直流电缆附件硅橡胶绝缘表层分子结构调控装置及方法与流程

本发明涉及增强绝缘空间电荷屏蔽方法领域，更具体的说，是涉及直流电缆附件硅橡胶绝缘表层分子结构调控装置及方法。

背景技术：

随着工业化的不断发展以及科学技术的不断进步，聚合物基固体介质材料在高电压工程、电力电子、微电子绝缘以及各类依赖电荷驻留和极化等行为的特种传感器中的应用越来越广泛。特别是近年来以聚合物为基础材料的聚合物纳米复合材料异军突起，成为电气绝缘以及相关专业领域的研究热点。

硅橡胶复合绝缘以其优异的介电性能、耐高低温性能、拉伸性能等而被用作电缆附件增强绝缘。而对于直流电缆附件来说，由于硅橡胶增强绝缘长期处于单极性电场的作用下，绝缘材料内部存在的各种界面、缺陷或者杂质会导致绝缘材料内部发生界面极化行为以及空间电荷的注入，从而在缺陷处形成空间电荷的积聚现象。空间电荷的产生和积聚会造成绝缘介质局部形成高场强，进而引发局部放电，导致聚合物分子键的断裂和自由基的形成，加速介质老化，进而影响电介质材料的介电强度；另一方面，随着电介质介电强度的下降，空间电荷诱发放电通道的形成，在固体绝缘材料内极易引发电树枝放电而导致绝缘材料的击穿，导致运行事故的发生。直流电缆附件已经成为直流电缆输电系统中的关键部位和薄弱环节，而空间电荷的注入和积聚正是造成这一问题的根本原因，成为了直流电缆附件发展中所亟待解决的关键问题。

目前，固体绝缘介质的空间电荷抑制方法理论上主要分为两类：一是固体绝缘介质本体改性，目前最常用的就是无机纳米颗粒复合电介质。但是由于工业中直流电缆附件内的硅橡胶增强绝缘需要填充大量的气相白炭黑、结构化控制剂、抗撕裂剂与硫化剂等添加剂以提高其电气和机械等性能，因此硅橡胶绝缘内部被引入大量的化学杂质成分，因而已有实验证明无机纳米颗粒填充的方法对于添加了一定配合体系的硅橡胶增强绝缘并不适用。二是固体绝缘介质表面改性，在其表面增加电荷屏蔽层，从而达到抑制空间电荷注入的作用。目前常用的方法是在聚合物表面粘贴一层绝缘薄膜，但这种方法虽然可以抑制空间电荷的注入，但是同时也改变了绝缘结构和电场分布情况，直接影响了硅橡胶绝缘的介电、击穿和闪络性能等等，因此此类方法至今依然未见相关应用的报道。

因此，如何在不影响硅橡胶绝缘基体介电性能的情况下在其表面引入一个空间电荷屏蔽层目前仍是一个难题，直流电缆附件内部硅橡胶增强绝缘空间电荷问题亟待解决。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种直流电缆附件硅橡胶绝缘表层分子结构调控装置及方法，通过该装置和方法，增强直流电缆附件硅橡胶绝缘空间的电荷屏蔽作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

直流电缆附件硅橡胶绝缘表层分子结构调控装置，包括用于放置试样的反应釜，所述反应釜内设有加热装置和测温探头，反应釜通过管道分别连接有氟气瓶、氮气瓶和真空泵，所述管道上均设有阀门，所述真空泵连接有尾气处理罐，所述测温探头连接有测温元件，反应釜上还设有气压表。

直流电缆附件硅橡胶绝缘表层分子结构调控装置的调控方法，包括以下步骤：

(1)利用真空泵抽出反应釜内部空气，抽真空完成后关闭真空泵；打开氮气瓶减压阀，向反应釜内注入氮气并达到环境气压，重复上述过程至少五次，以确保反应釜及管道内的气体排净；

(2)向反应釜内部缓慢充入氟气体积分数为20％的氟、氮混合气使得反应釜内气压达到300mbar；

(3)继续向反应釜内部充入氮气直至反应釜内气压达到500mbar，使氟、氮混合气与硅橡胶试样反应，保持反应釜内温度为25℃，经过10‐30min的反应时间后，使硅橡胶试样表层分子中的C-H键被C-F键所置换，得到表层分子结构被调控后形成一层具有电负性的空间电荷屏蔽层的硅橡胶试样，打开真空泵将内部残余气体排出。

步骤(1)中抽真空完成指反应釜上气压表指针达到-0.1Mpa。

步骤(2)中，控制反应釜内混合器气气体气压、浓度和反应温度不变的条件下，分别得到表层分子结构调控时间分别为20和40min的硅橡胶试样。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)显著抑制硅橡胶绝缘材料中空间电荷的注入和积聚过程；

