电压引导装置、封闭装置及绝缘亲水性涂层的制作方法与流程

本发明涉及电气技术领域、电工新材料技术领域，特别涉及一种电压引导装置、封闭装置及绝缘亲水性涂层的制作方法。

背景技术：

在电力系统输配电或是航空航天领域，都离不开在高湿度环境下对电气现象的研究。各类电气设备的电气现象会受电磁环境的影响，其中环境湿度的影响备受关注。

以高湿度环境进行电压实验为例，通常通过高压穿墙套管导入电压，多应用于大型高湿度环境模拟系统中，穿墙套管多用于将高电压从墙壁的一端引导至另一端，可承受较高电压等级。然而，在高湿度环境下，穿墙套管绝缘表面容易凝结水珠，会导致在额定电压等级内发生局部放电甚至闪络。而且，穿墙套管长度与伞面大小与所对应电压等级有关，若提升电压等级，重量加大，占地变大，安装困难。

此外，在小型高湿度试验中，也有直接使用电缆导入电压，但是采用电缆导入电压时，首先安全不能完全保证，在电缆端部极易发生局部放电，特别是在高湿度环境中。其次，直接使用电缆导入电压也会导致绝缘表面容易凝结水珠，发生局部放电甚至闪络。

另外，还有很多实验装置采用普通导体导入电压，但若直接采用裸露导体，经实验发现，高湿度环境下表面依然容易凝结水珠，极易发生局部放电。

针对以上电压导入方式导致的表面水珠问题，现有的解决方式均是在完成一次实验后，中断电源进行清洁。但实验证明，在实验环境湿度较高(60％以上)时，装置表面很快就能凝结出水珠，在实验过程中采用紫外光子仪就能够明显观测到放电现象，影响实验结果准确度以及实验安全性。

此外，本发明的发明人经过大量调研发现：导体表面具有水珠时，表面电场会发生畸变，水滴尖端的电场强度最大，因而电场作用下，水滴尖端的空气最先发生电离，引发电晕放电甚至闪络。

综上可见，目前亟需一种高效便捷的方式或装置，解决电压导入过程中引发的表面水珠的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种电压引导装置、封闭装置及绝缘亲水性涂层的制作方法，能安全导入高电压进行高湿度环境电压实验，使吸附在表面的水珠快速润湿铺展成水膜，有效防止水珠引发电晕放电。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明公开了一种电压引导装置，该装置包括：导线，穿设于封闭装置的壁体，用于将所需电压引入所述封闭装置内部；外部安装法兰，安装于所述壁体的外侧，二者连接处设置有固定用的螺眼，用于固定连接所述引导棒与所述壁体；内部安装法兰，安装于所述壁体的内侧，二者连接处设置有固定用的螺眼，用于固定连接所述引导棒与所述壁体；外侧均压罩，可拆卸地罩设连接于所述外部安装法兰；内侧均压罩，可拆卸地罩设连接于所述内部安装法兰。

可选地，上述电压引导装置还包括：外部均压球，可拆卸地设置于所述引导棒位于所述封闭装置外的端部，与所述引导棒的外侧端部等电位；内部均压球，可拆卸地设置于所述引导棒位于所述封闭装置内的端部，与所述引导棒的内侧端部等电位。

可选地，在上述实施方案中，所述内部安装法兰远离壁体的一侧设置有法兰管状延长端，用于固定所述引导棒，防止其晃动。

可选地，在上述实施方案中，所述绝缘亲水性涂层材料为纳米二氧化钛-丙烯酸树脂溶液，涂覆绝缘亲水性涂层材料后的电压引导装置的表面接触角达到35°以下，使水珠吸附在电压引导装置表面并润湿铺展成水膜；和/或，

