优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法

1.本发明属于电力系统设备绝缘保护技术领域，具体涉及优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法。


背景技术：

3.特高压直流应用于大型能源基地的远距离、大容量外送，特高压直流穿墙套管作为换流站直流场和阀厅的连接设备，承担着系统的全电压和全电流，在整个特高压直流输电工程中处于重要位置，是保证电力系统的安全运行的关键。但在套管的运行过程中，绝缘表面的电荷积累会诱发绝缘子沿面闪络，进而造成设备故障。而且由于套管管体本身为绝缘体，不仅内部支撑绝缘子上会发生电荷积聚，在套管内壁和硅橡胶外绝缘上也会发生电荷积聚现象。
4.近年出现的特高压直流穿墙套管穿孔以致漏气失效的严重问题，很有可能与套管内壁或硅橡胶外绝缘上的电荷积聚有关。
5.目前我国对特高压直流输电工程中这些不可回避的关键性绝缘问题尚无有效的解决方法。因此，抑制特高压直流气体绝缘穿墙套管内壁和绝缘子上的电荷积聚问题，解决这些关键的绝缘问题对加速我国特高压直流输电技术的发展具有十分重要的意义。
6.如专利cn109575339b、采用纳米涂层的保护技术，但是需要对圆台绝缘子进行打磨处理，加工过程复杂，出现长时间使用后的分离脱落风险。专利201910211595.8，采用高温固化的复合材料制作技术，其制造过程复杂，制造周期较长，成本较高。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供成本低廉、能有效加速环氧绝缘表面的电荷消散和直流闪络电压提高效果明显的优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法。
8.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
9.优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，包括环氧绝缘样片，对所述环氧绝缘样片进行氟化处理流程以改善所述环氧绝缘样片表面的直流闪络和电荷聚集现象，所述环氧绝缘样片为支撑绝缘气体开关设备的氧化铝填充的环氧树脂材料，所述氟化处理流程为在密闭反应釜中使用含氟混合气体对所述环氧绝缘样片进行氟化处理反应。
10.所述环氧树脂材料为al2o3颗粒填充的甲基四氢苯酐固化的环氧树脂，所述环氧绝缘样片为盘式绝缘子。
11.所述含氟混合气体包括包括氟气、惰性气体，所述含氟混合气体中所述氟气的体积百分含量为2％到50％，所述惰性气体为氮气或氦气。
12.所述氟化处理流程的反应温度为温室-100℃。
13.所述氟化处理流程的反应压力为0.1-2bar。
14.所述氟化处理流程的反应时间为10min-24h。
15.所述含氟混合气体包括氟气、氮气，所述含氟混合气体中氟气的体积百分比含量为12.5％，所述氟化处理流程的反应温度为温度-55℃、压力为0.5bar、时间为30min。
16.环氧绝缘子是高压开关的关键绝缘零部件，在高压开关中起到分割气室、支撑内部导体及带电导体与外壳绝缘的作用，其质量优劣将直接影响运行质量。
17.尽管gis和gil在高压交流输配电系统中已成功应用了约半个世纪，但现有的研究结果和实际应用，已表明设计制造具有相同绝缘可靠性的高压直流绝缘仍然是一项挑战，其主要原因是在hvdc下、比在hvac下环氧绝缘子的表面更易于积累电荷。
18.在气体绝缘输电设备中，环氧绝缘子的表面是该系统绝缘最薄弱的区域，这是因为一方面绝缘子表面易积累电荷，系统的电击穿最容易沿着绝缘子表面发生，另一方面长期运行过程中绝缘子表面会因局部放电而老化降解、表面介电强度降低，从而使其绝缘性能丧失而不得不进行更换，不仅会带来直接经济损失，而且由于断电可能会引起重大的间接经济损失；为此，本技术中提出一种化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法。
19.环氧树脂复合材料由于具有卓越的电绝缘、力学和热学性能及化学稳定性，已被广泛地用于电气、电子及航空航天等领域。
