氧树脂；所述的氢氧化铝是指经过偶联剂处理的、颗粒直径在2μm～3μm之间的氢氧化铝粉末；所述经过偶联剂处理的、颗粒直径在2μm～3μm之间的氢氧化铝粉末是指用氢氧化铝粉末质量0.05％的偶联剂溶液加入到氢氧化铝粉以后，放入70～90℃的水浴中，搅拌2～3个小时，再放入烘箱，80～120℃烘干；所述经过偶联剂处理的、颗粒直径在2μm～3μm之间的氢氧化铝粉末是指还可以直接将氢氧化铝粉末、乙醇、偶联剂按质量为100∶5∶0.1的比例配制，充分搅拌后放进烘箱，80～120℃烘干。

本发明可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将环氧树脂、氢氧化铝粉末、改性合成胺类固化剂、丁基缩水甘油醚类稀释剂按质量百分比20％～62.5％∶0％～60％∶13％～37.5％∶0％～6.6％配比称量；

步骤2、将按配比称量好的环氧树脂，改性合成胺类固化剂和丁基缩水甘油醚类稀释剂分别放入烘箱在50～70℃下加热20分钟，然后放入真空干燥箱中在-0.001MPa(真空度100)下抽真空30～60分钟，除去原料中的水分和气泡；

步骤3、将环氧树脂与改性合成胺类固化剂混合，一边搅拌一边缓慢加入氢氧化铝粉末和丁基缩水甘油醚类稀释剂直到完全混合；用电动搅拌机搅拌30～60分钟后，放入烘箱中50～70℃加热20分钟，再次在-0.001MPa(真空度100)下抽真空30～60分钟，然后取出排除浮在表面的气泡；必要时，重复本步骤搅拌、加热及抽真空工序1～2次。

步骤4、将无气泡的原料浇铸入各类真空绝缘子模具中在80～120℃下升温固化1～3小时；

步骤5、冷却至室温，脱模，取出，进行表面电阻率和沿面闪络电压值测试。

本发明的效果：

通过表面涂层材料，有效地提高了真空有机材料绝缘子的表面电导率，从而提高了沿面闪络电压。添加了氢氧化铝的环氧树脂和纯环氧相比，提高了30％以上。其闪络电压值已经超过了常用的尼龙，有机玻璃。环氧树脂是优良的绝缘材料，成本低廉而且机械性能良好。由于环氧树脂是热塑型材料，可以直接浇注在真空绝缘子本体材料的表面上，附着牢固。向环氧树脂添加水合氧化铝(氢氧化铝)，可使绝缘子表面具有一定的暂态电导率，从而释放掉表面沉积的正电荷，或者改善绝缘子表面的电荷分布的均匀性，一定程度上抑制了树枝状损坏。加入含有结晶水的氢氧化铝粉末，可以有效地提高材料的耐电痕性，氢氧化铝的作用，一是在放电作用下引起内氧化过程，把放电中产生的游离炭氧化成挥发性炭。从而在表面上清除掉炭，反应中产生的Al₂O₃在氧化过程中起催化剂的作用。二是放电时的高温使水合氧化铝放出结晶水(240℃)，同时形成强烈的气流，冲刷掉沉积于材料表面上的炭粒。因此，填料中含有的结晶水越多，这种气流的冲刷作用越强，越能显著提高材料的耐电痕性。三是提高了材料的导热性，在真空中，由于散热困难同样是个不可忽视的问题。出于成本和制作工艺因素的考虑，在原材料的选择上全部立足于国内产品。

附图说明

图1是Al(OH)₃含量对复合材料的表面电阻率的影响坐标图。

其中：图1中横坐标为Al(OH)₃质量百分比，纵坐标为表面电阻率；使用KEITHLEY-6517型高阻计测量试样的表面电导，夹具使用8009型。对不同Al(OH)₃含量的复合材料试样测试表面电阻率，实验测试了从纯环氧树脂到60％添加氢氧化铝的环氧树脂的ρ_s，从图中可看出，随着Al(OH)₃含量的增加复合材料的表面电阻率呈下降趋势，符合预期结果。

              表1常用绝缘材料的真空闪络电压

有关测试简要说明：

(1)表面电阻率：

根据I.S.Roth的试验，真空绝缘子表面电导率的提高，可以有效的提高沿面闪络电压。但是这两者之间的关系并非符合线性。实验测试了从纯环氧树脂到60％添加氢氧化铝的环氧树脂的ρ_s，本文使用KEITHLEY-6517型高阻计测量试样的表面电导，夹具使用8009型。对不同Al(OH)₃含量的复合材料试样测试表面电阻率(式样表面经过打磨抛光，乙醇擦洗处理)。

