一种具有复合结构的真空绝缘子及其制备方法

摘要

本发明涉及一种真空绝缘子及其制备方法，特别涉及一种具有复合结构的真空绝缘子及其制备方法，解决了现有单独使用绝缘子表面45°倾角结构或绝缘子表面微槽构筑技术时，真空沿面闪络电压提升幅度有限，以及单独使用绝缘子表面45°倾角结构时，难以满足绝缘子小型化的需求和绝缘子耐压稳定性较低的问题。该绝缘子包括绝缘子本体；其特殊之处在于：绝缘子本体用于与阴极连接的一端为圆柱形，用于与阳极连接的另一端为圆台形，且圆台形大端底面外圆与圆柱形底面外圆重合；在圆柱形的侧面上设有多个与圆柱形同轴的环形微槽；多个环形微槽沿圆柱形轴线方向呈周期性阵列排布，且该阵列延伸至圆台形大端底面位置；圆台形母线与圆台形大端底面的夹角为30°～60°。

权利要求

1.一种具有复合结构的真空绝缘子，包括绝缘子本体；其特征在于：所述绝缘子本体用于与阴极连接的一端为圆柱形，用于与阳极连接的另一端为圆台形，且所述圆台形大端底面外圆与所述圆柱形底面外圆重合；

在所述圆柱形的侧面上设置有多个与圆柱形同轴的环形微槽(1)；多个所述环形微槽(1)沿圆柱形的轴线方向呈周期性阵列排布，且该阵列延伸至所述圆台形大端底面位置；

所述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为30°～60°。

2.根据权利要求1所述的具有复合结构的真空绝缘子，其特征在于：所述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为45°。

3.根据权利要求2所述的具有复合结构的真空绝缘子，其特征在于：所述微槽(1)的截面形状为V型，且所述V型的宽度为0.02mm～0.5mm，深度为0.02mm～1mm；所述周期性阵列的周期为0.02mm～1mm。

4.根据权利要求1至3任一所述的具有复合结构的真空绝缘子，其特征在于：所述圆柱形的高度占绝缘子本体沿圆柱形高度方向总长度的5％～60％。

5.根据权利要求4所述的具有复合结构的真空绝缘子，其特征在于：所述绝缘子本体的材质为有机玻璃、交联聚苯乙烯、环氧树脂、尼龙、聚酰亚胺、陶瓷、石英中的一种。

6.一种具有复合结构的真空绝缘子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料及尺寸要求，制备整体外形为圆柱形的绝缘子；

步骤2：将步骤1制备的绝缘子用于与阳极连接的另一端加工成圆台形，且所述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为30°～60°；

步骤3：根据步骤1所述的待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料，选择激光器；打开激光器，根据待制备的具有复合结构的真空绝缘子圆柱形侧面要求加工的微槽(1)的宽度、深度及周期尺寸，设置激光器参数；通过激光旋转刻蚀方式，在步骤2加工了圆台形的绝缘子的圆柱形一端的侧面上，刻蚀多个与圆柱形同轴的环形微槽(1)，且多个环形微槽(1)沿圆柱形的轴线方向呈周期性阵列排布，且该阵列从该绝缘子用于与阴极连接的一端延伸至所述圆台形大端底面的位置；

步骤4：将步骤3加工了微槽(1)的绝缘子用去离子水清洗干净，烘干得到具有复合结构的真空绝缘子；完成制备。

7.根据权利要求6所述的具有复合结构的真空绝缘子的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为45°。

8.根据权利要求7所述的具有复合结构的真空绝缘子的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述微槽(1)的截面形状为V型，且所述V型的宽度为0.02mm～0.5mm，深度为0.02mm～

1mm；所述周期性阵列的周期为0.02mm～1mm。

9.根据权利要求6至8任一所述的具有复合结构的真空绝缘子的制备方法，其特征在于：

步骤1中，所述待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料为有机玻璃、交联聚苯乙烯、环氧树脂、尼龙以及聚酰亚胺中的一种；步骤3中，所述激光器为CO2红外激光器或者紫外激光器；

或者步骤1中，所述待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料为陶瓷或者石英；步骤

3中，所述激光器为紫外激光器或者光纤激光器。

10.根据权利要求9所述的具有复合结构的真空绝缘子的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述激光器参数包括激光能量、刻线密度以及激光光斑大小。

说明书

一种具有复合结构的真空绝缘子及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种真空绝缘子及其制备方法，特别涉及一种具有复合结构的真空绝缘子及其制备方法。