所述绝缘亲水性涂层的厚度在2mm以上；所述引导棒的半径范围为5mm～15mm。

可选地，上述电压引导装置还包括：紫外光灯，用于照射所述电压引导装置，使所述电压引导装置的表面接触角降低降至5°以下，使水珠完全浸润表面；和/或，绝缘橡胶圈，分别设置于所述外部均压球、所述内部均压球与所述引导棒的端部连接处，并注入有绝缘油。

可选地，在上述实施方案中，所述引导棒的两端端部开设有导线端部连接口，所述导线端部连接口内设有螺纹，分别用于连接所述外部均压球、所述内部均压球。

可选地，在上述实施方案中，所述外部均压球和所述内部均压球与所述引导棒的连接端设置有内凹口，所述内凹口的内部设置有连接部，所述连接部上设置有连接螺纹，用于与所述导线端部连接口螺接。

可选地，在上述实施方案中，所述外部均压球和所述内部均压球的球壁厚为1mm～5mm，内直径为40mm～100mm；和/或，所述外侧均压罩、所述内侧均压罩为半圆形，其内部口径处设置有用于连接于法兰的螺纹；和/或，所述外侧均压罩、所述内侧均压罩的球面内壁半径为60mm～80mm，壁厚为2mm～4mm，底盘厚度为10mm，外沿半径为60mm～80mm，且底盘外沿半径与球内壁半径一致。

此外，本发明还公开一种封闭装置，该封闭装置内部为高湿度环境，该封闭装置设置有前述任一种技术方案公开的电压引导装置，用于安全导入高电压进行高湿度环境电压实验并防止水珠引发电晕放电。

另一方面，本发明还公开一种绝缘亲水性涂层的制作方法，该方法包括：

制备微细颗粒步骤，将一定量的钛酸丁酯和乙酐混合于环已烷中，加热至50℃～100℃，形成微细颗粒，保温5～8小时；

分离洗涤步骤，高速离心分离出固体物，用丙酮溶液洗涤后，自然干燥；

二氧化钛晶体制备步骤，取干燥后的固体物在600℃左右焙烧3～5小时，得到纳米二氧化钛晶体；

丙烯酸树脂水溶步骤，将水溶性丙烯酸树脂置于水溶液中，搅拌至其完全溶于水形成均匀溶液；

混合处理步骤，将制备好的纳米二氧化钛晶体与水溶性丙烯酸树脂溶液按一定质量比例混合，比例范围从1：99到99：1调节，超生震荡1～10小时后，形成均匀分散分布的纳米二氧化钛-丙烯酸树脂溶液，即所需要的亲水性涂层涂料；

涂覆步骤，将涂料均匀涂抹在前述任一种电压引导装置的表面，包括引导棒、均压罩结构、均压球表面，待自然风干后即可。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明公开的电压引导装置可应用于各种高湿度实验的电压引导，在引导棒与壁体的连接处设计均压罩结构，能够改善装置连接处电场，优化电场结构，保证法兰内外侧不发生局部放电。另外，该电压引导装置的表面涂覆有绝缘亲水性涂层材料，能安全导入高电压，以便进行高湿度环境电压实验。该绝缘亲水性涂层材料是一种适用于高压导入装置的材料涂层，结合将在后面公开的涂层覆盖工艺，能够减小装置表面接触角。这样，在高湿度环境下，该使装置表面水珠展开，形成一层较均匀的水膜，覆盖在高压导入装置表面，从而避免凝结在装置表面的水珠导致局部电晕放电。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例公开的电压引导装置的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的电压引导装置的另一种结构示意图；

图3为本发明实施例中导体两端头开螺纹的结构示意图；

图4为本发明实施例中可拆卸式均压球的结构示意图。

附图标记说明

10 引导棒

11 导线端部连接口

21 外部安装法兰

22 内部安装法兰

31 外侧均压罩

32 内侧均压罩

40 法兰管状延长端

50 封闭装置的壁体

61 外部均压球

62 内部均压球

70 内凹口

71 连接部

72 连接螺纹

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图，对本发明的各优选实施例作进一步说明：

为了能安全导入高电压进行高湿度环境电压实验，本发明设计了一种新型高湿度实验电压引导装置，利用电磁环境相关知识仿真设计电压引导装置的结构，并利用电工新材料相关知识设计出一种绝缘亲水性材料涂层，经实验验证，该涂层涂敷于导体后不影响导体的电气特性。

