Покрытие высоковольтного электротехнического изделия со сниженными потерями на коронный разряд и способ его получения Российский патент 2024 года по МПК H01B5/14 

Изобретение относится к области электротехники, более конкретно – к области создания антикоронных (противокоронных) покрытий на поверхности токопроводящих изделий любой формы, которые могут быть использованы в различных областях электротехники.

В настоящее время основными способами борьбы с коронным разрядом являются снижение напряжения в условиях, способствующих зажиганию коронного разряда (наличие на поверхности капель дождя, инея, льда), или удаление центров электрического пробоя механическими или физико-химическими методами. Наиболее активно развиваемым направлением по пассивной противокоронной защите является создание на поверхности высоковольтного оборудования специальных покрытий.

Известно, что придание поверхности различных материалов, в частности металлов и полимеров, развитой шероховатости с многомодальной морфологией позволяет управлять свойствами смачивания, а также величиной адгезии воды и льда к поверхности (патенты US 5679460, US 7150904, US 7258731, RU 2486295). Для материалов с гидрофильными свойствами, в частности металлов или поверхностей, покрытых нанометровым слоем гидрофильного вещества, такая морфология позволяет получить супергидрофильные свойства. Для материалов с гидрофобными свойствами, в частности полимеров или поверхностей, покрытых нанометровым слоем гидрофобного вещества, такая морфология позволяет получить супергидрофобные, т.е. водоотталкивающие свойства.

Известен способ создания супергидрофильного противокоронного покрытия из оксида алюминия и кремния, карбида кремния, модифицированных углеродными нанокомпозитами методом микродугового осаждения из электролита (заявка на изобретение EA 201900006 A2). При контакте капель дождя с супергидрофильными покрытими, капли растекаются в толстую водную пленку, снижающую вероятность электрического пробоя воздуха с зажиганием коронного разряда. Недостатком известного способа является техническая сложность осуществления непрерывного процесса высокотемпературного микродугового оксидирования длинного провода, а также высокая энергоемкость процесса.

Кроме того, недостатком развитой шероховатости зачастую является низкая прочность текстуры, а также слоя гидрофобного или гидрофильного материала, как к механическим и химическим нагрузкам, так и к негативным факторам, сопровождающим коронный разряд: озон, УФ-излучение, потоки заряженных ионов.

Известно, что лазерная обработка поверхности является эффективным способом придания поверхности различных материалов, в частности металлов и резины, прочной многомодальной морфологии [патент RU 2605401]. В свою очередь, обеспечение устойчивой многомодальной морфологии позволяет придать поверхности противокоронные свойства. В частности, на супергидрофильном покрытии (которое является частным случаем поверхности с многомодальной морфологией и гидрофильным материалом верхнего слоя), как отмечалось выше, капли осадков растекаются в гладкую пленку, не образующую центров электрического пробоя. Напротив, с супергидрофобного покрытия (которое является частным случаем поверхности с многомодальной морфологией и гидрофобным материалом верхнего слоя), капли самоудаляются под действием гравитации и/или ветра. Дополнительным механизмом защиты от коронного разряда в условиях, способствующих атмосферному обледенению, являются противообледенительные свойства как супергидрофобных, так и ряда супергидрофильных покрытий, которые предотвращают образование/накопление инея и льда на поверхности.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является обеспечение получения на поверхности электротехнического изделия покрытия, уменьшающего потери мощности на коронный разряд, и стойкого к механическим и коррозионным нагрузкам, пригодного для использования в различных климатических условиях.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение напряжения зажигания короны и уменьшение мощности потерь на коронный разряд при сохранении номинального напряжения в линии электропередач в условиях атмосферных осадков.

Указанный технический результат достигается применением покрытия, представляющего собой поверхность, на которой с помощью лазерного текстурирования сформирована многомодальная шероховатость с размерами одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах, в качестве покрытия высоковольтного электротехнического изделия со сниженными потерями на коронный разряд.

При этом поверхность указанного покрытия может быть дополнительно модифицирована веществом с низкой поверхностной энергией – гидрофобизатором.

Для получения заявленного покрытия применяется способ лазерного текстурирования поверхности в качестве способа получения покрытия высоковольтного электротехнического изделия со сниженными потерями на коронный разряд, заключающегося в том, что воздействуют на упомянутую поверхность сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов в наносекундном диапазоне, осуществляют перемещение упомянутого луча относительно упомянутой поверхности по заранее заданному закону, при этом выбирают характеристики упомянутого лазерного излучения и параметры упомянутого относительного перемещения таким образом, чтобы формировать на упомянутой поверхности многомодальную шероховатость с размерами одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах.

