热致电导率自适应涂层及其制备方法与应用

1.本发明属于高压电力设备制造技术领域，具体涉及一种抑制电热耦合场下表面电荷积聚用热致电导率自适应涂层的制备方法，以及由该制备方法制得的热致电导率自适应涂层，还涉及该热致电导率自适应涂层的应用。


背景技术：

2.我国能源资源和负荷中心存在分布不均匀的矛盾，为了提高能源利用效率，满足经济快速发展地区对电力能源的需求，目前普遍采用远距离、大容量输电方式。相比交流输电，特高压直流输电(uhvdc)因传输损耗小、经济性高等独特优势，在远距离大容量输电中得到广泛应用。随着特高压直流输电技术的快速发展，直流电力设备对于绝缘可靠性的要求更加迫切。在直流电力设备中，气体-固体、固体-固体等复合绝缘的界面是绝缘最薄弱的环节，成为制约整个复合绝缘系统可靠运行的瓶颈。究其原因，复合绝缘系统界面两侧材料的介电参数不匹配，使得界面处电场发生畸变，并且极易积聚电荷，而积聚的电荷会进一步加剧界面电场的畸变，从而对界面绝缘造成潜在威胁。
3.界面电荷积聚一方面会引起界面电场畸变，另一方面会为界面放电提供种子电荷，加速放电的发展，最终造成界面击穿，破坏整个高压电力设备的复合绝缘系统。因此，抑制界面电荷积聚、改善界面电场分布成为提高界面击穿强度的有效方法。传统的方法如改善体积电导率分布、场致非线性电导涂层等主要针对单一直流电场工况，并未考虑电热耦合场的实际工况，并且体积改性会牺牲绝缘子的力学和热学性能，影响其正常服役寿命。表层电导率改性是通过优化固体绝缘材料表面电导率，不改变其体积特性，具有广阔的工程应用前景。
4.公开号为cn113793739a的中国专利申请中公开了一种表面电导梯度涂层的制备方法，公开了在绝缘子表面将高电导率涂料按照导电率从高到低依次涂覆在绝缘子从高电压电极到地电极的表面，从而形成电导率逐渐降低的梯度分布的绝缘子，这种涂层虽然能够在一定程度上调控调控直流电压下gil环氧树脂绝缘子表面电荷分布，优化沿面电场分布，提升沿面耐电强度。但由于该表面电导梯度涂层为不连续涂层，层与层之间的电导率不是连续变化的，因此主要适用于单一的直流电场工况，并不适用于温度梯度和直流耦合场工况；并且由于电导率为不连续梯度涂层，在每层电导率涂层之间存在电场畸变点，会增加沿面绝缘失效的概率。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明有必要提供一种热致电导率自适应涂层的制备方法，针对电热耦合场下直流电力设备对固体绝缘材料高沿面绝缘性能的要求，通过在固体绝缘材料表面形成一层高电导涂料，实现固体绝缘材料表层电导率在温度梯度作用下呈现空间梯度分布，实现对直流电力设备中固体绝缘材料表面电荷的抑制、沿面电场的改善以及沿面耐电性能的提升。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明提供了一种热致电导率自适应涂层的制备方法，包括以下步骤：
8.建立电热耦合场下固体绝缘材料的表面电荷和沿面电场计算模型，获取优化的热致表层电导率分布；
9.制备电导率-温度自适应复合材料，所述电导率-温度自适应复合材料含有高电导填料；
10.更改所述高电导填料的含量，获得高电导填料含量、温度和电导率的对应关系，并确定符合优化的热致表层电导率分布的高电导填料的含量；
11.将符合优化的热致表层电导率分布的电导率-温度自适应复合材料在所述固体绝缘材料的表面形成涂层，在温度梯度作用下该涂层电导率呈现自适应变化。
12.进一步方案，所述的建立电热耦合场下固体绝缘材料的表面电荷和沿面电场计算模型的步骤包括：模型建立、物理场设置以及材料参数设置。
13.进一步方案，所述的获取优化的热致表层电导率分布的步骤具体为：
14.将固体绝缘材料表面的电导率与温度的关系设置为随温度指数变化的函数其中，b为由材料决定的电导率温度敏感系数，ti为固体绝缘材料的温度；
