CN101253582A - 高压套管 - Google Patents

Abstract

套管(1)具有导体(2)和包围导体(2)的芯(3)。芯(3)包括片状隔离物(4)，其中隔离物(4)包括填料颗粒(14)。套管(1)可以是用电绝缘基体材料(6)浸渍的树脂浸渍的分级套管(1)。隔离物(4)可以包括纸，尤其是皱纹纸。填料颗粒(14)优选是电绝缘或半导电颗粒。可以使芯(3)的热导率增加。

Description

高压套管

技术领域

本发明涉及高压技术领域。其涉及根据权利要求开始条款的套管、高压或中压设备、变压器及套管的制造方法以及片状材料的应用。这些套管在例如变压器、气体绝缘开关设备、发电机中或作为测试套管获得应用。

背景技术

套管是通常通过接地屏障例如变压器箱用来在高压处承载电流的设备。为降低和控制套管附近和套管里面的电场，已经开发了电容式套管，熟知的是分级套管。电容式套管通过插入浮置的(floating)均衡(电极)板实现电应力控制，均衡板包括在套管芯中。电容式套管降低了场梯度并沿着绝缘体的长度分布电场，这在高于标称电压指示时提供了低的局部放电指示。

套管的电容器芯典型的是由牛皮纸缠绕或用皱纹牛皮纸作为隔离物(spacer)。在分级套管中使用的均衡板由金属(典型的是铝)垫圈或导电或半导电衬片(油墨，石墨膏)构成。均衡板同轴定位，以便在外闪络强度和内击穿强度之间获得最佳平衡。纸隔离物确保电极板位于规定位置并提供了机械稳定性。

现在的套管的电容器芯用油(OIP，油浸渍纸)或用树脂(RIP，树脂浸渍纸)浸渍。RIP套管具有这样的优势，即它们是干(无油)套管。RIP套管芯由纸缠绕，在相邻的纸缠绕之间的合适位置插入电极板。然后在芯的加热和真空处理过程中注入树脂。

在GB 999 609A中公开了套管绝缘体的制造方法。在制造过程中，纸或织物的一侧涂敷有树脂，缠绕在导体或心轴上形成套管，在相邻的匝之间周期性的插入金属箔片。环氧树脂可以包括颗粒尺寸为5-100微米的粉末状的填料。由于树脂的分子量高，避免了对纸幅的渗透。

在US 3 394 455中公开了制造电套管的浇注过程。在第一个步骤中，包括用作硅石的无机填料的树脂质的绝缘材料的体组件在内导体周围浇注。层叠由金属片或碳化硅片或碳浸渍的片形成的、用来分布电应力的管状导电或半导电板，然后放置在体组件上，彼此间有空气间隔。空气间隔填充有包括填料的绝缘树脂。

在US 4,038,491中表述了电套管组件，其导体螺栓由固化的环氧树脂填料组合物完全密封。大约85重量％的具有高热导率的、粉末状的玻璃质填料的组合物填充内导体螺栓和周围的凸缘部分之间的空隙。

根据现有技术，套管还在US 2003/014861A1、WO 99/33065A、DE 12 43745B以及US 3 271 509中提及。

希望能改进机械和/或电和/或热性能和/或套管的工艺性，尤其是浸渍的套管。

发明内容

因此，本发明的目的是制造具有改进的机械和/或电和/或热性能和/或工艺性的套管。

通过具有权利要求的特征的装置和方法解决该问题。

根据本发明，套管具有导体和围绕导体的芯。该芯包括片状隔离物。该套管的特征在于，该隔离物包括在浸渍过程之前预先填入该隔离物的填料颗粒，与没有任何预先填入颗粒的隔离物相比，该填料颗粒增加热导率。

通过这样，taylor套管的各种性能是可能的。例如，可以获得机械刚性更高的套管。例如，在树脂浸渍的套管的情况下，如果填料颗粒的使用导致芯中树脂量的减小，其中填料颗粒具有比用于浸渍的树脂更小的弹性，就是如此。