产品实施例：

参照图1，其示出了本发明实施例公开了一种电压引导装置，该电压引导装置的表面涂覆有绝缘亲水性涂层材料，该装置包括：引导棒10、外部安装法兰21、内部安装法兰22、外侧均压罩31、内侧均压罩32，其中：引导棒10穿设于封闭装置的壁体50，用于将所需电压引入封闭装置内部。外部安装法兰21安装于壁体50的外侧，二者连接处设置有固定用的螺眼，用于固定连接引导棒10与壁体50。内部安装法兰22安装于壁体50的内侧，二者连接处设置有固定用的螺眼，用于固定连接引导棒10与壁体50。外侧均压罩31罩设连接于外部安装法兰21。内侧均压罩32罩设连接于内部安装法兰22。

上述实施例的电压引导装置，可应用于各种高湿度实验的电压引导，在引导棒与壁体的连接处设计均压罩结构，能够改善装置连接处电场，保证法兰内外侧不发生局部放电。如图1所示，由于电压引导装置的法兰连接处有固定用的螺眼，结构比较复杂，边缘曲率小，容易发生局部放电，损坏装置，因此本实施例的电压引导装置在安装均压罩结构后，优化电场结构，可避免发生局部放电。

另外，该电压引导装置的表面涂覆有绝缘亲水性涂层材料，能安全导入高电压，以便进行高湿度环境电压实验。该绝缘亲水性涂层材料是一种适用于高压导入装置的材料涂层，结合将在后面公开的涂层覆盖工艺，能够减小装置表面接触角。这样，在高湿度环境下，该使装置表面水珠展开，形成一层较均匀的水膜，覆盖在高压导入装置表面，从而避免凝结在装置表面的水珠导致局部电晕放电。

参照图2所示，作为一种可选实施方式，上述电压引导装置还可包括：外部均压球61和内部均压球62，外部均压球61可拆卸地设置于引导棒10位于封闭装置外的端部，与引导棒10的外侧端部等电位。内部均压球62可拆卸地设置于引导棒10位于封闭装置内的端部，与引导棒10的内侧端部等电位。

上述实施例中，由于电压引导装置端部曲率小，距离实验装置等其他导体近，容易发生局部放电，本实施例增加均压球结构后，优化电场结构，可避免发生局部放电。通过电压引导装置两端的端部增加可拆卸式均压球结构，改善装置端部电场，以均匀端部电场，且便于清洁、接线。该结构也使该装置能有效引导电压，端部及连接处均不易发生局部放电。所设置的均压球采用可拆卸式结构，不仅更方便接线，而且由于在高湿度恶劣环境下，均压球上易积污，采用可拆卸式结构便于清洁、保存。

可选地，上述实施例中，该电压引导装置还包括绝缘橡胶圈，绝缘橡胶圈分别设置于外部均压球61、内部均压球62与引导棒10的端部连接处，并在连接处螺纹孔中注入少量绝缘油，防止生锈。

可选地，上述实施例中，内部安装法兰22远离壁体的一侧设置有法兰管状延长端40，用于固定引导棒10，防止其晃动，如图2所示。

参照图3所示，作为一种可选实施方式，上述电压引导装置中，引导棒10的两端端部开设有导线端部连接口11，导线端部连接口11内设有螺纹，分别用于连接外部均压球61、内部均压球62。

参照图4所示，上述实施例中，外部均压球61和内部均压球62与引导棒10的连接端设置有内凹口70，内凹口70的内部设置有连接部71，连接部71上设置有连接螺纹72，用于与导线端部连接口11螺接。

