CN103403254B - 用于高压直流输电构件的容器壁的布线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压直流输电构件的容器壁的布线装置，该布线装置具有电极管(25)或导电螺栓(23)形式的传导元件。该传导元件设有由纤维素材料制成的包皮(26)，按本发明所述包皮(26)的电阻率通过处理相比未进行这种处理的纤维素材料减小。由此使由包皮(26)和其他固体屏蔽件(28)构成的绝缘段得以实现更高的击穿强度。这种改进的击穿强度有利地开启为传导而附加设计的间隙。

Description

用于高压直流输电构件的容器壁的布线装置

技术领域

本发明涉及一种用于高压直流输电构件的容器壁的布线装置。该布线装置具有带有导电表面的电极管或者导电螺栓。下列一般也应称作传导元件的结构元件通常由铜制成。可以将作为电极管的传导元件铺设在电位上，其中，该电极管用于屏蔽高压直流输电导线，该高压直流输电导线可以电绝缘地导引穿过管内部。若传导元件设计成导电螺栓，则它直接用作高压直流输电导线。该导电螺栓以适合的方式在容器内部和外部与高压直流输电导线接触。此外，布线装置具有由纤维素材料，尤其是纸制成的包皮。该纤维素材料一般围绕电极管或导电螺栓卷绕成纸卷，以便全面地包围该电极管或导电螺栓。

背景技术

开头所述类型的布线装置例如按EP285895A1描述。该布线装置具有作为传导元件的导电螺栓。此外，也在DE102005021225A1中描述这一种布线装置。该布线装置适合将高压直流输电导线导引通过相应设计的电极管。在各种情况下，传导元件的包皮提供有纤维素材料，其中，在该包皮上紧接着有多个同心布置的层压纸板圆柱体形式的、其他的固体屏蔽层，这些固体屏蔽层与包皮一起形成绝缘段。在各个固体屏蔽层与纸制的包皮之间的间隙中提供变压器油。该变压器油填满间隙，其中，吸附性材料，如层压纸板也吸收变压器油。

高压直流输电组件一般理解为这种组件，该组件用于传输高压直流电并且包含引流的元件(代表高压直流输电)。尤其在此需要变压器或扼流阀作为高压直流输电组件。当然，布线装置也需要不同的高压直流输电组件来电连接。其他的高压直流输电组件是在这些布线装置中的分离点或穿过装有另外的高压直流输电组件的壳体部件的绝缘套管。除了待导引的高压直流电外，交流电也例如出现在变压器线圈和扼流线圈中。按本发明的高压直流输电组件应当适合用于传输至少100kV的高压直流电，优选适合用于传输多于500kV的高压直流电。

由US4，521，450已知，将可浸渍的、由纤维素纤维构成的实心材料浸入水性的氧化剂，例如由三氯化铁、硫酸铈、铁氰化钾(III)或磷钼酸组成的弱酸性溶液中。然后，湿润的纤维素材料要么与液态或蒸汽态的吡咯化合物在室温下一直处理，直到吡咯与氧化剂的浓度有关地聚合为止。将这样浸渍过的纤维素材料在室温下干燥24小时。氧化剂一方面保证吡咯化合物的聚合，此外保证增大导电性。因此，这种浸渍过的纤维素材料的电阻率ρ会受到吡咯的浓度和氧化剂的种类的影响。

此外已知，如果涉及在形成电场的情况下，例如在电导体的绝缘层上形成电场的情况下减小峰值，那么纳米复合物也可以用作使电场梯度化的材料。为此，按WO2004/038735A1也可以使用例如由聚合物组成的材料。在这种材料中分散有填料，其颗粒是纳米颗粒，也就是说具有最大100nm的平均直径。按US2007/0199729A1，对于这种纳米颗粒还可以使用半导体材料，其禁带宽度处于0eV到5eV的范围内。借助所使用的、例如可由ZnO组成的纳米颗粒可以设定纳米复合物的电阻。若在混入纳米颗粒时超过一定的体积份额，该份额视纳米颗粒的大小而定地为10至20％体积百分比，则纳米复合物的电阻率明显减小，其中，以这种方式调节纳米复合物的导电性并且可以与所需条件适配。尤其可以调节数量级10¹²Ωm的电阻率。因此，若通过纳米复合物达到电压降，该电压降导致电势均匀的分布并因此也以适合的方式使所产生的电场梯度化。由此可以减小所产生的电场峰值，从而有利地提高了击穿强度。