获得更好的热性能也是可能的，其允许在更高额定电流时使用类似尺寸的套管，或在类似额定值时使用更小的套管。例如如果具有填料颗粒的套管的热导率比没有填料颗粒的套管的热导率高，情况就是如此。这样可以在树脂浸渍套管的情况下，导致工艺得到改进，因为树脂的固化可以在更高的温度下进行，使得固化过程花费的时间更少。因此，加快高压或中压套管的制造是可能的。

如果使用合适的填料颗粒，使芯的tanδ和/或介电常数改进也是可能的。

而且，通过使用填料颗粒，减小套管的吸水是可能的，而且可以使得断裂韧度增加(抗裂能力更高)。

而且套管的热机械稳定性和寿命可以受到有利的影响，因为通过使用填料颗粒，使芯和导体(或心轴)之间的热膨胀系数(CTE)的不匹配降低了。由于使用包括填料颗粒的隔离物和/或具有填料的基体材料(matrix material)，芯的CTE更低，这导致固化期间总的化学收缩减小了。这使得可以进行(近)端形状套管的制造(无需机械加工)，因此大大缩短了制造时间。

当然，隔离物中的填料颗粒并不意味着(只)是那些填料颗粒，所述填料颗粒包括在用于浸渍的基体材料中，并且通过使用包括填料颗粒的基体(matrix)对芯进行浸渍结合在隔离物中。因此，根据本发明的隔离物可以称为“预先填充填料颗粒的隔离物”。该“预先填充”指的是这样的事实，即在其它填料颗粒可能，例如通过浸渍过程，结合到隔离物中之前，该隔离物已经包括填料颗粒。优选的是，甚至在其被设置(缠绕)在芯周围之前，该隔离物就填充有填料颗粒。浸渍基体中的填料颗粒可以是与隔离物中的那些不同的类型，或者是部分或完全相同的类型。

也有可能使用未填充的树脂或具有少量填料的树脂，获得只在浸渍基体(和未填充的隔离物)中有(更多)填料时才有的填料颗粒的有利性能。关于使用未填充的隔离物和包括填料的基体，能使制造过程得到改进(加速)，和/或可以最终在芯中使用更大尺寸的填料颗粒。

导体典型的是棒或管或导线。芯提供导体的电绝缘，并且可以(但不是必须)包括均衡板。典型的，该芯基本上旋转对称并与导体同心。扁的隔离物可以用聚合物(树脂)或用油或一些其他电绝缘填充材料浸渍。扁的隔离物可以是纸(牛皮纸、皱纹纸)或不同的材料(例如，聚合物或一些有织纹的扁平材料)，其典型的是以螺旋的形式缠绕在导体的周围，因而形成许多相邻层。

在一个优选实施例中，多层围绕导体的层由隔离物形成。典型的，该隔离物围绕导体或心轴缠绕形成螺旋。虽然只使用了一片隔离物材料(或很少几片隔离物材料)但这增强了可制造性。能使电极正确定位。

在更优选的实施例中，包括填料颗粒的隔离物使用电绝缘基体材料浸渍。该基体材料可以是例如油或树脂(填充或未填充)。

在一个优选实施例中，该隔离物缠绕在轴周围，该轴通过导体的形状限定。在距离轴合适的径向距离，在芯中提供金属或半导体材料的均衡板。

这样的套管是分级或精细分级的套管。典型的，单层隔离物材料围绕导体或围绕心轴缠绕以形成隔离物螺旋。尤其是在套管很长的情况下，两个或更多个轴向偏移的隔离物材料的带子可以平行缠绕。缠绕双层螺旋或更厚的隔离物材料也是可能的；然而这样的双层或三层可以被认为是一层隔离物材料，该隔离物材料在那种情况下碰巧是双层或三层的。

