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CN1309684C - 防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子及其制备方法 - Google Patents

防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子及其制备方法 Download PDF

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CN1309684C CNB2005100185297A CN200510018529A CN1309684C CN 1309684 C CN1309684 C CN 1309684C CN B2005100185297 A CNB2005100185297 A CN B2005100185297A CN 200510018529 A CN200510018529 A CN 200510018529A CN 1309684 C CN1309684 C CN 1309684C
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Abstract

本发明公开了一种防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子及其制备方法。该方法包括以下过程：先制备出二氧化钛基溶胶，在溶胶中添加表面活性剂；而后将上述含表面活性剂或不含表面活性剂的二氧化钛溶胶涂覆在高压陶瓷绝缘子或玻璃绝缘子表面，经过低温热处理后固化在绝缘子表面，形成一层纳米无机薄膜，该薄膜能够降低陶瓷绝缘子表面的积污程度、均匀分散电压或电流、抗静电吸附，从而可以提高普通陶瓷绝缘子的防污闪功能。防污闪高压陶瓷绝缘子或玻璃绝缘子特别适用环境污染严重地区或不便于维护的偏远地区输变电线路，可大大降低输变电路的维护费用和运行成本，和减少工伤事故的发生。

Description

防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子及其制备方法
技术领域
本发明涉及高压输变线路中的高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子，具体的说是一种在高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子表面制得一层具有防污闪功能的纳米无机膜的制备方法。
背景技术
高压陶瓷绝缘子的污闪现象一直是高压输变电路中的一个严重问题，而近年来经济快速增长所引起的环境污染导致污闪现象曾上升趋势。常用且有效的防污闪措施是定期清扫绝缘子表面，这种高空或带电作业成本高、效率低和质量无法保证，而且容易引起工伤事故。因此，如何保持绝缘子表面的长期耐污性将是解决污闪问题的关键。目前，国内外防污高压陶瓷绝缘子的研究与产品开发主要集中在三个方面：(1)陶瓷绝缘子质绝缘子表面改性。在陶瓷绝缘子表面涂覆一层有机涂层，这些涂层通常是憎水性强和绝缘性好的高分子材料，如RTV涂料。这方面申请的专利最多，如专利95112601、93104478和02294128和85108664等。(2)直接应用高分子材料制作绝缘子。高分子材料大部分以硅橡胶为基体，添加各种偶联剂、助燃剂、抗老化剂和填充料制成。这类专利申请较多，近年的有99305118、99305119、02266614和02249703等都涉及高分子材料制备的绝缘子。目前，以聚四氟乙烯材料为主的绝缘子其性能最好，并设计研究出了其最佳形状。(3)在绝缘子表面烧制无机半导体釉层，来提高绝缘子的抗污闪能力。专利00117875和03160287都涉及此釉层。这种釉经1100℃以上高温煅烧形成与陶瓷绝缘子一体的含少量导电性大晶体的毫米级玻璃质混合层，含有玻璃态的半导体20-30％，与普通釉相比其表面电阻率显著降低，使用中产生的漏电电流可加热绝缘子，促使其表面水分蒸发，阻断污闪电流通路以达到防污闪目的。上述三类绝缘子的抗污闪能力较常规陶瓷绝缘子材料有所提高，近年来得到了普及应用，但都不同程度存在价格高、强度低及抗老化能力较差等问题，尤其是不能减少绝缘子表面的积污，因而不能杜绝积污闪落事故发生。
