一种均匀电气绝缘设备中金属表面电场的方法与流程

本发明属于电气绝缘材料领域，具体涉及一种利用液态金属作为导电涂层均匀电气绝缘设备的金属表面电场的方法。

背景技术：

随着电网建设的发展，电压等级越来越高，电气绝缘设备的安全性和稳定性迎来更高的挑战。在绝缘材料的生产、装配和使用过程中，由于不正确的操作，机械磨损会对金属造成缺陷，造成电气绝缘设备金属壁表面通常存在一些缺陷，如金属表面的毛刺、凸起、凹陷、缝隙、导电颗粒等。大量研究表明，这些缺陷会恶化电场分布，缺陷部位空间电荷的聚集、注入和抽离等过程会加剧绝缘材料的老化速度，导致绝缘设备的绝缘强度降低，局部放电加剧，最终导致绝缘破坏。以气体绝缘开关设备(GIS)用盆式绝缘子为例，盆式绝缘子在GIS中具有支撑导体、隔离气室和电气绝缘作用，是整个GIS中较为薄弱的环节。在GIS的生产、安装和运行过程中，由于工艺原因、碰撞摩擦、隔离开关或断路器动作时产生的电弧会引入各类缺陷，这些缺陷大大增强了附近区域的局部放电。目前国内特高压GIS已发生多起由于金属表面缺陷、金属颗粒悬浮等引发的故障。

因此，如何解决因金属表面缺陷造成的电场不均匀的问题成为电气制造中亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

针对电气绝缘设备中金属表面电场畸变问题，本发明提出一种均匀电气绝缘设备的金属表面电场的方法。本方法通过利用液态金属喷涂技术在金属表面形成一层导电涂层，从而有效改善因金属表面缺陷而带来的电场畸变问题。

本发明的技术方案如下：

一种均匀电气绝缘设备中金属表面电场的方法，在电气绝缘设备的金属表面与绝缘层之间设有导电涂层；所述导电涂层是由两种或两种以上液态金属制得。通过在金属表面设置导电涂层可以修复金属表面的毛刺、凸起、凹陷、缝隙、导电颗粒等缺陷，使金属表面相对平整，从而避免缺陷部位空间电荷的聚集、注入和抽离，延缓绝缘材料的老化速度，最大程度保持绝缘强度。

所述电气绝缘设备的金属材质为本领域技术人员所熟知的常用金属材料，如铜、铝等。

所述液态金属选自具有吸附特性的液态金属，如镓、铟、锡、铋等；在本发明中，考虑吸附性，成本，操作便利等综合因素，所述导电涂层优选由镓铟合金、镓基合金、铟基合金或铋基合金制得；进一步优选镓铟合金，相比其他液态金属合金，镓铟合金具有电导率更高、熔点更低、更便于喷涂等优点。其中，所述镓铟合金中镓：铟的质量比为3-10:1；优选3-4:1。

所述导电涂层的厚度通常为20μm-600μm，具体可依据电气绝缘设备的实际需求调整喷射参数而定。

本发明所述导电涂层的制备方法如下：

S1、将各液态金属原料熔化、混匀，得到粗制的液态金属合金；

S2、向粗制的液态金属合金中加入碱液除去制备过程中生成的氧化物，分离，得到纯金属态的液态金属合金；

S3、将纯金属态的液态金属合金进行微氧化处理；

S4，将S3得到的液态金属合金喷涂在电气绝缘设备的金属表面形成导电涂层，静置氧化即得。

再按照常规方法在导电涂层表面覆盖绝缘层，所得到的电气绝缘设备的表面电场均匀，从而解决了现有电气绝缘设备因金属表面缺陷导致的电场畸变问题。

在上述导电涂层制备过程中，所述液态金属混匀可采用超声、搅拌等多种方式或相结合的方式。

所述碱液为质量浓度10％-30％的NaOH溶液或KOH溶液。

所述微氧化处理是指通过微量氧化反应法对液态金属合金进行改性处理。通常可将制得的液态金属合金置于室温大气环境中持续搅拌，使液态金属合金缓慢氧化。这一过程中，合金质量、搅拌时间、搅拌速率与氧化程度密切相关。经验证，当液态金属合金内氧元素质量分数达到0.02％-0.03％时，液态金属导电涂层的粘附性及导电性综合效果更佳。

所述电气绝缘设备中的绝缘介质为本领域技术人员所掌握的，包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，非晶态电介质包括玻璃、树脂(不同填料下的环氧树脂，电阻率为10¹⁴Ω·m，介电常数为5)或高分子聚合物(聚四氟乙烯和硅橡胶)等；还包括对绝缘介质进行添加剂改性得到的改性绝缘介质。在本发明中，所述绝缘介质主要为环氧树脂、交联聚乙烯、硅橡胶。此类绝缘介质为电工领域常用的绝缘材料，具有较好的绝缘性能。

本发明还提供一种电气绝缘设备，其特征在于，在电气绝缘设备的金属表面与绝缘层之间设有导电涂层；所述导电涂层是由两种或两种以上液态金属制得。

综上所述，本发明将液态金属合金喷涂在电气绝缘设备的金属表面，再覆盖绝缘介质，从而有效改善因金属表面缺陷而带来的电场畸变。

附图说明

图1是金属表面缺陷导致的电场畸变示意图。

图2是导电涂层结构示意图。

图中：(a)绝缘介质，(b)金属表面缺陷，(c)电气绝缘设备的金属材料，(d)导电涂层。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

参考图1与图2。

图1基于数值计算，建立了高150mm，长200mm的固体金属和绝缘介质的二位模型，模拟电气绝缘设备的金属表面缺陷带来的电场畸变。由图中箭头所示处可见，在凸起尖端等曲率半径较小的位置电场强度较高，容易造成绝缘破坏。

图2在固体金属的缺陷表面喷涂液态金属合金导电涂层，具体步骤如下：

(1)按照质量比(镓金属75.5％，铟金属24.5％)称取纯度为99.99％的镓金属和铟金属，并将称量好的两种金属放入同一烧杯中，加热100℃直至均匀熔化为液态。

采用磁力搅拌器搅拌该混合物5min或在40℃水浴中超声1h，以确保二者均匀混合，以此制得镓铟合金。

(2)将镓铟合金置于烧杯中，再缓慢加入质量浓度为30％的NaOH溶液。将烧杯放于磁力搅拌器搅拌2h，以除去制备过程中合金生成的氧化物。

反应完全后，烧杯中的镓铟合金材料沉于烧杯底部，而溶液则在烧杯上部，二者呈现明显分层。用注射器吸取镓铟合金使之从混合物中分离出来，这时镓铟合金为纯金属态。

(3)通过微量氧化反应法对镓铟合金进行改性处理。将制得的液态金属置于室温大气环境中持续搅拌，使液态金属缓慢氧化。这一过程中，合金质量、搅拌时间、搅拌速率与氧化程度密切相关。

(4)将液态金属合金喷涂在在金属表面形成导电涂层，待涂层表面氧化达到0.026％，合金不会滴落即可。

再按照常规方法在导电涂层表面覆盖绝缘层，所得到的电气绝缘设备的表面电场均匀，从而解决了现有电气绝缘设备因金属表面缺陷导致的电场畸变问题。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。