CN101536116A

CN101536116A - 用于高压或中压设备的绝缘支架、以及包括这种支架的装置

Info

Publication number: CN101536116A
Application number: CN200780034154.0A
Authority: CN
Inventors: 扬妮克·基弗尔; 阿兰·吉罗代; 菲利普·蓬雄
Original assignee: Areva T&D SAS
Current assignee: Alston power grid, France, Limited by Share Ltd.; General Electric Technology GmbH
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: WO2008031872A1; CN101536116B; ATE451700T1; EP2062268B1; FR2906073A1; EP2062268A1; DE602007003746D1; FR2906073B1

Abstract

本发明涉及一种绝缘支架(1)，用于高压或中压装置，所述绝缘支架基于绝缘聚合物材料，并且至少在其末端之一用来与导电部分接触，所述绝缘支架进一步包括包含复合材料的区域(13、15)，该复合材料由与上述材料相同或不同的绝缘聚合物基体和导电填料构成，所述绝缘支架的特征在于所述导电填料是可选地涂布无机填料的聚合物填料。

Description

用于高压或中压设备的绝缘支架、以及包括这种支架的装置

技术领域

本发明涉及尤其是在中压或高压铠装电开关装置(metal-cladelectrical switchgear)中使用的绝缘支架的领域。

这样的装置可以尤其是电源变压器、测量变压器、电路断路器(断路开关，circuit-breakers)、断路器、以及母线。

背景技术

高压或中压装置通常具有一个或多个内部导电元件(对其施加高压或中压)，以及包层(cladding)，其用来使导电元件与外部绝缘并连接至地。借助于以规则间隔围绕导电元件的周边布置的绝缘支架使导电元件与包层分开。包层、导电元件和绝缘支架之间的间隙(空间，empty space)填充有介电气体如六氟化硫(SF₆)或由各种介电气体构成的混合物。

如它们的名称所提示的，绝缘支架用来将内部导电元件连接至包层，以使所述元件固定保持在装置中。绝缘支架必须主要由绝缘材料构成，以便承受导电元件和包层之间的电势差(电位差)，从而避免电击穿现象。在三相点(还称作“三接点”)处，即在其中绝缘支架、导电元件和/或包层、以及介电气体气氛相遇的接点处，通常发生电场的增强，其在使用中以及尤其是在存在金属导电颗粒的情况下可以导致局部放电，并因此可以使中压或高压装置退化，这是通过漏电痕迹(tracking)和电腐蚀(其可以导致支架绝缘性能的降低，或在极端情况下导致绝缘部件的破坏性故障(破坏性击穿)。

为了减轻这些缺点，主要基于加入金属嵌入件(metal insert)，已提出各种解决方案，以便更改和降低在三相点附近的电场。另外，某些作者已研究了用于制备绝缘支架的材料的结构。

例如，US3,610,947描述了一种绝缘支架，其包括固体金属嵌入件以便控制三相点处的电场。然而，在重复暴露于温度循环(重复的温度差)以后，由于绝缘支架和金属嵌入件之间的材料差异，该类型的支架倾向于遭受支架和嵌入件之间的不均匀膨胀(局部膨胀，differential expansion)，这样的不均匀膨胀可以导致在内部导体侧和/或在包层侧金属嵌入件相对于绝缘支架的分层或剥离。这样的剥离可以导致在界面(金属嵌入件/绝缘支架)处出现局部放电。

还提出了在用于制作支架的绝缘材料中，尤其是在形成三相点的接触区域附近，包括导电颗粒，并且更特别地包括有机颗粒如炭黑(如在US 3,448,202中所描述的)或无机颗粒如二氧化钛(如在DE 4007335中所描述的)。这样的导电颗粒的存在使得可以降低电场值，并因此减少由暴露于高电场引起的退化。然而，在使用中，这样的导电颗粒，尤其是当它们是炭黑颗粒时，可以污染装置的外壳。这些颗粒还可以经受位移并因而可以变成聚集在绝缘支架的表面，其可以引起表面电阻的降低，并最终可以导致短路。

还已提出将表面或内部固体元件添加到绝缘支架上。

例如，US 3,801,725描述了一种绝缘支架，在该绝缘支架上放置环，其由金属、环氧树脂、或确实由包含例如银颗粒的油漆制成。

这种类型的构造可以导致金属环和绝缘支架之间的剥离，或导致出现导电灰尘，因而导致在绝缘支架的表面处短路。

因此真正需要用于高压和中压装置的绝缘支架，其使得可以减小在三接点或三相点(绝缘支架/导电元件(或包层)/介电气体)处的局部电场梯度，而没有遭受现有技术绝缘支架固有的缺点，即：

