CN101189686A - 电绝缘材料，电力设备和生产电绝缘材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由浸渍介质(2)浸渍的多孔纤维基质形成的电绝缘材料(3)，所述浸渍介质(2)包含填料粒子(1)，所述填料粒子(1)具有比浸渍介质更高的热导率并且在至少一个维度方向上具有小于1μm的尺寸，优选在至少一个维度方向上具有小于100nm的尺寸，所述纤维基质(4)中至少部分渗入浸渍介质(2)的这种填料粒子(1)。

Description

电绝缘材料，电力设备和生产电绝缘材料的方法

技术领域

本发明涉及电绝缘材料，其由用浸渍介质浸渍的纤维基质形成。本发明也涉及电套管、电机绕组和包含这种材料的电力设备，以及生产所述材料的方法。

背景技术

在电力行业中环氧树脂广泛地用于设备比如电涌放电器、高压断路器和变压器中的电绝缘用途。然而环氧树脂的热导率相对低，这增加了在使用包含环氧树脂的电绝缘材料的某些应用中发生热问题和过热的风险。树脂浸渍纸(RIP-)电套管往往用于变换和切换几百伏到数千伏的AC或DC电压的电气系统。因为电绝缘材料需要具有相当的厚度，所以用于这种应用的电套管是相当大的。

在电套管内部金属箔的尖端周围也可能出现高的电应力，并且高的工作温度可能在电套管中和电套管周围引起热膨胀问题。这种苛刻条件与难以湿润性以及环氧树脂与其他材料之间热膨胀系数的不匹配相结合，也可以导致电绝缘材料的剥离，其反过来可导致破坏性的局部放电。

发明内容

本发明的目的是提供改进的电绝缘材料。

该目的通过具有权利要求1的特征的电绝缘材料实现。根据本发明的电绝缘材料由多孔的纤维基质形成，所述多孔的纤维基质被含有填料粒子的浸渍介质浸渍，即被浸渍介质部分或完全地填充，所述填料粒子具有比所述浸渍介质高的热导率并且在至少一个维度方向上，即宽度、长度和/或高度方向上，具有小于1μm的尺寸，优选在至少一个维度方向上具有小于100nm的尺寸，即″纳米粒子″。所述纤维基质中至少部分渗入所述浸渍介质的这种填料粒子。由此，与用不包含上述类型粒子的浸渍介质浸渍的纤维基质形成的常规绝缘材料相比，该被浸渍的纤维基质和由其形成的电绝缘材料的热导率将得到改进。

在本说明书和随后的权利要求中，术语″多孔纤维基质″指具有如此的渗透性的纤维基质，所述渗透性使得浸渍介质能够渗入基质纤维之间的空腔。

所述填料粒子可以为任何规则的或不规则的形状并且在几个或所有维度方向上的尺寸小于上述给定的尺寸。所述填料粒子例如可为球形、管状或纤维等的形式。然而至少一些填料粒子的尺寸应该小得足以允许所述粒子在浸渍阶段期间渗入多孔的纤维基质。因此至少一些填料粒子的尺寸应该小于所述多孔纤维基质中孔或空腔的尺寸。

已经发现适当的填充粒子的引入提高了电绝缘材料的热导率而同时保持其电绝缘性能。

利用本发明电绝缘材料增强的热导率的一种方法是增加已经用本发明电绝缘材料的电绝缘体代替常规电绝缘体的电力设备的载流量。

因为纳米粒子能更容易地渗入所述纤维基质并且它们分散在所述浸渍介质中不产生沉积并且不导致纤维基质的磨损，所以使用纳米粒子比使用微米粒子具有多个优点。也可使用纳米粒子以得到适合于控制高的场应力的场梯度性能。这可防止电绝缘材料的长期劣化性并允许更宽的设计领域，并因此减小绝缘体厚度。

