CZ2001431A3

CZ2001431A3 - Způsob výroby elektrického izolátoru

Info

Publication number: CZ2001431A3
Application number: CZ2001431A
Authority: CZ
Inventors: Johannes Liebermann; Alfred Dr. Baalmann; Klaus Vissing; Otto-Diedrich Hennemann
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft; Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewand
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2002-02-13
Also published as: NO20010658D0; JP2002522876A; WO2000008658A3; US6497923B2; DE19835883A1; NO20010658L; EP1114427A2; WO2000008658A2; CN1312945A; US20010015284A1; BR9912783A

Description

Oblast techniky u

ř k' í r

kí’ r

Vynález se týká způsobu výroby elektrického izolátoru, přičemž se na tvarové téleso izolátoru nanáší hydroíobní plazmapolymerový povlak.

Dosavadní stav techniky

Pod elektrickým izolátorem se přitom rozumí každá elektricky izolující konstrukční součástka v elektrickém obvodu nebo v elektrickém zařízení. Takovou izolující součástkou je například závěrná vrstva, použitá v elektrickém obvodu, izolující opláštění vodiče, vedoucího proud, nebo deska s plošnými spoji. Elektrickým izolátorem ve smyslu předkládaného dokumentu je ale zejména také izolátor, jak se používá v elektrické spínací technice k vedení nebo držení od sebe vedení, vedoucích proud. Pod elektrickým izolátorem se zejména rozumí vysokonapéťový izolátor, jak se používá k vedení nebo držení od sebe venkovních vedení silnoproudé techniky. Také izolující pouzdro vysokovýkonového polovodiče nebo elektrického spínacího členu, jako například tyristoru nebo tyratronu, představuje elektrický izolátor ve smyslu předloženého dokumentu.

Elektrické izolátory se zhotovují z velkého množství různých materiálů. Hlavně se ale používají umélá hmota, sklo a keramika, zejména porcelán. Výroba elektrického izolátoru z tvarovatelné suroviny a následovného vytvrzení.

Vytvrzení se přitom uskutečňuje podle použitého materiálu ochlazováním, působením světla nebo v případě keramiky vypalováním.

ú

Tvarovaný izolátor, který

se také může skládat z několika dílčích členů z různých materiálů (potom se hovoří o sdruženém izolátoru), se dále označuje jako tvarové těleso. Výroba takového tvarového tělesa elektrického izolátoru je obecně stavem techniky. Například pro výrobu keramického vysokonapěťového izolátoru budiž uveden firemní spis Siemens High-Voltage Ceramics for all Applications-by the Pioneer of Power Engineering! ¹¹, obj . č. A 96001-U10-A444-X-7600, 1997.

Pokud se elektrický izolátor používá delší dobu, podléhá v závislosti na místě použití více nebo méně silnému povrchovému znečištění, které může znatelně zhoršit původní izolační schopnosti čistého izolátoru. Dochází např. k povrchovým přeskokům, podmíněných znečištěním. Protože se drsný povrch rychleji znečišťuje než hladký, opatřuje se např. keramický izolátor povrchovou glazurou, která izolátor technicky vylepšuje, také pro jiné elektrické izolátory je nanášení špínu odpuzujících laků nebo povlaků ke zmenšení povrchového znečištění v dlouhodobém chování běžné.

Stejný problém ztráty izolačních vlastností existuje, když se elektrický izolátor používá ve vlhkém prostředí nebo při vysoké vlhkosti vzduchu, nebo je venku vystaven vlhkým povětrnostním vlivům jako je mlha nebo déšť. Kondenzováním nebo deštěm se na povrchu e Při jejím odpaření zůstaávají lpět na povrchu izolátoru, vytváří povrchové znečištění, čistého izolátoru. Ani lektrického izolátoru sráží voda, jednou rozpuštěné částice špíny Po určité době se proto opět které zhoršuje izolační chování hladký povrch nezabraňuje tomuto znečištění. Stejný problém šě vyskytuje, když se izolátor používá v okolí obsahujícím sůl, jako například v blízkosti pobřeží nebo v blízkosti průmyslových oblastí.

Aby se zabránilo brzkému přeskoku podél vlhkého nebo znečištěného povrchu izolátoru.

muse jí se upravovat (» vysokonapěťové izolátory s takzvanými štítovými žebry, čímž se značně zvětšuje povrchová dráha na povrchu mezi částmi, které je třeba od sebe izolovat. Toto nákladné opatření ale vyžaduje vysoké materiálové náklady a vede k vysokým výrobním nákladům.

Jako řešení pro uvedený problém povrchového znečištění především také ve vlhkém okolí je z firemního spisu Siemens

SIMOTEC Verbindungsisolatoren:

Ihr Schlussel zu einer neuen

Generation von Schaltanlagen objednací č. A96001-U10-A413,

1996, znám takzvaný spojovací izolátor, který má štítová žebra ze silikonového kaučuku.

Hydroíobní povrch silikonového kaučuku působí proti tvorbě vodního íilmu a proti ulpívání cizích vrstev.

Voda, zkondenzovaná na povrchu takového izolátoru vypění spolu s cizími látkami, rozpuštěnými ve vodě, aniž by se při tom tvořil film z nečistot.

Silikonový kaučuk má ale ve vlhkém okolí kvůli své hydroíobní povrchové vlastnosti sklon k postupnému ukládání vody .