·在内部导体侧和/或在包层侧，绝缘支架和金属嵌入件之间的剥离/分层；

·形成导电灰尘，其可以聚集在外壳中；以及

·在绝缘支架的表面上聚集导电颗粒。

本发明的发明人已发现，意想不到地，具有包括特定导电颗粒的区域的绝缘支架使得可以克服上述缺点，所述区域使得可以减小电场的梯度。

发明内容

因此，本发明首先提供了一种用于高压或中压装置的绝缘支架，所述绝缘支架包括绝缘聚合物材料，并且至少在绝缘支架的末端之一用来与导电部分接触，所述绝缘支架进一步包括包含复合材料的区域，其中复合材料由与上述材料相同或不同的绝缘聚合物基体和填料(其完全或部分地由导电填料构成)构成，所述绝缘支架的特征在于，所有或部分所述导电填料是可选地涂布无机填料的聚合物填料。

有利地，导电填料的含量大于电渗滤阀值(电突增界限值，electrical percolation threshold)。

因为上述区域包括导电填料，所以它呈现这样的介电性能，其不同于并不包括导电填料的部分支架的介电性能，所述不同的介电性能具有改进电场线以及减少在所述区域的电梯度的效果。

此外，导电填料是分散在聚合物基体中的聚合物填料，其作用(效果)是：借助于两种材料的良好的化学相容性来抑制剥离现象；使绝缘支架的导电部分和绝缘支架本身之间的膨胀系数可以相等；以及防止导电灰尘和局部放电的任何产生，这样的产生是现有技术支架所固有的。

在阅读以下参照附图给出的非限制性详细描述时，本发明的其它优点和特点将被呈现。

附图说明

图1是包括本发明的绝缘支架的第一实施方式的装置的剖视图；

图2是包括本发明的绝缘支架的第二实施方式的装置的剖视图；以及

图3是包括本发明的绝缘支架的第二实施方式的变型例的装置的剖视图。

在所述各个附图中使用了表示相应或类似元件的相同的参考符号。

具体实施方式

以下首先描述第一实施方式。图1示出了具有金属包层3以及金属圆柱体形的导电部分5的中压或高压装置1，其中金属包层3基本上是圆筒形的，所述包层相对于导电部分同轴放置，并且所述导电部分在设备操作时经受高压或中压。为了对装置进行电绝缘，用包含介电气体7的层填充导电部分5和包层3之间的间隙。根据本发明，构成所述层的所述介电气体可以是空气、氮气、一氧化二氮、二氧化碳、四氟化碳(CF₄)、六氟化硫(SF₆)、或它们的混合物。

为了将导电部分固定在包层中，提供了绝缘支架9，其具有圆盘或圆锥体(导电部分5从其中通过)的形式，所述导电部分还被固定于所述支架，并且借助于法兰(凸缘)11，所述圆盘或圆锥体被固定在包层中。

根据本发明，所述绝缘支架具有两个用来降低电场的区域13、15，所述区域具有在支架的外表面上的涂层的形式，在该实施方式中，所述涂层分别位于：

·在绝缘支架和导电部分之间的接点(三相点，标记为17)处；和/或

·在绝缘支架和包层之间的接点(三相点，标记为19)处；

应当明了，涂层分别电连接至导电部分和包层。

在本发明中，用来降低电场的区域13、15具有包含绝缘聚合物材料的基体以及由聚合物填料组成的导电填料的复合材料的形式，其中绝缘聚合物材料与绝缘系统中间部分(即位于两端之间的部分)的材料相同或不同。

与它用于本实施方式或用于其它实施方式无关，用于制备绝缘支架的绝缘聚合物材料可以选自热塑性聚合物和热固性聚合物。

在可能的热塑性聚合物中，可以提及聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETP)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺、聚醚醚酮、聚酰亚胺、或聚碳酸酯。

在本发明的意义上，术语热固性聚合物通常用来指由与固化剂(硬化剂)反应的树脂产生的物质。

作为可以使用的树脂的实例，可以提及双酚A环氧树脂、双酚F环氧树脂、以及脂环族树脂。

作为可以使用的固化剂的实例，可以提及酸酐，如邻苯二甲酸酐(PA)、四氢化邻苯二甲酸(THPA)、六氢化邻苯二甲酸(HHPA)、甲基四氢化邻苯二甲酸(MTHPA)、甲基六氢化邻苯二甲酸酐(MHHPA)、十二碳烯基琥珀酸酐(DDSA)、以及甲基降冰片烯-2，3-二羧酸酐(MNA)。

