具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设计方法技术

本发明专利技术公开一种具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设计方法，主要步骤包括：先制备环氧树脂材料；其次阶梯固化处理；然后，对环氧树脂盆式绝缘子进行梯度设计：将其表面由内向外分为五个紧密相连的环形，令环形的相对介电常数依次减小；将环氧树脂盆式绝缘子放置于磁控溅射设备内，按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，时间范围为0min‑60min，得到二维梯度分布的盆式绝缘子。本发明专利技术达到缓解交流电压下局部电场过高及提升绝缘系统耐电性能的目的；对提高GIS的运行稳定性和电力系统的安全性有着重要的理论价值和工程意义。

【技术实现步骤摘要】
具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设计方法
本专利技术属于高电压设备制造中改性聚合材料及其制备领域，涉及一种具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设计方法，具体涉及一种具有二维介电常数线性梯度分布的GIS环氧树脂绝缘子设计方法。
技术介绍
近年来，随着电力系统高电压、大容量输电的发展需求，气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)及气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)因其传输容量大、占地面积小、可靠性高等优点，得到了广泛的关注与应用。其中，盆式绝缘子既起到机械支撑的作用，又作为电气绝缘体，对整个GIS、GIL的安全稳定运行起着决定性的关键作用。然而，即使在质量严苛的1000kV交流特高压工程中，环氧浇注类绝缘子依旧故障频发。一般认为，电场分布不均匀度较高是导致绝缘击穿、耐电性能差的根本原因。在不同介质的分界面如金属导体、绝缘子以及SF6气体三结合点处，由于介电参数的急剧变化，使得电场分布不均匀，局部电场畸变严重，导致局部放电的发生。一方面加剧绝缘老化，另一方面引起闪络，降低绝缘的耐电性能。目前，为了提升绝缘的耐电性能，常采用优化电极或绝缘结构形状的方法，如增设均压环、屏蔽罩和改进绝缘子形状。虽然电场分布得到了改善，但是绝缘结构更加复杂，且效果有限。将材料学领域的功能梯度材料(FunctionallyGradedMaterial，FGM)概念应用于电气绝缘领域，通过构建相对介电常数非均匀分布的绝缘结构，对交流下的电场分布进行调控，从而促使电场分布均匀，缓解局部电场过高的目的。日本名古屋大学Okubo教授团队借助无机填料离心制造技术，构建了外形结构为圆台和盘型的复合材料FGM绝缘子，研究发现三结合点处最大电场强度有效降低，闪络电压得到显著提升。然而此技术可控性差且影响因素复杂，难以大批量制造环氧绝缘子。将磁控溅射法应用于环氧树脂基表面，通过控制靶材种类、溅射时间、溅射功率等构造二维FGM绝缘子，具有操作简便、易于控制等优点，为FGM绝缘子的制造提供了全新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设计方法，通过在环氧树脂基表面溅射不同时间形成介电常数的二维梯度分布，以调控其表面电场的分布，提升绝缘子耐电性能。本专利技术通过控制溅射时间构建出具有二维介电常数梯度分布的绝缘子，进而灵活调控交流电压下绝缘子表面的电场分布，提高GIS用绝缘子的耐电性能。本专利技术为解决其技术问题提出的技术方案是：具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设计方法，该方法包括如下步骤:1)制备环氧树脂材料：(1)将环氧树脂基、固化剂和氧化铝按照100:38:330配比加入混合罐得到环氧树脂混合材料，温度130℃；(2)电机搅拌0.5小时、在-0.1MPa的真空度下真空脱气一个小时；(3)将步骤(2)中环氧树脂混合材料浇注至经预热处理后的模具内：预热温度130℃，不低于1小时；2)采用阶梯固化法处理，固化过程分为两步：(1)先将模具放入烤箱在130℃下进行一次固化8小时，然后脱模；(2)脱模后的产品放入烤箱在130℃下进行二次固化8小时，冷却后即可得到环氧树脂盆式绝缘子；3)对环氧树脂盆式绝缘子进行梯度设计：(1)将其表面由内向外分为五个紧密相连的环形，令环形的相对介电常数依次减小；(2)将环氧树脂盆式绝缘子放置于磁控溅射设备内，按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，时间范围为0min-60min，得到二维梯度分布的盆式绝缘子。所述步骤3)中分步骤(2)中按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，由内到外溅射时间分别为60min、45min、30min、15min、0min。所述步骤3)中分步骤(2)中按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，由内到外溅射时间分别为40min、30min、20min、10min、0min。所述步骤3)中分步骤(2)中按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，由内到外溅射时间分别为20min、15min、10min、5min、0min。所述步骤3)中分步骤(2)中溅射过程中的射频电压为650V，电流为120mA。所述步骤3)中分步骤(2)溅射在氩气氛围下进行，氩气流速为50-60SCCM。所述步骤1)中环氧树脂基优选美国进口亨斯曼牌CT5531。所述步骤1)中固化剂优选HY5533。所述步骤3)中分步骤(2)中磁控溅射使用的靶材优选TiO2。有益效果本专利技术借鉴吸收功能梯度材料(FGM)的理念，创新性地运用磁控溅射的方法将高介电常数无机物TiO2、BaTiO3等溅射至环氧树脂基表面，且通过控制溅射时长形成环氧树脂表面介电常数的二维梯度分布，构建表面介电功能梯度材料，进而达到缓解交流电压下局部电场过高及提升绝缘系统耐电性能的目的。本专利技术对提高GIS的运行稳定性和电力系统的安全性有着重要的理论价值和工程意义。附图说明图1是仿真设计的具有二维介电常数线性梯度分布的环氧树脂盆式绝缘子。具体实施方式下面通过具体实施例和附图对本专利技术作进一步的说明。本专利技术的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本专利技术，并不对本专利技术作任何的限制。本专利技术使用的盆式绝缘子的浇注材料是美国进口亨斯曼牌CT5531环氧树脂以及HY5533固化剂；通过磁控溅射法实现环氧树脂基的二维线性梯度分布且磁控溅射使用的靶材包括但不限于TiO2、BaTiO3，由中诺新材(北京)科技有限公司提供；磁控溅射配套装置为DK-92L型电控柜与BILON-T-5001型低温冷却循环装置；二维梯度分布的类型为线性单调分布。本专利技术电机搅拌0.5小时、在-0.1MPa的真空度下真空脱气一个小时；预热温度为130℃，不低于1小时；一次固化时间为8小时，二次固化时间为8小时。实施例11)将环氧树脂基、固化剂和氧化铝按照100:38:330配比加入混合罐，温度130℃；开启电机搅拌、真空脱气；将经预热处理后的模具推入浇注罐，进行抽空处理；将混合好的环氧树脂混合材料通过浇注设备浇注至模具内。2)环氧树脂采用阶梯固化法处理，固化过程分为两步：先将真空处理后的模具放入烤箱进行一次固化，然后脱模；再次放入烤箱进行二次固化，冷却后即可得到环氧树脂盆式绝缘子。3)对环氧树脂盆式绝缘子进行梯度的设计，即将其表面由内向外分为五个紧密相连的环形，令环形的相对介电常数依次减小：将环氧树脂盆式绝缘子放置于磁控溅射设备内，按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，由内到外溅射时间分别为60min、45min、30min、15min、0min，即可得到二维梯度分布的盆式绝缘子。溅射过程中的射频电压为650V，电流为120mA；溅射在氩气氛围下进行，氩气流速为50-60SCCM。实施例21)将环氧树脂基、固化剂和氧化铝按照100:38:330配比加入混合罐，温度130℃；开启电机搅拌、真空脱气；将经预热处理后的模具推入浇注罐，进行抽空处理；将混合好的环氧树脂混合材料通过浇注设备浇注至模具内。2)环氧树脂采用阶梯固化法处理，固化过程分为两步，先将真空处理后的模具放入烤箱进行一次固化，然后脱模；再次放入烤箱进行二次固化，冷却后即可得到环氧树脂盆式绝缘子。3)对环氧树脂盆式绝缘子进行梯度的设计，即将其表面由内向外分为五个紧密相连的环形，令环形的相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤:1)制备环氧树脂材料：(1)将环氧树脂基、固化剂和氧化铝按照100:38:330配比加入混合罐得到环氧树脂混合材料，温度130℃；(2)电机搅拌0.5小时、在‑0.1MPa的真空度下真空脱气一个小时；(3)将步骤(2)中环氧树脂混合材料浇注至经预热处理后的模具内：预热温度为130℃，不低于1小时；2)采用阶梯固化法处理，固化过程分为两步：(1)先将模具放入烤箱在130℃下进行一次固化8小时，然后脱模；(2)脱模后的产品放入烤箱在130℃下进行二次固化8小时，冷却后即可得到环氧树脂盆式绝缘子；3)对环氧树脂盆式绝缘子进行梯度设计：(1)将其表面由内向外分为五个紧密相连的环形，令环形的相对介电常数依次减小；(2)将环氧树脂盆式绝缘子放置于磁控溅射设备内，按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，时间范围为0min‑60min，得到二维梯度分布的盆式绝缘子。

