CN101563732B - 电绝缘子及其使用 - Google Patents

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Abstract

一种电绝缘子，包括：电绝缘体；以及形成于绝缘子面向周围环境的最外表面上的半导电层，其中所述半导电层包括聚合物基体；赋予所述层半导电特性的材料粒子，所述粒子分散在所述基体中。所述粒子包括纳米结构。

Description

电绝缘子及其使用
技术领域
本发明涉及一种电绝缘子，包括：电绝缘体；形成于绝缘子面向周围环境的最外表面上的半导电层；其中所述半导电层包括聚合物基体；赋予所述层半导电特性的材料粒子，所述粒子分散在所述基体中。
本发明还涉及该绝缘子在含水环境中的使用，特别地是包含会沉积在所述绝缘子的外表面上的颗粒物质的环境，如室外环境，其中半导电层面临潮湿和污染。
优选地，根据本发明的设备可以在中压应用中并且有可能在高压应用中使用。中压指从大约1kV到大约40kV，而高压指从大约40kV到大约150kV，乃至更高。
背景技术
室外电绝缘子，如用于支撑或吊挂传输电力的架空电缆或架空电线的室外电绝缘子，会面临由所述电缆或电线产生的强大电场。它们还会面临一定的灰尘污染、污染和由周围环境，大多数是空气，携带的其他粒子。相应地，在这种绝缘子的外表面上，随着时间推移会沉积一层污染物。当周围环境存在一定湿度时，这种湿度也会在一定水平上被所述污染物层吸收。然而，在沿绝缘子表面的局部地方，污染物层的厚度较小和/或湿度较低，即传导电流的能力较低。
由于电绝缘子所面临的强大电场，在绝缘子中以及在其上面的污染物层中总是会存在一定水平的蠕变电流(creeping current)。然而，在污染物层的厚度和/或含水量降低的那些地方，所述层的导电能力将降低到相应的程度。在这种地方可能发生不希望的表面放电现象。不幸的是在长期内这种表面放电将造成绝缘子基层材料老化，并且因此是应当避免的。
现有技术，例如在DE 19700387中公开的，建议为了抑制在绝缘子表面产生表面放电的目的而在绝缘子上使用半导电的最外层。绝缘子主体以及所述半导电层由聚合物形成，与使用陶瓷，大部分是瓷的绝缘子的其他现有技术相比，这是一种新型技术。为了给半导电层提供其半导电属性，DE 19700387建议使用有不同的半导电或导电特性的填充材料，其分散或嵌入在绝缘子最外层的所述聚合物中。DE 19700387建议使用碳黑、金属粉末、金属纤维、碳纤维等做为绝缘子聚合物基体中的填料，用于产生所述半导电层。基体可以由例如硅橡胶或EPDM橡胶形成。
在选择最适合的半导电或导电填料时，应考虑效率、环境友好性、耐久性和基体材料的影响。
发明内容
本发明的目的是提供如初始定义的绝缘子，其半导电层的设计使得：为了赋予所述层半导电能力的目的，需要使用相对低程度的填充材料。半导电层或釉面应能够传输沉积在半导电层外表面上的水或水滴中发生的漏泄电流，由此抑制在绝缘体表面产生表面放电。
本发明进一步的目的是提供如初始定义的绝缘子，其中为了赋予所述层半导电能力的目的而使用的填充材料在最低程度上影响周围聚合物基体的结构。
优选地，填充材料应能够利用基体中的间隙而不会负面地影响基体材料的结构和功能，并且其存在的程度仍为其所在的层赋予所希望的半导电功能性。
具体实施方式
通过初始定义的绝缘子实现本发明的目的，绝缘子的特征在于所述粒子包括一个或更多纳米结构。主要地是所述纳米结构的小尺寸使其可以在基体结构中既有效又无扰动地占据基体中的间隙。优选地，纳米结构至少有两个维度或直径，其小于1μm，优选地小于500nm，更优选地小于100nm。一般地，所述两个维度或直径大于0.1nm。第三个维度或长度没有特定的上限，但是可适于特定的应用条件，如周围基体结构的配置和所要求的半导电层的导电性。由于在所述层中使用纳米结构作为半导电或导电填充材料，也可以使半导电层厚度很小，例如纳米尺度。