本实施例中，可拆卸均压球完全密封，防止污秽、潮湿空气进入其中。可拆卸式均压球一端开设有内凹口70，内凹口70内部伸出一根带螺纹的连接部71。这样，可拆卸式均压球能旋于导体两端并固定住，均压球与导体完全接触连接，施加电压时，两者可做到等电位。均压球型号通过电场仿真，并结合之前所计算出的电场控制值，计算出该均压球即使在恶劣环境下也可以施加110kV电压。

需要说明的是，引导棒10的半径范围可为5mm～15mm，相应的均压球的内凹口70、连接部71、连接螺纹72的半径或尺寸也跟引导棒10的半径变化作适应性调整。

在一可选实施例中，外部均压球61和内部均压球62的球壁厚的范围可为1mm～5mm，如2mm，内直径的范围可为40mm～100mm。

可选地，上述实施例中，外侧均压罩31、内侧均压罩32为半圆形，其内部口径处设置有用于连接于法兰的螺纹。

可选地，上述实施例中，经仿真计算，确定外侧均压罩31、内侧均压罩32的球面内壁半径可为60mm～80mm，壁厚可为2mm～4mm，底盘厚度可为10mm，外沿半径可为60mm～80mm，且底盘外沿半径与球内壁半径一致。

需要说明的是，在电压引导装置安装处，通常有法兰与导体相连，法兰上所加电压与导体电压等高。但是，法兰的外侧有很多固定用的螺纹，十分容易发生局部放电，为此，本实施例在法兰内外侧紧贴罐壁处加两个均压罩结构，以优化法兰附近电场。经过仿真，电压引导装置旋上均压罩后，施加110kV电压，其电场值小于正常环境及恶劣环境的电场强度控制值。可见，进行高压实验时，法兰处采用均压罩结构，可大大降低装置连接处的电场，优化电场分布，增大实验的安全性与成功率，减少装置放电所带来的干扰。

可选的是，上述实施例中，绝缘亲水性涂层材料可为纳米二氧化钛-丙烯酸树脂溶液，涂覆绝缘亲水性涂层材料后的电压引导装置的表面接触角达到35°以下，使水珠吸附在电压引导装置表面并润湿铺展成水膜。需要说明的是，绝缘亲水性涂层的厚度可在2mm以上，以提高涂层保水能力，提升润湿效果。

上述实施例可采用二氧化钛粉末、水溶性丙烯酸树脂作为主要原料，制作具有优良绝缘特性及高亲水特性的表面涂料，均匀涂抹于整个电压引导装置表面。经验证，该电压引导装置其表面的涂料能使表面水珠快速扩展浸润开来，在装置表面形成较为均匀的水膜，能够有效避免装置表面形成小水珠，造成引导装置表面电场畸变，发生局部电晕放电。因此，采用本实施例公开的绝缘亲水性涂层材料覆盖导电装置后，在高湿度环境下装置表面不再有小水珠凝结，而是铺展开来均匀覆盖于装置表面，形成薄而平整的水膜。平整水膜不像突起的小水珠，它不会导致导体表面电场发生畸变，使表面电场保持均匀，有效避免电晕放电。

作为一种可选的实施方式，上述电压引导装置还可包括：紫外光灯，用于照射电压引导装置，使电压引导装置的表面接触角降低降至5°以下，具备超亲水性，使水珠完全浸润表面。

由于二氧化钛具有亲水性，表面接触角为60°以下。在紫外光照射下，表面接触角还会大幅度降低，降至5°以下，甚至能达到0°，具备超亲水性，使水能完全浸润表面。即使光照消失后，二氧化钛的超亲水性也不会马上消失，而是能维持数小时到一周左右，此后慢慢恢复。因此，如果将装置置于光照下，装置表面涂层将具备超亲水性，表面接触角达到5°左右；或者，将装置置于光照下一定时间后，再进行实验，也能在较长时间内保持超亲水性。当电压引导装置具备超亲水性时，在高湿度环境中，小水珠可以吸附于装置表面，几乎完全铺展开来，形成均匀水膜，达到更好的效果。