20.尤其是以环氧树脂复合材料绝缘支撑的sf6气体绝缘开关设备(gis)，由于其绝缘可靠性高，占地面积小，能在较宽的工作电压范围内起到稳定而可靠的高压绝缘和短路保护作用，已在高压交流电力传输系统中使用了40多年。
21.然而设计并制造具有与高压交流gis相同绝缘可靠性的高压直流gis仍然是一个挑战。其原因主要是用于支撑gis中高压电极的环氧绝缘上的表面电荷积聚，与交流电场相比，由于直流电场的方向不变，表面电荷积聚在直流电场下更容易发生。绝缘支撑表面上累积的表面电荷可能导致沿间隔件表面的初始场分布发生实质性畸变，并导致间隔件的直流闪络电压大幅下降，甚至引起绝缘支撑沿面击穿，导致设备事故。
22.因此，提高绝缘子表面电导率，加速环氧绝缘表面积聚电荷的消散，提升直流闪络性能对设备的安全运行具有重要意义。
23.具体是对环氧绝缘进行表面的氟化改性，关联高电压输配电工程。
24.本发明在密闭反应釜中，经对应的温度、时间和压强条件下，使用由氟气和其他惰性气体组成的混合气体对环氧绝缘样片的表面进行一定时间的氟化处理，使其表面具有合适的物化特性，提高环氧绝缘表面导电率防止电荷聚集，提升直流闪络性能的处理方法。
25.其它表面改性方法也被用于提升环氧绝缘的闪络性能，如等离子体射流沉积法和等离子体表面改性法，但关于gis实际绝缘子的表面改性及其闪络性能提升研究未见报道。
26.虽然其它表面改性方法或半导电涂敷法也能有效地调控环氧绝缘的表面电导率、提升其闪络性能，但直接氟化方法具有诸多优点，如能同时批量均匀地处理具有任意形状和尺寸的环氧绝缘子，且直接氟化形成的氟化层具有长期的稳定性和优异的老化性能。
27.本方法氟化处理流程的工艺过程简单、安全可靠、成本低廉，适用于各种形状和尺寸的环氧绝缘结构，且直流闪络性能提升明显，适合用于商业化应用。
28.本发明的设计思路是：直流电场下，环氧树脂绝缘支撑的表面上容易发生电荷积聚的现象，从而导致电场畸变、沿面闪络电压大幅下降、绝缘支撑沿面击穿等严重后果，对
设备的安全运行带来风险。
29.因此，抑制直流强电场下，gis中环氧树脂绝缘支撑表面的电荷积累尤为重要。提高环氧绝缘支撑的表面电导率有利于加速环氧绝缘表面电荷的释放，抑制其积累。利用氟化改性对环氧绝缘进行表层修饰，即可提高绝缘子表面电导率，提升其直流闪络性能。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
31.本发明涉及一种环氧绝缘子表面电导率和直流闪络性能的提升方法，该方法是在密闭反应釜中，使用含氟气的混合气体对环氧绝缘子进行氟化处理，以此提高环氧绝缘的表面电导率，提升其直流闪络性能。该方法技术简单，成本低廉，效果优异，能有效加速环氧绝缘表面的电荷消散，提高表面电导率，直流闪络电压的提高效果明显。
32.1)本发明采用一种工艺简单、技术成熟、极为有效的气相改性方法，仅改变环氧绝缘表层的物化特征、不改变其任何体特征和特性，且不同于“物理涂层”、该氟化的表层与未氟化的内层间为一“有机(化学)结合”的整体；
33.2)采用本发明方法，能在宽的氟化条件下显著地提高气体绝缘系统中环氧绝缘的耐放电能力，适用范围广，实用性好；
34.3)工艺步骤简单，可控性好，经济成本低，能批量、均匀地改性具有任意形状和尺寸的环氧绝缘件，特别适合于商业化应用；
35.4)采用环氧绝缘样片在密闭反应釜中进行氟化处理的模式，作业简单、降级成本较低、便于大规模的普及及利用；
36.5)相应的优选al2o3颗粒填充的甲基四氢苯酐固化的环氧树脂，其结构稳定、提高材料的耐磨性、延长其使用寿命。
附图说明
37.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
38.图1为本发明方法改性后的环氧绝缘样片的sem断面像；
39.图2为本发明方法改性前后的环氧绝缘样片的atr-ir光谱；
40.图3为本发明方法中电晕充电和表面电位测量系统示意图；
41.图4为本发明中未氟化和表面氟化的盘式绝缘子在sf6中的直流闪络电压weibull分布。
具体实施方式
42.为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
43.实施例1