发明内容
为了克服现有高压陶瓷绝缘子或玻璃绝缘子耐污和抗污闪能力的不足，本发明提供了一种在高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子表面制得一层具有防污闪功能的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一、防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子
它是按下述方法制得的、在外表面涂覆有一层由二氧化钛基溶胶的高压陶瓷绝缘子或玻璃绝缘子。
二、防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法
它包括以下步骤：①先制备二氧化钛基溶胶，包括纯二氧化钛溶胶和含二氧化钛的二元复合氧化物溶胶；②将二氧化钛基溶胶直接以喷涂或刷涂的方式涂覆在高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子表面；③最后通过低温热处理工艺在绝缘子表面形成一层具有防污闪功能的纳米无机薄膜，制得防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子；
所述的纯二氧化钛溶胶中，二氧化钛含量为0.01～10.0重重％，其余为水；
所述的含二氧化钛的二元复合氧化物溶胶中，二氧化钛含量为0.01～10.0重量％，另一种氧化物组分的含量为0.01～5.0重量％；
所述的二氧化钛基溶胶的用量按2～20毫升/平方米计。
本发明的优越性和效益在于：本发明在现有绝缘子表面涂覆一层二氧化钛基纳米半导体薄膜，利用该薄膜的抗静电吸附、均电压分布等特性减少表面积污和局部高压，从而提高绝缘子的防污闪功能。本发明制备的防污闪高压陶瓷绝缘子或玻璃绝缘子兼具耐老化、抗静电和均电压分布以及抗积污等特性，较其他防污闪绝缘子和防污闪技术具有更佳的综合防污闪功能：(1)与一般的半导体陶瓷绝缘子相比，无需高温烧结，省能源；纳米晶体结构的薄膜改变了绝缘子表面的介电常数，可在保持绝缘子整体绝缘特性前提下减少表面静电积累进而减少绝缘子伞裙静电吸附灰尘而导致的污闪；同时使整串绝缘子表面电压分布更为均匀，减少局部高压产生闪络。(2)与高分子材料涂层和高分子材料合成绝缘子相比，绝缘子表面的无机薄膜涂层具有化学稳定性高、寿命长和稳定性好的特点，因而避免了前者户外使用时易出现的老化失去憎水性现象；(3)与上述其他绝缘子和各种防污闪技术相比，本发明制备的绝缘子表面的纳米薄膜具有自洁特性，可大大降低绝缘子户外使用下的积污程度，从而根本上降低了因积污而引起的污闪现象，同时减少或避免了人工高空清扫所带来的安全隐患和额外费用。
该发明制备的防污闪高压陶瓷绝缘子或玻璃绝缘子特别适用环境污染严重地区(经济发达地区通常污染更加严重)或不便于维护的偏远地区输变电线路，可大大降低输变电路的维护费用和运行成本，减少工伤事故的发生，具有良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式：
本发明所采用的技术方案是：
1.二氧化钛基溶胶的制备方法：
所述的二氧化钛基溶胶的制备包括纯二氧化钛溶胶的制备和含二氧化钛的二元复合氧化物溶胶的制备。
(1)所述的纯二氧化钛溶胶的制备：按专利98115808.0所述的有关二氧化钛基体制备中二氧化钛溶胶的制备步骤制备出纯二氧化钛溶胶，即在酸性pH＜5或碱性pH＞7的条件下将钛的醇盐水解，得到均匀透明的溶胶，通过渗析法调节溶胶的pH值至1～5。该溶胶中，二氧化钛含量为0.01～10.0重量％，其余为水。
(2)所述的含二氧化钛的二元复合氧化物溶胶的制备：按专利98115808.0所述的含二氧化钛的二元复合氧化物基体制备方法中有关复合二氧化钛溶胶的制备步骤制备出复合二氧化钛溶胶，并调节pH值为1～5。该溶胶中，二氧化钛含量为0.01～10.0重量％，另一种氧化物组分的含量为0.01～5.0重量％。
(3)上述所制备的纯二氧化钛溶胶或含二氧化钛的二元复合氧化物溶胶中还可加入含量为0.01～20.0重量％的表面活性剂。表面活性剂可以是聚乙烯醇、或聚乙二醇、或全氟辛酸等全氟烷基羧酸及其盐、或全氟烷基磺酸盐、或者其他含氟的非离子型表面活性剂等中的一种或一种以上种共同使用。其中，含氟的非离子型表面活性剂包括全氟辛基磺酸二乙醇酰胺、单全氟代C6～C16烷基乙基磷酸酯、N-丙基-N(二羟乙基)全氟辛基磺酸胺、以及聚羟乙基全氟烷烃等在内的各种非离子型含氟表面活性剂。
