CN101568976A - 具有对电场进行构型的屏板的绝缘结构 - Google Patents
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Abstract
本发明的主题是具有对电场进行构型的屏板的绝缘结构,该绝缘结构可应用于高压套管、高压电缆、电缆组件以及测量仪器-特别是仪表变压器中。根据本发明的结构包括电绝缘材料层,所述电绝缘材料层之间插置有导电薄板,所述导电薄板是对高压电力设备中的电场进行构型的屏板,该绝缘结构的特征在于,所述导电薄板由绝缘基层制成,该绝缘基层具有多孔结构、是可浸渍的并且能够沿平行于薄板平面的方向被压缩,并且该基层的至少一个表面为极大展开的表面且涂覆有金属层。
Description
技术领域
本发明的主题是一种具有对电场进行构型(shaping)的屏板(screen)的绝缘结构,该绝缘结构可应用于高压套管、高压电缆、电缆附件以及测量仪表-特别是仪表变压器中。
背景技术
在高压电力设备及其部件中,经常用到电绝缘系统,电绝缘系统中设置有导电元件,所述导电元件用于对该电力设备或其部件的带电元件产生的电场进行构型。用于对电场进行构型的元件放置在绝缘材料中,其典型地具有确定电场的适当分布的屏板的形式。在诸如电流、电压的测量设备或组合仪表变压器中的高压套管、高压电缆、电缆附件以及连接导体的制造和操作中,电场的适当分布是非常重要的。用于对电场进行构型的屏板通常具有置于绝缘材料层之间的导电薄板的形式。这些薄板最常见地由铝箔制成。有时也使用由传导电流的导电纸或纤维制成的导电屏板。最常见地由绝缘纸板制成的绝缘材料与导电屏板一起缠绕着导体,然后用变压器油或可硬化树脂形式的绝缘材料对其进行浸渍。通常情况下,在浸渍之前,绝缘材料都经过了干燥处理。
为了在绝缘结构的横截面中获得电场的均匀分布,应该满足一些条件以确保电压在所有导电屏板中有适当的电压分布并在每个屏板的整个表面上维持恒定的电势。这些条件取决于屏板之间的电容、单个屏板的尺寸、它们的阻抗、特别是电阻、以及对电场进行适当构型所需的最大频率。
英国专利说明书No.GB991546公开了一种用于绝缘高压设备的高压绝缘结构,该高压绝缘结构含有由绝缘薄板层构成的绝缘框架,所述绝缘薄板层以如下方式形成:一层的总体厚度是基本薄板材料的厚度的很多倍并且薄板材料仅占据该框架内部的总体容积的一部分。绝缘薄板与导电薄板之间的空间中填充有介电材料。绝缘薄板由能够容易地用油或其他流体浸渍的诸如纸之类的吸附材料制成或者由诸如聚合材料之类的非吸附材料制成。绝缘层之间放置有例如导电箔形式的导电薄板,其支撑在形成绝缘框架的褶皱式绝缘薄板的褶皱的顶部上。
放置在绝缘材料层之间的金属箔形式的导电薄板广泛应用于电绝缘结构中。这种绝缘结构在各种设计形式的高压套管中的应用的示例记载于下列专利说明书中:US3875327,US4362897,US4338487,US4387266,US4500745以及GB1125964。
日本专利说明书JP01283716公开了一种铸造套管,在该铸造套管中导电薄板由表面上具有例如导电涂层形式的导电层的纤维或无纺布制成。
专利申请WO2006/001724公开了另一种类型的高压绝缘件。在所记载的技术方案中,高压套管通过绕着圆柱芯缠绕电绝缘材料层而形成。用于对套管中的电场进行构型的导电材料薄板放置在那些层之间。至少一个导电材料薄板是基于纸、纤维或无纺布制成的结构,并且其含有导电颗粒,所述导电颗粒悬浮在其中并形成渗流网络,从而在薄板层中进行导电。所述导电颗粒基本上为长形,并且其所具有的尺寸使得其长度与最大宽度尺寸的比例大于10。
金属薄板在高压部件中作为用于对电场进行构型的屏板使用,而环氧树脂在高压部件中被用作绝缘材料,由于金属箔与环氧树脂的热膨胀系数存在差异,使得在树脂硬化的过程中产生了机械应力。这些应力到生产过程结束之后还持续存在,并且这些应力特别是在这些部件在非常低的温度下工作时显现出来。