15.优化b的取值，以表面电荷最少、沿面电场分布最均匀为目标获得优化的热致表层电导率分布，确定最高和最低电导率数值。
16.进一步方案，所述高电导填料为电导率不随电场变化的材料；
17.优选地，所述高电导填料选自二氧化钛或碳酸钡；
18.优选地，所述电导率-温度自适应复合材料中，高电导填料的含量在5wt％-70wt％之间。
19.进一步方案，所述电导率-温度自适应复合材料还包括聚合物基体和稀释剂；
20.优选地，在所述电导率-温度自适应复合材料中，所述聚合物基体的含量在10wt％-60wt％之间；所述稀释剂的含量在10wt％-20wt％之间；
21.优选地，所述聚合物基体选自光敏树脂、环氧树脂中的一种；
22.优选地，所述聚合物基体为光敏树脂；
23.优选地，所述聚合物基体为环氧树脂，所述电导率-温度自适应复合材料还包括30wt％-50wt％的固化剂；
24.优选地，所述稀释剂选自丙酮。
25.进一步方案，所述电导率-温度自适应复合材料的制备包括以下步骤：
26.将除稀释剂外的各原料组分在80-100℃预热后，按比例将原料组分于60-80℃混合，得到混合料；
27.将得到的混合料真空脱气，获得电导率-温度自适应复合材料。
28.进一步方案，所述的将符合优化的热致表层电导率分布的电导率-温度自适应复合材料在所述固体绝缘材料的表面形成热致电导率自适应涂层的步骤具体为：
29.将符合优化的电导率分布的电导率-温度自适应复合材料涂覆在所述固体绝缘材料的表面后，固化形成热致电导率自适应涂层；
30.优选地，所述涂覆的方式选自喷涂、刷涂或浸渍涂敷；
31.优选地，所述固体绝缘材料在进行涂覆之前，对其表面进行打磨处理。
32.进一步方案，所述固体绝缘材料为工作过程中存在温度梯度场和直流电场联合作用的电力设备；
33.优选地，所述电力设备为直流气体绝缘输电线路盆式绝缘子或直流套管绝缘子。
34.本发明进一步提供了一种热致电导率自适应涂层，采用如前所述的制备方法制得。
35.本发明进一步提供了如前所述的热致电导率自适应涂层在直流电力设备中的应用；
36.优选地，所述直流电力设备在工作过程中存在温度梯度场和直流电场联合作用。
37.本发明的有益效果如下：
38.本发明提出了一种电热耦合场下抑制表面电荷积聚用热致电导率自适应涂层的制备方法，利用服役绝缘子表面温度呈梯度分布的特定，以及某些高电导材料的电导率随温度呈正相关变化的特点，在服役绝缘子的表面形成高电导涂层，实现服役绝缘子表层电导率在温度梯度作用下呈现空间梯度分布。
39.该热致电导率自适应涂层，相较于现有电导率离散梯度涂层或场致电导率自适应涂层技术，可自动在温度梯度下形成连续的电导率梯度分布，能够实现温度梯度耦合直流电场作用下服役绝缘子表面电荷和沿面电场的自适应调控，从而提升绝缘子击穿电压。
附图说明
40.图1为本发明一典型实施例中热致电导率自适应涂层的制备方法流程示意图；
41.图2为本发明实施例1热致电导率自适应涂层绝缘子与未处理绝缘子的表面电荷分布图；
42.图3为本发明实施例1热致电导率自适应涂层绝缘子与未处理绝缘子的沿面电场分布图。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
44.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
45.本发明第一方面公开了一种热致电导率自适应涂层的制备方法，该热致电导率自适应涂层具体的说为电导率-温度自适应涂层，其可应用于电热耦合场下抑制表面电荷积聚，具体的说，本发明利用在直流系统中，电场分布与电导率呈反比分布，通过在固体绝缘材料的表面构造表层电导率呈空间梯度变化(靠近高压电极电导率高、靠近接地电极电导率低)，可以有效地降低高压电极附近的电场，使得固体绝缘材料表面整体电场呈近似均匀分布；另一方面，由于固体绝缘材料表面电导率显著影响表面电荷积聚，通过合理地优化表面电导率分布，可以实现表面传导电流引起的电荷积聚与体积传导电流引起的电荷积聚二者达到中和，实现对表面电荷的抑制，达到提升沿面耐电性能的目的。