44.如图1－2所示，本实施例提供优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，包括环氧绝缘样片，对所述环氧绝缘样片进行氟化处理流程以改善所述环氧绝缘样片表面的直流闪络和电荷聚集现象，所述环氧绝缘样片为支撑绝缘气体开关设备的氧化铝填充的环氧树脂材料，所述氟化处理流程为在密闭反应釜中使用含氟混合气体对所述环
氧绝缘样片进行氟化处理反应。
45.所述环氧树脂材料为al2o3颗粒填充的甲基四氢苯酐固化的环氧树脂，所述环氧绝缘样片为盘式绝缘子。
46.所述含氟混合气体包括包括氟气、惰性气体，所述含氟混合气体中所述氟气的体积百分含量为2％到50％，所述惰性气体为氮气或氦气。
47.所述氟化处理流程的反应温度为温室-100℃。
48.所述氟化处理流程的反应压力为0.1-2bar。
49.所述氟化处理流程的反应时间为10min-24h。
50.所述含氟混合气体包括氟气、氮气，所述含氟混合气体中氟气的体积百分比含量为12.5％，所述氟化处理流程的反应温度为55℃、压力为0.5bar、时间为30min。
51.所述室温默认为不低于0度。
52.进一步地，所述的环氧绝缘为支撑绝缘气体开关设备的氧化铝颗粒填充的环氧树脂材料。
53.进一步地，经氟化处理后，所述的环氧绝缘表面形成微米级的氟化表层。
54.进一步地，所述的氟化表层厚度为0.2-2μm。
55.作为优选的的技术方案，所述的氟化表层厚度为0.4-1μm。
56.实施例2
57.本实施例在实施例1的基础上进行优化。
58.如图3－4所示，所述环氧绝缘子为盘式绝缘子。
59.所述环氧绝缘样片的材质为al2o3颗粒填充的甲基四氢苯酐(mthpa)固化的双酚a二缩水甘油醚(dgeba)环氧树脂。
60.所述环氧绝缘样片的厚度为2mm、直径为50或80mm的圆形试样。
61.所述密闭反应釜为氟化桶。
62.使用所述氟化处理流程进行了所述盘式绝缘子和所述环氧绝缘样片的直接氟化。
63.进一步的优选，采用的氟化处理流程所用的反应气是氟气体积分数为12.5％的f2/n2混合气体，反应压力、温度和时间分别为0.5bar、55℃和30min。
64.所述氟化处理流程采用工业氟化过程，首先将盘式绝缘子和环氧绝缘样片置入氟化桶内，然后对氟化桶加热，当其内温度达到设定温度55℃后使用高纯氮气对氟化桶内进行至少3次的置换，最后缓慢地通入反应混合气体。
65.由于所述环氧绝缘样片和所述盘式绝缘子的材质相同，本发明使用与所述盘式绝缘子同步氟化的所述环氧绝缘样片，来分析盘式绝缘子氟化层的物化特征。
66.借助扫描电子显微镜(sem)观察氟化层的厚度及其表面形貌，采用衰减全反射红外(atr-ir)光谱法分析氟化层的化学成分和结构。
67.如图1所示，观察到氟化处理使环氧试样表面粗糙度增加，并在环氧绝缘上形成一定厚度的氟化层。
68.如图2所示，除了羟基吸收外，氟化显著地降低环氧基体的吸收，在900～1300cm-1
范围内产生了强度较大的c—f伸缩吸收带，原c＝o吸收峰(1730cm-1
)被显著减弱，并在在其高波数侧出现了新的c＝o吸收。这表明氟原子取代了表层中氢原子，加成了表层中的苯环共轭双键。
69.在充有干燥空气的接地不锈钢容器中进行环氧试样的表面电导率和表面电位衰减的测量。使用高绝缘电阻测量仪和标准三电极系统测量表面电导率。
70.使用图3所示系统进行试样的充电和表面电位衰减测量。
71.首先采用栅控方式对试样进行电晕充电，然后迅速地将试样转移到电位探测器下方，表面电位由静电电位计测得，并通过多功能电表将数据传递到计算机。如表所示，氟化试样的表面电导率比原试样高了2个数量级，且原试样表面电位在干空气中的衰减速度较为缓慢，氟化试样表面电位的衰减速度明显较快。
72.这是因为由于氟化层有着较高的电传导，使电晕沉积电荷可以沿着氟化试样的表面快速消散，导致氟化试样的表面电位衰减快于原试样。
73.表1原试样和表面氟化试样的表面电导率
74.试样类型原试样氟化试样表面电导率/s7.7
×
10-18
9.6
×
10-16
75.直流闪络试验在sf6气体中进行，采用阶梯升压的方式，先以5kv/s的升压速率将电压升至240kv，并维持10min，随后每次将电压升高6kv，维持10min，直至试样发生闪络。采用电压分阻器测量环氧绝缘的闪络电压。采用威布尔统计对闪络电压数据进行分析，在电压u下的累积闪络概率f(u)为
