CN101111902A - 绝缘动力电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包含内有多束未绝缘电线的多股电缆和包覆该电缆的电绝缘的绝缘动力电缆，所述电绝缘的厚度为0.0625～0.5英寸(0.16～1.3cm)并包含多层螺旋形包裹的绉纹带材，所述带材包含至少50重量％芳族聚酰胺材料，该带材在起绉前的密度为0.1～0.5g/cm3。

Description

绝缘动力电缆
发明背景
1.发明领域
本发明涉及绝缘动力电缆，尤其常用于填充流体的电变压器内的绝缘电缆。
2.相关技术描述
绝缘电缆和绝缘绕线都用在填充流体的变压器内。绝缘绕线用来形成变压器的绕组。这种绕线需要有足够的刚度才能承受变压器操作期间出现的机械应力。绝缘电缆连接变压器内的各种部件，如连接绕带与无负载或带负载更换器、相的互连和连接内部绕组与套管接头。与绝缘绕线相反，绝缘电缆需要足够柔软才能使接点容易操纵。于是，在要求更高的强度时，电缆要靠机械支撑。
变压器内绕线的导体一般都包含多根各自绝缘的绕线，以免线与线之间相互接触。在很多情况下，为保证变压器绕组均匀的密堆砌，这类绝缘绕线都具有矩形截面。相反，用于变压器内的绝缘电缆一般由多束未绝缘且一般为圆形截面的电线制成。因为这些电缆在高电压和高电流下输电，所以关键要求是它们应具有足够好的绝缘性，以免相邻电缆之间发生介电击穿，这在充油变压器中是灾难性的。传统上，充油变压器内的电缆一直用螺旋形包裹的绉纹纤维素纸带绝缘，以及用于变压器内的电缆尺寸和根数决定如下：首先规定在负载下电线电缆与变压器油之间所要求的最大温差，然后在不超过所要求最大温差的条件下，用足够多的电缆来处理所要求的电流。对于纤维素纸带，最大温差一般为约20℃(Transformer Engineering(变压器工程)，第二版，John Wiley and Sons出版社出版，p.321)，因为任何更大的温差都会使纤维素绝缘提前老化和最终的电缆失效。但是，如果电缆能在更高温度下操作，即，如果最大温差能提高到约60℃，则能减少变压器所需的电缆尺寸和/或电缆数目。因此，目前所需要的是能承受更高温度而绝缘不会提前老化的电缆。
1973年4月的研究公开RD10833公开，能用“纵向包裹”技术包裹导体，在其中以平行于电线的方法应用Nomex窄带，使之围绕电线折叠并加以密封。优选使用已经起绉的带材，然后轻轻压延之，以保持所需的绝缘厚度。
1973年5月的研究公开RD10947公开，在需要高孔隙率的某些应用如充油变压器中，特别优选特种低密度纸，例如Nomex411。
授予Rolling等的WO200191135公开了如下的电气设备：它包括导体和围绕至少部分该导体的绝缘；绝缘纸包括木浆纤维、可以是芳族聚酰胺纤维的合成纤维和粘结剂材料，合成纤维的存在量为2～25重量％。这种绝缘纸能被起绉并以螺旋形包裹在导体周围。
发明概述
本发明涉及包含内有多根未绝缘电线的多股电缆和包覆该电缆的电绝缘成的绝缘动力电缆，电绝缘的厚度为0.0625～0.5英寸(0.16～1.3cm)且包含多层螺旋形包裹的绉纹带材，所述带材包含至少50重量％芳族聚酰胺材料，在起绉前的密度为0.1～0.5g/cm3。
附图简述
附图表示本发明电缆的一个实施方案。
发明详述
本发明涉及绝缘动力电缆，尤其常用于填充流体的电变压器内的绝缘电缆。本发明的绝缘电缆包括内含多束未绝缘电线的多股电缆和包覆在该电缆上的电绝缘。本发明电缆的一个实施方案示于附图中。所示绝缘电缆1上有一层包覆在多股电缆3上的绝缘2。多股电缆3包含优选以多束5的形式存在的多根未绝缘线4。为清楚起见，图中所示的绝缘电缆在束间存在夸大的空档6，而在实践中，优选且一般在束间只有非常有限的空档。