Toto vede při vysoké vlhkosti okolního vzduchu k přechodnému poklesu izolačního chování a v případě vysokých napětí, která je třeba izolovat, ke zničení izolátoru při přeskocích.

Kvůli ukládání vody se totiž přeskok už neuskutečňuj e podél povrchu, nýbrž částečně skrz vlastní izolátor. Se stejnými negativními účinky se do povrchu šili konového kaučuku ukládají částice prachu a špíny.

Další návrh k doplnění hydroíobního povlaku na elektrickém izolátoru je znám z publikace Insulators Glazé

Modiíied by

Plasma

Processes,

Tyman, A.; Pospieszna, I.;

Iuchniewicz,

I. ; gt»

Internátional Symposium oí Hign Voltage

Engi neeri ng,

Graz, 28 srpen až 01. září 1995. Přitom se pomocí procesů zpracování plazmatu vyrábí na glazuře keramiky hydroíobní, plazmapolymerní povlak. K tomu se v prvním pracovním kroku v uzavřené nádobě vytváří plazma z netečných plynů, zde z argonu, aby se alkalické ionty jako sodík nebo • · · ·

Λ Λ · ··· ·; . ......

’ : · : .i. : ..... .....

draslík, nacházející se v glazuře, pomocí bombardování plynem uvolnily pryč z povrchu. Po tomto povrchovém ošetření se do nádoby vpouští jako pracovní plyn hexametyldisiloxan (HMDSO) a z tohoto plynu se při tlaku více než 1,12 mbar opět vytváří plazma. Plazmapolymerizačním procesem se odstraněné alkalické i onty nahrazu j í skupinami. Přitom

Hydrofobnost a chemicky pevně vázanými hydrofobními se tvoří plazmapolymerní, hydroíobní povlak.

přilnavost plazmapolymerního povlaku je nevýhodně závislá na typu glazury. Tak se ukazuje, že hnědá glazura.

která má mnohem méně sodíkových iontů než bílá glazura.

nabízí lepší předpoklady pro proces plazmapolymerizace a poskytuje příznivé chemické sloučeniny k tvorbě hydroíobní vrstvy.

Známý způsob vytváří proto pomocí plazmapolymerizace ř hydrofobní povlak na glazuře keramického izolátoru, přičemž ή

r kvalita povlaku je ale silně závislá na složení glazury.

Způsob se prováděl v leidenské láhvi na velmi malých kouscích keramiky. Nehodí se k povlékání velkých elektrických izolátorů.

Úkolem vynálezu je, uvést způsob výroby pro elektrický izolátor, přičemž se na tvarové těleso izolátoru nanáší hydroíobní plazmapolymerní povlak. Hydroíobní plazmapolymerní povlak se přitom má nanášet se stejnou kvalitou nezávisle na materiálu tvarového tělesa nebo na materiálu jeho povrchu. Způsob výroby se má dále rovněž hodit pro izolátory libovolné velikosti, tzn. pro izolátory v mikroelektronice až po vysokonapěťové izolátory o několika metrech délky. Nanesený plazmapolymerní povlak má být stálý a tvřdý “jakož má být pevně spojen s materiálem tvarového tělesa.

Podstata vynálezu

Tento úkol se podle vynálezu řeší způsobem výroby —f > 5 :ί · · · výroby • · ·

99

Tento úkol se podle vynálezu řeší způsobem elektrického izolátoru, přičemž se na tvarové těleso izolátoru nanáší hydroíobní plazmapolymerní povlak, s následujícími kroky tvarové těleso se umisťuje do evakuovatelné komory plazmareaktoru, komora se evakuuje.

do komory se vpouští nepolární plyn nebo plyn, mající nepolární skupiny, při kontinuálním průtoku plynu se v komoře nastavuje pracovní tlak mezi 1 . 10~⁵ mbar

10^-1 mbar.

vytvořením elektrického pole se z pracovního plynu tvoří plazma, přičemž se nastavuje elektrický příkon na objem komory mezi 0,5 kilowatt/m³ a 5 kilowatt/m³ a průtok plynu na objem komory mezi 10 sccm/m³ a 1000 sccm/m³,

- plazma se udržuje alespoň tak dlouho, až je na povrchu tvarovaného tělesa vytvořen uzavřený povlak plazmapolymeru, vytvořeného z plazmatu pracovního plynu,

- pole se vypíná a z komory se vyjímá se hotový povlečený izolátor.

Jednotka sccm je jednotka, běžná v technice plazmatu, znamená standardní centimetr krychlový (anglicky: standard cubic centimeter), a označuje objem plynu, přepočítaný na standardní podmínky. Standardní podmínky jsou definovány teplotou 25 °C a tlakem 1013 mbar.