76.f(u)＝1-exp(-(u/u0)
β
)
77.式中：u0是累计闪络概率为0.632的weibull特征闪络电压；β是形状因子，反应数据的离散度，可以通过确定lg(-ln(1-f))～lgu曲线的斜率而得。
78.表2中进一步给出了它们的直流闪络电压数据的weibull统计结果。图4中氟化绝缘子或未氟化绝缘子的15个闪络电压为3个绝缘子且每个绝缘子试验了5次的数据。
79.如图4和表2所示，直接氟化使126kv盘式绝缘子的weibull平均直流闪络电压提高了15.3％。并且，氟化绝缘子比未氟化绝缘子明显较大的weibull分布形状因子表明氟化绝缘子的闪络性能离散小。
80.表2原试样和表面氟化试样的平均直流闪络电压
81.试样类型平均直流闪络电压/kv原试样253.6氟化试样292.5
82.实施例3
83.本实施例在实施例2的基础上进行优化。
84.所述氟化桶内通入的气体进行预加热处理，当对需要通入的气体加热到与所述氟化桶内的温度一致时，方可将气体通入所述氟化桶内。
85.所述氟化桶内设置轴流风机、隔板，所述隔板设置在所述氟化桶内将所述氟化桶分割为等分区间，所述隔板与所述氟化桶之间通过支撑杆固定连接。
86.所述隔板与所述氟化桶之间的间隙在0.5-2厘米之间。
87.所述轴流风机分别设置在所述氟化桶内的等分区间内。
88.所述氟化桶内的相邻等分区间中，所述轴流风机依次上下对立设置形成环形气流循环作用。
89.所述氟化桶内设置用于加热恒温的卤素/碳素灯管。
90.所述氟化桶内设置温度计、气压计。
91.所述卤素/碳素灯管通过plc电路板与所述温度计相连接。
92.所述氟化桶上设置用于气体传输的单向阀。
93.所述轴流风机一侧设置风量测试仪。
94.实施例4
95.本实施例在实施例3的基础上进行优化。
96.所述氟化处理流程的的反应温度为温室、反应压力为0.1bar、反应时间为10min。
97.经氟化处理后的环氧绝缘样片，其atr-ir光谱对比未经处理的环氧绝缘子吸收谱参数提升百分之6以上，直流闪络电压的累计闪络概率降低百分之10以上。
98.所述氟化处理流程的的反应温度为100℃、反应压力为2bar、反应时间为24h。
99.经氟化处理后的环氧绝缘样片，其atr-ir光谱对比未经处理的环氧绝缘子吸收谱参数提升百分之12.5以上，直流闪络电压的累计闪络概率降低百分之10以上。
100.进一步的优选，所述氟化处理流程的反应温度为55℃、压力为0.5bar、时间为30min，所述含氟混合气体中氟气的体积百分比含量为12.5％。
101.图2、4为优选所述氟化处理流程的读取参数示意图。
102.经氟化处理后的环氧绝缘样片，其atr-ir光谱对比未经处理的环氧绝缘子吸收谱参数提升百分之50以上，直流闪络电压的累计闪络概率降低百分之50以上。
103.实施例5
104.本实施例提供优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，以改善所述环氧绝缘样片表面的直流闪络和电荷聚集现象，所述环氧绝缘样片为支撑绝缘气体开关设备的氧化铝填充的环氧树脂材料，所述氟化处理流程为在密闭反应釜中使用含氟混合气体对所述环氧绝缘样片中掺杂的氧化铝填料进行氟化处理反应。
105.所述含氟混合气体包括四氟化碳气体、惰性气体，所述含氟混合气体中所述四氟化碳的体积百分含量为2％到50％，所述惰性气体为氩气。
106.所述氟化处理流程的反应温度为温室-100℃。
107.所述氟化处理流程的反应压力为0.1-2bar。
108.所述氟化处理流程的反应时间为10min-24h。
109.所述含氟混合气体包括四氟化碳气体、氩气，所述含氟混合气体中四氟化碳的体积百分含量为10％，所述氟化处理流程的反应温度为40℃、压力为0.5bar、时间为30min。
110.所述室温默认为不低于0度。
111.实施例6
112.本实施例在实施例5的基础上进行优化。
113.使用所述氟化处理流程进行了所述氧化铝填料的直接氟化。
114.进一步的优选，采用的氟化处理流程所用的反应气是四氟化碳体积分数为10％的cf4/ar混合气体，反应压力、温度和时间分别为0.5bar、40℃和30min。