在向电导体施加交流电压时，同样存在电场梯度化效果，当然该电场梯度化效果依照另外的机制。纳米复合物削弱电场的效果在此与纳米复合物的电容率有关，其中，电容率ε是材料可透过电场的能力的一个度量。该电容率也称作介电常数，其中，下面使用概念“电容率”。人们也将通过电容率ε_r＝ε/ε₀表示的材料电容率ε与电场常数ε₀(真空电容率)所成的比率称作相对电容率。相对电容率越高，所使用的材料相比真空削弱电场的效果也就越大。下面仅涉及所使用材料的电容率。

此外，WO2006/122736A1描述一种由纤维素纤维和纳米管，优选碳纳米管(下面称CNT)组成的系统，其中，可以设定由6至75Ωm换算的电阻率。该纳米复合物例如应当用作电阻加热装置，其中，考虑材料从电能转换成热能的能力来设计传导性。为此，需要碳纳米管对纤维素纤维有足够的覆盖度。

WO2006/131011A1描述一种插槽，该插槽还可以由浸渍过的纸卷构成。

除其它材料外，也将材料BN也作为浸渍物的材料。该材料也可以以掺杂的形式使用。此外，应当使用在纤维素材料中的浓度低于渗滤阈值的颗粒，以便不会出现颗粒上下重叠地电接触。由于此原因，纳米复合物的电阻率基本上不被影响。

从本申请时刻之后公开的、申请号为DE102010041630.4的申请中已知一种具有半导体或非导体纳米颗粒的纳米复合物，这些纳米颗粒分散在纤维素材料，例如层压纸板中，该纤维素材料在变压器中可以用作给电场梯度化的材料。分散在纤维素材料中的纳米颗粒的至少一部分具有由导电聚合物制成的包皮。例如可以使用纸，厚纸板或层压纸板作为纤维素材料。该纤维素材料具有由纤维素纤维制成的结构，该结构在其整体上构成形成纤维素材料的连接。例如可以使用Si，SiC，ZnO，BN，GaN，A1N或C，尤其是氮化硼纳米管(下面称作BNNT)作为半导体或非导体的纳米颗粒。可以使用在DE102007018540A1中提及的聚合物作为导电的聚合物。例如聚吡咯、聚苯胺，聚噻吩，聚对苯撑，聚对苯撑乙烯和所述聚合物的衍生物，称作导电的聚合物。PEDOT是这种聚合物一个特定的例子，该PEDOT的商品名为Baytron，由拜耳公司生产。PEDOT按其分类学名称也称作聚(3，4-乙烯二氧噻吩)。

按本申请时刻之前公开的申请号为DE102010041635.5的申请，也可以规定，浸渍物由聚合物组成，该聚合物由负电荷的离聚物(尤其是PSS)和正电荷的离聚物交联而成。作为正电荷的离聚物可以使用优选PEDOT或PANI。已提及的聚(3，4-乙烯二氧噻吩)称作PEDOT。PANI是聚苯胺，PSS是聚磺苯乙烯。负电荷和正电荷的离聚物的使用能够有利地实现纤维素材料特别简单的制造。离聚物会很容易在水中溶解并因此输送给同样基于水的纤维素材料的制造过程。通过在制造纤维素材料之后交联离聚物，纤维素材料的电阻率下降。在此离聚物聚合并且在纤维素材料中形成导电网络，该导电网络负责减小电阻率。尤其也可以使用所述的离聚物，以便包封已提及的半导体或非导体的纳米颗粒。

按本申请的时刻之前公开的、申请号为DE102009033267.7的申请，纳米复合物也可以以半导体的纳米颗粒浸渍，该半导体的纳米颗粒至少部分由BNNT组成，并且分散在纤维素或聚合物中。为提高至少一部分分散在绝缘材料中的BNNT的有效传导性而规定，给BNNT掺杂适合的掺杂材料或在BNNT上以金属或掺杂的半导体进行涂层。BNNT的浓度可以选择为，使得纳米复合物具有数量级为10¹²Ωm的电阻率ρ。按该变型，可以不使用传导性的聚合物作为BNNT的包皮。