(2)不影响电缆附件硅橡胶增强绝缘自身的绝缘和机械性能；

(3)生产工艺及流程简便，且反应过程稳定可控。

附图说明

图1是本发明装置的的结构原理示意图。

图2是本发明硅橡胶绝缘表层分子结构的调控原理图。

图3-1和图3-2是本发明中表层分子结构调控前后硅橡胶表层形貌对比示意图；图3-3和图3-4是本发明中表层分子结构调控前后硅橡胶化学元素构成对比示意图。

图4-1至图4-3是本发明中不同表层分子结构调控程度的硅橡胶绝缘空间电荷积聚特性示意图。

图5-1至图5-3是本发明中不同表层分子结构调控程度的硅橡胶绝缘空间电荷消散特性示意图。

附图标记：1-反应釜，2-氟气瓶，3-氮气瓶，4-真空泵，5-尾气处理罐，6-测温元件，7-气压表，8-探温测头

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

由于硅橡胶表层分子中含有大量的甲基基团，利用氟气活跃的活性性能对硅橡胶进行表层分子结构调控，使C‐H键被C‐F键所置换，从而在硅橡胶表层分子中引入大量含氟官能团，硅橡胶表层化学分子式的调控过程如图2所示。由于氟气具有较强的腐蚀性，因此为保证表层分子结构调控过程中的人员安全，设计了一套直流电缆附件硅橡胶增强绝缘表层分子结构的调控装置，如图1所示，包括用于放置试样的反应釜1，反应釜1内设有加热装置和测温探头8，反应釜1通过管道分别连接有氟气瓶2、氮气瓶3和真空泵4，管道上均设有阀门，真空泵4连接有尾气处理罐5，测温探头8连接有测温元件6，反应釜1上还设有气压表7。

具体调控步骤如下：

1.利用真空泵4快速抽出反应釜1内部空气，直至反应釜1上压力表指针达到‐0.1MPa后，关闭真空泵4；打开氮气瓶3减压阀，向反应釜1内注入高纯氮气并达到环境气压。反复重复上述过程五次后，保证反应釜及管道内的气体彻底排净。

2.向反应釜1内部缓慢充入氟气体积分数为20％的氟、氮混合气使得反应釜1内气压达到300mbar；

3.然后向反应釜1内部充入高纯氮气直至反应釜1内气压达到500mbar(0.5个标准大气压)，得到一定浓度的氟、氮混合气并使之与硅橡胶试样反应。保持反应釜1内温度为25℃，经过一定的反应时间后，打开真空泵将内部残余气体排出。本实施例在控制混合反应气体气压、浓度和反应温度不变的前提下，改变反应时间得到了表层分子结构调控时间分别为20和40min的硅橡胶试样。

本发明通过通过引入含氟官能团可在硅橡胶表面形成一层厚度为数个微米左右的表面氟化层。氟元子是除氢原子以外原子半径最小的原子，其具有极强的电负性(束缚电子的能力)，从而屏蔽电极/电介质界面处电子的注入过程，屏蔽空间电荷向硅橡胶绝缘内部的注入和积聚。

利用扫描电子显微镜和X射线能谱分析观测表层分子结构调控后硅橡胶试样的表层表层形貌及化学元素构成，如图3‐1至图3‐4所示。可以发现，在硅橡胶试样表面上形成了一层明显的氟化层。利用X射线衍射分析对比图3‐1和3‐2中红色方框内区域的元素构成，就证明了反应后试样表层分子中引入大量的氟元素。

采用目前最常用的电声脉冲(PEA)空间电荷测量方法测量不同反应时间的三组试样空间电荷积聚与消散特性，从图4‐1至图4‐3的空间电荷积聚情况可以发现，表层分子结构调控20min的硅橡胶试样相对于其他两组试样其内部几乎没有空间电荷积聚，电荷均被试样两侧的表面氟化层屏蔽在试样表层，其表现出明显的空间电荷抑制特性。而对于反应时间为40min的硅橡胶试样来说，过度的表层分子结构导致硅橡胶分子中的Si‐O‐Si主链也被氟氮混合气所破坏，在试样表面形成大量的断裂和小分子等极性基团，从而加剧了空间电荷的积聚。

从图5‐1至图5‐3中不同表层分子结构调控程度的硅橡胶绝缘空间电荷消散过程中，同样可以发现，反应时间为20min时硅橡胶绝缘内部空间电荷最少，且消散最快。因此对于硅橡胶增强绝缘，当反应温度为25℃、氟氮混合气体浓度为20％、压力为500mbar时，反应时间设定为20min即可以在硅橡胶表面形成一层表面氟化层，屏蔽空间电荷向试样内部的注入过程。通过对硅橡胶绝缘表层分子结构改性在其表面形成一层空间电荷屏蔽层，对直流电缆附件形成空间电荷屏蔽的作用。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。