CN101836269B - 高电压室外套管 - Google Patents
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Abstract
高电压室外套管包括沿着轴线(1)延伸的导体(2)，冷凝器芯(3)以及模制于冷凝器芯(3)上的电绝缘聚合天气保护外壳(7)。该冷凝器芯(3)包含：电绝缘带(4)，其以螺旋形式缠绕于导体(2)周围；电容分级插入件(5)，其布置于带(4)的连续绕组之间；以及，经固化的聚合物绝缘基质，其嵌入缠绕带(4)和电容分级插入件(5)。水分扩散屏障在模制该天气保护外壳(7)之前合并到冷凝器芯(3)内。这种套管的显著特征在于在热和湿的天气条件下优良的储存和操作稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及高电压技术领域且有关于高电压室外套管，其包括沿着轴线延伸的导体，冷凝器芯以及模制在冷凝器芯上的电绝缘聚合物天气保护外壳。该冷凝器芯包含：电绝缘带，其以螺旋形式缠绕于导体周围；电容分级插入件，其布置于带的连续绕组之间；以及，经固化的聚合物绝缘基质，其嵌入缠绕带和电容分级插入件。这种套管用于高电压技术中，特别是接电装置(或配电装置)(switchgearinstallation)、或者高电压机器中，如发电机或变压器，用于高达数百kV的电压，通常为24kV与800kV之间的电压。
背景技术
高电压室外套管是这样一种构件：其通常用于从高电压构件(如变压器或断路器)的封装式有源部件载运高电位电流通过接地屏障(grounded barrier)(如变压器箱或断路器外壳)到高电压室外线路。为了减小和控制电场，室外套管包括冷凝器芯，其便利了通过使电容分级插入件浮置而进行电应力控制，电容分级插入件合并于冷凝器芯中。冷凝器芯减小电场梯度且沿着套管长度均匀地分配电场。
套管的冷凝器芯通常由牛皮纸或皱纹牛皮纸缠绕成间隔件。电容分级插入件实施为金属(通常为铝)薄片或非金属(通常为墨水、石墨膏)补片。插入件被同轴地定位，以便实现外部闪络与内部击穿强度之间的最佳平衡。纸间隔件确保插入件的限定位置和冷凝器芯的机械稳定性。冷凝器芯用树脂加以浸渍(RIP，树脂浸渍纸)。然后在对芯进行的加热与真空处理过程中引入树脂。这种RIP室外套管具有优点即其为干燥(无油)的。
室外套管包括室外侧，其具有由瓷或通常基于硅酮或环氧化物的耐天气聚合材料制成的绝缘体，具有裙(shed)，裙确保了必要的爬电距离用以耐受所有操作条件下的电压。瓷在传统上用作绝缘材料，但仍存在着对于聚合物绝缘不断增长的需求。对聚合物绝缘的需求主要是基于以下事实：聚合物绝缘体具有疏水(拒水或憎水)的额外益处，这导致产生自清洁性质，且这因此延长了使用寿命且显著地降低了变电站维护成本。此外，硅酮固有的疏水性质有助于打破水膜及形成单独的液滴，这减少了泄漏电流，防止闪络且提高在湿的和高沾污的条件(典型的为沿海或高污染环境)下的耐电压能力。而且，具有聚合物绝缘的套管是轻质的且耐受破坏行为和地震。此外，这种套管还防爆。因此，基本上排除了刚性绝缘外壳，特别是瓷绝缘体的散失，以及对次级设备的损坏。
现有技术
在EP 1 284 483 A1中描述了一种高电压室外套管，其具有：沿着一条轴线延伸的导体、同轴地包围着导体的冷凝器芯、以及电绝缘聚合物天气保护外壳。天气保护外壳由硅酮制成且直接模制于冷凝器芯的外表面和高电压前面上并且延伸到导体表面的未被冷凝器芯覆盖的一部分。不再需要一种保护着高电压侧免受天气损害的套管帽且因此可以用低成本制造套管。但是，直接模制的室外套管被示出在储存和操作期间产生严重问题。特别地，在长期储存和操作期间显著增加了损耗因数tanδ。
在EP 1 622 173 A1、EP 1 798 740 A1和WO 2006/131011 A1中披露了另外的高电压室外套管，其分别包括沿着一条轴线延伸的导体和同轴包围该导体的冷凝器芯。这些套管分别包括复合绝缘体作为天气保护外壳，天气保护外壳被设计成预制式刚硬外壳。刚硬外壳接纳着预制式冷凝器芯和导体，且借助于帽和安装凸缘而得以被封闭。