46.本发明一典型的实施例中公开的热致电导率自适应涂层的制备方法如图1所示的，主要包括以下步骤：
47.s100、建立电热耦合场下固体绝缘材料的表面电荷和沿面电场计算模型
48.本文中所述的电热耦合场指的是温度梯度耦合直流电场工况；所述的固体绝缘材料指的是实际工作过程中存在温度梯度和直流电场联合作用的电力设备，主要类型为绝缘子，具体可提及的实例包括但不限于直流气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line,gil)盆式绝缘子、直流套管绝缘子、气体绝缘全封闭式组合电器(gas insulated switchgear,gis)绝缘子等。
49.所述的建立表面电荷和沿面电场计算模型，主要包括模型建立、物理场设置以及材料参数设置等部分。
50.具体的说，在模型建立部分，按照实际的绝缘子的结构和尺寸建立二维轴对称模型。
51.在物理场设置部分，主要涉及电场、正负离子传递场、温度场三类物理场。其中，电场设置中，将电荷来源设置为固体体积电导电流、固体表面电导电流、气体体积电导电流，电场计算采用泊松方程；正负离子传递场中，设置正负离子的产生、扩散、迁移、复合等过程；温度场设置中，考虑金属导体与固体绝缘材料之间的热传导、固体绝缘材料与气体之间的对流换热和热辐射、金属导体与气体绝缘材料之间的对流换热和热辐射。
52.在材料参数设置部分，分别设置外壳材料、绝缘子材料以及绝缘气体的参数，如导热系数、密度、表面发射率、动力粘度等。
53.s200、获取优化的热致表层电导率分布
54.在步骤s100的计算模型中，将绝缘子表面电导率与温度的关系设置为随温度指数变化的函数，即：
[0055][0056]
其中，b为电导率温度敏感系数，ti为绝缘子的温度，通过优化b的取值，以表面电荷最少、沿面电场分布最为均匀为目标，计算得到优化的热致表层电导率分布，并确定最高和最低电导率数值。
[0057]
s300、制备电导率-温度自适应复合材料
[0058]
本文中所述的电导率-温度自适应复合材料至少包括高电导填料，所述的高电导填料为电导率基本不随电场变化的材料，具体可提及的实例包括但不限于二氧化钛或碳酸钡。高在该电导率-温度自适应复合材料中，高电导填料的质量分数在5％-70％之间，具体可根据优化的热致电导率分布确定高电导填料的含量。
[0059]
可以理解的是，所述的电导率-温度自适应复合材料还包括聚合物基体和稀释剂等，其具体的含量可根据实际情况进行调整，在本发明的一些具体的实施例中，所述电导率-温度自适应复合材料中，所述聚合物基体的的质量分数在10％-60％之间，所述稀释剂的质量分数在10％-20％之间。所述聚合物基体、稀释剂均可采用本领域中的常规选择，举例来说，聚合物基体可以为光敏树脂、环氧树脂中的一种；稀释剂可以为丙酮。
[0060]
可以理解的是，根据采用的聚合物基体以及形成涂层的方式的不同，所述电导率-温度自适应复合材料中还可以包括固化剂。在本发明一典型的实施例中，涂层通过热固化
的方式形成，所述聚合物基体为环氧树脂，此时，所述电导率-温度自适应复合材料添加有固化剂，所述的固化剂的含量可根据需要进行调整，优选其质量分数在30％-50％之间；所述的固化剂的种类没有特别的限定，可采用本领域中常规的，如聚酰胺酯。在本发明的另一典型的实施例中，涂层通过紫外光照射固化，所述聚合物基体为光敏树脂。
[0061]
进一步的，在本发明的一典型的实施例中，电导率-温度自适应复合材料的制备可以采用本领域中已知的方法，主要步骤如下：