均衡板可以是金属箔片，例如铝，其在数次缠绕后被插入芯中，使得均衡板与轴具有明确的、可规定的径向距离设置和固定。用于均衡板的金属或半导体材料也可以通过向隔离物施加这些材料来提供，例如通过喷涂、印刷、涂敷、等离子体喷涂或化学气相沉积等。

优选的是，该隔离物包括纤维，尤其是纤维素纤维。纤维素纤维通过毛细效应可以很好地被绝缘基体渗透。优选的是，除填料颗粒外，该隔离物主要由纤维，尤其是纤维素纤维制成。纸，尤其是皱纹纸，是优选的隔离物的一个例子。

隔离物例如还可以包括或基本是聚合物(除填料颗粒外)。隔离物使用纤维素，这可以缩短套管的制造时间，因为干燥时间可以显著缩短。代替其他纤维或除了其他纤维之外，例如，除了纤维素纤维和/或聚合物纤维之外，在隔离物中具有玻璃纤维也是可能的。

优选的是，填料颗粒可以是电绝缘的或半导电的。尤其优选的是，填料颗粒主要由至少一种下列物质制成或包括至少一种下列物质：SiO₂、Al₂O₃、BN、AlN、BeO、SiC、Si₃N₄、B₄C、ZnO、BaTiO₃、BaSO₄、TiB₂、TiO₂(二氧化钛)、碳酸钙、水合氧化铝、金刚石、粘土、云母。使用掺杂材料颗粒和各种材料的混合物是可能的。在隔离物中具有各种填料颗粒的混合物也是可能的。为在填料颗粒和基体材料和/或隔离物材料之间获得改进的附着力，填料颗粒可以是经表面处理的，例如通过涂敷，例如用环氧硅烷涂敷。

优选的是，填料颗粒是无机颗粒。但是也可以使用有机颗粒。优选的是，颗粒的物理状态是固体。

优选的是，填料颗粒具有低的介电常数，尤其是介电常数低于100，优选是低于10，优选是低于5。

优选的是，填料颗粒的tanδ小于1，小于10^-1，更好的是低于10^-2，再更好的是低于4·10^-3，或甚至低于1·10^-3。

优选的是，填料颗粒占隔离物的至少1％的重量，尤其是至少3％或至少5％或至少10％的重量。填料颗粒的重量含量可以高达50％、70％或更高。可以根据隔离物和要与填充纸结合隔离物的套管的需要(要达到的性能)和工艺来选择正确的填料颗粒的含量。

在隔离物中使用纳米尺寸的颗粒和微米尺寸的颗粒作为填料颗粒是可能的。

在本发明的优选实施例中，相对于没有任何填料颗粒的隔离物，包括填料颗粒的隔离物的热导率增加了。这可以用热导率比未填充的隔离物更高的填料颗粒来获得。这些优点概况为：套管的热性能更好，允许尺寸更小的套管承载高电流(套管的紧凑设计和/或更高的额定电流)以及如果套管必须固化(例如，在树脂浸渍的情况下)，套管的可加工性更好(更快)。

通过在隔离物中使用填料颗粒和/或具有填料的基体材料，芯的更高的热导率将允许套管的额定电流的增加或尺寸减小，并在相同的额定电流时可能减小套管的重量。在运行条件下，在使用高热导率的填料颗粒时套管中的热分布更均匀。

热导率甚至还可以通过改进颗粒和基体之间的界面(附着)，例如通过表面处理，和/或通过隔离物中填料颗粒的渗透，得到进一步的提高。

有利的是，隔离物具有至少02W·m^-1·K^-1的热导率，尤其是具有至少0.8W·m^-1·K^-1。现有技术中已知的套管，具有树脂浸渍的纸(没有填料)通常显示出大约0.1W·m^-1·K^-1-0.2W·m^-1·K^-1的热导率。优选的是，根据本发明，达到超过2W·m^-1·K^-1，超过5W·m^-1·K^-1或超过10W·m^-1·K^-1或者甚至超过20W·m^-1·K^-1的热导率。填料颗粒的类型和数量可以相应的选择。例如，SiO₂具有1.4W·m^-1·K^-1的热导率，Al₂O₃具有30W·m^-1·K^-1的热导率，AlN具有260W·m^-1·K^-1的热导率，以及BN具有300W·m^-1·K^-1的热导率。