纳米结构包括主要是一维形态的所谓一维纳米元素(nanoelement)，其宽度或直径是纳米尺度，并且普遍地已知为纳米晶须、纳米棒、纳米线、纳米管等。它们可以通过例如已知的VLS(蒸汽-液体-固体)机制的方法生产，优选地在催化材料存在的情况下，由此所述结构被允许在预定的条件(热和气)下从特定的基质例如硅基基质上生长。纳米结构生产的特征特性是：由于技术允许纳米结构以原子层逐层地受控生长，对纳米结构形成的控制非常精确。通过改变所述条件，可以在结构的纵向生长方向上改变纳米结构的属性。
根据一个实施方式，所述粒子的主要部分是纳米结构，并且根据一个实施方式，基本上所有所述粒子都是纳米结构。
根据一个实施方式，所述粒子均匀地分散在所述基体中。
根据一个实施方式，所述粒子定义一种渗透网络。
根据一个实施方式，所述粒子包括半导电材料的粒子。通过在半导电层的聚合物基体中使用半导电材料作为填料，可以获得所述层的非线性的、基于场的导电性，这在某些应用中可能是有利的。当半导电层面临的电场超过了阈值时，其导电性将激增。在污染物层厚度和/或含水量降低的区域，这将造成电场强度增加。半导电层的设计可以考虑假定的场强以及由于上述区域的存在而产生的集中(concentration)，使得为场强提供激增的导电性，否则估计该场强会造成在所述区域的表面放电。通过使用半导电粒子，针对强度较小的较低电场，半导电层的导电性可以被保持在很低，这可能是有利的。
根据一个实施方式，所述粒子包括导电材料的粒子。应当理解，作为进一步的替代方式，所述粒子可以包括半导电和导电粒子的组合。
根据一个实施方式，所述粒子包括无机材料的粒子。使用无机材料的一个优势可以是其对层的导热性可以提供有益的效果。
根据一个实施方式，无机材料包括至少一种氧化物。根据一个实施方式，所述氧化物是金属氧化物。根据一个实施方式，从基于铌、钽、钛、锆、钇、钨、锌和铁的一系列氧化物中选择所述至少一种氧化物。
根据一个实施方式，所述半导电层包括有机填料。有机填料的一个优势可以是其能够制作得有相对的延展性并且与周围的聚合物基体兼容。与适当的无机氧化物相比，它的密集度也可以较低。有机填料可以是导电材料或半导电材料，并且为了有助于其半导电属性，可以在半导电层中单独使用或作为其他导电或半导电填充材料的补充而使用。
根据一个实施方式，所述有机填料包括导电聚合物。优选地，导电聚合物与绝缘子的绝缘材料兼容，或与其所混合或所嵌入的聚合物基体兼容。
根据一个实施方式，所述有机填料包括碳黑。根据另一个实施方式，所述有机填料包括碳黑和导电聚合物的组合。根据一个实施方式，所述碳黑的粒子被所述导电聚合物覆盖。
根据一个实施方式，所述导电聚合物属于带正电荷的导电聚合物的组。优选地所述导电聚合物包括聚苯胺或聚吡咯或两者的组合。
根据一个实施方式，所述导电聚合物属于带负电荷的导电聚合物的组。优选地所述导电聚合物包括PEDT或PSS，或两者的组合。
该绝缘子可以是线或站绝缘子或者是任何室外装置的绝缘子，其设置用于控制或抑制中压或高压导体的电场的目的。绝缘子可以是包围设置以承载中压或高压的导体的管状元件。典型地，本发明的绝缘子构成电绝缘体系统的部分，该电绝缘体系统用于电组件的生产，电组件如变压器、植入电极、绝缘套管、室外使用的高压绝缘子，特别是针对如长棒形、组合式和帽形绝缘子的与高压电线相关联的室外绝缘子、传感器、变频器和电缆端头密封以及针对中压部分中的基础绝缘子，用于在开关箱结构中与室外功率开关、测量传感器、引线(lead-through)以及过压保护器相关联的绝缘子的生产。典型地，绝缘子用做吊挂架空电力线的吊挂装置，因此与该电线直接接触并且面临所述电线产生的电压和电场。
所附权利要求书中将提出本发明进一步的特性。
应当理解，以上对优选实施方式的描述是为了以示例说明本发明，并且对于本领域普通技术人员，替代方案是显而易见的，而不会背离权利要求书限定的、说明书所支持的本发明的范围。