(2)试验材料真空沿面闪络电压值：

实验使用直径10mm、厚1mm的圆片状复合环氧作为沿面放电实验的绝缘材料。先用酒精清洗，再两面压上圆形不锈钢电极片做电极，电极片直径21mm，厚度1mm，电极间距5mm。最后将试品固定在塑料支架上，放入实验装置。实验在一个真空腔内进行，利用两台真空泵抽真空以确保真空度5.8E-4Pa，实验电压通过高压探头(Tektronix P6015A，带宽75MHz)取样后送入数字示波器(LeCroyLC574AM，带宽1GHz，单次采样2GS/s)脉冲电压波形为雷电波。上升沿400ns，波尾6ms。对试样加压一般从5kV开始每个电压等级施加10次，每次升压幅度约2kV，直到发生第一次闪络。试验中发生第一次闪络的电压值称为首次闪络电压V_bd(First breakdown voltage)；升压过程直到出现连续三次加压发生闪络时的闪络电压被称为老练电压值V_co(conditioned voltage)；10次重复试验中出现4～6次闪络现象时的电压称为50％闪络电压V_50％。样品有常用于真空绝缘子材料的尼龙，聚氨酯，PE(聚乙烯)，PMMA(有机玻璃)，纯环氧，和添加了不同比例的氢氧化铝的环氧。由此可以看出，与常用材料，尼龙，有机玻璃，纯环氧树脂相比，添加了氢氧化铝的环氧树脂在首次闪络电压，老练闪络电压上都有一定程度的提高。达到了聚氨酯材料和聚乙烯同样的闪络电压值。

(3)漏电起痕试验：

国际上常用的耐漏电起痕和电蚀的试验方法有：滴液法，斜面法，转轮法，尘雾法以及盐雾法。本试验采用的是斜面法，按照GB 6553-86进行试验，等同于国际电工委员会标准IEC587(1984)。标准规定了两种试验方法：恒压法和逐级升压法。本试验采用逐次升压法。

   表2.材料的耐漏电起痕的级别

材料	耐电级别
		纯环氧树脂	2B1.25kV
40％添加环氧	2B3.00kV
		60％添加环氧	2B3.75kV

试验证明，添加了氢氧化铝的环氧树脂，其耐受电弧烧灼的能力大为提高，可以有效地低于绝缘子表面的树枝化放电。

具体实施方式

本发明在具体实施中选用以下涂层材料：

(1)环氧树脂：无锡树脂厂生产的WSR618。环氧当量为185～208(g/mol)，环氧值0.48～0.54(mol/100g)，化学式如下：

(2)固化剂：无锡树脂厂研究所WSR-H023。WSR-H023是由特殊胺类改性合成的环氧树脂固化剂，其粘度低、色泽无色透明，耐药品性能优良，适用于无溶剂型涂料及浇铸、粘接之用，可操作期长，加热固化其物性更佳。化学式如下：

(3)稀释剂：上海树脂厂生产的501。它主要成分为丁基缩水甘油醚，其分子式为：

(4)氢氧化铝：上海产，颗粒直径在2.00μm～3.00μm之间。为了改善粒子的分散度，提高例子的表面活性，改善粒子与基体材料之间的相容性，用华东偶联剂厂生产的KH-560型硅烷偶联剂对其进行处理。

将上述涂层材料分别按不同配比结合制备工艺具体实施。

实施例1：具体制备工艺包括以下步骤：

1、将环氧树脂、氢氧化铝粉末、改性合成胺类固化剂、丁基缩水甘油醚类稀释剂按质量百分比66％∶20％∶13％∶0％配比称量；

2、将按配比称量好的环氧树脂，改性合成胺类固化剂和丁基缩水甘油醚类稀释剂分别放入烘箱在50℃下加热20分钟，然后放入真空干燥箱中-0.001MPa(真空度100)下抽真空30分钟，除去原料中的水分和气泡；

3、将环氧树脂与改性合成胺类固化剂混合，一边搅拌一边缓慢加入氢氧化铝粉末和丁基缩水甘油醚类稀释剂直到混和完全；用电动搅拌机搅拌30分钟后，放入烘箱中50℃加热20分钟。再次在-0.001MPa(真空度100)下抽真空30分钟，然后取出排除浮在表面的气泡；

4、将无气泡的原料浇铸入各类真空绝缘子模具中在80℃下升温固化2小时；

5、冷却至室温，脱模，取出，进行表面电阻率和沿面闪络电压值测试。

实施例2：

1、将环氧树脂、氢氧化铝粉末、改性合成胺类固化剂、丁基缩水甘油醚类稀释剂按质量百分比50％∶30％∶15％∶5％配比称量；

2、将按配比称量好的环氧树脂，改性合成胺类固化剂和丁基缩水甘油醚类稀释剂分别放入烘箱在60℃下加热20分钟，然后放入真空干燥箱中在-0.001MPa(真空度100)下抽真空60分钟，除去原料中的水分和气泡；