根据本发明的一个实施方案，所述浸渍介质含有最多至25体积％的填料粒子，优选最多至15体积％的填料粒子，并最优选最多至5体积％的填料粒子。由于结合极其小的填料粒子到所述浸渍介质中，因此仅加入少量的填料粒子就可显著改善电绝缘材料的热、物理和电性能，从而能使得本发明的电绝缘材料保持低的重量和体积。此外，所述浸渍介质中的小填料粒子的浓度将不会明显地提高所述浸渍介质的粘度。

当填料粒子引入液体的时候，由于所述填料粒子高的极性特性使得它们与非极性浸渍介质不相容，所以液体的粘度往往增高。此外，随着粒度降低，由于粒子和浸渍介质之间的表面积增加，所以粘度提高。因为例如在真空浸渍期间，高粘性液体不会像低粘性液体一样浸渍多孔基体，所以这是缺点。为削弱该缺点，根据本发明的一个实施方案，表面改性所述填料粒子，以降低包含填料粒子的浸渍介质的粘度。通过化合物的常规反应实现表面改性，所述化合物能与填料粒子的表面基团反应和/或相互作用从而在填料粒子和表面改性组分之间产生共价键、离子键、氢键或范德华结合，并因此得到填料粒子和浸渍介质之间优良的相容性。

或者在填料粒子引入到浸渍介质中之前或之后、或者在包括在填料粒子引入到浸渍介质中之前或之后进行的步骤的方法中、或者在填料粒子引入浸渍介质的同时，改性所述填料粒子的表面。

根据本发明的另一实施方案，通过连接硅烷(即具有通式Si_nH_2n+2的任何化合物)，例如包含官能团的硅烷到所述填料粒子表面上的极性基团例如游离羟基上，来表面改性所述填料粒子的表面。所述官能团例子为氯、甲氧基、乙氧基、氨基或巯基或任何其它的能使得填料粒子更可溶于浸渍介质的官能团。在水分存在下硅烷将水解并缩合到填料粒子的表面。在热固化期间，所述官能团将进一步反应并在填料粒子的表面和纤维基质之间形成强的共价键，从而在其之间产生强附着力。使用钛烷(titanes)或硅氮烷代替硅烷可以得到类似的结果。

表面改性不但得到同非表面改性粒子相比具有更低粘度的包含填料粒子的浸渍介质，而且同非表面改性粒子相比在填料粒子和纤维基质之间提供更强的粘附。

根据本发明的另一实施方案，将所述电绝缘材料设置为在的材料不同部分中具有不同的填料粒子含量，比如在材料的一个部分中为0体积％，在另一个部分中为10体积％。从而可设计材料不同部分的热和机械性能以适应特定的应用。例如通过在电绝缘材料的部分中引入适当的填料粒子，可以产生扩散阻挡物，其阻挡水和/或气体从所述扩散阻挡物的一侧通过到达另一侧。这种扩散阻挡物可用来防止氧扩散通过所述电绝缘材料，得到具有耐火性提高的材料。或者，所述填料粒子均匀地分散在整个电绝缘材料中。

因为填料粒子的性质和含量将影响电绝缘材料的电、热和机械性能，所以可以通过改变填料粒子的量和种类来设计所述材料，以适应具体的应用。例如可设置电绝缘材料的热膨胀，以与邻接于该材料或嵌入该材料中的金属触点的热膨胀性能匹配。也可调节所述材料的电阻率、介电常数或场梯度至具体应用所需要的值，以降低或消除电应力、机械应力、和/或热应力。

本发明也涉及包含根据此处描述的任一项实施方案的电绝缘材料的电套管和电机绕组比如电动机或发电机定子绕组，和根据权利要求15的电力设备比如干式变压器、互感器、电机、发电机、电容器、电缆等。

本发明还涉及生产电绝缘材料的方法，其包括用包含填料粒子的浸渍介质浸渍多孔纤维基质的步骤，所述填料粒子具有比浸渍介质更高的热导率并且在至少一个维度方向上具有小于1μm的尺寸，优选在至少一个维度方向上具有小于100nm的尺寸，以允许这种填料粒子渗入所述纤维基质。然后可以在室温下或者通过加热、通过使用辐射比如UV辐射或通过本领域技术人员公知的其他方法将所述浸渍的纤维基质固化即硬化、凝固或干燥。可以将所述纤维基质在浸渍并固化之前或之后处理为任何需要的形状。