背景技术

[0002] 真空沿面闪络是一种沿绝缘子与真空界面处发生的击穿放电现象，击穿电压远低于真空与绝缘子的击穿电压，使得整个绝缘系统的耐压强度最终由绝缘子的真空沿面击穿
电压决定，这严重降低了整个真空绝缘系统的耐压强度[Miller H C.Flashover of 
insulators in  vacuum:the last  twenty years[J].IEEE Transactions  on 
Dielectrics&Electrical Insulation.2016,22(6):3641‑3657.]。伴随着高功率脉冲系统
向高功率、高电压、小型化方向发展，对整个绝缘系统的耐电压强度要求越来越高，通过放
大绝缘堆的方法提升绝缘系统的耐电压强度越来越不能满足要求，因而提升单位距离上绝
缘子的真空沿面耐压至关重要。

[0003] 为提升绝缘子真空沿面闪络电压，研究人员进行了大量的探索，提出了多种提升绝缘子真空沿面闪络电压的方法，使绝缘子真空沿面闪络电压得到一定提升；但依然存在
绝缘子耐压水平不够高，各类方法提升真空沿面闪络电压效果不明显、不稳定，实际应用效
果差等问题。现有文献报道表明一定程度上能够较大幅度提升绝缘子真空沿面闪络电压的
方法包括金属层与绝缘层逐层分布的高梯度绝缘技术[Zhu J,Chen S,Xia  L,et 
al.Vacuum Surface Flashover of High Gradient Insulators Under Nanosecond 
Pulse[J].IEEE Transactions on Plasma Science.2014,42(2):330‑335.]，绝缘子表面
45°倾角结构处理[Huang Q,Li S,Zhang T,et al.Improvement of Surface Flashover 
Characteristics about 45degrees Insulator Configuration in Vacuum by a New 
Organic Insulation Structure[J].IEEE Transactions on Dielectrics&Electrical 
Insulation.2012,18(6):2115‑2122.]以及绝缘子表面微槽构筑技术[Huo Y,Liu W,Ke C,
et al.Sharp improvement of flashover strength from composite micro‑textured 
surfaces[J].Journal of Applied Physics.2017,122(11):115105.；申请公布号为“CN 
106601388 A”，申请公布日为“2017.04.26”，发明名称为“一种具有孔穴微槽织构化表面的
绝缘子及其制备方法”的中国专利]。

[0004] 上述通过绝缘子表面45°倾角结构处理提升绝缘子真空沿面闪络电压的方案，其原理为利用45°倾角结构使发射电子难以撞击到表面，进而抑制闪络的发生过程，提升绝缘
子闪络电压；上述通过绝缘子表面微槽构筑技术提升绝缘子真空沿面闪络电压的方案，其
原理是通过抑制表面二次电子的倍增，降低绝缘子表面电子发射强度，从而抑制闪络的发
展，提升绝缘子闪络电压；二者原理不同。虽然这两种方案单独使用，在一定程度上已经能
够较大幅度提升绝缘子真空沿面闪络电压，但是，受其原理限制，提升幅度仍然有限。另外，
单独使用绝缘子表面45°倾角结构，在闪络电压要求给定的情况下，其绝缘子的径向尺寸过
大，难以满足绝缘子小型化的需求；且绝缘子阴极附近为尖锐的边沿，而该边沿在加工和运
输中容易产生缺陷与损毁，进而降低绝缘子耐压的稳定性。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种具有复合结构的真空绝缘子及其制备方法，以解决现有单独使用绝缘子表面45°倾角结构或绝缘子表面微槽构筑技术时，真空沿面闪络电压提升
幅度有限，以及单独使用绝缘子表面45°倾角结构时，难以满足绝缘子小型化的需求和绝缘
子耐压稳定性较低的技术问题。

[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种具有复合结构的真空绝缘子，包括绝缘子本体；其特殊之处在于：

[0007] 所述绝缘子本体用于与阴极连接的一端为圆柱形，用于与阳极连接的另一端为圆台形，且所述圆台形大端底面外圆与所述圆柱形底面外圆重合；

[0008] 在所述圆柱形的侧面上设置有多个与圆柱形同轴的环形微槽；多个所述环形微槽沿圆柱形的轴线方向呈周期性阵列排布，且该阵列延伸至所述圆台形大端底面位置；

[0009] 所述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为30°～60°。

[0010] 进一步地，所述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为45°。

[0011] 进一步地，所述微槽的截面形状为V型，且所述V型的宽度为0.02mm～0.5mm，深度为0.02mm～1mm；所述周期性阵列的周期为0.02mm～1mm。