3、将环氧树脂与改性合成胺类固化剂混合，一边搅拌一边缓慢加入氢氧化铝粉末和丁基缩水甘油醚类稀释剂直到完全；用电动搅拌机搅拌50分钟后，放入烘箱中60℃加热20分钟。再次在-0.001MPa(真空度100)下抽真空60分钟，然后取出排除浮在表面的气泡；

4、将无气泡的原料浇铸入各类真空绝缘子模具中，升温固化：80℃/2小时+100℃/2小时；

5、冷却至室温，脱模，取出，进行表面电阻率和沿面闪络电压值测试。

实施例3：

1、将环氧树脂、氢氧化铝粉末、改性合成胺类固化剂、丁基缩水甘油醚类稀释剂按质量百分比20％∶60％∶13.3％∶6.6％配比称量；

2、将按配比称量好的环氧树脂，改性合成胺类固化剂和丁基缩水甘油醚类稀释剂分别放入烘箱在60℃下加热20分钟，然后放入真空干燥箱中在-0.001MPa(真空度100)下抽真空60分钟，除去原料中的水分和气泡；

3、将环氧树脂与改性合成胺类固化剂混合，一边搅拌一边缓慢加入氢氧化铝粉末和丁基缩水甘油醚类稀释剂直到完全；用电动搅拌机搅拌60分钟后，放入烘箱中60℃加热20分钟。再次在-0.001MPa(真空度100)下抽真空60分钟，然后取出排除浮在表面的气泡；

4、重复步骤3一次，用电动搅拌机搅拌60分钟后，放入烘箱中60℃加热20分钟。再次在-0.001MPa(真空度100)下抽真空60分钟，然后取出排除浮在表面的气泡；

5、将无气泡的原料浇铸入各类真空绝缘子模具中，升温固化：80℃/2小时+120℃/2小时。

6、冷却至室温，脱模，取出，进行表面电阻率和沿面闪络电压值测试。

Claims (5)

1、可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层，采用热塑型材料、耐电痕性材料和固化剂、稀释剂，其特征在于：所述的可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层由环氧树脂、氢氧化铝、改性合成胺类固化剂、丁基缩水甘油醚类稀释剂组成；其质量百分比为：环氧树脂50％；氢氧化铝30％；改性合成胺类固化剂15％；丁基缩水甘油醚类稀释剂5％。

2、根据权利要求1所述的可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层，其特征在于：所述的氢氧化铝是指经过偶联剂处理的、颗粒直径在2μm～3μm之间的氢氧化铝粉末。

3、根据权利要求2所述的可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层，其特征在于：所述经过偶联剂处理的、颗粒直径在2μm～3μm之间的氢氧化铝粉末是指用氢氧化铝粉末质量0.05％的偶联剂溶液加入到氢氧化铝粉以后，放70～90℃的水浴中，搅拌2～3个小时，再放入烘箱，80～120℃烘干而得到的产物。

4、根据权利要求2所述的可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层，其特征在于：所述经过偶联剂处理的、颗粒直径在2μm～3μm之间的氢氧化铝粉末是指还可以直接将氢氧化铝粉末、乙醇、偶联剂按质量为100∶5∶0.1的比例配制，充分搅拌后放进烘箱，80～120℃烘干而得到的产物。

5、一种根据权利要求1所述的可提高沿面闪络电压的真空绝缘子涂层制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将环氧树脂、氢氧化铝粉末、改性合成胺类固化剂、丁基缩水甘油醚类稀释剂按质量百分比50％∶30％∶15％∶5％配比称量；

步骤2、将按配比称量好的环氧树脂，改性合成胺类固化剂和丁基缩水甘油醚类稀释剂分别放入烘箱在50～70℃下加热20分钟，然后放入真空干燥箱中在-0.001MPa下抽真空30～60分钟，除去原料中的水分和气泡；

步骤3、将环氧树脂与改性合成胺类固化剂混合，一边搅拌一边缓慢加入氢氧化铝粉末和丁基缩水甘油醚类稀释剂直到完全混合；用电动搅拌机搅拌30～60分钟后，放入烘箱中50～70℃加热20分钟，再次在-0.001MPa下抽真空30～60分钟，然后取出排除浮在表面的气泡；必要时，重复本步骤搅拌、加热及抽真空工序1～2次；

步骤4、将无气泡的原料浇铸入各类真空绝缘子模具中在80～120℃下升温固化1～3小时；

步骤5、冷却至室温，脱模，取出，进行表面电阻率和沿面闪络电压值测试。

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