При этом возможно дополнительное модифицирование полученной поверхности веществом с низкой поверхностной энергией – гидрофобизатором, например метокси-{3-[(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-пента-дека-фторо-октил)-окси]-пропил}-силаном из паровой фазы при температуре 80–120°С или из жидкой фазы 2% (по объёму) раствором метокси-{3-[(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-пента-дека-фторо-октил)-окси]-пропил}-силана в неполярном растворителе.

Технический результат обеспечивается за счет текстурирования поверхности, включающего воздействие на поверхность сфокусированного луча лазера при перемещении луча относительно поверхности с помощью двухкоординатной отклоняющей системы (сканатора), благодаря чему образуются расплавленные и десублимированные частицы материала, при осаждении которых на нагретую область вокруг зоны испарения формируется текстура, сочетающая впадины микронных размеров вдоль траектории следования луча с наноразмерными частицами осажденного материала, прочно связанными с поверхностью основного материала благодаря диффузионному взаимопроникновению атомов (молекул) из осажденных частиц и нагретого основного материала.

Важно отметить, что простота варьирования параметрами лазерного излучения (длительность импульсов, частота их следования, мощность в импульсе) и перемещения лазерного луча относительно обрабатываемой поверхности (скорость перемещения, траектория луча) позволяет получать на обрабатываемой поверхности заданные параметры шероховатости и прецизионно формировать участки с различными текстурами, получать текстуры, обеспечивающие достижение супергидрофильного состояния на материалах, сильно различающихся по температурам плавления и испарения, теплоемкости, теплопроводности, шероховатости и т.д.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами и графическими материалами, где показано следующее.

На фиг. 1 – Схема обработки поверхности лазером.

На фиг. 2 – График мощности потерь на коронный разряд в условиях дождевания при различных напряжениях.

На фиг. 3 – График мощности потерь на коронный разряд в сухих условиях при различных напряжениях, подаваемых на провод 240/32.

На фиг. 4 – Фотографии проводов в условиях дождя.

На фиг. 5 – Микрофотографии поверхности после лазерной обработки.

На фиг. 6 – График изменения угла смачивания при испытаниях согласно стандарту ASTM F735.

На фигурах приняты следующие обозначения:

1 – провод;

2 – сканатор;

3 – световод;

4 – блок управления лазерным излучателем;

5 – лазерный излучатель;

а – контрольный провод;

б – провод с покрытием согласно примеру 1;

в – провод с покрытием согласно примерам 2-3.

Способ обработки осуществляется следующим образом, схематически представленным на фиг. 1. Лазерный излучатель 5 генерирует лазерный луч, который посредством оптоволоконного световода 3 попадает в отклоняющую систему зеркал и фокусирующую систему линз сканатора 2, которые обеспечивают управление перемещением сфокусированного луча по поверхности. Одновременное цифровое управление лазерным излучателем и системой зеркал позволяет обрабатывать поверхность с заданным режимом. Простейшим режимом является движение луча по параллельным линиям на постоянном расстоянии друг от друга, что обеспечивает формирование на поверхности текстуры в виде системы бороздок и возвышений, декорированных наночастицами, осевшими из факела лазерной абляции.

В результате подобной обработки поверхность приобретает многомодальную шероховатость, обладающую супергидрофильными свойствами. Угол смачивания такой поверхности водой составляет 0°, а капли дождя при попадании на поверхность образуют пленку вдоль поверхности. За счет того, что попавшие на поверхность осадки не образуют элементы с маленьким радиусом кривизны (мелкие капли), которые локально повышают напряженность поля и способствуют развитию коронного разряда, супергидрофильная поверхность предотвращает зажигание коронного разряда при неблагоприятных погодных условиях.

Изобретение поясняется следующими примерами.

Пример 1

Электротехнический провод марки 240/32 обрабатывали лазером для получения развитой многомодальной шероховатости на внешней поверхности алюминиевой проволоки при следующих параметрах обработки: длина волны 1064 нм, длительность импульса 120 нс, частота импульсов 40 кГц, скорость луча 1000 мм/сек, плотность линий 150 л/мм. Движение луча осуществляли по параллельным линиям на постоянном расстоянии друг от друга, что обеспечило формирование на поверхности текстуры в виде системы бороздок и возвышений, декорированных наночастицами, осевшими из факела лазерной абляции. Микрофотографии поверхности после лазерной обработки показаны на фиг. 5.