Vynález přitom vychází ze skutečnosti, že podle stavu techniky se u způsobu výroby hydroíobního plazmapolymerního povlaku na glazuře keramického izolátoru používá pracovní tlak více než 1,12 mbar. U tohoto relativně vysokého pracovního tlaku je střední volná dráha mezi ionizovanými molekulami plazmatu relativně malá. Proto dochází již v plazmatu vzájemným působením ionizovaných molekul k polymerizaci a k vylučování vytvářené substance. Na povrchu samotného

- 6 izolátoru, na kterém by se vlastně měl vytvářet plazmapolymer, dochází k nehomogenitám povlaku. Podle stavu techniky se na povrchu substrátu, který je třeba povlékat, vytváří bombardování ionty. Toto bombardování ionty je nehomogenní. Tímto způsobem už nejsou odstíněné oblasti substrátu, který je třeba povlékat, dosahovány ionizovanými molekulami plazmatu, takže se tam nemůže uskutečňovat žádné povlékání plazmapolymerem. Při pracovním tlaku více než 1 mbar se nyní může vytvářet rovnoměrný homogenní povlak substrátu jenom pro rovný a málo rozměrný substrát. Prostorové rozpínání plazmatu se přitom může pohybovat jenom v málo centimetrech. Výzkumy totiž udaly, že u prostorového rozpínání plazmatu více než 50 cm už není z fyzikálních důvodů možný homogenní povlak při pracovním tlaku více než 1 mbar.

U způsobu podle stavu tecniky k povlékání glazury keramického izolátoru se ale pracovní tlak nemůže jednoduše zmenšovat, protože se potom už nenechá dosáhnout opracování předupravené glazury pomocí iontů plazmatu.

Náhrada alkalických iontů, vyrážených z glazury, chemicky pevně vázanými skupinami vytvářeného plazmapolymeru se potom už nenechá dosáhnout.

Překvapivě se nyní zjistilo. Že tehdy, když se pracovní tlak nastavuje na 1 . 10^-s mbar až 5 . 10^_1 mbar, se nechá dosáhnout trvanlivého plazmapolymerního povlaku, když se dodatečně plazma tvoří při elektrickém příkonu na objem komory mezi 0,5 a 5 kiiowatt/m³ a při průtoku plynu na objem komory mezi 10 a 1000 sccm/m³.

Dodatečně dále překvapivě se zjistilo.

že plazmapolymerní povlak, vytvářený při takovém postupu, je nezávislý na materiálu zvoleného izolátoru. Také není zapotřebí žádná předúprava povrchu izolátoru, aby se např.

vyrážením alkalických iontů z glazury pomocí bombardování

	- 7 -	• ··♦ M : .· · • · ·· Φ ·	* ·· ·· » · • 9 · • · * · e · · ··· *·	0« • · • · 9 · « ♦ ··	• • · • • •
argonem vytvořil reaktivní	povrch,	na který se	potom	chemicky
váže plazmapolymer.	Při	zvoleném	pracovním	tlaku	a	při

zvoleném příkonu se zřetelné zesíťuje vytvořený plazmapolymer mezi sebou tak dobře, že vůbec nedochází k chemické vazbé na povrch izolátoru. Z plazmapolymeru se vytváří odolný proti opotřebení a tvrdý povlak z plazmapolymeru. Pomocí nepolárního, nebo nepolární skupiny obsahujícího, pracovního plynu, vzniká málo reaktivní, tzn. energeticky chudý plazmapolymerní povrch jako povlak na povrchu izolátoru. Tento povrch je ve velké míře hydroíobní, tzn. odpuzující vodu. Plazmapolymerový povlak je dodatečně odolný vůči UV-vlivům. Podobný povlak nebo vrstva dále nepřijímá žádnou vodu. Zamezuje se také vnikání částic prachu a nečistot do povrchu.

U uvedeného pracovního tlaku nedochází k orientovanému pohybu součástí plazmatu. Nedochází k bombardování ionty. Díky relativně velké střední volné dráze složek plazmatu nedochází ještě v plazmatu, nýbrž teprve na místě vzorku, který chceme povlékat, k polymerizaci. Také pro izolátory velkých rozměrů se nechá dosáhnout homogenního povlaku.

Výraz plazmapolymer označuje, vytvořený pomocí plazmatického způsobu, polymer, který na rozdíl od polymeru, vytvořeného běžným chemickým způsobem, má podstatně větší zesíťování jednotlivých skupin molekul mezi sebou, není orientovaný, nýbrž amorfní a k tomu má podstatně vyšší hustotu. Plazmapolamer se například vůči vyznačuje rozšířením červených oscilačních běžnému polymeru pásem, měřených

Způsob podle vynálezu nabízí výhodu, že se nechá vyrábět elektrický izolátor s trvanlivým, odolným vůči opotřebení a vysokostupňově hydroíobním plazmapolymerním povlakem. Velikost a materiál tvarového tělesa izolátoru, upraveného k povlékání, nehrají žádnou roli. Způsob je vzhledem k tomu vhodný zejména pro izolátory s velkými rozměry, jako např. vysokonapěťové izolátory s délkami několik metrů.

V jednom přednostním provedení vynálezu je elektrický příkon na objem komory mezi 1 kilowatt/m³ a 3,5 kilowatt/m³.

Další výhodou je, když se průtok plynu na objem komory nastavuje mezi 20 sccm/m³ a 300 sccm/m³.

Pro stabilitu plazmapolymerového povlaku a pro ochranu £ tvarového tělesa před vnějšími vlivy je výhodné, když se plazma udržuje tak dlouho, až má plazmapolyměrový povlak tloušťku vrstvy mezi 100 nm a 10 j_tm.