Claims (22)

1.一种电绝缘子，包括：
-电绝缘体，以及
-形成于绝缘子面向周围环境的最外表面上的半导电层，
-其中所述半导电层包括聚合物基体，以及
-其中所述半导电层包括为该层赋予半导电特性的材料粒子，所述粒子分散在所述基体中，
其特征在于，所述粒子的主要部分是纳米结构，以及所述粒子包括无机材料的粒子，所述无机材料包括至少一种氧化物。
2.根据权利要求1所述的电绝缘子，其特征在于，基本上所有所述粒子都是纳米结构。
3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的电绝缘子，其特征在于，所述粒子均匀地分散在所述基体中。
4.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的电绝缘子，其特征在于，所述粒子定义一种渗透网络。
5.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的电绝缘子，其特征在于，所述粒子包括半导电材料的粒子。
6.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的电绝缘子，其特征在于，所述粒子包括导电材料的粒子。
7.根据权利要1所述的电绝缘子，其特征在于，所述氧化物是金属氧化物。
8.根据权利要求7所述的电绝缘子，其特征在于，从基于铌、钽、钛、锆、钇、钨、锌和铁的氧化物的范围中选择所述至少一个金属氧化物。
9.根据权利要求1、2、7和8中任一权利要求所述的电绝缘子，其特征在于，所述半导电层包括有机填料。
10.根据权利要求9所述的电绝缘子，其特征在于，所述有机填料包括导电聚合物。
11.根据权利要求9所述的电绝缘子，其特征在于，所述有机填料包括碳黑。
12.根据权利要求9所述的电绝缘子，其特征在于，所述有机填料包括碳黑和导电聚合物的组合。
13.根据权利要求12所述的电绝缘子，其特征在于，所述碳黑的粒子被所述导电聚合物覆盖。
14.根据权利要求10、12和13中任一权利要求所述的电绝缘子，其特征在于，所述导电聚合物属于带正电荷的导电聚合物的组。
15.根据权利要求14所述的电绝缘子，其特征在于，所述导电聚合物包括聚苯胺或聚吡咯或两者的组合。
16.根据权利要求10、12和13中任一权利要求所述的电绝缘子，其特征在于，所述导电聚合物属于带负电荷的导电聚合物的组。
17.根据权利要求16所述的电绝缘子，其特征在于，所述导电聚合物包括PEDT或PSS或两者的组合。
18.根据权利要求1、2、7、8、10-13和17中任一权利要求所述的电绝缘子，其特征在于，所述电绝缘体包括聚合物。
19.根据权利要求1至18中任一权利要求所述的电绝缘子在含水环境中以及受到来自电导体的电场作用时的应用。
20.根据权利要求19所述的应用，其特征在于，所述环境包含会沉积在所述电绝缘子外表面上的颗粒物质。
21.根据权利要求19或20所述的应用，其特征在于，所述环境是室外环境。
22.根据权利要求1-18中任一权利要求所述的电绝缘子作为用于架空电力线的吊挂装置时的应用。
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