根据本发明的一个实施方案，所述方法包括在真空下和/或压力下用浸渍介质浸渍多孔纤维基质的步骤，以提供没有层分离的无孔结构，并使得纤维基质不受例如水的有害导电粒子侵入的影响。

根据本发明任一项实施方案的电绝缘材料、电套管、电力设备或电机绕组尤其旨在，但不是唯一地，用于高压应用中。

本发明的其他优点以及有利的特征从以下的说明和其他的从属权利要求中显而易见。

附图说明

参考附图，作为实例的本发明的优选实施方案的具体说明如下。附图中：

图1是可用于本发明形成电绝缘材料的浸渍介质中填料粒子的TEM(透射电子显微术)显微照片，

图2a表示根据本发明一个实施方案的电绝缘材料的横截面示意图，

图2b表示不符合本发明的电绝缘材料的横截面示意图，

图3a是根据本发明的一个实施方案由电绝缘材料形成的电套管的立体示意图，

图3b是显示对于不同粒度，图3a的电绝缘体的径向热导率作为填料粒子浓度函数的图，

图3c是显示对于不同的粒度，图3a的电绝缘的轴向热导率作为填料粒子浓度的函数的图，和

图4是显示根据本发明一个实施方案的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

图1是显示分散在环氧树脂2形式的浸渍介质中的50nmAl₂O₃纳米粒子1的TEM显微照片。这种包含填料粒子1的浸渍介质2可以简单地如下制备：通过优选在室温下或通过常规的熔融混合来组合并混合粒子1和浸渍介质2。使用(3-甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷表面改性所述Al₂O₃纳米粒子1，并在将它们引入环氧树脂2之前解聚集。已经发现用本发明的具有25体积％300nmAl₂O₃填料含量的浸渍介质的绝缘材料替换其常规的电绝缘材料，可使RIP套管的径向热导率提高150％。

图2a表示通过用包含填料粒子的浸渍介质2浸渍的多孔纤维素基质4的几个层形成的电绝缘材料3，所述填料粒子具有比浸渍介质更高的热导率并且在至少一个维度方向上具有小于1μm的尺寸，优选在至少一个维度方向上具有小于100nm的尺寸。在举例说明的例子中，纤维基质层4中完全地渗入所述浸渍介质2的填料粒子，即填料粒子和浸渍介质基本上占据所有的纤维基质的纤维之间的空腔。通过使粒度适应于纤维基质4的孔，即通过选择尺寸小于纤维基质的纤维之间的空腔的填料粒子，可实现填料粒子在纤维基质之内的完全的和均匀的分布，从而实现绝缘材料3的几乎相同的径向(箭头A1表示)和轴向(箭头A2表示)热导率。在图2a举例说明的例子中，使浸渍介质2固化以形成几个具有填料粒子分散在其中的固化浸渍介质2的纤维素层4，和具有分散在其中的填料粒子的固化的浸渍介质2的夹层2′。

出于比较的目的，图2b表示与图2a的电绝缘材料相应的，但是具有包含于浸渍介质2的更大的填料粒子的电绝缘材料。这种情况下，其不符合本发明，填料粒子具有比纤维基质4的纤维之间的空腔更大的尺寸。因此，填料粒子被阻止渗入纤维素基质层，并将集中到这些基质层之间的固化的浸渍介质层2′。因此，所述电绝缘材料将在轴向A2具有优良的热导率，但是在径向A1具有明显较低的热导率。

根据本发明的电绝缘材料中包含的纤维基质4优选包括纤维素纤维和/或玻璃纤维和/或聚合物纤维。所述聚合物纤维可以为聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚酯、聚丙烯腈、聚氨酯、或芳族聚酰胺比如Nomex^(合成的芳族聚酰胺聚合物)或Kevlar^。所述纤维基质4合适地为纸、压榨板、层压物、带、织物或片的形式。优选，所述纤维基质为玻璃纤维带、玻璃纤维织物、或纤维素纸的形式。

