一种用于绝缘表面裂纹修复的外电弧辅助等离子体装置及修复方法与流程

本发明涉及电力设备绝缘缺陷修复，具体涉及一种用于绝缘表面裂纹修复的外电弧辅助等离子体装置及修复方法。

背景技术：

1、在电力系统中，硅橡胶等高分子固体绝缘介质是电缆附件、户外绝缘器件的核心组成部分。绝缘介质长期在电热联合老化、局部放电、交变机械应力以及雨雪风沙等复杂户外工况下服役，材料内部高分子链容易发生断键或过度交联，致使绝缘表面逐步出现硬化、粉化、微裂纹、划痕等物理缺陷。

2、绝缘表面产生的裂纹会改变局部电场分布，成为水分、粉尘、污秽等杂质的侵入通道，进而引发表面电荷聚集与深陷阱效应，大幅降低绝缘材料的耐压性能，极易诱发局部放电、沿面闪络等问题，严重威胁电力设备及电网整体的安全稳定运行。

3、目前行业内针对绝缘表面裂纹的修复手段主要分为传统涂敷技术与等离子体修复技术两大类。传统修复方式采用硅脂、密封胶、室温硫化硅橡胶（rtv）等材料直接对裂纹进行涂敷处理，该方式仅为宏观层面的物理遮蔽，修复材料与绝缘基体分子结构相互独立，界面结合力薄弱，无法实现分子层级的化学愈合；同时大面积过盈涂敷还会形成新的宏观界面，造成电场畸变，甚至引发绝缘基体出现溶胀现象，存在二次失效的风险。

4、等离子体作为物质第四态，富含电子、离子、激发态自由基等高活性粒子，依靠非接触式处理、无二次污染、反应可控等优势，成为绝缘缺陷修复领域的主流研究方向。但现有等离子体装置存在明显技术瓶颈：一方面，常规的介质阻挡放电（dbd）等离子体虽然温和，但其放电功率小、气体温度极低，导致修复媒质在裂纹内部的水解缩聚反应极不充分，难以形成致密的微米级填补层；另一方面，传统的电弧式射流虽然具备强大的活化能力，但其放电过于剧烈，局部极高的温度极易对耐热性较差的绝缘基底（如硅橡胶）造成不可逆的热损伤，严重影响了最终的修复效果。

5、除此之外，现有公开的真空型低温等离子体改性设备、微波等离子体修复装置、常规等离子体射流器等，普遍存在依赖密闭真空环境、设备体积庞大、气流均匀性差、能量供给不足等问题，无法适配电力行业户外、高空、分布式裂纹的开放式现场作业需求，也难以完成三维裂纹的深度化学修复。

6、综上，现有技术无法同时兼顾高活化能量、适宜反应温度、绝缘基体无热损伤、现场灵活作业、分子级长效修复等多重使用要求，因此亟需研发一种新型等离子体修复装置及对应的修复方法。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种用于绝缘表面裂纹修复的外电弧辅助等离子体装置及修复方法，旨在解决现有技术中存在的至少一个技术问题。

2、一方面，本发明提供了一种用于绝缘表面裂纹修复的外电弧辅助等离子体装置，所述等离子体装置包括：高压电极、介质管、外壳、接地电极、气路通道和辅助放电间隙；所述高压电极沿装置中心轴线布设，高压电极的顶端连通所述气路通道；所述介质管同轴套设于高压电极外侧，所述介质管与所述高压电极之间形成内部放电气隙；所述外壳同轴包覆在所述介质管外部，所述介质管的外壁与外壳的内壁之间形成所述辅助放电间隙；所述气路通道开设在所述外壳的上部，作为工作气体的进气端；内部放电气隙的上端开口、辅助放电间隙的上端开口均连通至气路通道所在的进气区域；工作气体经气路通道进入该进气区域后分为两路，一路流入内部放电气隙，另一路通入辅助放电间隙；所述接地电极内嵌于所述介质管内部，与所述高压电极的尖端相对预设距离布置并形成针-环电极结构；所述针-环电极结构和介质管共同构成介质阻挡放电发生结构，高压电极外接微秒脉冲高压后，受介质管绝缘阻挡作用，高压电极与接地电极之间不会形成贯通电弧，仅在所述内部放电气隙内生成介质阻挡放电；高压脉冲作用下电荷持续积聚于介质管外壁，使辅助放电间隙两端形成电位差，进而在填充有分流后工作气体的辅助放电间隙内触发外电弧沿面放电；所述介质阻挡放电和外电弧沿面放电共同作用产生的活性粒子，被气流携带形成等离子体射流；所述介质管的下端口作为所述等离子体射流的喷射出口。