包覆多股电缆3的电绝缘2的径向厚度为0.0625～0.5英寸(0.16～1.3cm)。小于约0.0625英寸的绝缘厚度提供的绝缘材料太少，不足以提供足够的介电强度。大于约0.5英寸的厚度被认为使电缆无法具有合理的弯曲半径。绝缘的厚度由多层芳族聚酰胺材料构成，而且电缆上电绝缘皮的总密度为约0.2～0.6g/cm3，优选约0.3～0.5g/cm3。由于绝缘的径向厚度或“堆积”是最关键的参数，所以材料的实际层数可变，可能是10～100层甚至更多层。芳族聚酰胺材料层优选是宽约0.25～2英寸的窄带材。这类带材优选在带宽上具有无规的凹凸起伏或绉纹。能以任何有效的方法使带材具有凹凸起伏，但优选提供一系列无规凹凸起伏的起绉法，优选授予Walton等的国际专利申请WO2002/076723；授予Walton的美国专利3,260,778；授予Cluett的美国专利2,624,245；授予Walton的美国专利3,426,405和授予Packard的美国专利4,090,385中公开的微起绉或干起绉法和设备。适用于微起绉片材和带材的设备能获自Micrex Corporation of Walpole，MA02081。这类设备一般把拟起绉带压在把带材朝阻滞单元推进的阻滞单元如阻滞叶片上，叶尖安装在驱动辊附近。阻滞单元通过带材的反复伸缩使带材粗略地自折叠而形成优选的凹凸起伏。优选带材在微起绉加工期间被机械地线性压实约10～200％，优选25～150％，以单位面积带材的增重为基准计算。
关键在于变压器内所用的油要能透过并饱和多股电缆周围的绝缘。因此，供给绝缘的方法是在电缆周围螺旋形地包裹所述带材，以形成允许油透过并存在于绝缘层之间的通路的多层。如本文所用，“螺旋形包裹”是指包括一种或多种带材在电缆外周的螺旋状或螺纹状包裹。更重要的是，用于带材内的芳族聚酰胺材料在起绉之前的密度必须为约0.1～0.5g/cm3，这使绝缘具有足够的孔隙率，从而使带材在已包裹在多股电缆上之后能被油完全饱和。带材的起绉使带材料具有一定的可拉伸性，因此能紧密包裹在电缆周围，同时又避免了用刚性带材可能使电缆具有的任何刚度。在本发明的某些实施方案中，带材由已在金属线上制成并经轻压但未被额外所施的高温和高压，例如，一组加热压延辊，太多致密化的“成形”纸制成。芳族聚酰胺材料可以是包含芳族聚酰胺纤维的任何非织造片材，能被扯裂成带材并能是各类纺粘、射流喷网法非织造或纸状片材或层合结构。在优选实施方案中，非织造片材是芳族聚酰胺纸。如本文所用，术语纸材按其一般意义使用，并能用传统的造纸法和设备及工艺制成。芳族聚酰胺非织造片材或纸的厚度(起绉前)并不重要，但典型范围是约0.002～0.015英寸。
用于本发明的优选芳族聚酰胺纸一般制造如下：形成芳族聚酰胺纤维材料如纤条体和短纤维的淤浆，然后在例如Fourdrinier机器上或在含成形筛网的手抄纸模上以手工把淤浆转化为纸。关于芳族聚酰胺成形为纸的方法，可参考Gross USP 3,756,908和Hesler等的USP5,026,456。
如本文所用，术语芳族聚酰胺是指其中至少85％的酰胺(-CONH-)键直接连接在2个芳环上的聚酰胺。添加剂能与芳族聚酰胺一起使用，多达10重量％的其它聚合物材料能与芳族聚酰胺共混，或能用多达10％其它二胺取代芳族聚酰胺的二胺或多达10％其它二酰基氯取代芳族聚酰胺的二酰基氯的共聚物。在本发明的实践中，最常用的芳族聚酰胺是：聚对苯二甲酰对苯二胺和聚间苯二甲酰间苯二胺，优选的芳族聚酰胺是聚间对苯二甲酰间苯二胺。
