阅读说明：本技术 特高压交流gil用支柱绝缘子柔性梯度表面处理方法 (Flexible gradient surface treatment method for post insulator for extra-high voltage alternating current GIL ) 是由 杜伯学 姚航 李进 梁虎成 陈允 冉昭玉 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提出了特高压交流GIL用支柱绝缘子柔性梯度表面处理方法,通过静电纺丝方法对环氧树脂基件表面电纺具有高介电常数的PVA/BaTiO3材料薄膜,在支柱绝缘子表面形成介电常数二维梯度分布的沉积层,达到调控其表面交流电场的分布,提升绝缘子耐电性能的目的。本发明通过控制电纺位置与纺丝时间,构建具有二维介电常数梯度分布的环氧树脂支柱绝缘子,进而灵活调控交流电压下支柱绝缘子表面的电场分布情况,提高GIL设备中支柱绝缘子的沿面闪络电压,提升支柱绝缘子的耐电性能。(The invention provides a flexible gradient surface treatment method for a post insulator for extra-high voltage alternating current GIL, which is characterized in that a PVA/BaTiO3 material film with high dielectric constant is electrospun on the surface of an epoxy resin substrate by an electrostatic spinning method, and a deposition layer with dielectric constant two-dimensional gradient distribution is formed on the surface of the post insulator, so that the purposes of regulating and controlling the distribution of an alternating current electric field on the surface and improving the electric resistance of the insulator are achieved. According to the invention, the epoxy resin post insulator with two-dimensional dielectric constant gradient distribution is constructed by controlling the electrospinning position and the spinning time, so that the electric field distribution condition on the surface of the post insulator under the alternating voltage is flexibly regulated and controlled, the surface flashover voltage of the post insulator in the GIL equipment is improved, and the electric resistance performance of the post insulator is improved.)

特高压交流GIL用支柱绝缘子柔性梯度表面处理方法

技术领域

本发明属于高电压设备制造领域中改性绝缘聚合材料的制备领域，具体涉及一种具有表面二维介电常数线性梯度分布的支柱绝缘子制作方法，主要应用于特高压交流GIL设备，提高特高压交流GIL设备运行的稳定性和电力系统的安全可靠性。

背景技术

气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)装置具有电压等级高、结构紧凑等优点，近年来随着电力系统高电压、大容量输电的发展需求，GIL装备得到了广泛的应用。环氧树脂浇注绝缘子作为GIL装备中的关键绝缘部件，内置于GIL外壳，同时起到机械支撑、电气绝缘和单元隔离等作用，对于维护整个GIL的安全稳定运行具有重要意义。由于支柱绝缘子的沿面闪络电压低于环氧树脂的击穿电压与空气的击穿电压，即使在质量严苛的特高压工程中，环氧树脂绝缘子极易由于绝缘设计不足、工作环境复杂或制造工艺缺陷等引发电场畸变而导致沿面闪络事故的发生，对电力系统的稳定运行构成巨大威胁。绝缘材料与气氛环境的电气参数不匹配而导致在绝缘子、金属电极和气体三结合点的位置上局部电场强度集中，绝缘子的耐电性能降低，是造成绝缘子沿面闪络起始电压较低的主要原因。

本发明将材料学领域的功能梯度材料概念应用于电气绝缘领域，通过构建相对介电常数梯度分布的绝缘结构，对交流电压下的绝缘子表面电场分布进行调控。在绝缘子表面沉积介电常数呈梯度分布的功能材料，从而达到均匀绝缘子表面电场，抑制局部电场畸变，提高绝缘子沿面闪络起始电压的目的。针对绝缘子表面功能梯度建设中存在的问题，参考工业中静电纺丝薄膜制作工艺，发明设计了一种基于静电纺丝方法的绝缘子表面柔性梯度薄膜建设新方法。利用静电纺丝方法将纺丝聚合物基体与目标建设材料共同沉积在支柱绝缘子表面，通过目标建设材料的特殊的电气参数特性，调控在交流电压工作条件下的表面电场分布，提高支柱绝缘子的耐电性能。