*

K vyčištění od oxidovátélných složek jako oleje nebo . tuky, které ulpívají na povrchu tvarového tělesa, je výhodné,

I při evakuování komory takovým způsobem dávkovat do komory plyn obsahující kyslík, zejména vzduch, že v komoře je přechodně tlak mezi 1 a 5 mbar, přičemž zároveň se v plynu zažehává plazma po dobu mezi 1 vteřinou a 5 minutami. Tímto způsobem existuje oxidace povrchového znečištění. Oxidované složky se desorbují. Po tomto ošetření existuje čistý povrch tvarového tělesa izolátoru.

V dalším přednostním provedení vynálezu se plazma zažehává taktované. Ukázalo se, že tímto způsobem se může zvyšovat homogenita plazmapolymerního povlaku.

Při taktovaném zážehu je výhodné, když se plazma zažehává ------ taktovací frekvencí od 0,1 do 100 Hz.

Zážeh plazmatu vytvořením elektrického pole se může dít známým typem a způsobem. Tak se může elektrické pole modulovat pomocí mikrovlnného generátoru, induktivně nebo kapacitně. Z výzkumů nyní vyplývá, že zejména k ošetření tvarových těles • ···· · ·· • · · · · velkých a do délky sahajících izolátorů se zvláště hodí zážeh plazmatu přiložením napětí na elektrody, uspořádané na komoře. Jedna elektroda je přitom vytvořena např. na způsob tyče, zatímco druhá elektroda se tvoří vlastní stěnou komory. Také .se mohou používat dvě proti sobě ležící elektrody na způsob tyče. Při zážehu plazmatu pomocí elektrod se i těžko přístupné povrchové části tvarového tělesa bezpečně potahují plazmapolymerem.

· Plazma se principiálně může vytvářet časově konstantním ) elektrickým polem. Výhodné ale je, když elektrickým polem je elektrické střídavé pole s frekvencí mezi 1 kHz a 5 GHz.

i Skutečně použitá frekvence je přitom závislá na použitém * pracovním plynu.

V dalším přednostním provedení vynálezu se v komoře nastavuje pracovní tlak mezi 1 . 10~³ mbar a 1 . 10“¹ mbar.

Zvláště příznivé pro výrobu plazmapolymerního povlaku je, když se jako pracovní plyn používá uhlovodík, zejména acetylén a/nebo metan.

Pro kvalitu vytvořeného plazmapolymerního povlaku na tvarovém tělese izolátoru je výhodné, když se jako pracovní plyn používá křemíkově organická nebo fluoroorganická sloučenina. Plazmapolymer, vytvořený z plazmatu těchto sloučenin, se vyznačuje vysokostupííovým zesíťováním jednotlivých molekulových skupin mezi sebou. Na základě tohoto zesíťování je vytvořený povlak co možná nejstabilnější a .chráněný. proti- cizím vlivům. Má vysokou tvrdost. Plazmapolymery, které byly vytvořeny z plazmatu nepolárních, nebo nepolární skupiny majících, křemíkově organických nebo íluororganických sloučenin, k tomu mají vysokou a trvalou hydrofobnost.

IQ ···· · ♦· ··

Zvláště příznivé pro hydrofobnost, tvrdost a kvalitu plazmapolymerního povlaku je, když se jako pracovní plyn používají hexametyldisiloxan, tetraetylortosi1ikát, viny1trimetylsi1an nebo oktofluorcyklobutan. Také směs jmenovaných plynů rovněž poskytuje dobrý výsledek.

V dalším přednostním provedení vynálezu se k pracovnímu plynu přimíchává přídavný plyn. Přitom je výhodné, když přídavným plynem je vzácný plyn, halogen, zejména fluor, kyslík, dusík nebo jejich směs.

Způsob výroby plazmaticky povlečeného izolátoru se hodí zejména pro vysokonapěťový izolátor. Vysokonapěťový izolátor může mít rozměry od několika centimetrů až do několika metrů. Způsob se hodí zejména pro tyčový izolátor, jak se používá k podepření venkovních vedení. Takový izolátor se vyrábí jako tvarové těleso s určitým počtem diskovitých štítových žeber, aby se tímto způsobem zvětšila povrchová cesta mezi oběma konci izolátoru. Takový izolátor nabízí bezpečnou ochranu proti přeskokům, i když je jeho povrch znečištěn.

Protože izolátor, podle způsobu výroby podle vynálezu opatřený plazmapolymerním povlakem, má vysokostuprtově hydrofobní povrch, je bezpečně chráněn před usazováním špíny prostřednictvím ve vodě rozpustných nečistot. Protože tímto způsobem je izolátor chráněn před znečištěním při delší životnosti pod širým nebem, můžeme se zříci zvětšení povrchové cesty pomocí vytvoření štítových žeber. Dokonce si můžeme představit, že se izolátor vytvoří v ideálním tvaru jako do délky se rozprostírající trubice. Tímto způsobem sé vyznačuje proti běžnému vysokonapěťovému izolátoru enormní úsporou materiálu. Způsob výroby k vytvoření tvarového tělesa se utváří jednoduše a je v k tomu podstatně příznivější než způsob výroby pro tvarové těleso, opatřené štítovými žebry.