2.高压陶瓷绝缘子表面具有防污闪功能的纳米无机膜的制备方法
按上述方法制得的二氧化钛基溶胶，可以刷涂或喷涂的方式涂覆于高压陶瓷绝缘子表面制得一层具有防污闪功能的纳米无机膜。所述的陶瓷绝缘子表面具有防污闪功能的纳米无机膜的制备是在已粘接上金属帽和金属栓的陶瓷绝缘子成品的表面进行，或在陶瓷绝缘子釉烧后的半成品表面进行。涂覆工艺有在线式和离线式两种。在线式的涂覆在陶瓷绝缘子釉烧后的半成品表面进行；离线式涂覆在已粘接上金属帽和金属栓的陶瓷绝缘子成品的表面进行，也可在烧釉后的陶瓷绝缘子半成品表面进行。涂覆后经低温热处理后在绝缘子表面形成一层具有防污闪功能的纳米无机膜。
(1)在高压陶瓷绝缘子半成品表面具有防污闪功能的纳米无机膜的制备采用在线式和离线式两种。所述的绝缘子半成品是指在现有技术中已经烧好釉的绝缘子，只是此时没有用水泥浇接上金属帽等连接构件，在其表面上涂覆上二氧化钛基薄膜后，其后对薄膜的热处理过程不需考虑热处理对水泥粘结强度的影响。而在粘结上金属帽等连接构件的绝缘子成品表面涂覆二氧化钛基薄膜后，其后热处理时，热处理工艺(包括升温、降温速度及最高温度)有可能影响水泥的强度和使用寿命，因而必须使用不同的热处理工艺。该涂覆工艺总的可分为两种，在线式是在釉烧线上冷却至100～400℃以下再进行高温涂覆二氧化钛基溶胶，而后采用下述三种工艺之一完成膜制备：①在生产线上自动冷却至100℃以下；②在生产线上继续保温不多于2小时后降温至100℃以下，降温速度控制在小于30℃/min；③涂覆后在生产线上升温至300～700℃，保温5～300分钟，或不保温，而后冷却至100℃以下，升降温速度通常控制在小于30℃/min，对于形状复杂、特薄或特厚制品的升降温速度低于10℃/min。另一种涂覆方式(离线式)是在釉烧结束后进行喷涂，即在绝缘子冷却到室温后常温涂覆二氧化钛基溶胶，而后重新进行升温、恒温和冷却处理。升温速度只要满足于陶瓷绝缘子产品的承受能力即可，在最高温度300～700℃下维持不超过200分钟，而后冷却至100℃以下，冷却速度要求同上述第一种制膜工艺。按以上两种方法制备的防污闪陶瓷绝缘子可按产品的常规工艺安装金属帽和金属栓。
(2)高压陶瓷绝缘子成品表面具有防污闪功能的纳米无机膜的制备采用离线式。在室温下，在高压陶瓷绝缘子成品表面涂覆二氧化钛基溶胶后，以1～10℃/min的升温速率至200～350℃恒温30～200分钟，而后以1～5℃的速度缓慢降温至100℃以下。热处理可在烘箱中进行，也可在窑炉在线进行。
3.高压玻璃绝缘子表面具有防污闪功能的纳米无机膜的制备方法玻璃绝缘子成品表面在室温下涂覆二氧化钛基溶胶后，以1～10℃/min的升温速率至200～350℃恒温30～200分钟，而后以1～10℃的速度缓慢降温至100℃以下。热处理可在烘箱中进行，也可在釉烧线上进行。
4.涂覆量控制。上述二氧化钛基溶胶的涂覆过程中，涂覆量为2～20毫升/平方米计，最佳涂覆量为3～5毫升/平方米计。
实施例1：二氧化钛溶胶的制备方法
将1.1毫升浓硝酸(68％)加入150毫升的去离子水中配成均匀溶液，在强烈搅拌下将12.5毫升的钛酸四异丙酯缓慢滴入酸性水溶液中，水解得到的含有白色沉淀的悬浮液在40℃下继续搅拌直至白色沉淀溶解形成均匀透明的溶胶。把溶胶装入渗析膜袋中用2升去离子水进行渗析处理，每隔12小时换一次水至渗析水最终pH值为3.2。将溶胶从渗析袋中取出，制得含量约为2.5重量％的二氧化钛溶胶。
实施例2：二氧化钛-二氧化硅复合溶胶的制备方法
在强烈搅拌下，将5毫升正硅酸乙酯缓慢滴入由0.25毫升浓硝酸(68％)与10毫升去离子水配成的溶液中，继续搅拌直至形成均匀透明的二氧化硅溶胶。将此溶胶10毫升与100毫升按实施例1制备的二氧化钛溶胶搅拌混合均匀，然后通过与实施例1中相同的渗析处理，调pH值为2.8。最后加入聚乙二醇5.0克，在电磁搅拌下搅拌均匀制得混合溶胶。在此溶胶中，二氧化钛含量为2.3重量％，二氧化硅含量为1.1重量％，pH值为2.8。
实施例3：防污闪高压陶瓷绝缘子制备
在常规XP-160陶瓷绝缘子成品表面，用喷头直径为1.2毫米的喷枪均匀喷涂实施例1制备的二氧化钛溶胶2.0毫升。将绝缘子在马沸炉中按2℃/min的速度升至300℃，恒温2小时，而后缓慢自动冷却至室温取出。