掺杂实现的方法是，BNNT通过添加适合的掺杂材料如下改性，使得掺杂材料原子形成电子态，该电子态使BNNT形成p导体(亦即，形成由价带边捕获电子的电子态)或形成n导体(亦即，达到由于热激励通过导带边发射电子的电子态)。考虑例如Be作为用于p掺杂的掺杂材料，Si作为用于n掺杂的掺杂材料。这种BNNT的掺杂可以在原位进行，其中，在BNNT生长时例如由气相或液相构成掺杂材料原子。还可行的是，掺杂可以在BNNT生长之后的其他步骤中执行，其中，掺杂材料一般在热处理BNNT的影响下添加。通过将掺杂材料加入BNNT，可以将电阻率降低为对于掺杂的半导体来说在0.1到1000Ωcm之间的典型值，。

按本申请时刻之后公开的、申请号为DE102009033268.5的申请，由纤维素材料制成的纳米复合物还可以以半导体的纳米颗粒浸渍，其中，也为了提高至少一部分分散在绝缘材料中的纳米颗粒的有效传导性而规定给纳米颗粒掺杂一些掺杂材料。使用半导体的纳米颗粒，尤其是BNNT的优点是，在绝缘材料中小的填充度，最高5％体积百分比，优选甚至最高2％体积百分比足以导致纳米微粒的渗滤并因此提高纳米复合物的导电性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，改进开头所述的布线装置，使得具有更高的击穿强度并且存在更大的用于布线装置结构的、结构上的成形间隙。

该技术问题通过开头所述的布线装置按本发明如下解决：所述包皮设计成由已处理的纤维素材料组成的复合物。按本发明这样地处理纤维素材料，使得具有相比已处理的纤维素材料的电阻率ρ_p更小的电阻率的颗粒以高于渗滤阈值的浓度分散在该纤维素材料中。作为补充或备选可以规定，在纤维素材料中，具有相比未处理的纤维素材料的电阻率ρ_p更小的电阻率的传导性聚合物的相互关联的网络穿过复合物。添加颗粒或以给定的方式将传导性聚合物的网络设置在纤维素材料中的效果是，所制成的复合物的电阻率相比未处理的纤维素材料减小。由此，复合物的电阻率与变压器油的电阻率相等，以便在施加直流电压时在绝缘段的各个元件上会更均匀地形成负荷。具体地，在纤维素材料上的电压降更低，以便变压器油以更大程度地负荷。在此，按本发明利用本来可供使用的储备。因此，有利地扩大了用于形成传导元件的纤维素屏蔽层、尤其是包皮的结构上的间隙。

在复合物的电阻率ρ_comp最高为5×10¹³Ωm时，通过电压降更大程度地也发生在变压器油上，可以有利地很好地利用所描述的、对于本发明重要的去纤维素材料负荷的效果。为了利用该效果，人们也可以有利地调节复合物的电阻率ρ_comp，该电阻率为变压器油的电阻率ρ_o的1至20倍。特别有利地可以规定，复合物的电阻率ρ_comp按数量级相当于变压器油的电阻率。按数量级意思是，复合物的电阻率ρ_comp最高与变压器油的电阻率相差一个数量级(也就是说最高相差10倍)。

电阻率ρ_o，ρ_p和ρ_comp与本发明有关地，应当分别在室温和现行参考场强1kV/mm下测量。在该条件下，电阻率ρ_o在10¹²到10¹³Ωm之间。但要注意，变压器油的电阻率ρ_o在按本发明提供的更强的负荷下通过在变压器油上下降的电压而更确切地说减小。

因此，在下面还进一步描述的实施例中，变压器油中的电阻率ρ_o从10¹²Ωm起。

按本发明的另一种有利的结构方案规定，形成包皮的相邻的分层的电阻率分级，其中，一个或一些具有最小电阻率的分层与电极管或导电螺栓邻接。换句话说，包皮也就是说由多个分层构成，这些分层的电特性不同。以此可行的是，在包皮中的电阻率逐级地变化，其中，有利的是，包皮中的电阻率朝传导元件减小。由此可以更强地利用在传导元件附近区域内的电场梯度化效应。尤其也可以规定，料层电阻率仅在形成与周围变压器油的边界面的包皮表面上在大于或等于变压器油的电阻率的范围内下降，而在包皮内部的电阻率朝电极管进一步下降。由此，可以消除靠近传导元件的包皮材料中的负荷峰值。

此外，有利的是，包皮由具有多个卷层的纸卷组成，其中，纸卷围绕电极管或导电螺栓卷绕。以此有利地实现包皮特别简单的制造。通过电极管围绕其中轴线转动使该纸卷围绕传导元件卷绕。应注意的是，卷层与纸厚度有关，而已提及的分层与哪一个区域应当具有多大的电阻率无关。在用纸进行卷绕时，可以通过使用不同的纸来制造具有不同电阻率的分层。当然，卷层一般比分层薄很多(因为与纸厚度有关)。分层也就是说通过卷绕多个卷层而生成。