由金属箔制成的导电薄板的特征在于典型地具有非常高的电导率。这种特性再加上整个绝缘系统中的薄板的几何布置可导致该系统中产生频率高且品质因数非常大的电磁共振。在这些系统中被激励的共振可引起局部过电压,从而导致绝缘件受损。触发这种振荡的激励源可出现在包括产生高频率的半导体变流器的系统中(例如在DC电压传输中使用的系统中、风力发电站中、或工业电力系统中)。
另一方面,典型地基于碳材料的涂层的低电导率限制了在高压设备中使用这种涂层形式的导电薄板,尤其是在因为相对较快的瞬态-例如雷电冲击或斩波而需要对电场进行构型的应用场合中。
应用由含有导电颗粒的材料制成的导电薄板会产生如下风险:即这些颗粒在切割成合适形状的薄板的过程中被释放。这些颗粒渗入绝缘材料中会弱化绝缘结构的介电性能。
发明内容
具有对电场进行构型的屏板的绝缘结构包括电绝缘材料层,所述电绝缘材料层之间放置有导电薄板,该导电薄板具有对高压电力设备中的电场进行构型的屏板的功能,该绝缘结构的本质在于,所述导电薄板包括电绝缘基层,该电绝缘基层的结构是多孔的、可浸渍的并且能够沿平行于薄板平面的方向被压缩,并且该基层的至少一个表面具有极大的展开表面且涂覆有金属层。
优选地,该金属层的厚度比所述多孔结构和所述展开表面结构的孔的尺寸小很多倍。
优选地,该电绝缘基层具有电工级纤维素绝缘纸的形式。
优选地,由纤维素绝缘纸制成的该基层的特征是具有如下孔隙度:该纸的透气系数大于0.5μm/(Pa·s)。
优选地,该电绝缘基层具有由聚合物纤维制成的无纺布的形式。
优选地,该电绝缘基层具有聚合物泡沫材料层的形式,该聚合物泡沫材料带有敞开的孔。
优选地,该金属层基本上由铝、银、铜、锌、镍、锡、钛或这些金属构成的合金制成。
优选地,所述电绝缘材料层由电工级绝缘纸制成。
优选地,所述电绝缘材料层由聚合织物制成,更优选地由聚酯织物制成。
优选地,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构浸渍有电绝缘油。
优选地,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构浸渍有可硬化树脂。
优选地,该金属层的厚度在从5nm到200nm的范围内。
优选地,所述电绝缘材料层由缠绕在导电元件上的至少一条带制成。
优选地,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构是高压套管的绝缘件。
优选地,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构是高压仪表变压器的连接导体的绝缘件。
根据本发明的结构的优点是金属层在平行于该基层的涂有该金属层的表面平面的方向上具有弹性,这是金属层的该表面的展开性以及基层的可压缩性产生的结果,这使得整个结构能够不受限制地热膨胀和收缩,而不会释放机械应力。
具有特定厚度和展开表面的金属层形式的导电薄板的有效电导率小于相同厚度的平坦表面的电导率。而且,对于沉积在具有展开表面的绝缘基层上的涂层形式的金属层而言,金属层的厚度可以比金属箔小很多。这使得能够将电导率减小至对给定设备部件中发生的共振系统的品质因数起限制作用的值,从而防止发生由非常高的频率源产生的过电压。
同时,使用金属层能够获得比基于碳材料的涂层大很多并且足以在雷电冲击或所需形状的斩波过程中对电场进行构型的导电率值。
将导电薄板(其中该导电层为连续金属层形式)切割成合适形状的操作不会导致在切割边缘处释放导电颗粒,因此大大减小了这些颗粒渗入绝缘材料并弱化绝缘结构的介电性能的风险。
附图说明
本发明的示例性实施方式示出在附图中,其中:图1示出了该结构的在与绝缘层和导电薄板的表面垂直的平面中的横截面,以及图2是导电薄板和电绝缘材料层的截面的放大图。
具体实施方式