冷凝器芯的生产包括以下步骤：将绝缘带缠绕到导体上；在缠绕期间在带的连续层之间添加电容分级插入件；将缠绕带置于模具内；向模具施加真空且利用绝缘材料来浸渍经排空的缠绕带，绝缘材料包括加载了无机填料粉末的聚合物。之后，对浸渍过的缠绕带加以固化。若需要，则对所得到的冷凝器芯进行冷却和机械加工。为了加速浸渍步骤，若干层的带中的至少一层(EP 1 622 173 A1)和/或电容分级插入件之一(EP 1 798 740 A1)包括孔和/或带包含无机填料颗粒，所述无机填料颗粒在利用未经填充的聚合物来执行浸渍过程之前就被预填充到带内(WO 2006/131011A19)。
这种高电压室外套管是较为昂贵的，因为必须单独地制造复合绝缘体且需要套管帽。而且，需要电绝缘材料来填充套管外壳内的间隙和孔隙并且防止套管中的放电和故障。从WO 2005/006355A和GB537268A已知分别具有水分吸收和吸湿材料的冷凝器芯的高电压室外套管。在这些套管中，借助于扩散屏障来防止冷凝器芯中的水分吸收或摄取，扩散屏障应用到芯表面上且其包括分别具有低透水性和固体防水分的膜。
发明内容
本发明的目的在于形成一种高电压室外套管，其能以一种容易且经济的方式制造，且其同时在操作期间甚至在恶劣天气条件下具有长储存和操作寿命时间和高可靠性这样的显著特点。
根据本发明的高电压室外套管包括水分扩散屏障，其在模制聚合物天气保护外壳之前被合并于冷凝器芯内。这种套管的显著特点在于：在热和湿的天气条件下有优良的储存和操作稳定性。这是由于以下事实：水分扩散屏障限制水分较深地进入到冷凝器芯内。否则，通过扩散已穿过聚合物天气保护外壳得以迁移的水分可较深地迁移到冷凝器芯内且然后可强烈地影响套管的电性质，特别是损耗因数。
在根据本发明的套管的优选实施例中，水分扩散屏障包括加载了无机填料粉末的绝缘基质的至少一部分。填料粉末颗粒显著地减小了冷凝器芯的扩散系数，因为无机填料粉末的填料颗粒减小了水分子扩散路径的有效长度。因而以很简单的方式显著地防止了水进入冷凝器芯。可容易地制造套管且同时可显著地提高套管甚至在热和湿环境条件下的储存和操作稳定性。
为了得到一种抵抗水渗透的非常有效的屏障，也提议向聚合物填充入大量无机填料颗粒。当填料在固化前构成基质材料体积的至少20％，优选地至少30％时，实现在中等天气条件下具有比较高操作和储存寿命的套管。当填料在固化前构成基质材料体积的40％与50％之间时，实现甚至在恶劣天气条件下具有高操作和储存寿命的套管。
为了实现致密且因此有效的水分扩散屏障，填料粉末具有不同平均大小的两份颗粒，其中第一份中的颗粒具有比第二份中的颗粒更大的平均直径、且基本上排列成紧密球形装填的形式，且第二份中的颗粒填充由球形装填所形成的间隙。如果第二份中颗粒的平均直径为第一份中颗粒的平均直径的大约10％至大约50％，且如果第二份的量按体积计为占第一份的量的大约5％至30％，则实现紧密填充。如果存在平均直径为第二份中颗粒直径的大约10％至大约50％的另一份主要为球形的填料颗粒，则可进一步改善水分扩散屏障的密度和因此改善其效率。
如果水分扩散屏障包括一个常常已存在、并且在冷凝器芯与天气保护外壳之间造成强粘合力的层，则在很大程度上防止已通过扩散而经过聚合物天气保护外壳的水蒸汽渗透到冷凝器芯内。提议将这样一种层制成为基于包括扩散限制材料的粘合聚合物的一种粘合促进剂的形式。
导体通常实施为杆、管或线。
带通常缠绕成螺旋形式，从而形成大量相邻层且由纤维制成，纤维被布置成纸或网的形式。适当纤维为有机的或无机的。有机纤维通常包括自然纤维，如纤维素；基于热固性的聚合纤维，如聚酯；或者基于热塑性的聚合纤维，如聚芳基酰胺
聚酰胺、聚烯烃(例如PE)、聚苯并咪唑(PBI)、聚苯撑苯并二恶唑(PBO)、聚苯硫醚(PPS)、三聚氰胺和聚酰亚胺。无机纤维通常包括玻璃、熔岩、玄武岩和氧化铝。纸优选地为皱纹纸或者包括孔的纸。然后基质材料可在冷凝器芯中很快且均匀地分布。当带包含着在利用未经固化的聚合物来浸渍经缠绕的带之前预填充到带或绝缘基质内的填料粉末颗粒时，也实现了基质材料的快速和均匀分布。
电容分级插入件在特定数目的绕组后插入于芯内，从而使得电容分级插入件布置于距轴线为明确限定的径向距离处。电容分级插入件可与开口交互散置，这便利且加速了基质材料渗透缠绕带。
间隔件与电容分级插入件的组合便利且显著地加速了基质材料浸渍缠绕带。