[0012] 进一步地，所述圆柱形的高度占绝缘子本体沿圆柱形高度方向总长度的5％～60％。

[0013] 进一步地，所述绝缘子本体的材质为有机玻璃、交联聚苯乙烯、环氧树脂、尼龙、聚酰亚胺、陶瓷、石英中的一种。

[0014] 本发明还提供了一种具有复合结构的真空绝缘子的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

[0015] 步骤1：根据待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料及尺寸要求，制备整体外形为圆柱形的绝缘子；

[0016] 步骤2：将步骤1制备的绝缘子用于与阳极连接的另一端加工成圆台形，且所述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为30°～60°；

[0017] 步骤3：根据步骤1所述的待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料，选择激光器；打开激光器，根据待制备的具有复合结构的真空绝缘子圆柱形侧面要求加工的微槽的
宽度、深度及周期尺寸，设置激光器参数；通过激光旋转刻蚀方式，在步骤2加工了圆台形的
绝缘子的圆柱形一端的侧面上，刻蚀多个与圆柱形同轴的环形微槽，且多个环形微槽沿圆
柱形的轴线方向呈周期性阵列排布，且该阵列从该绝缘子用于与阴极连接的一端延伸至所
述圆台形大端底面的位置；

[0018] 步骤4：将步骤3加工了微槽的绝缘子用去离子水清洗干净，烘干得到具有复合结构的真空绝缘子；完成制备。

[0019] 进一步地，步骤2中，所述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为45°。

[0020] 进一步地，步骤3中，所述微槽的截面形状为V型，且所述V型的宽度为0.02mm～0.5mm，深度为0.02mm～1mm；所述周期性阵列的周期为0.02mm～1mm。

[0021] 进一步地，步骤1中，所述待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料为有机玻璃、交联聚苯乙烯、环氧树脂、尼龙以及聚酰亚胺中的一种；步骤3中，所述激光器为CO2红外
激光器或者紫外激光器；

[0022] 或者步骤1中，所述待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料为陶瓷或者石英；步骤3中，所述激光器为紫外激光器或者光纤激光器。

[0023] 进一步地，步骤3中，所述激光器参数包括激光能量、刻线密度以及激光光斑大小。

[0024] 本发明的有益效果是：

[0025] (1)本发明的具有复合结构的真空绝缘子：

[0026] 一方面，结合微槽构筑技术和45°倾角结构原理，首先通过在绝缘子用于与阴极连接一端的圆柱形侧面上设置微槽，在阴极三结合点发射电子与二次电子倍增之初通过微槽
便对二次电子的发射进行抑制，使绝缘子表面整体电子发射强度大幅降低；其次，通过将绝
缘子用于与阳极连接的另一端设置为圆台形结构，减弱电子的撞击与倍增强度，进一步对
闪络的发展进行抑制，达到对绝缘子表面闪络发展过程分段多次抑制的效果；相对于通过
单一的45°倾角结构提升绝缘子闪络电压，该复合结构通过引入微槽抑制了二次电子的产
生，使到达45°倾角结构的电子数量处于较低水平，难以引发击穿，因而能够进一步提升绝
缘子闪络电压；相对于通过单一的微槽结构提升绝缘子闪络电压，与阳极连接的另一端设
置的圆台形结构能够减弱电子对绝缘子表面的轰击，抑制表面气体解吸附过程，进一步提
升闪络耐压；因此，本发明的具有复合结构的真空绝缘子，对真空沿面闪络电压提升的幅度
更大。

[0027] 另一方面：相对于单一的45°倾角结构，该复合结构阴极区域为刻有微槽的圆柱形结构，在实际应用中可调节圆柱形结构与圆台形结构的长度比例，降低整个绝缘子的径向
尺寸，在保证绝缘子耐压性能的同时，有利于装置的小型化。

[0028] 第三方面：相对于单一的45°倾角结构，绝缘子用于与阴极连接的一端为尖锐的边沿，该边沿在加工和运输中容易产生缺陷与损毁，绝缘子耐压的稳定性耐压稳定性低，而本
发明的具有复合结构的真空绝缘子，用于与阴极连接的一端为具有一定厚度的圆柱形，稳
定性较好，不易被破坏，因而绝缘子耐压稳定性更好。

