本发明涉及高电压设备制造领域中改性绝缘聚合材料的制备领域，更具体的说，是涉及一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法。
背景技术：
1、气体绝缘金属封闭开关(gas insulated switchgear)具有占地面积小、运行可靠性高、稳定性强、抗污秽能力强、维护周期长和无电磁环境效应等显著优势，已广泛应用于国内外各电压等级的输变电工程、城市分布式电力系统等领域。环氧树脂浇注绝缘子作为gis装备中的关键绝缘部件，内置于gis外壳，同时起到机械支撑、电气绝缘和单元隔离等作用，对于维护整个gis的安全稳定运行具有重要意义。绝缘材料与绝缘气体的电气参数不匹配而导致在绝缘子、金属电极和气体三结合点的位置上局部电场强度集中，绝缘子的耐电性能降低，是造成绝缘子沿面闪络起始电压较低的主要原因。同时，在gis生产、装配和运行过程中，不可避免会因为振动、摩擦等因素产生金属微粒污染物，金属微粒加剧gis电场畸变，使六氟化硫(sf6)气体的绝缘强度显著下降，是威胁gis工程安全的重要隐患。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决现有技术中存在通过3d打印技术虽能实现绝缘子介电分层构建，但面临机械性能差，制备效率低，介电常数分布效果差以及较难投入实际应用；逐层浇筑的方式制备介电分层绝缘子工艺复杂、效率低等问题，而提供一种新型高性能介电分层绝缘子设计及制备方法。本发明为制备交流gis介电介电分层绝缘子提供了全新思路。
2、本发明将材料学领域的介电分层材料概念应用于电气绝缘领域，通过构建相对介电常数分层的绝缘结构，对交流电压下的绝缘子表面及附近电场分布进行调控。通过在环氧树脂基体中参入多种填料颗粒，填料颗粒介电常数、密度、尺寸均不相同，在自身重力的作用下形成多层介电常数层结构，从而达到均匀绝缘子表面电场、改善绝缘子附近电场，抑制局部电场畸变，提高绝缘子沿面闪络起始电压的目的。
3、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种新型高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，包括以下步骤：
4、步骤一：将绝缘子划分为若干层，确定绝缘子各层相对介电常数；
5、步骤二：根据步骤一确定的各层相对介电常数，选择填料类型以及计算填料体积分数；
6、步骤三：计算高性能介电分层绝缘子各层所占体积；
7、步骤四：根据步骤一所确定的各层相对介电常数以及根据步骤三计算得到的各层所占体积，计算各层填料颗粒参杂质量；
8、步骤五：计算所需环氧树脂基体质量；
9、步骤六：按照步骤四中计算出的填料量与步骤五中计算出质量数的环氧树脂基体混合，在真空搅拌机中充分搅拌,得到混合液；
10、步骤七：将步骤六中的混合液通过真空浇筑设备，浇入绝缘子模具中；
11、步骤八：将步骤七中的模具封口，水平放置在恒温振动平台；
12、步骤九：将步骤八振动后的模具放置在烤箱中，固化成型；
13、步骤十：将成型的高性能介电分层绝缘子从模具中取出，处理表面缺陷，形成最终的高性能介电分层绝缘子；
14、所述步骤一各层相对介电常数分别记为：ε1、ε2、…、εn；所述步骤一划分为3、5、7或9层；
15、所述步骤二中选择三种不同填料颗粒，其参数包括填料粒径、密度、相对介电常数；各层填料体积分数分别记为vt1、vt2、…、vtn；
16、所述步骤三中高性能介电分层绝缘子各层体积分别记为v1、v2、…、vn；
17、所述步骤四中各层填料颗粒参杂质量分别记为m1、m2、…、mn；
18、所述步骤五中环氧树脂质量记为mep。
19、进一步，所述步骤二中填料体积分数计算公式如下：
20、1)当填料的相对介电常数大于环氧树脂相对介电常数时：
21、
22、2)当填料的相对介电常数小于环氧树脂相对介电常数时：
23、
24、式中：vti为第i层填料体积分数，εti为第i层填料相对介电常数；εep为环氧树脂相对介电常数；i＝1,2,3,…,n。
25、进一步，所述步骤三中绝缘子总体积记为vall且绝缘子总体积vall为绝缘子各层所占体积vi之和。
26、进一步，所述步骤四中各层填料参杂质量计算公式为：
27、mi＝vti·vi·ρi
28、式中：mi为第i层填料质量；vti为第i层填料体积分数；vi为第i层体积；ρi为第i层填料密度；i为绝缘子介电分层数，i＝1,2,…,n。
29、进一步，所述步骤五中所需环氧树脂总质量mep计算公式为：
30、
31、式中：vi为第i层体积；vti为第i层填料体积分数；ρep为环氧树脂密度；i为绝缘子介电分层数i＝1,2,3,…,n。
32、进一步，所述步骤六中在真空搅拌机中搅拌时间2±1h，转速60±10r/s，温度120±20℃。进一步,所述步骤八中，恒温振动台振动频率120±10hz，温度120±10℃，振动时间1±0.5h。进一步，所述步骤九中烤箱温度130±20℃，固化时间24±5h。
33、与现有技术相比，本发明所带来的有益效果是：
34、1、本发明制备方法制备的复合绝缘材料，相比于3d打印、逐层固化技术生产的绝缘材料，工艺简化，生产成本低。
35、2、本发明制备的高性能介电分层绝缘子，相比于介电常数分布均匀的常规绝缘子，该绝缘子能够通过梯度分布的介电性能实现对电场的调节，均匀绝缘子表面电场分布，抑制局部电场增强，进而防止绝缘子表面放电，提升绝缘子真空沿面闪络电压和绝缘子沿面耐压水平。
36、3、本发明制备的高性能介电分层绝缘子，相比于介电常数分布均匀的常规绝缘子，该绝缘子能够实现对绝缘子附近轴向电场的调节，阻碍金属微粒向绝缘子运动，抑制金属微粒造成的放电破坏。
37、4、本发明制备的介电分层绝缘子为一体成型，机械强度高，因而产品稳定性高、一致性强，固定流程后能够实现大批量生产，工程价值巨大。
38、5、本发明根据工程需要选择不同的填料颗粒，以此满足所需的介电常数分布特性。
1.一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，其特征在于，通过构建相对介电常数分层的绝缘结构，对交流电压下的绝缘子表面及附近电场分布进行调控，通过在环氧树脂基体中参入不同的填料颗粒，填料颗粒介电常数、密度、尺寸均不相同，在自身重力的作用下形成多层介电常数层结构，从而达到均匀绝缘子表面电场、改善绝缘子附近电场。
2.根据权利要求1所述的一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，其特征在于，所述步骤二中填料体积分数计算公式如下：
4.根据权利要求2所述的一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，其特征在于，所述步骤三中绝缘子总体积记为vall且绝缘子总体积vall为绝缘子各层所占体积vi之和；
5.根据权利要求2所述的一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，其特征在于，所述步骤五中所需环氧树脂总质量mep计算公式为：
6.根据权利要求2所述的一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，其特征在于，所述步骤六中在真空搅拌机中搅拌时间2±1h，转速60±10r/s，温度120±20℃。
7.根据权利要求2所述的一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，其特征在于，所述步骤八中，恒温振动台振动频率120±10hz，温度120±10℃，振动时间1±0.5h。
8.根据权利要求2所述的一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，其特征在于，所述步骤九中烤箱温度130±20℃，固化时间24±5h。
9.根据权利要求2所述的一种高性能介电分层绝缘子设计及制备方法，其特征在于，所述步骤一划分为3、5、7或9层。