Protože kvalita vytvořeného plazmapolymerního povlaku je nezávislá na materiálu tvarového tělesa elektrického izolátoru, je zvláště účelné, když je tvarované těleso z vypálené keramiky, glazované vypálené keramiky, ze skla nebo umělé hmoty, jako např. silikonového kaučuku, epoxidové pryskyřice nebo z umělé hmoty, zesílené skleněnými vlákny. Také u drsného povrchu, jako u vypálené ale neglazované keramiky, poskytuje způsob výroby podle vynálezu izolátor s vysocestupňovým hydroíobním povrchem, který dokonce překonává vlastnosti glazovaného keramického izolátoru, ale bez hydroíobního povlaku. Drsný povrch nepředstavuje pro nanesení povlaku žádné obtíže. Také tvarové těleso ze silikonového kaučuku se může pomocí způsobu podle vynálezu zpracovávat na izolátor s hydroíobním plazmapolymerním povlakem. Tímto způsobem se beze změny zachovávají dobré elektrické a špínu odpuzující vlastnosti izolátoru ze silikonového kaučuku, přičemž se dodatečně bezpečně zabraňuje nežádoucím vlastnostem silikonového kaučuku, totiž usazování vody a/nebo ukládání částic prachu a špíny. K tomu se může libovolná umělá hmota dále zpracovávat pomocí způsobu podle vynálezu na vysoce hodnotný izolátor, opatřený hydroíobním povlakem. Vynález otevírá možnost, vyrobit tvarové těleso pro izolátor z libovolné umělé hmoty a toto tvarové těleso opatřit pomocí plazmapolymerizace hydroíobním povlakem. Takový izolátor z umělé hmoty má vůči běžnému izolátoru z umělé hmoty zřetelně zlepšené dlouhodobé chování vzhledem ke svým izolačním schopnostem. Takové izolátory z umělé hmoty by dlouhodobě mohly nahradit drahé izolátory ze silikonového kaučuku. Také zde vynález otvírá k tomu možnost, zabránit nákladným tvarům izolátoru’ke zvýšení povrchové cesty.

K vysvětlení vynálezu se v následujícím uvádějí dva příklady:

Příklad 1

Známým způsobem se z výchozích materiálů kaolínu, živce, hlíny a křemene vyrábí míšením s vodou hmotu schopnou hnětením, ze které se vyrábí soustružením duté válcové hliněné těleso s určitým počtem štítových žeber. Hliněné těleso se suší a vypaluje na tvarové těleso. Délka tvarového tělesa obnáší cca. 50 cm. Tvarové těleso keramického izolátoru se vkládá do evakuovatelné komory o objemu 1 m³ plazmareaktoru. Po evakuování komory se jako pracovní plyn vpouští směs z hexamétyldisiloxanu a hélia. Při kontinuálním průtoku plynu 30 sccm hexametyldisiloxanu a 30 sccm hélia se v komoře nastavuje kontrolovaným odčerpáváním pracovní tlak 9 . 10^-3mbar. Za těchto podmínek se pomocí elektrod zažehává v pracovním plynu plazma. Přitom se na elektrody přikládá elektrické střídavé pole s frekvencí 13,56 MHz a výkonem 2 kW. Po době 30 minut se tvarové těleso, nyní opatřené hydrofobním plazmapolymerním povlakem, tzn. hotový vysokonapěťový izolátor, vyjímá ze zavzdušněné komory.

Příklad 2

Tvarové těleso keramického vysokonapěťového izolátoru, vyrobené podle příkladu 1, se umisťuje do evakuovatelné komory plazmareaktoru o objemu 350 1. Jako pracovní plyn se používá vinyltrimetylsilan. Při průtoku 100 sccm se v komoře nastavuje pracovní tlak 1,5 . 10^_1 mbar. Přiložením elektrického napětí na elektrody se v komoře zažehává plazma. Napětím je střídavé napětí o frekvenci 13,56 MHz. Přijatý výkon je 1,2 kW. Tvarové těleso, opatřené hydrofobním plazmapolymerním povlakem, se po 20 minutách vyjímá ze zavzdušněné komory.

Přehled obrázků na výkresech

V dalším se vysvětluje příkladné provedení vynálezu podle obrázku. Ukazují:

obr. 1: zařízení k nanášení hydrofobního plazmapolymerního povlaku na tvarové těleso izolátoru, obr. 2; keramický vysokonapěťový izolátor s hydrofobním plazmapolymerním povlakem a jeho zvětšeným znázorněním, a obr. 3: ve zvětšeném výřezu plazmapolymerní povlak vysokonapěťového izolátoru podle obr. 2.

ií í

|, Příklady provedení vynálezu w

’ Obrázek 1 ukazuje zařízení k nanášení hydrofobního plazmapolymerního povlaku na tvarové těleso elektrického ť izolátoru. Zařízení zahrnuje plazmareaktor 1, který je t konstruován jako evakuovatelná kovová komora 2 s průzorem 3.,

L na ní umístěným. K evakuování komory 2. je upraveno stanoviště s vývěvami, které má v sérii za sebou zapojenou olejovou diíuzní vývěvu 6, Rootsovu vývěvu 7 a rotační vývěvu 8. K evakuování komory 2 se připojuje nejdříve rotační vývěva 8, následovně Rootsova vývěva 7 a na závěr olejová diíuzní vývěva .

Přes trojcestný ventil 10 se nechá připojit buď stanoviště 5. s vývěvami nebo zavzdušříovací ventil 12 se sacím potrubím .13., které je ve spojení s komorou 2.. K řízení výkonu vývěvy je v sacím potrubí 13 dodatečně zabudován ovladatelný škrticí ventil 14.

