1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
一、研究背景
现如今，电网日益增长的输变电压使得绝缘子所需要的耐压能力越来越高，电器元件工作环境日益复杂。近几年，我国35kv-500kv的输电线路经常发生闪络事故，由于工业污秽、空气尘埃、表面覆冰、海风盐雾等等因素的影响，绝缘子表面易受潮并附着污秽层，从而导致绝缘子的沿面耐压性能下降，发生闪络事故的可能性大大提高。所以绝缘子的耐闪络能力已经成为超高压、特高压系统外绝缘的关键因素。
以电力系统陶瓷绝缘子为例，在雨雪霜雾的天气条件下，陶瓷表面会附着水滴或雾冰，引发湿闪；空气中灰尘或污浊颗粒附着其上，陶瓷表面被污染后会发生污闪。无论湿闪还是污闪，都会对电力系统的稳定性产生重大的影响。目前，从材料本身入手，探究如何避免闪络的问题是一个重大的课题。闪络主要发生于潮湿的自然环境下,其污层受潮后电导电流和温度增加,由于受潮情况的不均匀等原因,有的地方电流密度大,水分蒸发快,出现干燥区，电压降集中于此,首先产生辉光放电,随着绝缘子表面电阻、电压分布的变化,最后形成局部电弧，局部电弧的不断熄灭、重燃、发展、形成闪络。污闪的形成不但决定于局部电弧的产生,还决定于泄漏电流能否维持一定程度的热电离,因此,绝缘子表面脏污的程度是污闪的决定因素。而提高材料表面的憎水性能使材料表面不易受潮，吸附的水分以不连续的孤立小水珠的形式存在，不形成连续水膜，从而限制了表面泄漏电流，提高闪络电压。实践证明，运行中的绝缘子由于污秽、潮湿、放电、低温等因素的影响，其憎水性会发生下降甚至丧失，并直接影响输变电设备的防污闪性能，甚至威胁系统的安全运行。所以本文也旨在探究如何设计一种反应装置提高材料表面憎水性来解决闪络问题。
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
一．本课题所要面临的问题 虽然介质阻挡放电来提高材料表面憎水性已被开发和应用，可对它的理论研究还只是近年来的事，而且有关这方面的装置研究比较少见，要实现大规模连续化工业应用仍存在一些问题，诸如憎水改性目标与条件匹配设计、处理均匀性与稳定性等。本课题主要围绕憎水改性装置的气路设计开展，通过研究通气方式对改性效果的影响，为气路设计提供参考和依据。 DBD等离子体材料表面改性可通过选择不同通气方式而获得不同效果，这使得通气方式设计问题变得尤为重要。同时由于通气方式的多样性，使得即便是在同样环境条件下的一次处理中也可能发生多种改性效果，其中某些效果是希望得到的,而另一些则是希望避免的，且有可能出现实验室结果较优而实际应用效果不良的情况。 本次毕业设计的目的： （1）设计一种可进行材料表面憎水改性的低温等离子体处理材料表面装置。 （2）提高材料的表面憎水性。 （3）通过改变工作气体比例和流速等影响因素，探索不同因素与表面憎水性的关系。 二．拟采用的解决方案 2.1实验装置设计 设计一种腔体可以有多种反应路径的反应装置，通过通入气体进口不同，气体出口不同，形成不同的反应路径，比如气体沿着轴向、径向等等，造成不同的材料表面改性效果，并检测不同的反应路径的改性效果。
图7反应装置结构图 图7为反应装置结构图，从图中可以看出，我设计了轴向，径向通气口，实验中可以将气体从不同的进气口通入，然后从我们设计对应的出气口出气，以此来探究不同的内腔通气方式对材料表面改性效果的影响。 2.2实验内容 实验方案初步设计： 方案一：电源采用60kW恒定脉冲电源。将HMDSO通过Ar气体带入反应腔，反应腔体采用轴向通气方式，然后将反应后的气体通向材料表面，通过结合仿真手段，并对陶瓷表面进行处理，改变工作气体比例和流速等影响因素，处理完成后的材料立即进行水接触角测量和放电特性、光学特性的测量，以确定改性后的材料表面憎水性，寻找表面改性后憎水性最高的供气方式与影响因素。 方案二：其他条件不变，将反应腔通气方式改为径向通气，探究此时材料表面改性效果及憎水性。 图8为本次课题的实验装置，通过氩气瓶制造反应腔氩气氛围，并将氩气通入液体HMDSO瓶中，带出一定量的HMDSO通入到反应腔。利用数字式流量计对通入反应腔的HMDSO进行监控。DBD所需的电源则通过图中的高压脉冲电源提供，电流探头与高压探头接入电路，通过示波器进行电压电流数据可视化记录。同时在实验的过程中使用相机全程录像，观察反应过程。
图8 HMDSO 表面改性实验装置图 2.3憎水性分析 光学法接触角测量仪测量水接触角原理：当液滴自由地处于不受力场影响的空间时，由于界面张力的存在而呈圆球状。但是，当液滴与固体平面接触时，其最终形状取决于液滴内部的内聚力和液滴与固体间的粘附力的相对大小。当一液滴放置在固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或以与固体表面成一定接触角的液滴存在。根据接触角的定义，它是在液/固/流三相接触界面处（3-phase contact points,3PCP），液面与固体表面形成的切线角（图10），是液面走向函数在此位置的一次导数。所以光学法接触角测量仪通过测量液体的轮廓，计算出三相接触界面位置，以此计算出接触角θ。
图9 接触角测量仪 图10 接触角测量原理 2.4放电特性诊断 2.4.1电学特性诊断 本实验电学特性的选择器材如图11。用Monitor-2877电流探头测量DBD放电产生的电流，该电流探头的允许最大电流 0.17A ，允许电流偏离值0.13，比率50，衰减比为1:1。用Tektronix P6015A高压探头测量电压测量DBD放电产生的脉冲幅值，可以测量20 kVRMS的DC电压和高达40 kV的脉冲电压，补偿范围为- 49 pF，电压衰减比为1000:1。75 MHz带宽能够捕获快速高压信号。将电流与电压探头测量信号传入TDS3054C型示波器，生成电流电压波形图进行观察研究。
（a）Monitor-2877电流探头 （b）Tektronix P6015A高压探头
（c） TDS3054C示波器 图11选择仪器实物图 2.4.2光学特性诊断 分别选择Ocean Optics HR4000CG光谱测量仪（图12）测量DBD放电的光谱图像,该光谱测量仪的范围为190至1100nm，波长范围200至1100nm，积分时间4ms到20s（连续），10ms到4ms（快门）光学分辨率：0.75 nm FWHM。对发光图像的拍摄效果要求较高，在电弧高速运动中要求拍摄清晰的瞬间放电图像，所以快门的时间要短。本次实验采用Canon EOS 60D相机进行发光图像拍摄，通过连续拍摄，选择清晰的瞬时照片进行分析。
图12 Ocean Optics HR4000CG光谱测量仪 2.5预达到效果 本次毕业设计中预计将设计完成一种反应装置，内有不同供气方式的腔体，通过改变工作气体的流速的比例，结合仿真手段，对陶瓷材料表面进行改性，提高表面憎水性。在不同条件下，对表面放电特性和光学特性进行观察和检测，找到能最大限度提高憎水性的供气方式以及影响因素，经HMDSO/Ar气氛下DBD处理的表面材料预计憎水角会提高到135-150之间。 |
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