Пример 2

Электротехнический провод марки 240/32 обрабатывали аналогично примеру 1, после чего осуществляли модифицирование полученной поверхности из паровой фазы при температуре 80–120°С, а в качестве гидрофобизатора использовали метокси-{3-[(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-пента-дека-фторо-октил)-окси]-пропил}-силан.

Пример 3

Электротехнический провод марки 240/32 обрабатывали аналогично примеру 1, после чего осуществляли модифицирование поверхности из жидкой фазы, а в качестве гидрофобизатора использовали 2% (по объёму) раствор метокси-{3-[(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-пента-дека-фторо-октил)-окси]-пропил}-силана в неполярном растворителе.

На фиг. 2 приведен график мощности потерь коронный разряд условиях дождя. Как видно на фиг. 2 при напряжении в 105 кВ, соответствующем по величине напряженности поля номинальному напряжению в сетях 220 кВ, потери на коронный разряд провода по примеру 1 более чем 4 раза ниже, чем на контрольном проводе. На фиг. 4 показаны фотографии проводов в условиях дождя.

На фиг. 3 приведен график мощности потерь коронный разряд в сухих условиях. Как видно на фиг. 3, мощности потерь на коронный разряд для контрольного и проводов по примерам 1-3 совпадают в пределах точности измерения.

Механическая стойкость покрытия была подтверждена сохранением функциональных характеристик (угла смачивания) в ходе длительных испытаний согласно стандарту ASTM F735 (см. фиг. 6). Результаты приведены для покрытия, полученного по примеру 2.

Коррозионная стойкость покрытия была подтверждена в ходе электрохимических испытаний по изменению тока коррозии при непрерывном погружении в коррозионно активную среду - 0.5 M водный раствор NaCl см. таблицу 1.

Таблица 1 - стойкость покрытия в ходе электрохимических испытаний

Время контакта с 0.5 M водный раствор NaCl Ток коррозии 1 час 5×10^-11 А/см² 20 дней 2×10^-11 А/см²

Уменьшение тока коррозии при переходе от 1 часа к 20 дням погружения связано с образованием защитной оксидной пленки. Результаты приведены для покрытия из Примера 2.

Изобретение относится к области электротехники, более конкретно – к области создания противокоронных покрытий на поверхности токопроводящих изделий любой формы, которые могут быть использованы в различных областях электротехники. Применение способа лазерного текстурирования поверхности в качестве способа получения покрытия высоковольтного электротехнического изделия со сниженными потерями на коронный разряд заключается в следующем. На упомянутую поверхность воздействуют сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов в наносекундном диапазоне. Осуществляют перемещение упомянутого луча относительно упомянутой поверхности по заранее заданному закону. При этом выбирают характеристики упомянутого лазерного излучения и параметры упомянутого относительного перемещения таким образом, чтобы формировать на упомянутой поверхности многомодальную шероховатость с размерами одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах. Изобретение позволяет повысить напряжение зажигания короны и уменьшить мощность потерь на коронный разряд при сохранении номинального напряжения в линии электропередач в условиях атмосферных осадков. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Применение покрытия, представляющего собой поверхность, на которой с помощью лазерного текстурирования сформирована многомодальная шероховатость с размерами одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах в качестве покрытия высоковольтного электротехнического изделия со сниженными потерями на коронный разряд.

2. Применение покрытия по п. 1, отличающегося тем, что поверхность дополнительно модифицирована веществом с низкой поверхностной энергией – гидрофобизатором.

3. Способ лазерного текстурирования поверхности в качестве способа получения покрытия высоковольтного электротехнического изделия со сниженными потерями на коронный разряд, заключающийся в том, что воздействуют на упомянутую поверхность сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов в наносекундном диапазоне, осуществляют перемещение упомянутого луча относительно упомянутой поверхности по заранее заданному закону, при этом выбирают характеристики упомянутого лазерного излучения и параметры упомянутого относительного перемещения таким образом, чтобы формировать на упомянутой поверхности многомодальную шероховатость с размерами одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что полученную поверхность дополнительно модифицируют веществом с низкой поверхностной энергией – гидрофобизатором.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что модифицирование поверхности осуществляют из паровой фазы при температуре 80–120°С, а в качестве гидрофобизатора используют метокси-{3-[(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-пента-дека-фторо-октил)-окси]-пропил}-силан.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что модифицирование поверхности осуществляют из жидкой фазы, а в качестве гидрофобизатора используют 2% (по объёму) раствор метокси-{3-[(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-пента-дека-фторо-октил)-окси]-пропил}-силана в неполярном растворителе.