此外有利的是，包皮的厚度s相比在代替复合物使用相关未处理的纤维素材料时所需要的厚度减小。这是有利的可能性，如可以充分利用通过包皮的电阻率减小而得到的、结构上的成形间隙。通过包皮更小的厚度可以有利地减小用于布线装置的空间需求。通过减小的电阻率，包皮的击穿强度在此保持相等。

此外有利的是，围绕包皮设置固体屏蔽层，使得在固体屏蔽层相互之间以及相对于所述包皮形成用于变压器油的缝隙(也即间隙)。因此存在变压器油和纤维素材料交替的顺序。该顺序形成绝缘段。特别有利的是，固体屏蔽层也由已处理的纤维素材料组成，亦即，就其电阻率而言降低。由此，还可以有利地更大地扩宽结构上的成形间隙，方法是提供例如具有减小了的壁厚的固体屏蔽层。在此，壁厚不应当低于1mm，因为此处涉及结构上的设计极限。固体屏蔽层必须具有即足够的机械稳定性。优选可以设计1至3mm的壁厚。

还可行的是，固体屏蔽层配有分级的电阻，如已对包皮所描述的那样。在此，电阻率随着固体屏蔽层与传导元件的距离的增大而提高。固体屏蔽层以及包皮中的分层不同的电阻率分级的调节的优点是，电阻率可以与包围传导装置的电场的、分别局部存在的场强匹配。

附图说明

下列根据附图描述本发明的其他细节。相同或相应的附图元件在各附图中配有相同的附图标记，并因此仅多次阐述在各附图之间的区别。附图中：

图1简略示出用于布线装置的绝缘段的实施例的剖面图以及

图2简略示出布线装置的另一个实施例的纵剖面。

具体实施方式

按图1的电绝缘段18一般由多个纤维素材料19层组成，在这些层之间可以存在油层20。该电绝缘段起始于待绝缘的部件12的金属表面11，该待绝缘的部件12例如通过未示出的用于由对应壳体构成的高压直流输电构件的电导线的绝缘套管的管子形成。纤维素材料19也以油浸渍，这在图1中未示出。为此，在图1中，在纤维素材料的内部可见浸渍物11。按图1示出的绝缘层例如在变压器中包围此处使用的、用于容器壁的布线装置的电极管21。

当存在交流电压时，变压器的电绝缘必须在工作情况下防止也在布线装置区域内的电击穿。在这种情况下，绝缘层的绝缘特性与绝缘层的组件的电容率有关。对于油，电容率ε_o约为2，对于纤维素材料ε_p为4。因此，在绝缘受到交流电压时，对于各个绝缘组件的负荷获得在油上的电压U_o约是纤维素材料上的电压U_p的两倍。若使用纳米复合物，其中，纤维素材料19按本发明浸渍，则浸渍物11不影响在按本发明的绝缘材料中的电压分布，因为电容率ε_BNNT同样约为4并因此浸渍过的纤维素材料的电容率ε_comp也约为4。因此，即使在按本发明绝缘时，作用在油上的电压U_o也约为形成于纳米复合物(纤维素材料)上的电压U_comp的两倍。

同时，当存在直流电压时，在高压直流输电组件中，绝缘材料的击穿强度是重要的。因此，当然在各个绝缘组件上存在的电压分布不再与电容率有关，而与各个组件的电阻率有关。油的电阻率ρ_o在10¹³到10¹²Ωm之间。考虑，按本发明进行更大部分的电压降以便减轻油中的纤维素材料的载荷并且油的电阻率在存在电压时减小，更确切地说，如图1所示，电阻率ρ_o从10¹²Ωm起。与之相应地，纤维素材料的ρ_p高出三个数量级并且为10¹⁵Ωm。这导致，当存在直流电压时，油上的电压U_o为纤维素材料上的电压U_p的千分之一(假设ρ_o＝10¹³Ωm的至少百分之一至五百分之一)。这种不平衡隐藏的危险是，在给绝缘材料施加直流电压时导致纤维素材料中的击穿并且电绝缘失灵。

