CN104126207A - 用于高电压装置的复合材料 - Google Patents
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Abstract
用于具有高电压导电体的高电压装置的复合材料，所述复合材料包含聚合基质和至少一种包埋于所述聚合基质的纤维，所述纤维的平均直径小于500nm。
Description
技术领域
本发明总体涉及高电压装置领域，并且涉及新的复合材料和它们在制造高电压装置中的用途，更特别涉及高电压装置。这样的装置用于例如高电压设备，如发电机或变压器，或者用于高电压装置，如气体绝缘的开关装置。
背景技术
用于制造以上提及的装置(特别是衬套)的绝缘材料的主要要求是：(i) 良好的电绝缘(高电阻)，(ii) 高介电强度，(iii) 良好的机械性质(即，韧度和弹性)，(iv) 它们应不受环境化学物质的影响。另外，材料应为非吸湿的，因为任何材料的介电强度非常不利地受水分的影响。
高电压户外衬套为通常用于在高电位下从高电压部件的被包封的作用部分(如变压器或断流器)通过接地的屏障(如变压器槽或断流器外壳)向高电压户外线路携带电流的部件。这样的衬套通常用于高电压装置(特别是开关装置)或用于高电压机器(如发电机或变压器)，用于高达数百kV的电压。
为了降低和控制所得到的高电场，衬套通常包含沿着轴延伸的导体、电容器芯和在电容器芯上模塑的电绝缘聚合气候保护外壳。电容器芯降低电场梯度，并且沿着衬套的长度均匀分布电场。从而，电容器芯提供相对均匀的电场，因此促进电应力控制。
电容器芯含有电绝缘材料，并且取决于材料的类型，存在若干种类的电容器芯。根据早前技术状态，衬套的电容器芯通常用牛皮纸或绉牛皮纸缠绕作为间隔物。根据更新近的备选方案，电容器芯用油浸渍(OIP，油浸渍纸)或用树脂浸渍(RIP，树脂浸渍纸)。RIP衬套显示它们代表干(不含油)衬套的优点。RIP衬套的芯用纸缠绕。随后在芯的加热和真空过程期间引入树脂。然而，浸渍纸衬套的缺点在于用油或用树脂浸渍纸和金属膜的预缠绕堆叠的过程为缓慢的过程。
用于衬套的下一代树脂浸渍芯以其中衬套具有导体和围绕导体的芯的装置为代表，其中所述芯包含以螺旋形式围绕导体缠绕的片状间隔物。间隔物用电绝缘基质材料浸渍。通过间隔物的螺旋缠绕，形成许多相邻的层。芯还包含具有导电层的均衡化元件，其以与轴适当的径向距离排列。所述层具有开口，基质材料可通过这些开口渗透。这样的装置公开于EP-A-1 798 740。
根据该技术状态，聚酯织物代替纸，作为给予电容器芯机械强度和支持传导材料的手段，所述传导材料用于电容器芯体内的电场分级(electrical field grading)。由于织物呈现敞开的织造或敞开的编织结构的事实，与纸相比，可实现改进的浸渍、干燥和加工。
通常，织物应用作间隔物，因此已使用正常厚度的纤维或相对厚的纤维，使得得到期望的芯体积，而没有过度缠绕并且成本合理。
然而，观察到纤维倾向于与其中包埋它们的基质材料分层。因此，在纤维和基质材料之间产生内腔或自由空间。
然而，在基质和纤维之间形成这样的腔可导致部分放电，因此潜在地导致致命的绝缘失效。甚至在绝缘体积中的单独缺陷和在内部材料界面处的不均匀性可危及绝缘能力。因此，期望可靠地降低这样的分层风险。
发明公开内容
因此，一个目的是产生绝缘材料，优选用于制造高电压衬套或其它高电压装置的绝缘材料，其至少减少以上提及的缺点，并且特别显示在纤维和固化的基质材料之间没有或至少非常小的自由空间。此外，一个目的是提供制造包含上述绝缘材料的高电压装置的方法。