聚合物可(例如)是基于硅酮、环氧树脂(特别是疏水环氧树脂)、不饱和的聚酯、乙烯基酯、聚亚安酯或苯酚的一种树脂。优选地，填料颗粒是电绝缘或半导电的。填料颗粒可为SiO2、Al2O3、BN、AIn、BeO、TiB2、TiO2、SiC，SisN4、B4C、ZnO等的颗粒或其混合物。也有可能在聚合物中具有各种这样颗粒的混合物。
附图说明
在附图和下文的描述部分中给出本发明另外的优点和应用。
在一个附图中示出根据本发明的高电压室外套管的实施例，在右边为穿过套管截取的轴向局部截面。
在附图中所用的附图标记和其意义在附图标记列表中总结。一般而言，类似或功能上类似的部件给出相似附图标记。所描述的实施例表示为实例且不应约束本发明。
附图标记列表
1轴线
2导体
3芯
4带
5电容分级插入件
6脚部凸缘
7天气保护外壳
8导体2的上端
具体实施方式
附图所示的套管基本上关于对称轴线1旋转对称。在套管的中心布置有柱状支承主体2，其被实施为实心金属杆或金属管。金属杆是电导体2，其使得封装装置的有源部件(例如，变压器或开关)与室外构件(例如，电力线)相连接。如果支承主体2实施为金属管，则这个管也可用作电导体2，但也可接纳着从下方引导到管内的电缆的一个端部以及电连接到部件2的电流导体。导体2部分地由芯3包围，芯3也基本上关于对称轴线1旋转对称。芯3包括绝缘带4(在图1右边示出)，其绕导体2缠绕且其用经固化的基质材料浸渍，经固化的基质材料基于一种填充了无机填料粉末的聚合物。填料粉末在固化前构成基质材料体积的大约45％。电容分级插入件5(在图右边示出)布置于带4的相邻绕组之间。在芯3的外侧上，提供脚部凸缘6，其允许将套管固定到封装装置的接地封壳上。在操作条件下，导体2将处于高电位，且冷凝器芯3确保导体2与凸缘6之间的电绝缘。在通常位于接地封壳外侧的套管的该侧部上，电绝缘天气保护外壳7包围着芯3。天气保护外壳7由基于硅酮或疏水环氧树脂的一种聚合物制成。外壳7包括裙且被模制于冷凝器芯3上，从而使得其沿着冷凝器芯3的邻接外表面从脚部凸缘6顶部延伸到导体2的上端8。沉积于部件2、3和6的覆盖表面上的粘合层改进了外壳7的粘合性。外壳保护着冷凝器芯3免受由于辐射(UV)和天气造成的老化，且在套管的整个寿命期间维持着良好的电绝缘性质。裙的形状被设计成使得其在向雨水暴露时具有自清洁表面。这避免灰尘或污染累积于裙表面上，这可能会影响绝缘性质且导致电闪络。
带4被实施为基于聚酯的网。基质材料包括环氧树脂(其用酸酐固化)作为聚合物和熔融硅石作为填料粉末。熔融硅石粒度高达64μm且包括平均粒度分别为2、12和40μm的三份。
根据附图的套管和参考套管存储于25±3℃的自来水中。两种套管全部浸没于自来水中。参考套管与本发明的套管的不同为带材料和基质材料。参考套管的带为皱纹纸。参考套管的基质具有与根据本发明的套管基质相同的聚合物，但并无填料粉末。不时地从水中移除套管，对其吹送压缩空气且在空气中干燥2或3小时。之后，根据IEC60137在50Hz的频率处测量两个套管的损耗因数tanδ。
在下表中示出测量结果。
| 储存时间[小时] | tanδ参考套管[％] | tanδ本发明的套管[％] |
| 0 | 0.38 | 0.11 |
| 65 | 6.26 | 0.14 |
| 110 | 12.92 | 0.14 |
| 227 | 17.75 | 0.14 |
| 387 | 43.16 | 0.48 |
| 573 | 30,85 | 0,44 |
| 691 | 45,48 | 0,49 |
| 923 | 48,21 | 0,52 |
| 1183 | 54,52 | 0,50 |
| 1848 | 76,42 | 0,56 |
| 2489 | 119,60 | 0,53 |
该表示出根据本发明的套管在恶劣储存条件下甚至经过超过一百天的储存时段后具有小于1％的损耗因数。而且，在数周后损耗因数已达到这个较小值且直到此时保持几乎恒定。在另一方面，在数周后，参考套管的损耗因数达到高于根据本发明的套管的相对应值100的值、且其仍随时间显著地增加。
因此，根据本发明的套管的冷凝器芯的基质材料充当水分扩散屏障，其在很大程度上限制了水分子到冷凝器芯内部的扩散且其是根据本发明的套管甚至在较强外部条件下在很大程度上维持低损耗因数的原因。