115.所述氟化处理流程采用工业氟化过程，首先称取氧化铝粉末，放置于真空干燥箱中干燥6h，干燥温度为60℃，再将干燥后的粉末放入氟化桶内，然后对氟化桶加热，当其内温度达到设定温度40℃后使用高纯氩气对氟化桶内进行至少3次的置换，最后缓慢地通入反应混合气体。
116.制备复合环氧树脂材料，所述环氧树脂材料为氟化al2o3颗粒填充的甲基四氢苯酐固化的环氧树脂，所述环氧绝缘样片为盘式绝缘子。
117.使用图3所示系统进行试样的充电和表面电位衰减测量。
118.首先采用栅控方式对试样进行电晕充电，然后迅速地将试样转移到电位探测器下方，表面电位由静电电位计测得，并通过多功能电表将数据传递到计算机。氧化铝填料经氟化改性的环氧树脂样片的表面电荷消散速率随时间的增长先快速消散后缓慢消散，整体获得提升。
119.直流闪络试验在sf6气体中进行，采用阶梯升压的方式，先以5kv/s的升压速率将电压升至240kv，并维持10min，随后每次将电压升高6kv，维持10min，直至试样发生闪络。采用电压分阻器测量环氧绝缘的闪络电压。氧化铝填料经氟化改性的环氧树脂样片的闪络电压，较于未改性处理的环氧树脂样片整体获得提升，累计闪络概率降低百分之10以上。
120.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，其特征在于：包括环氧绝缘样片，对所述环氧绝缘样片进行氟化处理流程以改善所述环氧绝缘样片表面的直流闪络和电荷聚集现象，所述环氧绝缘样片为支撑绝缘气体开关设备的氧化铝填充的环氧树脂材料，所述氟化处理流程为在密闭反应釜中使用含氟混合气体对所述环氧绝缘样片进行氟化处理反应。2.如权利要求1所述的优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，其特征在于：所述环氧树脂材料为al2o3颗粒填充的甲基四氢苯酐固化的环氧树脂，所述环氧绝缘样片为盘式绝缘子。3.如权利要求1所述的优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，其特征在于：所述含氟混合气体包括包括氟气、惰性气体，所述含氟混合气体中所述氟气的体积百分含量为2％到50％，所述惰性气体为氮气或氦气。4.如权利要求3所述的优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，其特征在于：所述氟化处理流程的反应温度为温室-100℃。5.如权利要求3所述的优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，其特征在于：所述氟化处理流程的反应压力为0.1-2bar。6.如权利要求3所述的优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，其特征在于：所述氟化处理流程的反应时间为10min-24h。7.如权利要求1所述的优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，其特征在于：所述含氟混合气体包括氟气、氮气，所述含氟混合气体中氟气的体积百分比含量为12.5％，所述氟化处理流程的反应温度为温度-55℃、压力为0.5bar、时间为30min。

技术总结
本发明提供了优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，属于电力系统设备绝缘保护技术领域。优化环氧绝缘子表面直流闪络及电荷聚集现象的处理方法，包括环氧绝缘样片，对所述环氧绝缘样片进行氟化处理流程以改善所述环氧绝缘样片表面的直流闪络和电荷聚集现象，所述环氧绝缘样片为支撑绝缘气体开关设备的氧化铝填充的环氧树脂材料，所述氟化处理流程为在密闭反应釜中使用含氟混合气体对所述环氧绝缘样片进行氟化处理反应。该方法技术简单，成本低廉，效果优异，能有效加速环氧绝缘表面的电荷消散，直流闪络电压的提高效果明显。明显。明显。


技术研发人员：董曼玲 安振连 郑含博 姚德贵 王伟 李予全 杨知非 詹振宇
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/23