鉴于以上，提供权利要求1的复合材料、权利要求11的它的用途、权利要求12的高电压装置和权利要求14的方法。本发明的其它优点、特征、方面和细节由所附权利要求、说明书和附图显而易见。
根据一个方面，通过用于具有高电压导电体的高电压装置的复合材料，以上确定的问题可至少在一定的程度上解决，所述复合材料适用于至少部分覆盖所述高电压导电体，用于使所述高电压导电体的电场分级，所述复合材料包含：聚合基质；和至少一种包埋于所述聚合基质的纤维，所述至少一种纤维的平均直径小于500 nm。
根据另一个方面，复合材料用于制造高电压装置。
根据另一个方面，高电压装置包含高电压导电体和本文描述的复合材料。复合材料至少部分覆盖所述导体，用于使所述高电压导电体的电场分级。
根据另一个方面，制造高电压装置的方法包括：提供高电压导电体，围绕所述高电压导电体缠绕至少一种纤维，所述纤维的平均直径小于500 nm，并且在聚合基质中包埋所述纤维或所述织物。从而，得到包括包埋于聚合基质中的纤维的复合材料。
纤维的直径可为20 nm-500 nm，或甚至50 nm-500 nm。平均纤维直径的下限可或者甚至高达80 nm或100 nm，从而降低成本。使用本文描述的任何下限，纤维直径的上限可或者低至400 nm或300 nm，从而进一步降低分层的风险。
本文使用的“高电压装置”定义为适用于通过可能接地的界面携带至少1 kV AC或1,5 kV DC电压的装置。例如，高电压装置的额定电压可为约17.5 kV-约800 kV。额定电流可为1 kA-50 kA。
本文使用的“纤维”应指单一纤维以及多种纤维。所述至少一种纤维可形成织造或非织造织物。根据本发明的一方面，在聚合物基质中，所述至少一种纤维形成至少一个片状层。
用于制造复合材料的纤维可由电绝缘或导电有机或无机材料制成。
纤维的合适的材料包含有机聚合物，例如聚烯烃(例如聚乙烯(PE)或聚丙烯)、聚酯、聚酰胺、芳族聚酰胺、聚苯并咪唑(PBI)、聚苯并双噁唑(PBO)、聚苯硫醚(PPS)、基于三聚氰胺的聚合物、聚苯酚、聚酰亚胺；
或者，纤维可来自无机材料(例如，氧化铝或玻璃)，例如S-玻璃纤维、E-玻璃纤维、Altex纤维(Al2O3/SiO2)、Nextel纤维(Al2O3/SiO2/B2O3)、石英、碳(石墨纤维)、玄武岩纤维(SiO2/Al2O3/CaO/MgO)、氧化铝纤维(Almax纤维、Al2O3)硼纤维、碳化硅纤维(SiC、SiCN、SiBCN)、铍纤维，或者来自陶瓷材料和/或来自导电材料(例如金属或石墨)的纤维。另外，纤维可由非传导性材料制成，但是涂布有至少一个导电层或涂布有至少一个半传导性层。
优选来自有机材料(特别是来自聚合物或共聚物)的纤维，因为可精细调节有机聚合物的物理性质，使得聚合物以及由这些聚合物制成的纤维可优化实施用于它们的预期用途。可精细调节的性质包括但不限于特别是Tg (玻璃化转变温度)、分子量(Mn和Mw二者)、多分散性指数(PDI，Mw/Mn的商)和程度。例如，聚合物可设计为显示低Tg，为“粘性的”，并且比起具有较高Tg的聚合物，这样的低Tg聚合物具有有益特征，因为这些聚合物在给定的温度下更有弹性。
另外，使用具有低的或等于零的水吸收的纤维具有很大优势，特别是与纤维素纤维的水吸收相比小的水吸收。
作为通用的方面，提供纤维作为形成织造层(织物)或非织造层的单一纤维。这样的单一单丝纤维比纤维束更可靠地降低分层的风险。