Ke kontrole tlaku je upraveno Pirani-měřicí zařízení 15. spojené s vnitřním prostorem komory 2 a s ním spojená indikace 17 tlaku. Pirani-měřicí zařízení 15 pracuje spolehlivě až k oblasti tlaků 10~³ mbar. K regulaci pracovního tlaku, panujícího v komoře 2, je upraven takzvaný baratron 19. spojený s vnitřním prostorem komory 2. V baratronu 19 se tlak ít

ΦΦΦΦ

Φ měří pomocí změny deskou. Baratron 19

K regulování tlaku regulátor 21 tlaku, panujícího tlaku regulační vedení například pracovní kapacity mezi membránou a zafixovanou dává rozumné hodnoty tlaku až k 10~⁴ mbar.

je na výstupu baratronu 19 připojen který porovnává měřenou skutečnou hodnotu s předem danou žádanou hodnotou a přes ovládá škrticí ventil 14. Pokud je tlak uvnitř komory 2, měřený přes baratron

19. nižší než předem daná regulační ventil 22 škrticí výkon stojanu 5 s vývěvami

K napájení baratronu 19 žádaná hodnota, otevírá se přes ventil 14 trochu méně, takže sací se vzhledem ke komoře 2 zmenšuje.

proudem a napětím je přítomna elektrická napájecí jednotka 25.

Ke vpouštění pracovního plynu do komory 2 plazmareaktoru je na komoru 2 připojeno napájecí vedení 27.· Přes regulační ventil 28 a přes určitý počet průtokových regulátorů 29 se na napájecí vedení 27 nechá napojit řada procesních plynových tlakovou plynovou láhev. Pět procesních plynových vedení 30, ukázaných na obr. 1, je připojeno například na tlakové plynové

1ahve pro hexametyldisiloxan, vinyltrimetylsilan, argon, kyslík popř.

dusík.

Přes průtokové regulátory se může sestavovat specifická směs plynů a přivádět přes napájecí vedení 27 do komory 2..

Protože se při tvorbě plazmapolymerního povlaku spotřebovává pracovní plyn, pracuje se při kontinuálním průtoku pracovního plynu skrz komoru 2. Tímto způsobem se trvale pečuje o přísun pro tvorbu plazmapolymerního povlaku.

Příslušný průtok komponent pracovního plynu se řídí pomocí průtokových regulátorů 29.

přes spojovací vedení 31 pomocí plynového průtokového regulátoru 33. Vlastní plynový průtokový regulátor 33 je spojen s regulátorem 21 plynu. Tímto způsobem

se při předem daném průtoku komponent pracovního plynu dosahuje exaktně Žádaného pracovního tlaku v komoře 2 pomocí ovládání škrticího ventilu 14.

Zážeh plazmatu v pracovním plynu ve vnitřním prostoru komory 2. se děje přiložením elektrického napětí na HF-elektrodu 25.· Tato je ve vnitřním prostoru komory 2 konstruována jako do délky protažená tyčová elektroda 36,- Jako druhá elektroda působí do jisté míry vlastní kovový kryt komory 2. K vytvoření napětí je upraven napěťový generátor 37.

Tvarové těleso elektrického izolátoru, vyrobené o sobě známým způsobem, se umisťuje do komory 2 plazmareaktoru 1., Komora 2 se následovně evakuuje pomocí stanoviště 5. s vývěvami při příslužné poloze trojcestného ventilu 10.

Ovládáním příslušného průtokového regulátoru 29 a současnou kontrolou, pomocí škrticího ventilu 14, sacího výkonu, nasazeného na komoře 2, stanoviště s vývěvami, se do komory vpouští kyslík při definovaném přítoku. Tlak, panující přitom v komoře, se reguluje na 3 mbar. Zároveň se v komoře 2 pomocí napěťového generátoru 37 přiložením elektrického napětí na HF-elektrodu 35 zažehává plazma s trváním mezi 1 sekundou a 5 minutami. Tímto způsobem se čistí povrchová znečištění, zejména tuky a oleje, z povrchu.

Následovně se pomocí příslušného průtokového regulátoru 29 zaškrcuje přívod kyslíku. Komora se znovu evakuuje a pod řízeným přítokem 300 sccm se do komory vpouští hexametyldisiloxan a hélium. Přes škrticí ventil 14 se sací výkon stojanu 5 s vývěvami řídí tak, že pracovní tlak, panující v komoře 2, obnáší 9 . 10~^z mbar. Pomocí napěťového generátoru 37 se pomocí HF-elektrody 35 zažehává v komoře 2. plazma z pracovního plynu. Jako napětí se používá střídavé napětí o frekvenci 13,56 MHz. K vytvoření hydrofobního • · · · ·· ·

plazmapolymerního povlaku obnáší příkon 3,5 kW.

Plazma zůstává zažehnutá po dobu od 5 minut do 60 minut.

Komora 2. se následovně zavzdušiíuje přes zavzdušříovací ventil při příslušných polohách trojcestného ventilu 10 a pomalu otevřeného škrticího ventilu 14. Hotový izolátor, opatřený plazmapolymerním povlakem, se vyjímá z komory 2,.

'* Na obrázku 2 je znázorněn keramický vysokonapěťový L ' izolátor 45 v pohledu částečně v řezu, s určitým počtem ř štítových žeber 46 Vysokonapěťový izolátor se celý skládá z I keramiky 48. Ke spojení s částmi, které vedou proud a které je l· třeba izolovat, má vysokonapěťový izolátor 45 dále na obou r stranách připojovací členy 47.