浸渍介质2为不导电的，并且合适地为热固性树脂比如环氧树脂或聚酯、热塑性树脂、热塑性弹性体或聚硅氧烷凝胶。浸渍介质2有利地为环氧二丙烯酸酯(EPDA)形式的环氧树脂。在纤维基质4的浸渍期间，浸渍介质2具有充分低的粘度以允许浸渍介质流入纤维基质的纤维之间的空腔。

分散在浸渍介质中的上述填料粒子1是具有比浸渍介质更高热导率的材料，以实现由浸渍的纤维基质形成的电绝缘材料的热导率的期望的改善。此外，所述填料粒子是不导电的材料或是具有适于所制得的电绝缘材料的具体绝缘应用的特定导电性的材料。优选所述填料粒子是非金属材料并且有利地可以为选自氧化物、氮化物和碳化物的一种或多种材料。填料粒子优选是无机氧化化合物或陶瓷，比如Al₂O₃、AlN、BeO、B₄C、BN、CuO、SiC、SiO₂、Si₃N₄、TiB₂、TiO₂、MgO或ZO。取决于是否需要各向同性的或各向异性的性能，所述填料粒子可以以有序的或特定的方式在电绝缘材料的至少部分中取向。

图3a示意地说明了包括根据本发明的电绝缘材料的圆柱形构件6的电套管5。圆柱形构件6围绕电导体7并由包绕导体7的纤维素纸形式的多孔纤维基质4形成。在纤维基质4包绕导体7之后，用液体环氧树脂形式的浸渍介质浸渍纤维基质，随之固化浸渍介质，所述浸渍介质包含分散在浸渍介质中的纳米尺寸的Al₂O₃填料粒子。在图3a中，圆柱形构件6的径向热导率λ_r和轴向热导率λ_a由箭头示出。

图3b说明图3a的圆柱形构件6的径向热导率λ_r如何随着用于形成圆柱形构件6的浸渍介质中Al₂O₃的填料浓度的提高而提高。图3c说明图3a的圆柱形构件6的轴向热导率λ_a如何随着用于形成圆柱形构件6的浸渍介质中Al₂O₃纳米粒子的填料浓度提高而提高。

图4是显示根据本发明一个实施方案的方法的步骤的流程图。所述方法包括连接硅烷，任选为官能化硅烷，比如氯硅烷，到上述类型填料粒子表面上的OH-基团的步骤。然后将所述表面改性的填料粒子引入浸渍介质，例如变压器油或环氧树脂。然后用包含填料粒子的浸渍介质浸渍多孔纤维基质，任选在真空下和/或压力下进行。

已经发现表面改性的Al₂O₃纳米粒子填料含量最多至约15体积％时，环氧树脂的粘度基本上未受影响。使用非表面改性的Al₂O₃纳米粒子的时候，填料含量最多至约5体积％时，环氧树脂的粘度基本上未受影响。

根据本发明的电绝缘材料例如可用于干式变压器的绕组绝缘。在这种情况下，变压器的绕组可以被电绝缘材料包覆，所述电绝缘材料通过在真空下在模具中浇铸含有上述类型填料粒子的环氧树脂而形成，或不用模具将环氧树脂施加到围绕绕组的玻璃纤维织物形式的纤维基质上而形成。

本发明的电绝缘材料也可用于AC应用的电容型电套管中或用于DC换流变压器应用中的电套管中。这些类型的套管可以具有本发明的油浸纸或环氧树脂浸渍纸形式的电绝缘材料。

本发明的电绝缘材料也可用于形成互感器比如电流和电压互感器中的电绝缘体。

当然，本发明无论如何不局限于如上所述的实施方案。相反地，不背离本发明如所附的权利要求中限定的基本思想，对其改变的许多可能对本领域技术人员而言是显而易见的。

例如，应注意电学上导电的或半导电的填料粒子，比如碳纳米粒子可引入所述电绝缘材料的至少一部分中，例如以在电绝缘材料内部或表面上提供电极或导体，或者可选择地改变所述材料的至少一部分的热、物理或电性能，以适于具体的应用。