发明内容

本发明提出了一种全新的柔性表面功能梯度层的构筑方法，通过静电纺丝方法对环氧树脂基件表面电纺具有高介电常数的PVA/BaTiO3材料薄膜，在支柱绝缘子表面形成介电常数二维梯度分布的沉积层，达到调控其表面交流电场的分布，提升绝缘子耐电性能的目的。

本发明通过控制电纺位置与纺丝时间，构建具有二维介电常数梯度分布的环氧树脂支柱绝缘子，进而灵活调控交流电压下支柱绝缘子表面的电场分布情况，提高GIL设备中支柱绝缘子的沿面闪络电压，提升支柱绝缘子的耐电性能。

本发明方法的具体建设过程如下：

1)制备环氧树脂材料：

(1)将双酚A型环氧树脂基体、聚酰胺固化剂和氧化铝按照100:38的配比混合，然后加入质量为环氧树脂基体质量2.5-3.3倍的氧化铝粉末，用玻璃棒搅拌均匀，得到环氧树脂混合材料

(2)电动搅拌30-40分钟、在-0.1MPa的真空度下真空脱泡一个小时；

(3)将步骤(2)中所得的环氧树脂混合材料浇注至经预热处理(130℃下不低于1小时)后内壁涂有脱模剂的支柱绝缘子模具内，进行抽空处理；

2)采用阶梯固化方法进行处理，固化过程分为两步：

(1)先将模具放入烤箱在130℃下进行一次固化8小时，然后脱模；

(2)脱模后的产品放入烤箱在130℃下进行二次固化8小时，冷却后即可得到环氧树脂支柱绝缘子试样；

3)制备静电纺丝前驱体溶液

(1)将PVA粉末以10wt％的浓度溶解在去离子水中，将纳米BaTiO3(钛酸钡)粉末以20wt％的浓度分散在无水乙醇中，

(2)将步骤(1)中的两种溶液均匀混合，电机搅拌40-60分钟，超声震荡1-2小时，温度90℃，使BaTiO3粉末在PVA溶液里均匀分散。

(3)将经过步骤(2)处理后的溶液置于真空箱中，常温真空脱泡处理30-40分钟，除去PVA/BaTiO3溶液中的气泡，静置30min得到纺丝前驱体溶液

4)环氧树脂支柱绝缘子预处理：

(1)将绝缘子表面用砂纸打磨，去除表面附着的杂质

(2)将其表面由内向外分为五个紧密相连的环形，令环形的相对介电常数依次减小；

(3)将环氧树脂支柱绝缘子放置于静电纺丝设备内，按照单调分布梯度在不同位置电纺不同时间，得到二维梯度分布的支柱绝缘子。

5)静电纺丝过程

(1)将前驱体溶液转移到注射器中进行静电纺丝，向上排出针管内多余气体，注射器出口处连接塑料软管，软管另一端接金属针头。

(2)缓慢增加针头处的电压，针头处混合液滴呈丝状喷出，通过注射泵控制溶液流速。

(3)带有纳米钛酸钡的PVA丝状粘稠溶液会定向喷涂缠绕在被沉积试样表面，通过控制针头的位置与纺丝的时间，可以在圆台绝缘子表面构建高介电常数梯度分布的功能材料层。

(4)电纺完成之后，将绝缘子置于80-90℃的真空烘箱中干燥12小时。最终在绝缘子的表面形成一层均匀、致密的PVA/BaTiO3功能梯度层。

所述步骤3)中分步骤(1)中高介电常数材料优选粒径为10nm的BaTiO3粉末。

所述步骤4)中分步骤(2)中按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，由内到外纺丝时间分别为120min、90min、60min、30min、0min。

所述步骤4)中分步骤(3)中按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，由内到外纺丝时间分别为80min、60min、40min、20min、0min。

所述步骤4)中分步骤(3)中按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，由内到外纺丝时间分别为40min、30min、20min、10min、0min。

所述步骤5)中分步骤(2)中纺丝过程中的射频电压优选范围为7-10kV，距离为7-10cm。所述步骤5)中分步骤(2)中纺丝过程中的纺丝溶液流速优选范围为0.5-2ml/h。