在另一个实施例中，为在隔离物和其将被浸渍的基体材料之间具有改进的附着力，隔离物被涂敷和/或被表面处理。取决于隔离物材料，对套管，蚀刻、涂敷或其他方式处理隔离物的表面有利，使得在隔离物和基体材料之间的相互作用获得改进。这使芯的热机械稳定性增强。

在另一个实施例中，隔离物缠绕在轴(A)上，轴(A)通过导体的形状限定，并且隔离物中填料颗粒的类型和/或填料颗粒的尺寸和/或填料颗粒的浓度沿着平行于轴(A)的方向和/或与该方向垂直的方向变化。

在另一个实施例中，在套管是包括电绝缘基体材料的浸渍套管时，基体材料还可以包括填料颗粒(全部或部分相同，或不同类型和/或浓度)。优选的是，基体材料包括聚合物和填料颗粒。该聚合物例如可以是环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂或另外的电绝缘聚合物。优选的是，基体中的填料颗粒是电绝缘的或半导电的。基体中的填料颗粒例如可以是SiO₂、Al₂O₃、BN、AlN、BeO、TiB₂、TiO₂、SiC、Si₃N₄、B₄C、金刚石、粘土、云母等的颗粒或其混合物。在聚合物中还可以具有各种颗粒的混合物。优选的是，颗粒的物理状态是固态。与未填充的环氧树脂作为基体材料的芯相比，如果使用具有填料的基体材料，芯中有的环氧树脂更少。因此，固化环氧树脂所需的时间被显著缩短，这缩短了制造套管所需的时间。

根据本发明的高压或中压设备包括根据本发明的套管。这样的设备例如可以是开关设备或也是高压或中压的装置(例如发电装置)。根据本发明的变压器包括至少一个根据本发明的套管。这些设备共享套管的优点。

根据本发明，制造套管的方法包括如下步骤：围绕导体或心轴缠绕片状隔离物以及用包括填料颗粒的片状材料作为隔离物。优选的是，该(或一些)填料颗粒在隔离物可能发生浸渍前就已经包括在隔离物中。有可能在围绕导体或心轴缠绕时为片状隔离物提供填料颗粒；此后，包括填料的隔离物然后使用电绝缘基体材料浸渍。

优选的是，在隔离物围绕导体或心轴缠绕之前将填料颗粒加入隔离物中。优选的是，在制造隔离物的过程中，填料已经加入隔离物中。例如，如果用纸作为隔离物，填料颗粒可以添加到纤维素纸浆中，其然后形成片状并干燥。矿物填料，例如碳酸钙、水合氧化铝、二氧化钛，已经在造纸工业使用许多年，用于使纸更光滑和更亮，降低成本或抑制真菌的生长。例如，在制造更高质量的打印纸时使用水合氧化铝以增加白度、不透明性和适印性能。根据本发明，可以使用造纸工业熟知的方法，将填料颗粒加入用在套管中的纸中。

