防冰型直流复合绝缘子发热材料研究

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我国能源分布不均衡决定了远距离高压输电的必要性,输电线路不可避免途经复杂地形、地貌、极端气候地区,使得输电线路遭受冰雪灾害情况较为严重。复合绝缘子质量轻、强度高、耐污性好,在直流输电线路中被广泛使用。但在严重覆冰地区,直流复合绝缘子电气性能下降明显,因此需对其防冰性能进行提升。目前已有电热型、疏水型、融冰型防冰涂料应用于复合绝缘子上,但相应的缺点也很明显。不管是全涂覆还是半涂覆电热型涂料的绝缘子,在环境温度高于冰点的雨天,雨水都会桥接绝缘子下表面的电热涂层使绝缘子产生泄漏电流,但此时绝缘子并未覆冰,浪费了系统能源。疏水型防冰涂料仅在覆冰初期具备一定防冰效果,覆冰程度加重后,几乎无防冰效果。融冰型涂料通过自身分解产生离子溶于水中降低冰点,在雨天同样消耗材料,故需经常维护。针对以上情况,本文提出用相变材料提升硅橡胶低温下保温性能的方法,进而延缓低温下覆冰的产生。针对电热材料的不足,本文提出使用正温度系数材料通过温度控制涂层体积电阻率,进而控制绝缘子的泄漏电流的思路。正温度系数材料的温度高于冰点时,体积电阻率较低,温度低于冰点时,体积电阻率较高,则温度变化影响泄漏电流变化。本文研究了两种发热材料,再将两种材料分别与硅橡胶复合,分析了复合后硅橡胶的电气性能、防冰性能,对两种发热材料用于复合绝缘子防冰的可行性进行理论论证与试验验证。通过分析适合防冰用的相变材料特点,选取了适合防冰的相变材料,对相变材料进行微胶囊化并对微胶囊的热学参数进行测量,再将相变材料与硅橡胶按不同比例混合,对混合后的硅橡胶片进行体积电阻率、憎水性、自洁性测量,并对测量样片在低温下的热学特性。针对电热型材料的不足,本文分析适合防冰的正温度系数材料的特点,确定了适合防冰的正温度系数材料系列,研究正温度系数材料制备方法,分析了正温度系数材料特性,进一步将正温度系数材料和硅橡胶复合,对复合硅橡胶的体积电阻率、憎水性等参数进行测量,研究了正温度系数材料对硅橡胶体积电阻率控制效果。论文的主要工作和结论如下:(1)提出将相变材料与硅橡胶复合,进而提升硅橡胶在低温下的保温性能的方法。以正十四烷为芯材,以二氧化硅为壳体,通过原位界面聚合法制备了相变微胶囊材料。相变微胶囊粉末降温阶段相变点为2.3℃,潜热值130.8kJ/kg。(2)将相变微胶囊与硅橡胶复合,并用复合后的材料制做硅橡胶片。低温下,硅橡胶片的保温时间随着复合材料中相变微胶囊的比例的上升而提升。且当硅橡胶片中相变材料的质量分数达到13.0%以上时,复合硅橡胶片在环境温度降低至冰点以下过程中,会出现0℃以上的恒温段。相变微胶囊的质量分数达到16.7%时,复合硅橡胶片可比普通硅橡胶片在0℃以上多维持6min。总的来说,相变材料提升了硅橡胶在低温下保温性能,但提升的程度有限,离防冰尚有距离。(3)提出将正温度系数材料与硅橡胶复合,正温度系数材料体积电阻率受温度影响,混有正温度系数材料的硅橡胶体积电阻率受温度影响的思路。对使用含正温度系数材料涂层的绝缘子进行防冰的可行性进行试验验证。以BaTiO3、TiO2为原料,掺入15.0mol%的Sn4+作为居里点移动剂取代钛;又分别以Y3+、Mn2+作为电子施主和受主,分别于1150℃和1260℃进行预烧与二次烧结,制备出的Ba(Ti0.850Sn0.150)O3正温度系数材料居里温度在0℃,低温区体积电阻率为105Ω?m数量级,高温区体积电阻率为107Ω?m数量级以上,阻温特性呈“U”型。以BaTiO3、TiO2为基料,掺入32.4mol%的Sr4+作为居里点移动剂取代钡;又分别以Y3+、Mn2+作为电子施主和受主,分别于1150℃和1350℃进行预烧与二次烧结,制备出的(Ba0.676Sr0.324)TiO3正温度系数材料居里温度在0℃,低温区体积电阻率为102Ω?m数量级,高温区体积电阻率为104Ω?m数量级。(4)本文将自制的正温度系数材料与硅橡胶混合制备复合涂层,测定复合涂层的体积电阻率几乎不受温度变化影响。将复合涂层涂覆于复合绝缘子表面,对复合绝缘子进行防冰试验,覆冰与普通绝缘子无差异,结果表明该种复合涂层无防冰效果。
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