基于上述各实施例，下面对电压引导装置的电气特性和减少电晕的性能进行仿真验证，具体如下：

电压引导装置结构设计完成后，将前述制备的亲水性涂料均匀涂抹于装置表面。经验证，涂抹该亲水性涂料后，导体表面的接触角可达到35°以下。具备亲水性涂层的电压引导装置在高湿度环境下，小水珠在导体表面润湿，吸附在表面润湿铺展成水膜，较为均匀地覆盖于导体表面。

1)利用ANSYS建立仿真模型，设置导体表面一定厚度涂层，设置其电导率为10^-10s/cm，经计算，导体涂敷涂层后，导体表面电场不但没有加强，还有一定减小，可见涂敷涂层不会影响装置本身电气特性，可以改善导体表面电场，减少电晕现象产生。

2)利用ANSYS建立第二个模型，验证导体表面覆盖水膜后能有效减少电晕产生。首先，设置导体表面有一定数量的水珠，仿真结果显示在水珠处会发生电场畸变，水珠头部电场增大，易发生局部放电。设置导体表面一定厚度涂层，电导率为10^-10s/cm。涂层外分别设置0.5mm均匀水膜、1mm均匀水膜、较不均匀水膜(厚度在0～1mm之间平缓变化)。仿真结果可见均匀覆盖水膜的表面电场分布均匀，没有局部放大。覆盖较不均匀水膜表面电场略有变化，但没有严重畸变。可见，电压引导装置表面覆盖亲水性涂层能有效避免水珠产生引发电晕放电。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

1、本发明实施例公开的电压引导装置用于高湿度环境试验，在高湿度环境下，水珠能快速扩展浸润开来，覆盖在高压引入装置表面，减少装置表面电晕放电、沿面电弧放电，增大实验安全性和实验结果数据的准确性。

2、本发明实施例公开的电压引导装置上涂覆的材料涂层所选用原料均有很好的电绝缘特性，适用于高压环境。经仿真可知，涂于装置表面后，装置表面电场依然保持均匀且略有降低，这说明该涂层不会引起局部放电等不良现象，也不会影响装置本身的试验效果。

3、本发明实施例公开的电压引导装置中，法兰内外侧均增加均压罩结构。电压引导装置的法兰连接处有固定用的螺眼，结构比较复杂，边缘曲率小，容易发生局部放电，损坏装置。加装均压罩后，优化电场结构，可避免发生局部放电。

4、本发明实施例中，电压引导装置端部增加均压球结构，这是由于电压引导装置端部曲率小，距离实验装置等其他导体近，容易发生局部放电，但增加均压球结构后，优化电场结构，可避免发生局部放电。

5、本发明实施例公开的电压引导装置中，均压球采用可拆卸式结构，这主要有两方面的好处：一是，采用可拆卸结构更方便接线；二是，在高湿度恶劣环境，均压球上易积污，同时高电压实验会产生一些腐蚀性气体，容易粘附腐蚀性物质，因此实验后均压球的清洁工作十分重要，所以将均压球设置为可拆卸结构，便于清洁、保存。

需要说明的是，上述各实施例电压引导装置不仅适用于高湿度环境下的高压导入操作，还可作为一般环境下防局部放电的高电压引导装置，应用于高电压领域，此外，涂层也可应用于多种关于除水、表面自清洁的领域，例如：对观测玻璃、镜子等表面除雾，可应用亲水性涂料。

此外，本发明实施例还公开一种封闭装置，该封闭装置内部为高湿度环境，该封闭装置设置有上述任一实施例所述的电压引导装置，用于各种高湿度实验的电压引导，能安全导入高电压进行高湿度环境电压实验，使吸附在其表面的水珠润湿铺展成水膜，以防止水珠引发电晕放电。