Claims (20)

1.由浸渍介质(2)浸渍的多孔纤维基质(4)形成的电绝缘材料，其特征在于，所述浸渍介质(2)包含填料粒子(1)，所述填料粒子(1)具有比所述浸渍介质更高的热导率并且在至少一个维度方向上具有小于1μm的尺寸，优选在至少一个维度方向上具有小于100nm的尺寸，所述纤维基质(4)中至少部分渗入有所述浸渍介质(2)的这种填料粒子(1)。

2.权利要求1的电绝缘材料，其特征在于，所述浸渍介质(2)包含最多至5体积％的填料粒子(1)，优选最多至15体积％的填料粒子(1)，最优选最多至25体积％的填料粒子(1)。

3.权利要求1或2的电绝缘材料，其特征在于所述填料粒子(1)基本上均匀地分散在所述电绝缘材料(3)中。

4.权利要求1或2的电绝缘材料，其特征在于，设置所述材料(3)以使其不同部分中具有不同的填料粒子含量。

5.前述权利要求任一项的电绝缘材料，其特征在于，表面改性所述填料粒子(1)以降低包含填料粒子(1)的所述浸渍介质(2)的粘度。

6.前述权利要求任一项的电绝缘材料，其特征在于，所述浸渍介质(2)是热固性树脂比如环氧树脂或聚酯、热塑性树脂、热塑性弹性体或聚硅氧烷凝胶。

7.前述权利要求任一项的电绝缘材料，其特征在于，所述纤维基质包含纤维素纤维和/或玻璃纤维和/或聚合物纤维。

8.前述权利要求任一项的电绝缘材料，其特征在于，所述纤维基质(4)为纸、压榨板、层压物、带、织物或片的形式。

9.前述权利要求任一项的电绝缘材料，其特征在于所述填料粒子(1)为非金属粒子。

10.前述权利要求任一项的电绝缘材料，其特征在于，所述填料粒子(1)为选自氧化物、氮化物和碳化物的一种或多种材料的粒子。

11.权利要求10的电绝缘材料，其特征在于，所述填料粒子(1)是无机氧化化合物或陶瓷的粒子。

12.权利要求11的电绝缘材料，其特征在于所述填料粒子(1)为Al₂O₃、AlN、BeO、B₄C、BN、CuO、SiC、SiO₂、Si₃N₄、TiB₂、TiO₂、MgO或ZO的粒子。

13.电套管，其特征在于，其包含根据前述权利要求任一项的电绝缘材料(3)。

14.电机绕组，其特征在于，其包含权利要求1-12任一项的电绝缘材料(3)。

15.电力设备，比如干式变压器或互感器，其特征在于，其包含权利要求1-12任一项的电绝缘材料(3)、权利要求13的电套管或权利要求14的电机绕组。

16.生产电绝缘材料(3)的方法，包括用包含填料粒子(1)的浸渍介质(2)浸渍多孔纤维基质(4)的步骤，所述填料粒子(1)具有比所述浸渍介质更高的热导率并且在至少一个维度方向上具有小于1μm的尺寸，优选在至少一个维度方向上具有小于100nm的尺寸，以使得这种填料粒子(1)渗入所述纤维基质(4)中。

17.权利要求16的方法，其特征在于，包括在将所述填料粒子(1)引入所述浸渍介质(2)以前或在所述填料粒子(1)已经引入所述浸渍介质(2)之后，对所述填料粒子(1)进行表面改性以降低包含填料粒子(1)的所述浸渍介质(2)的粘度。

18.权利要求17的方法，其特征在于，通过将硅烷连接到所述填料粒子(1)表面的羟基上，对所述填料粒子(1)的表面进行表面改性。

19.权利要求18的方法，其特征在于，所述硅烷包含官能团，比如氯、甲氧基、乙氧基、氨基或巯基。

20.权利要求16-19任一项的方法，其特征在于，其包括在真空下和/或压力下，用所述浸渍介质(2)浸渍所述纤维基质(4)的步骤。

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