基质材料为基于聚合物的材料。这些聚合物可通常以基于以下的树脂为代表：硅酮、环氧聚合物、疏水性环氧聚合物、不饱和聚酯、特别是聚乙烯基酯、聚氨酯、聚苯酚、聚碳酸酯、聚醚亚胺(UltemTM)、它们的共聚物和/或混合物。根据一个优选的方面，聚合物以疏水性环氧聚合物为代表。
所述至少一种纤维可涂布有粘合促进剂，所述粘合促进剂允许所述至少一种纤维与聚合物基质物理或化学联接。合适的粘合促进剂以粘合促进性有机聚合物为代表，例如聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯(PVA)、羧甲基纤维素、聚丙烯酸(PAA)或聚甲基丙烯酸(PMA)、苯乙烯/马来酸酐共聚物聚氨酯、氰基丙烯酸酯以及它们的共聚物和混合物。
这样的聚合粘合促进剂(特别是聚氨酯)提供由不同的纤维材料制成的大量纤维与多种聚合物基质的联接。环氧聚合物形成纤维与基质的耐热和耐化学联接；此外，环氧聚合物形成强结合，并且代表良好的电绝缘体。聚乙酸乙烯酯(PVA)导致纤维与具有热塑性特性的基质之间的连接。甲基丙烯酸酯聚合物粘合促进剂在纤维和基质材料之间形成连接，其呈现良好的抗冲击性、柔韧性和剪切强度。氰基丙烯酸酯聚合物的选择导致固化时间短，这导致复合材料或高电压装置的制造时间短。
纤维可具有经过机械处理的表面，特别是粗糙化的表面，用于改进的基质材料粘合。经过机械处理的表面可刷拭、蚀刻、涂布或另外处理。这将进一步降低分层的风险。
本文描述的发明最有利地适用于聚合纤维，但是也适用于其它有机或无机纤维材料。其甚至适用于由于它们的化学特性而不能与基质材料(特别是环氧聚合物)形成共价键或者由于它们的物理结构不能浸渍的纤维。
根据另一方面，基质材料可包含填料颗粒。优选，基质包含含有填料颗粒的聚合物。聚合物可例如以环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂或者如上陈述的另外的电绝缘聚合物为代表。优选，填料颗粒为电绝缘或半传导性的。合适的填料颗粒可例如以选自以下的无机化合物的颗粒为代表，例如SiO2、Al2O3、BN、AlN、BeO、TiB2、TiO2、SiC、Si3N4、B4C等，或它们的混合物。还可在聚合物中使用多种这样的颗粒的混合物。优选，颗粒的物理状态为固体。
与具有未填充的树脂作为基质材料的芯相比，如果使用具有填料的基质材料，则在芯中存在较少的树脂。因此，可显著降低使可固化的单体或低聚物混合物固化所需的时间，这样减少制造高电压装置所需的时间。
此外，如果填料颗粒的热膨胀系数小于聚合物的热膨胀系数，则是有利的。如果填料材料因此选择，则显著增强高电压装置的热-机械性质。由于基质材料与填料一起使用，芯的较低的热膨胀系数将导致在固化期间降低的总化学收缩。这使得能够生产(近)终形装置(或特别是衬套(无需机械加工))，因此显著降低高电压装置(例如衬套)的生产时间。
根据另一方面，复合材料还包含在基质中分散的导电或半传导性片状层作为电场均衡化层。
根据一些以上方面的备选方面，如果纤维涂布有上述粘合促进剂，则上述复合材料的纤维可用平均直径大于500 nm的纤维代替。随后，仅通过粘合促进剂而不是通过纤维的几何条件，降低分层的风险。然而，优选直径小于500 nm的纤维。如果这样的小半径纤维与上述粘合促进剂组合，则纤维几何条件和粘合促进剂具有协同效果，用于最有效地降低分层的风险。