实施例4：防污闪高压陶瓷绝缘子的油击穿测试
将实施例3中制得的防污闪高压陶瓷绝缘子在专门装置中进行油击穿测试，施加电压为交流电，同时测得相同条件下普通陶瓷绝缘子的数据。结果见表1所示。
               表1样品的油击穿测试结果
样品   防污闪陶瓷绝缘子   普通陶瓷绝缘子
  1#   2#   3#   4#
  击穿电压/KV   145   140   150   150
表1结果表明，防污闪高压陶瓷绝缘子保持了良好的耐电压性能。
实施例5：防污闪高压陶瓷绝缘子的防污性能评价
(1)常规户外放置：将实施例3中制得的陶瓷绝缘子放置在户外，观察其表面的耐污性能，并与普通陶瓷绝缘子样片进行比较。15天后观察其表面发现，防污闪高压陶瓷绝缘子表面几乎没有变化，干净如初，而普通陶瓷绝缘子表面粘有细小的颗粒灰尘，颜色也较暗。
(2)苛刻处理后的户外放置：将实施例4中测试过的、表面粘有变压器油的防污闪高压陶瓷绝缘子样品(1#)和普通陶瓷绝缘子样品(2#)，直接放置在户外。一个星期后观察表面情况，1#样品表面干净、油污分解，水可均匀润湿；而2#样品附有灰尘等颗粒物，油污未分解，水呈珠状。
可见，防污闪高压陶瓷绝缘子表现出良好的防污性能。
实施例6：防污闪高压陶瓷绝缘子的除污性能评价
无电场作用下的光照水彩褪色：在实施例3中制得的防污闪高压陶瓷绝缘子表面画上水彩笔，用365nm紫外灯光照，5分钟后水彩褪色。而普通高压陶瓷绝缘子表面的水彩在相同条件下没有发生变化。
(2)电场作用下的光照水彩褪色：将实施例3中制得的防污闪高压陶瓷绝缘子与普通高压陶瓷绝缘子串在一起，置于50KV的交流电场中，在样品表面涂上水彩，暴露在太阳光下。5分钟后，防污闪高压陶瓷绝缘子样品表面的水彩褪色，而普通高压陶瓷绝缘子表面的水彩并未褪色。
实施例7：防污闪高压陶瓷绝缘子的机械、电气性能评价
将实施例3中制得的防污闪高压陶瓷绝缘子进行常规机械、电气性能试验(按GB/T 775.2-2003进行)，试验项目包括机电破坏负荷试验、工频击穿耐受试验，并与普通陶瓷绝缘子比较，结果见表2所示。
          表2样品的机械、电气性能测试结果
表2结果显示，防污闪高压陶瓷绝缘子机械、电气性能与普通陶瓷绝缘子相当，能够满足绝缘子的国家及行业标准。
实施例8：防污闪高压陶瓷绝缘子的电容测试
将实施例3中制得的防污闪高压陶瓷绝缘子7只串在一起进行容抗测试。测试时，施加电压为10kV，测得电容为5.158pF，而同样测试条件下普通陶瓷绝缘子的电容为4.917pF，表明防污闪高压陶瓷绝缘子的电容有所提高。
实施例9：防污闪高压陶瓷绝缘子的泄漏电流
将实施例3中制得的防污闪高压陶瓷绝缘子7只串在一起进行泄漏电流测量，施加交流电压63.54kV，泄漏电流(全电流)为146.5μA，而同样测试条件下普通陶瓷绝缘子7只串在一起的泄漏电流(全电流)为136.1μA。可见，防污闪高压陶瓷绝缘子的泄漏电流略有增加，体现出了一定的半导体特性。

Claims (12)

1.一种防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是，它包括以下步骤：①先制备二氧化钛基溶胶，包括纯二氧化钛溶胶和含二氧化钛的二元复合氧化物溶胶；②将二氧化钛基溶胶直接以喷涂或刷涂的方式涂覆在高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子表面；③最后通过低温热处理工艺在绝缘子表面形成一层具有防污闪功能的纳米无机薄膜，制得防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子；
所述的纯二氧化钛溶胶中，二氧化钛含量为0.01～10.0重量％，其余为水；
所述的含二氧化钛的二元复合氧化物溶胶中，二氧化钛含量为0.01～10.0重量％，另一种氧化物组分的含量为0.01～5.0重量％；
所述的二氧化钛基溶胶的用量按2～20毫升/平方米计。