所述方法的优点对应套管的优点。

本发明还包括片状材料的使用，该片状材料包括填料颗粒，用作套管芯中的隔离物。

更优选的实施例和优点从从属独立权利要求和附图中体现出来。

附图说明

以下，通过在附图中示出的优选实施例，更详细的示出本发明。附图示意性的表示：

图1精细分级的套管的横截面(轴面)，局部视图；

图1A图1的放大细节视图；

图2精细分级的套管的内部横截面(径向平面)；

图3 HV或MV设备(变压器)。

附图中所用的附图标记和它们的含义总结在附图标记列表中。通常，相似或相似功能部件采用相同的附图标记。所述实施例旨在作为实例而不是限定本发明。

具体实施方式

图1示意性的示出精细分级的套管1的横截面的局部视图。该套管基本上关于对称轴A旋转对称。在套管1的中心是固态金属导体2，其还可以是管或导线。导体2被芯3部分包围，其基本上也关于对称轴A旋转对称。芯3包括隔离物4，其缠绕在芯的周围并使用作为基体材料6的可固化的环氧树脂6浸渍。在距离轴A的规定位置，在隔离物4的相邻缠绕之间插入数片铝箔5以作为均衡板5。在芯的外侧，提供凸缘10，其允许将套管固定到变压器或开关设备等的接地外壳。在运行条件下，导体1可以处于高电位，并且芯提供导体2和处于地电位的凸缘10之间的电绝缘。在通常位于所述外壳的外侧的套管2的那侧，绝缘封套11包围芯3。封套11可以是由例如，瓷器、硅树脂或环氧树脂制成的中空合成物。封套可以具有伞裙(shed)或如图1所示提供伞裙。封套11应该保护芯3免受老化(紫外线、天气)并在套管1的整个寿命过程中保持良好的电绝缘性能。伞裙的形状这样设计，即，使得其暴露在雨中时具有基本自净表面。这避免了灰尘或污染物在伞裙表面积累，灰尘或污染物在伞裙表面积累会影响绝缘性能并导致电闪络。

如果在芯3和封套11之间有中间空间，可以提供绝缘介质12，例如，绝缘液体12(如硅凝胶或聚氨酯凝胶)来填充该中间空间。

图1的局部放大视图图1A详细示出了芯3的结构。隔离物4呈片状，在该情况下，其由纸制成并形成数个相邻的层4。还示出了一个均衡板5。均衡板5在相邻隔离物缠绕之间距离轴A一定距离插入。通过相邻均衡板5间的隔离物缠绕的数量(整数或非整数)，可以选择相邻均衡板5间的(径向)距离。相邻均衡板5间的径向距离可以从均衡板到均衡板变化。

图1A中的纸层显示为几乎在它们的整个表面彼此接触。通常，优选使用皱纹纸。皱纹纸(具有许多皱纹和折叠)的波纹表面将导致在相邻纸层之间形成通道。这些通道在浸渍时将填充基体材料6并且对基体材料6渗透到相邻层之间的空隙中很有帮助。由于纸4的纤维结构，基体材料6还将渗透纸4本身。

芯3的基体材料6优选是颗粒填充的聚合物。例如填充有Al₂O₃的环氧树脂或聚氨酯。典型的填充颗粒的尺寸是约10nm到300μm。隔离物的形状使得填料颗粒可以在浸渍期间遍及芯3分布。

在图1A中示出了纸4中包括的填料颗粒14。它们是例如尺寸在1μm到40μm的Al₂O₃颗粒。

图2示意性的示出精细分级的套管(如图1和1A所示的套管)的内部横截面(径向表面)。在中间是导体2，片状隔离物4在围绕导体2螺旋缠绕并在隔离物4中填充有白点表示的填料颗粒。为使图2清楚，相邻层被画成彼此间隔很远，通常不是这样的。通常，用力缠绕芯，使得相邻层彼此接触。

均衡板5用虚线示出。优选的是，如图2所示，均衡板5大致完全包围导体。

用纸作为隔离物4而没有填料颗粒(在树脂6中或纸4中)的标准的树脂浸渍的芯的热导率典型是大约0.15W/mK到0.2W/mK。根据本发明，对于套管芯3的热导率，可以轻易的获得至少为0.3W·m^-1·K^-1到0.9W·m^-1·K^-1甚至高于或远高于1.2W·m^-1·K^-1或2W·m^-1·K^-1的值。