根据一方面，本文描述的高电压装置为以下之一：高电压变压器的变压器绕卷；用于高电压应用的电流变压器；高电压通过式导体，其中所述复合材料为围绕所述高电压通过式导体的衬套；高电压电缆端部终端，其中所述复合材料为围绕所述电缆端部的电缆端部绝缘体。
本文描述的每一个方面和实施方案可与其它方面和实施方案组合，从而得到另外的方面和实施方案。预期所有这些方面和实施方案为本文公开内容的一部分。
在以下，使用衬套作为实例来解释本发明的复合材料的示例性用途。然而，应理解的是，复合材料可用于高电压工程领域内部以及外部的多种应用。
附图描述
图1显示本发明的高电压户外衬套的一个实施方案，右边为通过衬套的轴向部分截面。所描述的实施方案意图作为实例并且不应限制本发明。
示于图1的衬套关于对称轴1基本上旋转对称。在衬套的中部布置柱状支撑体2，其作为固体金属棒或金属管实施。金属棒(支撑体2)为导电体，其将被包封装置的作用部分(例如变压器或开关)与户外部件(例如电源线)连接。
在一个备选的实施方案中，支撑体2可为其中接受导电体(例如电缆的端部)的管。在这种情况下，导体可从下面引导进入支撑体2 (管)。通常，支撑体2可为棒或管或线。在以下，支撑体2描述为导体。
轴1不需要是完全对称轴。轴1通常通过支撑体2的形状来限定。
支撑体2被芯3部分围绕，芯3关于轴1基本上旋转对称。芯3在上轴端8和下轴端之间覆盖支撑体2。
芯3由根据本发明的一方面的复合材料制成。芯3包含一种或多种纤维的绝缘层4，其围绕导体2缠绕。绝缘层4被包埋于基质材料并且用基质材料浸渍。
纤维4可为本文公开的任何纤维，其平均直径小于500 nm。例如，可使用基于聚酯的纤维。纤维4形成一个或多个织造或非织造层，或片状间隔物，其以螺旋形式围绕轴1缠绕。因此形成许多相邻的层。
纤维4用电绝缘基质材料浸渍。该基质可为本文公开的任何聚合基质。基质材料可为例如固化的基于聚合物的树脂并且任选填充有无机填料粉末。例如，基质可为填充有Al2O3颗粒的环氧树脂或聚氨酯。同样，在一个实例中，在固化前，填料粉末包含约45%体积的基质材料。在又一实例中，基质包含环氧树脂(其用酸酐固化)和作为填料粉末的熔融二氧化硅。熔融二氧化硅颗粒的尺寸可高达64 μm，并且包含具有不同平均粒径的三个部分，例如尺寸分别为2、12和40 μm。
在纯(未填充颗粒)树脂的情况下，芯的热导率通常为约0.15 W/mK-0.25 W/mK。当使用填充颗粒的树脂时，可容易实现衬套芯的热导率为至少0.6W/mK-0.9W/mK或甚至超过1.2W/mK或1.3W/mK的值。当使用填充颗粒的基质材料时，热膨胀系数可小得多。这导致在衬套芯中较小的热-机械应力。
在带4的相邻绕卷之间布置导电分级插入物或均衡化元件5。分级插入物5用作浮动电容，其均化和控制电场，从而降低电场梯度。通常，提供传导性分级插入物5作为与纤维层(通过纤维4限定的层)独立的层。可形成分级插入物5作为由涂布有导电涂层的纤维制成的相应的层。备选或另外地，可形成分级插入物5作为传导性膜。分级插入物5 (例如，传导性膜)可为连续的，或作为彼此不相连但是位于共同直径处的多个分开的部分(例如，膜)而提供。
传导性分级插入物5和纤维4可形成交替层，两者均围绕导体2螺旋状缠绕。通常，在相邻的分级插入层之间可存在2-15个纤维层。然而，还可在相邻的分级插入层之间具有仅1个或多于15个纤维层。
在衬套的径向端部，提供脚法兰6，其允许将衬套固定于被包封装置的接地外壳。在操作条件下，导体2处于高电位，并且电容器芯3确保一方面的导体2和另一方面的外部(包括法兰6)之间的电绝缘。