在本发明中，基体由绝缘聚合物材料构成，该绝缘聚合物材料相同或不同于上述材料，即选自热塑性聚合物或热固性聚合物的材料。优选地，基体由绝缘聚合物材料构成，该绝缘聚合物材料与绝缘支架的材料相同，优选具有接近该材料的玻璃态转变温度(vitreous transition temperature)的玻璃态转变温度，膨胀系数接近绝缘支架材料的膨胀系数(例如，对于填充有氧化铝的环氧树脂支架约30μm/m/K，或对于由PETP型的热塑性聚合物制成的支架约60μm/m/K)。

如上所述，基体包括聚合物填料型的导电填料。所得到的电导率通常处于10^-4S.cm^-1至10⁺⁴S.cm^-1的范围内。

对于上述实施方式或对于其它实施方式，这种聚合物填料可以具有合并的有机系统(体系)的形式，该合并的有机系统包括固有导电聚合物和掺杂剂的组合(缔合，association)。

作为固有导电聚合物的实例，可以提及杂环聚合物如聚苯胺、以及聚吡咯。

作为固有导电聚合物掺杂剂的实例，可以提及磺酸樟脑酸、磺基琥珀酸二酯、以及磺基邻苯二甲酸二酯。

特定的合并的固有导电聚合物/掺杂剂系统可以选自以下系统：

·聚苯胺/磺酸樟脑酸；

·聚苯胺/磺基琥珀酸二酯；

·聚苯胺/磺基邻苯二甲酸二酯；以及

·聚吡咯/磺基邻苯二甲酸二酯。

相对于复合材料的总重量，复合材料中导电聚合物填料的含量可以处于按重量计0.1％至按重量计10％的范围内，并且优选处于按重量计1％至按重量计5％的范围内。

从实用角度考虑，可以通过将导电聚合物填料加入作为溶液的基体中来制备复合材料。导电聚合物填料尤其可以具有无机粉末的形式，如滑石、氧化铝、或硅石，并涂布有掺杂固有导电聚合物(如上述定义的系统)。这种备选方案使得尤其可以减少所用的导电聚合物的量。

除了导电聚合物填料以外，还可以提供导电聚合物填料与其它导电填料、尤其与至少一种金属填料的混合物，其中金属填料可以由例如导电金属粉末如银和/或炭黑颗粒组成。最后，还可以提供用来增强复合材料的填料，如无机填料，如滑石、硅石、或氧化铝，这样的无机填料通常涂布有聚合物填料。复合材料中无机填料的存在使得尤其可以降低复合材料的膨胀系数，并等于支架材料的膨胀系数。

在第二种实施方式中，每个用来减小电场的区域可以具有在构成绝缘支架的绝缘材料内机械加工的空腔(cavity)的形式，所述空腔：

·涂布有如上述所定义的复合材料层(图2中的标记21、23)；

·或填充有如上述所定义的复合材料(在这种情况下，所述区域形成支架中的嵌入件；图3中的标记25、27)；

依据该实施方式，空腔提供在三相点区域的附近(图2和图3中的标记17和19)。

当上述区域形成嵌入件时，还可以通过在嵌入件上过模塑系统的绝缘聚合物材料来形成绝缘系统。

上述绝缘支架设计成中压或高压装置的一部分。

因此本发明还涉及高压或中压装置，该装置包括导电部分，围绕所述导电部分的包层，以及如上述所定义的绝缘系统，并且借助于它的末端将导电部分相互连接至包层。

与该实施方式无关，每个所述区域可以具有向着支架末端增加的导电聚合物填料含量。

下面参照通过非限制性说明给出的以下所附实施例来描述本发明。

实施例1

该实施例说明用作区域的一部分的复合材料的制备，其中所述区域用于保护本发明的绝缘支架的三相点。

该复合材料由以下成分制成：

·基于由Huntsman出售的双酚A“Araldite CY228”的液体环氧树脂(100重量份)；

·由Huntsman出售的液体酸酐固化剂“Aradur HY 918”(85重量份)；

·由Huntsman出售的叔胺活化剂“DY061”(1重量份)；以及

·由Paniplast出售的导电聚合物填料“Paniplast COMP TP 30”(120重量份)，该填料是涂布有聚苯胺的滑石粉，其中聚苯胺掺杂有磺酸衍生物。

首先，在60℃的温度下对环氧树脂CY228和导电聚合物填料Paniplast COMP TP 30进行烘烤5小时。同时，在60℃的温度下对用来接收复合材料的成分的模具也烘烤5小时。

然后在真空下对树脂CY228和导电聚合物填料PaniplastCOMPT TP 30进行混合15分钟，接着将固化剂HY918和促进剂DY061加入到混合物中，在真空下混合所得到的一组成分15分钟。