[0062]
按照比例称取聚合物基体、固化剂(如果有的话)和高电导填料，在80-100℃的烘箱中预热1-3h；
[0063]
按比例将聚合物基体与高电导填料混合，在60-80℃的油浴锅中搅拌20-40min，随后加入适量的稀释剂，继续搅拌5-15min，接着按比例加入固化剂，继续搅拌5-15min，得到混合料；
[0064]
将得到的混合料真空脱气20-40min，即可获得电导率-温度自适应复合材料。
[0065]
s400、获取不同高电导填料含量、温度和电导率的对应关系，直至获得优化的热致电导率分布
[0066]
具体的说，采用步骤s300中的方法制备电导率-温度自适应复合材料，通过调整高电导填料的含量，获得不同填料含量的电导率-温度自适应复合材料；并测量不同温度下不同高电导填料含量的复合材料的电导率。并根据步骤s200获取的优化的热致表层电导率分布，确定符合优化的热致表层电导率分布的复合材料中的高电导填料的含量。
[0067]
s500、形成热致电导率自适应涂层
[0068]
将步骤s400中确定的符合优化的热致表层电导率分布的高电导填料含量的复合材料涂覆在固体绝缘材料的表面后，固化即可形成电导率-温度自适应涂层绝缘子。其中，复合材料的涂覆方式没有特别的限定，可采用本领域中常规的如喷涂、刷涂或浸渍涂敷均可，只要在固体绝缘材料的表面形成均匀的涂层即可；在本发明的一些具体的实施例中，固化的方式根据聚合物基体的不同可以为紫外固化或加热固化。在本发明的一典型的实施例中，所述固化的方式为加热固化，其固化的温度没有特别的限定，可根据具体的复合材料中的组成进行选择，只要能够实现固化形成涂层的目的即可，优选的，固化温度在60-80℃之间，时间为6-10h；更优选的，固化温度为60℃，时间为8h。在本发明的另一典型的实施例中，所述的固化方式为紫外光照射固化，优选地，紫外光的波长355-405nm，固化温度30-40℃，固化时间1-3h。
[0069]
进一步的，本发明中的固体绝缘材料在进行复合材料涂覆前，优选进行打磨处理，即增加固体绝缘材料的粗糙度，优选的，将粗糙度增加至3.5-4μm，从而能够提高涂层与固体绝缘材料之间的界面结合强度，提高涂层与固体绝缘材料之间的表面粘接强度。
[0070]
进一步的，为了降低涂层在绝缘子表面的流动性，可添加一些功能助剂，如适量(0.5％-1％wt)的气相二氧化硅颗粒。
[0071]
本发明利用服役绝缘子表面温度呈现梯度分布的特点，以及一些高电导材料的电导率随温度呈正相关变化的特点，通过在服役绝缘子表面形成一层含有高电导填料的涂层，从而实现服役绝缘子表层电导率在温度梯度作用下呈现空间梯度分布，进而实现对直流电力设备中服役绝缘子表面电荷的抑制、沿面电场的改善以及沿面耐电性能的提升。
[0072]
下面通过具体实施例对本发明进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅
是用于说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围，另外，如无特别说明，未具体记载条件或者步骤的方法均为常规方法，所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。
[0073]
实施例
[0074]
本实施例中热致电导率自适应涂层的制备的具体步骤如下：
[0075]
步骤1：建立电热耦合场下表面电荷与表面电场计算模型，主要步骤包括模型建立、物理场设置、材料参数设置等。
[0076]
具体的说，在模型建立部分，按照实际的gis/gil盆式绝缘子结构和尺寸建立二维轴对称模型。
[0077]