3、进一步的，所述高压电极为针状电极，所述接地电极为环状电极，所述高压电极与所述接地电极构成针-环电极结构。

4、进一步的，所述高压电极外接脉冲高压电源，所述脉冲高压电源为微秒脉冲电源，所述微秒脉冲电源的输出电压幅值为7kv～12kv，脉冲频率为1khz～5khz。

5、进一步的，所述工作气体为混合气体，包括载气、有机硅类修复剂以及添加剂，所述载气为氩气或氦气，所述有机硅类修复剂为含si的有机硅前驱物，所述添加剂为水汽或活性气体。

6、进一步的，所述载气、有机硅类修复剂和添加剂分别按照固定流量配比通入装置，所述载气流量为1l/min，有机硅类修复剂流量为20ml/min，添加剂总流量为15ml/min。

7、进一步的，所述辅助放电间隙为沿周向均匀分布的环状间隙，用于容纳部分工作气体并构建外电弧放电环境。

8、进一步的，所述介质阻挡放电负责解离有机硅类修复剂并生成基础活性粒子，所述沿面电弧放电用于提升整体放电强度与体系反应温度。

9、进一步的，所述沿面电弧放电促使电荷在介质管外壁积聚，提升反应器温度与放电强度，进而促进有机硅类修复剂与添加剂发生热力学活化。

10、进一步的，该装置产生的等离子体射流轰击绝缘裂纹表面并引入含氧基团，驱使高活性低聚物在裂纹深处发生吸附并接枝形成共价键，经三维交联固化后形成致密的实体填补层。

11、第二方面，本发明实施例提供了一种用于绝缘表面裂纹修复的外电弧辅助等离子体修复方法，采用上述的用于绝缘表面裂纹修复的外电弧辅助等离子体装置，包括以下步骤：步骤s1、配制混合工作气体，将载气、有机硅修复剂与添加剂以预设比例混合均匀；步骤s2、启动脉冲高压电源，为装置的高压电极施加脉冲高压；步骤s3、将混合工作气体由气路通道通入装置，气体分流后分别流经内部放电气隙与辅助放电间隙，通过介质阻挡放电与沿面电弧放电耦合生成等离子体；步骤s4、使等离子体随气流从装置下端喷射出口形成定向等离子体射流，将射流对准绝缘材料表面裂纹区域进行喷射处理，完成裂纹修复。

12、进一步的，步骤s4中等离子体射流喷射出口与绝缘材料表面的间距控制为20mm；针对单处裂纹区域的喷射处理时长为3～8min。

13、进一步的，步骤s4中喷射方式根据裂纹形态区分设置：针对绝缘表面浅裂纹，采用垂直于绝缘表面的垂直喷射方式；针对狭长缝隙裂纹，采用倾斜喷射方式；针对长距离分布式裂纹，沿裂纹延伸走向匀速移动装置持续喷射处理。

14、本发明相比较于现有技术存在如下技术效果：

15、（1）本发明设置内部放电气隙与辅助放电间隙，形成介质阻挡放电与沿面电弧放电结合的双重放电结构。内部介质阻挡放电温和稳定，可初步解离修复前驱物、生成基础活性粒子；辅助放电间隙处的沿面电弧放电使电荷在介质管外壁积聚，有效提升装置放电强度与反应温度，装置稳态工作温度可达91.5℃，较传统介质阻挡放电装置温升提升66%。该温度区间远低于硅橡胶绝缘基体、石英玻璃、聚四氟乙烯的耐温极限，在为修复剂水解缩聚提供充足热动力的同时，避免了绝缘基底出现热损伤。

16、（2）传统涂敷工艺仅能实现宏观物理遮盖，结合力弱且易引发电场畸变。本发明利用高能等离子体轰击裂纹表面，打断绝缘材料分子化学键并引入含氧活性基团；活化后的修复剂分解为高活性低聚物，渗透至裂纹深处与绝缘基体形成共价键，并发生三维交联固化，形成致密的实体填补层。修复层与基体融为一体，结合强度高，不存在脱落、溶胀等问题，实现从物理填充到分子级化学愈合的升级，大幅提升修复后绝缘件的电气性能、机械性能与耐候性能。

17、（3）本装置为大气压开放式结构，无需真空、负压等密闭运行环境，整体结构紧凑、操作灵活，可应用于电力户外、高空等复杂作业场景，能够对电缆硅橡胶附件、各类复合绝缘件表面的分布式微裂纹、划痕、粉化缺陷开展原位修复，通用性强。