Keramický vysokonapěťový izolátor 45 byl v zařízení.

provedeném podle obrázku opatřen hydroíobním plazmapolymerním povlakem pomocí zážehu plazmatu v pracovním plynu hexametyldisiloxan.

Stavbu tohoto hydroíobního plazmapolymerního povlaku je možné rozpoznat ve zvětšené oblasti III podle obrázku 2, znázorněné v obrázku 3. Tloušťka naneseného povlaku je přibižně 1000 nm. Velmi lehce se rozpoznává, že mezi skupinami molekul plazmapolymerního povlaku došlo k vysokému stupni zesíťování. Orientované struktury jako v běžném polymeru není možné rozpoznat. Častěji se jedná o amorfní strukturu. Kvůli vysokému zesíťování má takový plazmapolymerní povlak vysokou hustotu struktury, a zamezuje tím prodifundování molekul jako kyslík, vodík nebo kysličník’ uhličitý.^; K tomu má plazmapolymerní povlak vysokou tvrdost, což se nechá vysvětlit kyslíkovými vazbami jednotlivých křemíkových atomů. V důsledku nepolárních skupin CH3 hexametyldisiloxanu má také plazmapolymerní povlak, vytvořený z tohoto pracovního plynu, nízkou energii a tím je vysokostupňově hydroíobní.

Hydroíobnost a dlouhodobá stabilita plazmapolymerního povlaku, vytvořeného podle způsobu výroby podle vynálezu, se dokládá dále na základě zkoušek;

Zkouška 1

Porovnává se vysokonapěťový keramický izolátor ©patřený glazurou, s keramickým vysokonapěťovým izolátorem, který je vzhledem k tvaru identický a který je opatřen hydroíobním plazmapolymerním povlakem. Plazmapolymerní povlak přitom byl vytvořen zážehem plazmatu pracovním plynu z hexametyldisiloxanu a hélia.

Zvolené parametry byly identické s parametry, uvedenými v příkladu 1.

Doba pro vytvoření plazmapolymerního povlaku byla 30 minut.

Tloušťka vrstvy naneseného plazmapolymerního povlaku byla

1000 nm.

Plazmapolymerní povlak je nanesen přímo na glazuru.

Délka obou vysokonapěťových izolátorů je 50 cm. Vysokonapěťové izolátory mají devět štítových žeber, která jsou od sebe vzdálená s odstupem štítů 45 mm. Průměr štítů je 223 mm; průměr dříku je 75 mm. Oba izolátory mají délku povrchové cesty 1612 mm.

Izolační chování obou izolátorů se zkouší podle zkoušky odolnosti proti solné mlze, podle IEC 507 (1991). Plazmapolymerní povlak byl nanesen přímo na glazuru. K přípravě se přitom oba vysokonapěťové izolátory myjí trinatriumíosíátem. Následovně se na obou vysokonapěťových izolátorech při-nejvyšší koncentraci soli 224 kg/m³ provádějí klimatizační zkoušky ve vzduchu popř. mlze a jednohodinové zkoušky solnou mlhou při zkušebním napětí 23 kV (střídavé napětí). Zkušební napětí dostaneme přitom jako podílové napětí Umax = 161 kV pro vysokonapěťový izolátor u čtyřčlenného řetězu v systému. Během celkové doby zkoušky se kontinuálně ··

registruje zkušební napětí a svodový proud.

zkušební napětí (kV_{ef f} ) tr spec, délka nejvyšší svodový proud povrchové cesty při zkouškách, Inocbst (mm/kV) (mA)

	23	40,5	1590	(přemostění	štítů)
!«·	23	40,5	1400	(přemostění	štítů)
	23	40,5	1260	(přemostění	štítů)

tabulka 1 zkušební napětí spec, délka (kV_ef i ) povrchové cesty nejvyšší svodový proud y>> při zkouškách, Ihocnst (mm/kV) (mA)

40,5 600

40,5 1100 (přemostění štítů)

40,5 550 tabulka 2

Po předběžně klimatizovaných zkouškách se provádějí tři jednohodinové zkoušky odolnosti proti solné mlze při kontrolním napětí 23 kV. Přitom se právě měří nejvyšší svodový proud. Výsledky jsou znázorněny pro neošetřený glazovaný keramický vysokonapěťový izolátor v tabulce 1 a pro glazovaný

vysokonapěťový izolátor opatřený plazmapolymerním

pro vysokonapěťový

izolátor opatřený plazmapolymerním povlakem (viz.- tabulka 2)

proudy jsou pro vysokonapěťový izolátor, opatřený plazmapolymerním povlakem, zřetelně meněí než u neošetřeného glazovaného vysokonapěťového izolátoru.

Zkouška 2

Keramický vysokonapěťový izolátor, vytvořený podle zkoušky 1, opatřený plazmapolymerním povlakem, se podrobuje 1000-hodinové zkoušce odolnosti proti solné mlze podle IEC-1109. I po 1OOO-hodinovém používání v solné mlze měl vysokonapěťový izolátor ještě stejné vlastnosti jako na začátku zkoušky. Toto dokladuje trvanlivost a vysokou hydroíobnost plazmapolymerního povlaku. Takový výsledek se neošetřenými, glazovanými keramickými vysokonapěťovými izolátory nenechá dosáhnout.