绝缘材料包含至少50重量％芳族聚酰胺材料。能用的其它材料中包括纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、液晶聚合物、聚萘二羧酸乙二酯、聚苯硫醚、聚苯并唑、聚苯并咪唑、聚醚酰亚胺、聚醚砜、全芳族共聚酰胺，如以商标Technora销售的那些，氟化烃或它们的任意组合。优选这类其它材料在纸内呈纤维或颗粒状。芳族聚酰胺少于这个量的绝缘不理想，因为它一般无法承受高于130℃的操作温度。优选绝缘材料包含75～100％芳族聚酰胺，以利用芳族聚酰胺高温性能的优点。
图中所示被绝缘包覆的多股电缆3由多根优选以多束5的形式存在的未绝缘导线4形成。在本发明的某些实施方案中，多股电缆的总尺寸为8AWG～1000MCM，优选1/0～750MCM的尺寸。优选多股电缆满足ASTM标准中有关标准铜导体的ASTM B172、ASTM B173或ASTM B8之一。这类多股电缆可获自Rea Magnet WireCompany，Inc.，of Osceola，Arkansas和Southwire Company of Carrollton，Georgia。本发明的2种电缆用内含427根铜线的500MCM多股电缆制成，每种电缆的标称直径为0.924英寸，包覆有15或36层绉纹型411芳族聚酰胺纸带。411型芳族聚酰胺纸是未致密化的100％聚间苯二甲酰间苯二胺纸，在起绉前的密度为0.31g/cm3。15层电缆用13条宽1.25英寸(3.175cm)的带材，而36层电缆用32条宽1.3125英寸(3.334cm)的带材。各层芳族聚酰胺纸带在起绉前的厚度是0.00834英寸(0.02cm)，而在起绉后的厚度为0.0255英寸(0.0648cm)。把这些带材以螺旋形方式包裹在多股电缆的周围，在15层多股电缆上，最终绝缘皮的厚度或堆积为0.125英寸(0.32cm)，在36层多股电缆上，最终绝缘皮的厚度为0.25英寸(0.64cm)。把电缆浸在矿物油内，油完全透过包覆的绝缘。
本发明电缆的关键益处在于，它在变压器内能在比先有技术电缆更高的温度下操作。变压器内的油和电缆之间的最大温差能被增加到约60℃，从而能在绝缘不提前老化的前提下减少变压器所需的电缆数。例如，用3根纤维素绝缘厚度为0.125英寸的350MCM电缆的50MVA，12470V变压器，只需要用2根由本发明所述的起绉芳族聚酰胺片材构成的绝缘厚度为0.125英寸的相同电缆进行操作。
在一个实施方案中，本发明的电缆适合于作变压器内的电缆。本发明的另一个实施方案是包含本文所述的绝缘多股电缆的变压器。

Claims (13)

1.包含下列部件的绝缘动力电缆：
a)包含多根未绝缘电线的多股电缆，和
b)包覆该电缆的电绝缘，
电绝缘的厚度为0.0625～0.5英寸(0.16～1.3cm)并包含多层螺旋形包裹的绉纹带材，所述带材包含至少50重量％芳族聚酰胺材料，该带材在起绉前的密度为0.1～0.5g/cm3。
2.权利要求1的电缆，其中包覆在电缆上的电绝缘的密度为0.2～0.6g/cm3。
3.权利要求2的电缆，其中包覆在电缆上的电绝缘的密度为0.3～0.5g/cm3。
4.权利要求1的电缆，其中芳族聚酰胺材料是包含芳族聚酰胺纤维的非织造片材。
5.权利要求4的电缆，其中非织造片材是芳族聚酰胺纸。
6.权利要求1的电缆，其中芳族聚酰胺材料是间位芳族聚酰胺。
7.权利要求6的电缆，其中间位芳族聚酰胺是聚间苯二甲酰间苯二胺。
8.权利要求1的电缆，其中芳族聚酰胺材料是对位芳族聚酰胺。
9.权利要求8的电缆，其中对位芳族聚酰胺是聚对苯二甲酰对苯二胺。
10.权利要求1的电缆，其中多根未绝缘电线以多束形式存在。
11.权利要求1的电缆，其中多股电缆的尺寸为8AWG～1000MCM。
12.适用于变压器的电缆，包含权利要求1的电缆。
13.包含权利要求1的电缆的变压器。
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