Claims (17)
1.高电压室外套管，其包括沿着一条轴线(1)延伸的导体(2)，冷凝器芯(3)以及模制于所述冷凝器芯(3)上的电绝缘聚合物天气保护外壳(7)，其中，所述冷凝器芯(3)包含：电绝缘带(4)，其以螺旋形式绕所述导体(2)缠绕；电容分级插入件(5)，其布置于所述电绝缘带(4)的连续绕组之间；以及，经固化的聚合物绝缘基质，其嵌入所述电绝缘带(4)和所述电容分级插入件(5)，
其特征在于，所述套管还包括水分扩散屏障，所述水分扩散屏障在模制所述天气保护外壳(7)之前合并于所述冷凝器芯(3)内。
2.根据权利要求1所述的套管，其特征在于，所述水分扩散屏障包括加载了无机填料粉末的绝缘基质的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的套管，其特征在于，所述无机填料粉末在固化之前构成所述加载了无机填料粉末的绝缘基质的体积的至少20％。
4.根据权利要求3所述的套管，其特征在于，所述无机填料粉末在固化之前构成所述加载了无机填料粉末的绝缘基质的体积的至少30％。
5.根据权利要求4所述的套管，其特征在于，所述无机填料粉末在固化之前构成所述加载了无机填料粉末的绝缘基质的体积的40％-50％。
6.根据权利要求3所述的套管，其特征在于，所述无机填料粉末包括两份具有不同平均大小的颗粒，其中第一份中的颗粒具有比第二份中的颗粒更大的平均直径且基本上布置为紧密球形装填的形式且第二份中的颗粒填充由所述球形装填形成的间隙。
7.根据权利要求6所述的套管，其特征在于，所述第二份中颗粒的平均直径为所述第一份中颗粒平均直径的10％至50％。
8.根据权利要求7所述的套管，其特征在于，所述第二份的量占所述第一份的量的体积的5％至30％。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的套管，其特征在于，存在至少另外一份平均直径为第二份中颗粒平均直径的10％至50％的主要为球形的颗粒。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的套管，其特征在于，选择所述无机填料粉末的量和大小，从而使得在将套管浸没于25℃水中超过1000小时之后所述套管在50Hz频率处的损耗因数保持小于1％。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的套管，其特征在于，所述电绝缘带(4)和/或所述电容分级插入件(5)中的至少一个包括孔，所述孔产生开孔结构且其利用绝缘基质而得以被填充，和/或所述电绝缘带包含填料粉末颗粒，所述填料粉末颗粒在用所述绝缘基质的未经固化的聚合物来浸渍所述电绝缘之前预填充到所述电绝缘带(4)内。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的套管，其特征在于，所述水分扩散屏障包括有在所述冷凝器芯(3)与所述天气保护外壳(7)之间造成强粘合力的一层。
13.根据权利要求12所述的套管，其特征在于，所述水分扩散屏障是呈基于包括扩散限制材料的粘合聚合物的一种粘合促进剂的形式。
14.根据权利要求9所述的套管，其特征在于，选择所述无机填料粉末的量和大小，从而使得在将套管浸没于25℃水中超过1000小时之后所述套管在50Hz频率处的损耗因数保持小于1％。
15.根据权利要求9所述的套管，其特征在于，所述电绝缘带(4)和/或所述电容分级插入件(5)中的至少一个包括孔，所述孔产生开孔结构且其利用绝缘基质而得以被填充，和/或所述电绝缘带包含填料粉末颗粒，所述填料粉末颗粒在用所述绝缘基质的未经固化的聚合物来浸渍所述电绝缘带之前预填充到所述电绝缘带(4)内。
16.根据权利要求9所述的套管，其特征在于，所述水分扩散屏障包括有在所述冷凝器芯(3)与所述天气保护外壳(7)之间造成强粘合力的一层。
17.根据权利要求11所述的套管，其特征在于，所述水分扩散屏障包括有在所述冷凝器芯(3)与所述天气保护外壳(7)之间造成强粘合力的一层。
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