需要指出的是，该高湿度环境的封闭装置设有上述任一种电压引导装置，由于上述任一种电压引导装置具有上述技术效果，因此，设有该电压引导装置的封闭装置也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

方法实施例：

上述产品实施例中，在电压引导装置表面涂覆有绝缘亲水性涂层，使吸附在表面的水珠快速润湿铺展成水膜，有效防止水珠引发电晕放电。因此，基于前述各实施例，本发明实施例还公开一种绝缘亲水性涂层的制作方法，该方法包括以下处理工艺：

S100，制备微细颗粒步骤：将一定量的钛酸丁酯和乙酐混合于环已烷中，加热至50℃～100℃，如70℃，形成微细颗粒，保温5～8小时。

S200，分离洗涤步骤：高速离心分离出固体物，用丙酮溶液洗涤后，自然干燥。

S300，二氧化钛晶体制备步骤：取干燥后的固体物在600℃下左右焙烧3～5小时，得到纳米二氧化钛晶体。

S400，丙烯酸树脂水溶步骤：将水溶性丙烯酸树脂置于水溶液中，搅拌至其完全溶于水形成均匀溶液。

S500，混合处理步骤：将制备好的纳米二氧化钛晶体与水溶性丙烯酸树脂溶液按一定质量比例混合，比例范围可从1：99到99：1进行调节，如采用1：2的比例混合，超生震荡1～10小时，如2小时后，形成均匀分散分布的纳米二氧化钛-丙烯酸树脂溶液，即所需要的亲水性涂层涂料。

S600，涂覆步骤：将涂料均匀涂抹在权利要求1至8任一项的电压引导装置的表面，包括引导棒、均压罩结构、均压球表面，待自然风干后即可。

本实施例中，选用二氧化钛粉末、水溶性丙烯酸树脂作为涂层原料，按比例1：2混合，制成亲水性涂料，并将其均匀覆盖于整个电压导入装置表面，从而辅助电压导入装置表面将高电压安全导入高湿度环境电压实验，使吸附在表面的水珠快速润湿铺展成水膜，有效防止水珠引发电晕放电。

需要说明的是，二氧化钛在常温下是电绝缘体，比如金红石型二氧化钛电导率小于10^-10s/cm，介电常数较高，具有优良的电学性能。金红石型的介电常数，随晶体的方向不同而不同，其粉末平均值为114。且二氧化钛具有亲水性，表面接触角为60°以下。在紫外光照射下，表面接触角还会大幅度降低，降至5°以下，甚至能达到0°，具备超亲水性，使水能完全浸润表面。即使光照消失后，二氧化钛的超亲水性也不会马上消失，而是能维持数小时到一周左右，此后慢慢恢复。

上述实施例中，水溶性丙烯酸树脂可以自行制备，也可以直接购买。水溶性丙烯酸树脂多属阴离子型，共聚树脂的单体中选用适量的不饱和羧酸如丙烯酸、甲基丙烯酸、顺丁烯二酸酐、亚甲基丁二酸等，使侧链上带有羧基，再用有机胺或氨水中和成盐而获得水溶性。水溶性丙烯酸树脂含大量亲水基团，是一种亲水聚合物，接触角小于40°。而且其具有较强绝缘特性，电导率为10^-10s/cm以上，绝缘性也非常好。水溶性丙烯酸树脂聚合度可调，与制作的引发剂剂量有关。

例如，水溶性丙烯酸树脂可通过实验室化学制备，以得到合适聚合度、水溶性和亲水性的水溶性丙烯酸树脂。在装有搅拌器、温度计和回流冷凝管的四口烧瓶中加入一定量的二丙二醇加米、正丁醇、环氧树脂E-20(质量分数为15％左右)，升温至140，然后在4小时内滴加混合单体和引发剂(油溶性)。滴加完毕后保温1小时，然后补加少量引发剂，保温1小时，降温，中和，加水过滤出水溶液。其中引发剂总的质量分数为1.2％左右。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。