Zkouška 3

Zkoumá se úhel smáčení na třech různých keramických vysokonapěťových izolátorech, které jsou všechny podle příkladu 1 opatřeny hydroíobním plazmapolymerním povlakem. Ošetřená tvarová tělesa byla všechna keramickými tvarovými tělesy. U tvarového tělesa Ά byl materiál izolátoru dodatečně opatřen hnědou glazurou, u tvarového tělesa B bílou glazurou. Tvarové těleso izolátoru C bylo neglazováno. Určují se úhly smáčení podle normy DIN-EN 828 pro destilovanou vodu a pro vodu obsahující NaCl s podílem NaCl 25 váhových procent. Výsledek je shrnut v tabulce 3. Přitom je třeba dbát, že se na povrchu neglazovaného izolátoru na základě větší drsnosti při stejné hydroíobnosti nastavuje větší úhel smáčení než na površích glazovaných izolátorů.

materiál izolátoru

Hz O

H2 OMa C 1

108,0

107,0

109,2

108,0

131,0

136,3 silně silně velmi silně hydroíobní hydroíobní hydrofobní tabulka 3

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY • ·· ♦ • · · · * » · · » · t · ·· • · · · · ··

C © © » ·· ··· ♦· ·····

1. Způsob výroby elektrického izolátoru (45), přičemž se na tvarové těleso izolátoru nanáší hydroíobní plazmapolymerní povlak, s následujícími kroky:

- tvarové těleso se umisťuje do evakuovatelné komory (2) plazmareaktoru (1),

- komora (2) se evakuuje,

- do komory (2) se vpouští nepolární plyn nebo plyn, mající nepolární skupiny,

- při kontinuálním průtoku plynu se v komoře (2) nastavuje pracovní tlak mezi 1 . 10~⁵ mbar a 5 . 10“¹ mbar,

- vytvořením elektrického pole se z pracovního plynu tvoří plazma, přičemž se nastavuje elektrický příkon na objem komory mezi 0,5 kilowatt/m³ a 5 kilowatt/m³ a průtok plynu na objem komory mezi 10 sccm/m³ a 1000 sccm/m³,

- plazma se udržuje alespoň tak dlouho, až je na povrchu tvarovaného tělesa vytvořen uzavřený povlak plazmapolymeru (50), vytvořeného z plazmatu pracovního plynu,

- pole se vypíná a z komory (2) se vyjímá se hotový povlečený izolátor.
2. Způsob výroby podle nároku 1, vyznačuj ící se tím, že elektrický příkon na objem komory se nastavuje mezi 1 kilowatt/m³ a 3,5 kilowatt/m³.
3. Způsob výroby podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že průtok plynu na objem komory se nastavuje mezi 20 sccm/m³ a 300 sccm/m³.
4. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že plazma se udržuje tak dlouho, až má plazmapolymerní povlak tloušťku vrstvy mezi 100 nm a 10 y.m.

• ·· ·· ♦ ·· · « · · ·· • · · ♦ · · ···«·· · ·· ······ ··« · ··· 99 99 999
5. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že při evakuování komory (2) se tak dávkuje plyn, obsahující kyslík, zejména vzduch, do komory (2), že v komoře (2) je přechodně tlak mezi 1 a 5 mbar, přičemž v plynu komory (2) se zároveň zažehává čisticí plazma po dobu mezi 1 s a 5 min.

6. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačuj taktované. ící se t í m, že plazma se zažehává 7. Způsob výroby podle nároku 6, v y z n a č u j i c í se tím, že frekvencí od 0, plazma se 1 do 100 Hz. zažehává taktované i s taktovací 8. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 7, vyznačuj ící se t í m. že plazma se zažehává

pomocí přiložení napětí na elektrody, umístěné v komoře (2).
9. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že jako elektrické pole se vytváří elektrické střídavé pole s frekvencí mezi 1 kHz a 5 GHz.
10. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že v komoře (2) je pracovní tlak mezi 1 . 10~3 a 1 . 10¹ mbar.
11. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 10, vyznačuj i¹ cí se tím, že jako pracovní plyn se používá uhlovodík, zejména acetylén a/nebo metan.
12. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že jako pracovní plyn se používá křemíkově organická nebo íluoroorganická sloučenina.
13. Způsob výroby podle nároku 12,vyznačuj ící se tím, že jako pracovní plyn se používá hexametyldisiloxan, tetraety1ortosi 1 ikát, vinyltrimetylsilan nebo oktoíluorcyklobutan nebo jejich směs.
14. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že k pracovnímu plynu se ’ ’ přimíchává přídavný plyn.

i-
15. Způsob výroby podle nároku 14, vyznačuj ící se t í m, že jako přídavný plyn se přimíchává vzácný plyn, < halogen, zejména fluor, kyslík nebo dusík nebo jejich směs.
16. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 15, vyznačující se tím, že izolátorem je vysokonapěťový izolátor (45), zejména tyčový izolátor.
17. Způsob výroby podle jednoho z nároků 1 až 16, vyznačující se tím, že tvarové těleso je z vypálené keramiky (48), glazované vypálené keramiky (48), skla nebo umělé hmoty, zejména ze silikonového kaučuku, epoxidové pryskyřice nebo z umělé hmoty, zesílené skleněnými vlákny.