通过重力并通过在模具中的交联来模塑所得到的混合物，如在60℃下烘烤8小时，然后在模具外在80℃的温度下对材料进行后烘烤步骤8小时。

实施例2

该实施例说明用于区域的一部分的复合材料的制备，其中上述区域用于保护本发明的绝缘支架的三相点。

该复合材料由以下成分制备：

·由Huntsman出售的双酚A环氧树脂“Araldite CY228”(100重量份)；

·由Huntsman出售的的液体酸酐固化剂“Aradur HY 918”(80重量份)；

·由Huntsman出售的叔胺活化剂“DY 061”(1重量份)；

·由Paniplast出售的导电聚合物填料“Paniplast COMP TP 30”(120重量份)，该填料是涂布有聚苯胺的滑石粉，其中聚苯胺掺杂有磺酸衍生物；以及

·由Treibacher出售的氧化铝无机填料“Alodur”(100重量份)。

首先，在60℃的温度下对环氧树脂CY 228和导电聚合物填料Paniplast COMP TP 30进行烘烤5小时，然后在60℃下还对氧化铝“Alodur”和固化剂HY 918烘烤5小时。同时，在60℃的温度下还烘烤用来接收复合材料的成分的模具5小时。

然后在真空下对树脂CY 228和导电聚合物填料PaniplastCOMP TP 30混合15分钟(混合物1)，并且同时，还在真空下对固化剂HY 918和氧化铝Alodur混合15分钟(混合物2)。将促进剂DY 061加入到混合物(2)中并将所得到的混合物加入到混合物(1)中，在真空下混合所得到的一组成分15分钟。

通过重力并通过在模具内的交联来模塑所得到的混合物，如在60℃下烘烤8小时，然后在模具外在80℃的温度下对材料进行后烘烤步骤8小时。

Claims

1.一种用于高压或中压装置的绝缘支架，所述绝缘支架包括绝缘聚合物材料，并且至少在所述绝缘支架的末端之一用来与导电部分接触，所述绝缘支架进一步包括包含复合材料的区域，所述复合材料由与上述材料相同或不同的绝缘聚合物的基体和完全或部分由导电填料构成的填料构成，所述绝缘支架的特征在于所有或部分所述导电填料是可选地涂布无机填料的聚合物填料。

2.根据权利要求1所述的绝缘支架，其中，所述绝缘聚合物材料选自热塑性聚合物和热固性聚合物。

3.根据权利要求2所述的绝缘支架，其中，所述热塑性聚合物选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚醚醚酮、聚酰亚胺、或聚碳酸酯。

4.根据权利要求2所述的绝缘支架，其中，所述热固性聚合物是由与固化剂反应的树脂产生的聚合物。

5.根据权利要求4所述的绝缘支架，其中，所述树脂是双酚A环氧树脂、双酚F环氧树脂、或脂环族树脂。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的绝缘支架，其中，所述固化剂是酸酐。

7.根据权利要求6所述的绝缘支架，其中，所述酸酐选自邻苯二甲酸酐、四氢化邻苯二甲酸、六氢化邻苯二甲酸、甲基四氢化邻苯二甲酸、甲基六氢化邻苯二甲酸酐、十二碳烯基琥珀酸酐、以及甲基降冰片烯-2，3-二羧酸酐。

8.根据任一前述权利要求所述的绝缘支架，其中，所述聚合物填料是合并的有机系统，所述系统包含固有导电聚合物和掺杂剂的组合。

9.根据权利要求8所述的绝缘支架，其中，所述固有导电聚合物是杂环聚合物。

10.根据权利要求9所述的绝缘支架，其中，所述杂环聚合物是聚苯胺或聚吡咯。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的绝缘支架，其中，所述掺杂剂选自磺酸樟脑酸、磺基琥珀酸二酯、以及磺基邻苯二甲酸二酯。

12.根据任一前述权利要求所述的绝缘支架，其中，所述导电填料是至少一种金属填料和/或炭黑颗粒的混合物。

13.根据权利要求12所述的绝缘支架，其中，所述金属填料是银粉末。

14.根据任一前述权利要求所述的绝缘支架，其中，所述无机填料选自滑石、氧化铝、以及硅石。

15.根据任一前述权利要求所述的绝缘支架，其中，所述区域具有在所述支架的外表面上的涂层的形式。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的绝缘支架，其中，所述区域具有设置在所述绝缘支架中的空腔上的内涂层的形式。

17.根据权利要求1至14中任一项所述的绝缘支架，其中，所述区域具有在所述支架中的嵌入件的形式。

18.根据权利要求1至15中任一项所述的绝缘支架，其中，所述区域具有向着所述支架末端增加的导电聚合物填料含量。

19.一种高压或中压装置，包括导电部分、围绕所述导电部分的包层、以及如在权利要求1至18中任一项中所定义的绝缘支架，其中所述绝缘支架借助于它的末端用来将所述导电部分连接至所述包层。