在物理场设置部分，涉及电场、正负离子传递场、温度场三类物理场，电场设置中，将电荷来源设置为固体体积电导电流、固体表面电导电流、气体体积电导电流，电场计算采用泊松方程；正负离子传递场中，设置正负离子的产生、扩散、迁移、复合等过程；温度场设置中，考虑金属导体与固体绝缘材料之间的热传导、固体绝缘材料与气体之间的对流换热和热辐射、金属导体与气体绝缘材料之间的对流换热和热辐射。
[0078]
在材料参数设置部分，本实施例中，中心导杆与外壳材料为金属铝材料，绝缘子材料为环氧树脂，绝缘气体为sf6，设置金属铝材料的导热系数为43.2w/(m
·
k)、密度为2700kg/m3、表面发射率为0.05；设置sf6气体的导热系数为0.01206w/(m
·
k)、密度为24kg/m3、动力粘度为1.42
×
10-5
pa
·
s，比热率为1.33；环氧树脂的导热系数为0.2w/(m
·
k)、密度为2.2kg/m3、表面发射率为0.8。
[0079]
在模型中，设置涂层的电导率为温度的函数，即：
[0080][0081]
b为对应材料的电导率温度敏感系数，通过优化b的取值，以表面电荷最少、沿面电场分布最均匀为目标获得优化的表层电导率分布9
×
10-13
s/m～1
×
10-14
s/m。
[0082]
步骤2：采用聚合物基体与高电导填料混合制备电导率-温度自适应复合材料，本实施例中选择tio2填料作为高电导填料，e-44环氧树脂作为聚合物基体，选择不同质量分数(5％-50％wt)的tio2与e-44环氧树脂复合，制备获得复合材料。本实施例中具体的制备方法如下：
[0083]
按照比例称取e-44环氧树脂、聚酰胺酯固化剂和高电导填料tio2，在80-100℃的烘箱中预热2h；
[0084]
按表1中的比例将e-44环氧树脂与高电导填料tio2混合，在60-80℃的油浴锅中搅拌30min，加入稀释剂丙酮，继续搅拌10min，随后加入聚酰胺酯固化剂，继续搅拌10min；
[0085]
将得到的混合料在真空中脱气30min，即可获得电导率-温度自适应复合材料。
[0086]
表1本实施例中不同质量分数的tio2的电导率-温度自适应复合材料的组成
[0087][0088]
测量不同tio2含量的复合材料在不同温度下的电导率，结果如表2所示的：
[0089]
表2本实施例中不同温度不同质量分数tio2复合涂层的电导率
[0090][0091]
将其与步骤1中获得的电导率分布进行对比，从而优选出与步骤1中电导率接近的tio2填料的含量为15wt％-20wt％。
[0092]
步骤3：采用刷涂的方式将步骤2中优选出的电导率-温度自适应复合材料涂敷在绝缘子表面，为了降低涂层在绝缘子表面的流动性，可添加适量(0.5％-1％wt)气相二氧化硅颗粒；在涂覆前，首先对绝缘子表面进行打磨粗糙处理，将粗糙度增加至3.5-4μm，可提高涂层与绝缘子之间的界面结合强度。涂覆完成后，将绝缘子置于60℃的烘箱内进行热固化8h，固化后涂层可牢靠地粘附在绝缘子表面，其中，本实施例中涂层的厚度为0.2mm。
[0093]
采用有源静电探头法测量绝缘子表面电荷分布，通过测试，本实施例中刷涂电导率-温度自适应涂层绝缘子与未处理绝缘子的表面电荷分布与沿面电场分别如图2和3所示，可以看出，未处理绝缘子表面积聚了大量的电荷，主要分布在高压电极附近和绝缘子表面中间位置，最大电荷密度可达50pc/mm2，未处理绝缘子表面电场最大可达4.5kv/mm，与未处理绝缘子相比，本实施例中电导率-温度自适应涂层绝缘子表面积聚电荷显著减少，最大电荷密度为10pc/mm2，沿面电场也明显降低(最大为2.5kv/mm)，沿面电场分布更加均匀。
[0094]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0095]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。