在该实施方式中,每个电绝缘材料层由厚度100μm的电工级(electricgrade)纤维素绝缘纸1制成,该电工级纤维素绝缘纸1被制成总厚度为0.3mm至0.5mm的皱纹纸。该纸的皱纹结构没有在附图中示出。导电薄板2包括电绝缘基层,该电绝缘基层是厚度为30μm至70μm且为多孔结构的电工级绝缘纸3的形式,使得该纸的透气系数不小于0.5μm/(Pa·s)。替代性地,也可使用厚度为70μm至150μm且透气系数至少10μm/(Pa·s)的纸张。所提到的每种类型的纸张的特征在于由纤维素纤维网形成的极大展开的表面结构,并且这种纸张中的大部分孔的平均尺寸在5μm至50μm内。这种级别的纤维素纸的多孔结构使得它们能够沿平行于纸板平面的方向被压缩。该电工级绝缘纸(其构成该基层)的一个表面涂覆有10nm至30nm厚的铝层4,同时所获得的导电层的表面电阻在每平方1Ω至10Ω的范围内。
在该实施方式中,绝缘结构形成为缠绕导电芯的缠绕件(图中没有示出),该皱纹纸作为一条带被缠绕,并且导电薄板放置在皱纹纸的层之间。由此形成的绝缘结构用环氧树脂进行浸渍,然后硬化。在硬化之后,该绝缘结构被用作高压套管的绝缘芯。
在另一个实施方式中,该绝缘结构的电绝缘材料层由40μm至100μm厚的光滑缠绕型电工级绝缘纸制成。导电薄板以与前述示例相同的方式制成。该绝缘结构被制成为缠绕件的形式(图中没有示出),该缠绕件缠绕着高压仪表变压器的结构中的一个导体连接件。接下来用电绝缘油浸渍以这种方式制成的用于仪表变压器中的绝缘结构。
在另一个实施方式中,电绝缘材料层由厚度在50μm至500μm之间的电工级聚合织物制成,例如由聚酯制成。导电薄板以与前述示例相同的方式制成。该绝缘结构形成为缠绕着导电芯的缠绕件(图中没有示出),聚合织物作为一条带被缠绕,并且导电薄板放置在绝缘聚合织物的层之间。由此形成的绝缘结构用环氧树脂进行浸渍,然后硬化。在硬化之后,该绝缘结构被用作高压套管的绝缘芯。
在另一个实施方式中,导电薄板由无纺织物制成,该无纺织物由厚度为10μm至100μm并且平均孔尺寸在50μm到2000μm范围内的聚酯纤维制成。该无纺织物的至少一侧涂覆有5nm至50nm厚的金属层,优选是铝层,而电绝缘材料层以与前述示例之一相同的方式制造并缠绕。
在又一个实施方式中,导电薄板由具有敞开的孔的聚酯泡沫材料板制成,该板至少在一侧上涂覆有铝层。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种具有对电场进行构型的屏板的绝缘结构,所述绝缘结构包括多个电绝缘材料层(1),所述电绝缘材料层(1)之间放置有导电薄板(2),所述导电薄板具有对高压电力设备中的电场进行构型的屏板的功能,所述绝缘结构的特征在于,所述导电薄板(2)包括电绝缘基层(3),所述电绝缘基层(3)的结构是多孔的、可浸渍的并且能够沿平行于薄板平面的方向被压缩,并且所述基层(3)的至少一个表面具有展开表面面积,该展开表面面积大于该至少一个表面的投影表面面积,并且该至少一个表面涂覆有金属层(4),并且所述金属层(4)的厚度比所述多孔结构和所述展开表面结构(3)的孔的尺寸小很多倍。
2.根据权利要求1所述的结构,其特征在于,所述电绝缘基层(3)具有电工级纤维素绝缘纸的形式。
3.根据权利要求2所述的结构,其特征在于,由纤维素绝缘纸制成的所述基层(3)的特征是具有如下孔隙度:所述纸的透气系数大于0.5μm/(Pa·s)。
4.根据权利要求1所述的结构,其特征在于,所述电绝缘基层(3)具有由聚合物纤维制成的无纺布的形式。
5.根据权利要求1所述的结构,其特征在于,所述电绝缘基层(3)具有聚合物泡沫材料层的形式,该聚合物泡沫材料带有敞开的孔。
6.根据权利要求1-5所述的结构,其特征在于,该金属层(4)基本上由铝、银、铜、锌、镍、锡、钛或这些金属构成的合金制成。