【技术特征摘要】
1.具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤:1)制备环氧树脂材料：(1)将环氧树脂基、固化剂和氧化铝按照100:38:330配比加入混合罐得到环氧树脂混合材料，温度130℃；(2)电机搅拌0.5小时、在-0.1MPa的真空度下真空脱气一个小时；(3)将步骤(2)中环氧树脂混合材料浇注至经预热处理后的模具内：预热温度为130℃，不低于1小时；2)采用阶梯固化法处理，固化过程分为两步：(1)先将模具放入烤箱在130℃下进行一次固化8小时，然后脱模；(2)脱模后的产品放入烤箱在130℃下进行二次固化8小时，冷却后即可得到环氧树脂盆式绝缘子；3)对环氧树脂盆式绝缘子进行梯度设计：(1)将其表面由内向外分为五个紧密相连的环形，令环形的相对介电常数依次减小；(2)将环氧树脂盆式绝缘子放置于磁控溅射设备内，按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，时间范围为0min-60min，得到二维梯度分布的盆式绝缘子。2.根据权利要求1所述的具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设计方法，其特征在于，所述步骤3)中分步骤(2)中按照单调分布梯度在不同位置溅射不同时间，由内到外溅射时间分别为60min、45min、30min、15min、0min。3.根据权利要求1所述的具有二维介电常数线性梯度分布的GIS绝缘子设...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜伯学，王泽华，李进，冉昭玉，梁虎成，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12