[0029] 因此，本发明解决了现有单独使用绝缘子表面45°倾角结构或绝缘子表面微槽构筑技术时，真空沿面闪络电压提升幅度有限，以及单独使用绝缘子表面45°倾角结构时，难
以满足绝缘子小型化的需求和绝缘子耐压稳定性较低的技术问题。

[0030] (2)通过本发明的具有复合结构的真空绝缘子的制备方法制备的绝缘子为一体化均相结构，能够保证绝缘子的力学强度，扩大绝缘子使用范围；且该一体化均相结构若为陶
瓷材质，可耐受较高的温度，在后期的高温烘烤除气，整体密封封装时，具有较高的适用性。

附图说明

[0031] 图1是本发明具有复合结构的真空绝缘子实施例的结构示意图；

[0032] 图2是本发明具有复合结构的真空绝缘子对闪络发展过程抑制的原理图；

[0033] 图3是单一45°倾角结构对闪络发展过程抑制的原理图；

[0034] 图4是本发明具有复合结构的真空绝缘子的制备方法的流程图。

[0035] 图中各标号的说明如下：

[0036] 1‑微槽。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0038] 参见图1，本发明一种具有复合结构的真空绝缘子，包括绝缘子本体；绝缘子本体用于与阴极连接的一端为圆柱形，用于与阳极连接的另一端为圆台形，且圆台形大端底面
外圆与圆柱形底面外圆重合；在上述圆柱形的侧面上设置有多个与圆柱形同轴的环形微槽
1；多个环形微槽1沿圆柱形的轴线方向呈周期性阵列排布，且该阵列延伸至上述圆台形大
端底面位置；上述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为30°～60°。

[0039] 在本实施例中，优选地上述圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为45°；上述微槽1的截面形状为V型，V型的宽度为0.02mm～0.5mm，深度为0.02mm～1mm；周期性阵列的周
期为0.02mm～1mm。上述圆柱形的高度占绝缘子本体沿圆柱形高度方向总长度的5％～
60％。上述绝缘子本体的材质可以为有机玻璃、交联聚苯乙烯、环氧树脂、尼龙、聚酰亚胺、
陶瓷、石英中的一种。

[0040] 图2是本发明具有复合结构的真空绝缘子对闪络发展过程抑制的原理图，图3是单一45°倾角结构对闪络发展过程抑制的原理图，从图2和图3的对比可以看出，本发明具有复
合结构的真空绝缘子对真空沿面闪络电压提升的幅度更大。

[0041] 参见图4，本发明还提供了一种具有复合结构的真空绝缘子的制备方法，包括以下步骤：

[0042] 步骤1：根据待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料及尺寸要求，制备整体外形为圆柱形的绝缘子；

[0043] 步骤2：将步骤1制备的绝缘子用于与阳极连接的另一端加工成圆台形，且圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为30°～60°；

[0044] 步骤3：根据步骤1待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料，选择激光器；打开激光器，根据待制备的具有复合结构的真空绝缘子圆柱形侧面要求加工的微槽1的宽度、深
度及周期尺寸，设置激光器参数；通过激光旋转刻蚀方式，在步骤2加工了圆台形的绝缘子
的圆柱形一端的侧面上，刻蚀多个与圆柱形同轴的环形微槽1，且多个环形微槽1沿圆柱形
的轴线方向呈周期性阵列排布，且该阵列从该绝缘子用于与阴极连接的一端延伸至上述圆
台形大端底面的位置；

[0045] 步骤4：将步骤3加工了微槽1的绝缘子用去离子水清洗干净，烘干得到具有复合结构的真空绝缘子；完成制备。

[0046] 上述步骤2中，优选地圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为45°。上述步骤3中，优选地微槽1的截面形状为V型，且V型的宽度为0.02mm～0.5mm，深度为0.02mm～1mm；周
期性阵列的周期为0.02mm～1mm。

[0047] 当步骤1中，待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料为有机玻璃、交联聚苯乙烯、环氧树脂、尼龙以及聚酰亚胺中的一种时，步骤3中，激光器为CO2红外激光器或者紫外
激光器；当步骤1中，待制备的具有复合结构的真空绝缘子的材料为陶瓷或者石英时，步骤3
中，激光器为紫外激光器或者光纤激光器。上述步骤3中，激光器参数包括激光能量、刻线密
度以及激光光斑大小。根据待制备的具有复合结构的真空绝缘子圆柱形侧面要求加工的微
槽1的宽度、深度及周期尺寸，设置激光器参数时，微槽1的宽度要求越宽，激光光斑设置越
大；微槽1的深度要求越深，激光能量设置越高；微槽1的周期值要求越小，刻线密度设置越
大。