按本发明引入纤维素材料19的浸渍物11例如可以由BNNT组成并且通过适合的由PEDOT:PSS构成的BNNT料层并且可能地通过附加地给BNNT掺杂具有其电阻率(在0.1和1000Ωm之间)的掺杂材料这样地调节，使得纤维素材料ρ_p的电阻率降低。这也通过唯一使用PEDOT:PSS或唯一使用BNNT实现。因此，可以为按本发明的复合物设定一个接近电阻率ρ_o并且在理想情况下约等于该电阻率ρ_o的电阻率ρ_comp。当电阻率ρ_comp最高为5×10¹³Ωm时，形成于油上的电压U_o按数量级在形成于复合物上的电压U_comp的范围内，以便调节绝缘材料中的补偿的电压分布。由此有利地改善绝缘材料的击穿强度，因为纤维素材料的载荷明显降低。

按图2的布线装置具有作为传导元件的电极管21。除了该结构方案外，在对称线的另一边是导电螺栓23，该导电螺栓同样用作传导元件。在电极管21用于导引穿过未详细示出的高压直流输电导线时，若使用导电螺栓23，高压直流输电导线就导电地固定在正面端部24，以便导电螺栓23本身是高压直流输电导线的一部分。因此，与使用导电螺栓23还是电极管21无关，在该部件传导性的表面25上设置由纤维素材料制成的包皮26。该包皮26由多个分层27组成，所述多个分层27由纸卷绕组成。这些分层具有不同的电阻率。

此外，围绕包皮同心地设有多个由层压纸板构成的固体屏蔽层28，28i，该固体屏蔽层28同样由具有减小的电阻率的纤维素材料组成。在固体屏蔽层相互之间以及在第一固体屏蔽层28i和包皮26之间设有缝隙32形状的间隙，该间隙以未详细示出的方式填充有变压器油。固体屏蔽层和包皮与屏蔽电极30共同地形成用于高压直流输电布线装置的绝缘段。

屏蔽电极30用于容纳未详细示出的高压直流输电导线，该高压直流输电导线由于实现了在屏蔽电极内部轴向的补偿盘形地铺设。屏蔽电极本身同样设有料层31形式的纤维素材料。该料层也可以由纸卷组成或例如由层压纸板构成的成形体组成。对于料层31还适用的是，按本发明的、具有减小的电阻率的纤维素材料的使用是特别有利的。

Claims (8)

1.一种用于高压直流输电构件的容器壁的布线装置，包括

·具有传导性的表面的电极管(21)或导电螺栓(23)和

·由纤维素材料制成的包皮(26)，所述包皮(26)全面包围所述电极管(21)或导电螺栓(23)，

其特征在于，

所述包皮(26)设计成由已处理的纤维素材料(19)构成的复合物，

·在所述纤维素材料中，具有相比未处理的纤维素材料的电阻率ρ_p更小的电阻率的颗粒以高于渗滤阈值的浓度分散和/或

·在所述纤维素材料中，具有相比未处理的纤维素材料的电阻率ρ_p更小的电阻率的传导性聚合物的相互关联的网络穿过所述复合物，其中，所述电阻率由相邻的、形成所述包皮(26)的分层(27)分级并且具有最小电阻率的所述分层与所述电极管(21)或所述导电螺栓(23)邻接，

其中，所述分层(27)的电阻率分别通过颗粒和/或传导性聚合物的浓度确定。

2.按权利要求1所述的布线装置，

其特征在于，

至少在所述包皮(26)的表面上的所述复合物的电阻率ρ_comp最高为5×10¹³Ωm。

3.按权利要求2所述的布线装置，

其特征在于，

至少在所述包皮(26)的表面上的所述复合物的电阻率ρ_comp为变压器油的电阻率ρ_o的1至20倍。

4.按权利要求2所述的布线装置，

其特征在于，

至少在所述包皮(26)的表面上的所述复合物的电阻率ρ_comp按数量级相当于变压器油的电阻率。

5.按权利要求1至4之一所述的布线装置，

其特征在于，

所述包皮(26)由带有多个卷层的纸卷组成，其中，所述纸卷围绕所述电极管(21)或所述导电螺栓(23)卷绕。

6.按权利要求1至4之一所述的布线装置，

其特征在于，

所述包皮(26)的厚度相比在代替所述复合物使用相关未处理的纤维素材料时所需要的厚度减小。

7.按权利要求1至4之一所述的布线装置，

其特征在于，

围绕所述包皮(26)设置固体屏蔽层(28，28i)，使得在所述固体屏蔽层相互之间以及相对于所述包皮(26)形成用于变压器油的缝隙(32)。

8.按权利要求7所述的布线装置，

其特征在于，

所述固体屏蔽层(28，28i)也由已处理的纤维素材料(19)组成。