另外，在使用填料颗粒时，芯3的热膨胀系数(CTE)可以小得多。这导致热机械应力减小。

结合图1描述的套管的制造过程典型的包括如下步骤：制造包括填料颗粒14(例如，使用制造打印纸熟知的过程)的皱纹纸4、在导体2上缠绕纸4(用一条或多条带或片)、在缠绕过程中添加均衡电极5、施加真空和施加基体材料6到抽真空的芯3直到芯3完全浸渍为止。在真空下的浸渍通常在50℃至90℃的温度发生。然后环氧基体材料6在典型的100℃至140℃的温度下固化(硬化)并最终后固化，以达到预期的热机械性能。然后芯被冷却、机械加工，施加凸缘10、绝缘封套11和其他部件。

优选的是，填料颗粒大致均匀分布在隔离物中。

使用非纸隔离物材料，例如纤维聚合物网格或网状物可以允许制造无纸的干的(无油)套管。这是优势，因为浸渍前干燥隔离物纸的过程可以被加快或甚至被跳过。

不将金属箔片插入隔离物缠绕之间，均衡板5还可以通过将导电或半导电材料直接施加到隔离物4上形成。如果隔离物4由纤维(例如纤维素或聚合物)制成，将导电或半导电纤维加入隔离物网中也是可能的。

高压套管典型的额定电压是在大约10kV到1200kV，额定电流为10A到100kA。

图3非常示意性的示出了高压或中压设备100，在这种情况下，其包括，两个根据本发明的套管1。该设备可以，例如是变压器100或也可以是开关设备100。设备100具有接地的外壳，内部具有高压HV。设备100的其他细节没有示出。

附图标记列表

1        套管，电容式套管

2        导体

3        芯

4        隔离物，片状隔离物，纸

5        均衡板，铝箔

6        基体材料，环氧树脂

10       凸缘

11       绝缘封套(具有伞裙)，中空芯合成物

12       绝缘介质，凝胶

14       填料颗粒

100      高压或中压设备，变压器，开关设备

A        轴

Claims (15)

1、具有导体(2)以及围绕导体(2)的芯(3)的套管(1)，芯(3)包括片状隔离物(4)，其特征在于

隔离物(4)包括填料颗粒(14)，该填料颗粒(14)在浸渍过程前预先填入隔离物(4)中并且与没有任何预先填入的颗粒(14)的隔离物(4)相比该填料颗粒(14)增加了热导率。

2、根据权利要求1的套管(1)，其特征在于通过隔离物(4)形成围绕导体(2)的多层。

3、根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于包括填料颗粒的隔离物(4)用电绝缘基体材料(6)浸渍。

4、根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于隔离物(4)包括纤维素纤维。

5、根据权利要求4的套管(1)，其特征在于隔离物(4)包括纸，尤其是皱纹纸。

6、根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于隔离物(4)包括聚合物。

7、根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于填料颗粒(14)是电绝缘或半导电颗粒(14)。

8、根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于填料颗粒(14)占隔离物(4)的重量的至少1％，尤其是至少5％。

9、根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于隔离物(4)具有至少0.3W·m^-1·K^-1，尤其是至少0.8W·m^-1·K^-1的热导率。

10、根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于隔离物(4)围绕轴(A)缠绕，轴(A)通过导体(2)的形状限定，并且在距离轴(A)适当的径向距离，在芯(3)内提供有金属或半导电材料的均衡板(5)。

11、高压或中压设备，尤其是开关设备，包括根据前述权利要求之一的套管(1)。

12、变压器，包括根据权利要求1-10之一的套管(1)。

13、制造套管(1)的方法，其中片状隔离物(4)围绕导体(2)或围绕心轴缠绕，

其特征在于

包括填料颗粒(14)的片状材料(4)用作隔离物(4)，其中填料颗粒(14)在浸渍过程前预先填入隔离物中并且与没有任何预先填入的颗粒(14)的隔离物(4)相比增加了热导率。

14、根据权利要求13的方法，其特征在于填料颗粒(14)在隔离物围绕导体(2)或围绕心轴缠绕前加入隔离物(4)中。

15、片状材料(4)的使用，该片状材料包括填料颗粒，在套管(1)的芯(3)中作为隔离物(4)。

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