7.根据权利要求1-6所述的结构,其特征在于,所述电绝缘材料层(1)由电工级绝缘纸制成。
8.根据权利要求1-7所述的结构,其特征在于,所述电绝缘材料层(1)由聚合织物制成,优选地由聚酯织物制成。
9.根据权利要求1-7所述的结构,其特征在于,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构浸渍有电绝缘油。
10.根据权利要求1-8所述的结构,其特征在于,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构浸渍有可硬化树脂。
11.根据权利要求1-10所述的结构,其特征在于,该金属层(4)的厚度在从5nm到200nm的范围内。
12.根据权利要求1-11所述的结构,其特征在于,所述电绝缘材料层(1)由缠绕在导电元件上的至少一条带制成。
13.根据权利要求12所述的结构,其特征在于,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构是高压套管的绝缘件。
14.根据权利要求12所述的结构,其特征在于,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构是高压仪表变压器的连接导体的绝缘件。
Claims (15)
1.一种具有对电场进行构型的屏板的绝缘结构,所述绝缘结构包括多个电绝缘材料层,所述电绝缘材料层之间放置有导电薄板,所述导电薄板具有对高压电力设备中的电场进行构型的屏板的功能,所述绝缘结构的特征在于,所述导电薄板包括电绝缘基层,所述电绝缘基层的结构是多孔的、可浸渍的并且能够沿平行于薄板平面的方向被压缩,并且所述基层的至少一个表面具有极大的展开表面且涂覆有金属层。
2.根据权利要求1所述的结构,其特征在于,所述金属层的厚度比所述多孔结构和所述展开表面结构的孔的尺寸小很多倍。
3.根据权利要求1或2所述的结构,其特征在于,所述电绝缘基层具有电工级纤维素绝缘纸的形式。
4.根据权利要求3所述的结构,其特征在于,由纤维素绝缘纸制成的所述基层的特征是具有如下孔隙度:所述纸的透气系数大于0.5μm/(Pa·s)。
5.根据权利要求1或2所述的结构,其特征在于,所述电绝缘基层具有由聚合物纤维制成的无纺布的形式。
6.根据权利要求1或2所述的结构,其特征在于,所述电绝缘基层具有聚合物泡沫材料层的形式,该聚合物泡沫材料带有敞开的孔。
7.根据权利要求1-6所述的结构,其特征在于,所述金属层基本上由铝、银、铜、锌、镍、锡、钛或这些金属构成的合金制成。
8.根据权利要求1-7所述的结构,其特征在于,所述电绝缘材料层由电工级绝缘纸制成。
9.根据权利要求1-8所述的结构,其特征在于,所述电绝缘材料层由聚合织物制成,优选地由聚酯织物制成。
10.根据权利要求1-8所述的结构,其特征在于,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构浸渍有电绝缘油。
11.根据权利要求1-9所述的结构,其特征在于,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构浸渍有可硬化树脂。
12.根据权利要求1-11所述的结构,其特征在于,所述金属层的厚度在从5nm到200nm的范围内。
13.根据权利要求1-12所述的结构,其特征在于,所述电绝缘材料层由缠绕在导电元件上的至少一条带制成。
14.根据权利要求13所述的结构,其特征在于,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构是高压套管的绝缘件。
15.根据权利要求13所述的结构,其特征在于,具有对电场进行构型的屏板的所述绝缘结构是高压仪表变压器的连接导体的绝缘件。
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