本发明的优点与有益效果

本发明借鉴了静电纺丝的制作方法，参考了功能梯度材料的概念，创新性地运用静电纺丝方法将高介电常数无机物BaTiO3附着在环氧树脂支柱绝缘子的表面，且通过控制纺丝位置与纺丝时长，在环氧树脂表面形成介电常数的二维梯度分布，构建表面介电功能梯度材料层，进而达到缓解交流电压下局部电场畸变情况以及提升绝缘子器件耐电性能的目的。

本发明可以有效延长GIL中支柱绝缘子的使用寿命，对提高GIL的运行稳定性和电力系统的安全可靠性有着重要的理论价值和工程意义

附图说明

图1为支柱绝缘子柔性表面功能材料层静电纺丝建设过程示意图。

图2为支柱绝缘子表面功能材料层梯度分布示意图(俯视图)。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。

本发明所述绝缘子基体是采用由双酚A环氧树脂、固化剂和氧化铝填料浇注而成的支柱绝缘子。所述静电纺丝所用前驱体溶液为PVA/BaTiO₃混合溶液。

本发明基于静电纺丝工艺构建环氧树脂支柱绝缘子表面梯度沉积层的制备方法，包括以下步骤：

实施例1

1)将绝缘子表面用砂纸打磨，去除表面附着的杂质；

2)将PVA粉末溶解在去离子水中，并将纳米BaTiO3(钛酸钡)粉末分散在无水乙醇中，并把两种溶液以一定比例均匀混合，在90℃温度下电机搅拌1小时，超声震荡2小时充分混合，在真空干燥箱中脱气40min，得到PVA/BaTiO₃混合溶液；

3)将环氧树脂支柱绝缘子放置于静电纺丝设备内，针口与绝缘子表面垂直；接通针口处电极针的电源，使电极针带电；打开注射器推进器开关，将涂料从针口呈丝状喷向绝缘子表面；按照绝缘子梯度分布，将表面由中心向外分成4个相邻的环形，并在不同位置静电纺丝的时间不同；在静电纺丝结束后，将绝缘子置于100℃烤箱中加热30min，冷却后最终在绝缘子表面形成功能梯度层。

由中心向外静电纺丝的时间依次为120min、90min、60min、30min、0min

实施例2

1)将绝缘子表面用砂纸打磨，去除表面附着的杂质；

2)将PVA粉末溶解在去离子水中，并将纳米BaTiO3(钛酸钡)粉末分散在无水乙醇中，并把两种溶液以一定比例均匀混合，在90℃温度下电机搅拌1小时，超声震荡2小时充分混合，在真空干燥箱中脱气40min，得到PVA/BaTiO3混合溶液；

3)将环氧树脂支柱绝缘子放置于静电纺丝设备内，针口与绝缘子表面垂直；接通针口处电极针的电源，使电极针带电；打开注射器推进器开关，将涂料从针口呈丝状喷向绝缘子表面；按照绝缘子梯度分布，将表面由中心向外分成4个相邻的环形，并在不同位置静电纺丝的时间不同；在静电纺丝结束后，将绝缘子置于100℃烤箱中加热30min，冷却后最终在绝缘子表面形成功能梯度层。

由中心向外静电纺丝的时间依次为80min、60min、40min、20min、0min

实施例3

1)将绝缘子表面用砂纸打磨，去除表面附着的杂质；

2)将PVA粉末溶解在去离子水中，并将纳米BaTiO3(钛酸钡)粉末分散在无水乙醇中，并把两种溶液以一定比例均匀混合，在90℃温度下电机搅拌1小时，超声震荡2小时充分混合，在真空干燥箱中脱气40min，得到PVA/BaTiO3混合溶液；

3)将环氧树脂支柱绝缘子放置于静电纺丝设备内，针口与绝缘子表面垂直；接通针口处电极针的电源，使电极针带电；打开注射器推进器开关，将涂料从针口呈丝状喷向绝缘子表面；按照绝缘子梯度分布，将表面由中心向外分成4个相邻的环形，并在不同位置静电纺丝的时间不同；在静电纺丝结束后，将绝缘子置于100℃烤箱中加热30min，冷却后最终在绝缘子表面形成功能梯度层。

由中心向外静电纺丝的时间依次为40min、30min、20min、10min、0min

本发明对功能及工作过程的描述，仅为示意性，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。