[0048] 以下是采用上述制备方法制备具有复合结构的真空绝缘子的三个实施例：

[0049] 实施例1：

[0050] (1)选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为实验材料，利用机械加工方式制备整体外形为圆柱形的绝缘子，圆柱形的直径为30mm，整体高度为5mm；

[0051] (2)将步骤1制备的绝缘子用于与阳极连接的另一端加工成圆台形，圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为60°，圆台形的高度为3mm；

[0052] (3)选择CO2红外激光器(波长10.64μm)，打开激光器，设置激光器参数，通过激光旋转刻蚀方式，在上述加工了圆台形的绝缘子的圆柱形一端的侧面上，刻蚀2个与圆柱形同
轴的环形微槽1，2个环形微槽1沿圆柱形的轴线方向呈周期性阵列排布，微槽1的截面形状
为V型，微槽1的宽度为0.5mm，深度为1mm，周期为1mm；微槽1的截面形状除了为V型外，也可
以为其它形状；

[0053] (4)将上述加工了微槽1的绝缘子用去离子水清洗干净，去除表面残留的加工碎屑，并在烘箱中80℃烘干，得到具有复合结构的真空绝缘子，记为“复合绝缘子1”。

[0054] 实施例2：

[0055] (1)选择聚醚酰亚胺(PEI)为实验材料，利用机械加工方式制备整体外形为圆柱形的绝缘子，圆柱形的直径为30mm，整体高度为5mm；

[0056] (2)将步骤1制备的绝缘子用于与阳极连接的另一端加工成圆台形，圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为30°，圆台形的高度为4.5mm；

[0057] (3)选择紫外激光器，打开激光器，设置激光器参数，通过激光旋转刻蚀的方式，在上述加工了圆台形的绝缘子的圆柱形一端的侧面上，刻蚀25个与圆柱形同轴的环形微槽1，
25个环形微槽1沿圆柱形的轴线方向呈周期性阵列排布，微槽1的截面形状为V型，微槽1的
宽度为0.02mm，深度为0.02mm，周期为0.02mm；微槽1的截面形状除了为V型外，也可以为其
它形状；

[0058] (4)将上述加工了微槽1的绝缘子用去离子水清洗干净，去除表面残留的加工碎屑，并在烘箱中120℃烘干，得到具有复合结构的真空绝缘子，记为“复合绝缘子2”。

[0059] 实施例3：

[0060] (1)选择氧化铝陶瓷(95瓷)为实验材料，通过预成型、烧结的方式制备整体外形为圆柱形的绝缘子，圆柱形的直径为30mm，整体高度为10mm；

[0061] (2)将步骤1制备的绝缘子用于与阳极连接的另一端加工成圆台形，圆台形的母线与圆台形大端底面的夹角为45°，圆台形的高度为8mm；

[0062] (3)选择光纤激光器，打开激光器，设置激光器参数，通过激光旋转刻蚀方式，在上述加工了圆台形的绝缘子的圆柱形一端的侧面上，刻蚀40个与圆柱形同轴的环形微槽1，40
个环形微槽1沿圆柱形的轴线方向呈周期性阵列排布，微槽1的截面形状为V型，微槽1的宽
度为40μm，深度为40μm，周期为50μm；微槽1的截面形状除了为V型外，也可以为其它形状；

[0063] (4)将上述加工了微槽1的绝缘子用去离子水清洗干净，去除表面残留的加工碎屑，并在烘箱中150℃烘干，得到具有复合结构的真空绝缘子，记为“复合绝缘子3”。

[0064] 将上述实施例1～实施例3中制备的复合绝缘子、与对应绝缘材料的圆柱状绝缘子和圆台形结构绝缘子，在脉宽500ns的真空脉冲沿面闪络测试台上进行真空闪络电压测试，
闪络电压测试结果如下表1所示：

[0065] 表1：圆柱状绝缘子、圆台形结构绝缘子与复合结构绝缘子闪络电压对比表

[0066]

[0067] 从上表1可以看出，圆台形结构绝缘子的闪络电压比圆柱状绝缘子的闪络电压提升了37％～55％；本发明的具有复合结构的真空绝缘子的闪络电压比圆柱状绝缘子的闪络
电压提升了69～100％；由此可见，本发明的具有复合结构的真空绝缘子能够更有效地提升
绝缘子的闪络电压。