2、根据权利要求1所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是，它还包括以下步骤：在上述步骤①制得的纯二氧化钛溶胶和含二氧化钛的二元复合氧化物溶胶中添加表面活性剂，制得含有表面活性剂的二氧化钛基溶胶；然后再将制得的含有表面活性剂的二氧化钛基溶胶以喷涂或刷涂的方式涂覆在高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子表面。
3.根据权利要求1或2所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是：所述的二氧化钛基溶胶的制备包括纯二氧化钛溶胶的制备和含二氧化钛的二元复合氧化物溶胶的制备。
4.根据权利要求1或2所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是：所述的表面活性剂为下述表面活性剂中的一种或一种以上，所述的表面活性剂为聚乙烯醇、或聚乙二醇、或全氟烷基羧酸及其盐、或全氟烷基磺酸盐、或非离子型含氟表面活性剂，所述的表面活性剂的含量为0.1～20.0重量％。
5.根据权利要求1或2所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是：所述的陶瓷绝缘子表面具有防污闪功能的纳米无机膜的制备是：(1)在已粘接上金属帽和金属栓的陶瓷绝缘子成品的表面进行；(2)在陶瓷绝缘子釉烧后的半成品表面进行。
6.根据权利要求5所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是：所述的陶瓷绝缘子成品表面具有防污闪功能的纳米无机膜的制备采用离线式涂覆工艺，其具体方法为：陶瓷绝缘子成品在室温下涂覆二氧化钛基溶胶后，以1～10℃/min的升温速率至200～350℃恒温30～200分钟，而后以1～5℃的速度缓慢降温至100℃以下。
7.根据权利要求5所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是：所述的釉烧后的陶瓷绝缘子半成品表面的具有防污闪功能的纳米无机膜的制备方法有在线式和离线式。
8.根据权利要求7所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是：所述的在线式方法为，在绝缘子的釉烧线上冷却至100～400℃处进行涂覆，而后按下列三种方法之一进行处理：①在生产线上自动冷却至100℃以下；②在生产线上继续保温不多于2小时后降温至100℃以下，降温速度控制在小于30℃/min；③涂覆后在生产线上升温至300～700℃，保温5～300分钟，或不保温，而后冷却至100℃以下，升降温速度通常控制在小于30℃/min；对于形状复杂、特薄或特厚制品，其升降温速度低于10℃/min。
9.根据权利要求7所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是：所述的离线法是指在绝缘子釉烧结束后喷涂，即在室温下涂覆二氧化钛基溶胶，而后在生产线上按1～100℃/min的升温速度升至300～700℃，在最高温度下维持5～200分钟，而后冷却至100℃以下，对于形状复杂、特薄或特厚制品，其升降温速度低于10℃/min；热处理可在烘箱中进行，也可在釉烧线上进行。
10.根据权利要求1或2所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子的制备方法，其特征是：所述的玻璃绝缘子表面纳米无机膜的制备方法为，玻璃绝缘子成品表面在室温下涂覆二氧化钛基溶胶后，以1～10℃/min的升温速率至200～350℃恒温30～200分钟，而后以1～10℃的速度缓慢降温至100℃以下；热处理可在烘箱中进行，也可在釉烧线上进行。
11.根据权利要求1或2所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子，其特征在于：它是按权利要求1或2所述的方法制得的、在外表面涂覆有一层二氧化钛基溶胶的高压陶瓷绝缘子或玻璃绝缘子。
12.根据权利要求10所述的防污闪高压陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子，其特征在于：它是按权利要求10所述的方法制得的、在外表面涂覆有一层二氧化钛基溶胶的高压陶瓷绝缘子或玻璃绝缘子。
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