此外，电绝缘气候保护外壳7在外部围绕芯3。气候保护外壳7由基于硅酮或疏水性环氧树脂的聚合物制造。外壳7包含伞裙(shed)，并且在电容器芯3上模塑，使其从脚法兰6的顶部沿着电容器芯3的邻接外表面向导体2的上端8延伸。外壳保护电容器芯3免于由辐射(UV)和气候引起的老化，并且在衬套的整个寿命期间保持良好的电绝缘性质。设计伞裙的形状，使其当暴露于雨时具有自清洁表面。这避免灰尘或污染物在伞裙的表面上累积，其可影响绝缘性质并且导致电击穿。
在零件2、3和6的覆盖的表面上沉积的粘合剂层改进各部件彼此之间和与外壳7的粘合。
在芯3和外壳7之间存在中间空间的情况下，可提供绝缘介质，例如，绝缘液体，如硅酮凝胶或聚氨酯凝胶，以填充该中间空间或衬套内的任何其它空间。
接着，描述图1的衬套的制造。首先，提供支撑体(导电体)2并且安装在缠绕轴等上。随后，通过在缠绕轴上旋转支撑体2，围绕支撑体2缠绕一种或多种纤维。纤维4可为本文公开的任何纤维，其平均直径小于500 nm。可将纤维4提供为织造或非织造带状层，其宽度方向沿着轴1延伸。可将层提供为一个或多个条或块(彼此轴向相邻和/或在彼此顶部，使得通过围绕轴缠绕支撑体2一次性产生数个层)。
可在纤维4的两层之间缠绕分级插入物5。为了此目的，在一定绕卷数之后，在芯中插入分级插入物5，使得分级插入物以良好限定的距支撑体2可指定的径向距离布置。随后，继续缠绕过程，使得在制造的衬套中，分级插入物5位于纤维层4的两层之间。另一种可能性是在缠绕之前或期间，使得分级插入物5固定于纤维的一个或多个堆叠的层。
代替在支撑体2上缠绕纤维4，还可在心轴上缠绕纤维4，在完成生产过程之后将所述心轴移除。随后，支撑体2可插入芯3中在放置心轴的地方留下的孔内。在那种情况下，支撑体2可由一些绝缘材料(如绝缘液体)围绕，以避免在支撑体2和芯之间的空气间隙。
接着，将纤维4的缠绕的芯浸没在聚合基质材料中。这可如下进行：通过施加真空和向抽空的纤维(即，向还未完成的芯)施用基质材料，直至纤维被完全浸渍。在通常25-130℃的温度下，在真空下发生浸渍。
随后，将聚合基质材料固化或另外硬化，在环氧化物的情况下，在例如60-150℃的温度下。可能，基质材料随后还后固化，以达到期望的热-机械性质。随后将芯冷却，最终机械加工，并且应用法兰6、绝缘包封7和其它零件。结果是，得到包括包埋于聚合基质材料中的纤维的复合材料。
以上描述主要涉及具有根据本发明的方面的复合材料的衬套。除衬套外，以上描述也等同地适用于其它高电压装置，其中的一些本文已提及。这些其它高电压装置可采用与上述衬套类似的方式制造。
本文描述的复合材料的优点在于，显著降低纤维和基质材料之间的分层风险。
认为分层主要是纤维和聚合基质的不同热膨胀系数以及如上所述在制造电容器芯期间的强温度变化的结果。也就是，在基质材料中被包封的纤维的几何条件在高温下固定(例如，在环氧树脂的情况下，热点温度，或者更通常在基质固化或硬化所处的聚合过程的反应温度下)。随后，将电容器芯冷却至室温。在该冷却期间，纤维和基质材料经历互相不同的体积变化，因此彼此分层。
如所证明，当纤维具有小于500 nm的非常小的直径时，显著降低该分层问题。这对于纤维是不常见的直径，毕竟纤维应用作间隔物。然而，该小直径降低了纤维和基质材料之间的不同热膨胀在该尺度上相关的长度尺度；从而降低由于该热膨胀产生的在纤维和基质材料之间的张力。结果是，即使在纤维和基质材料之间相对弱的结合也足以避免分层。
此外，通过具有涂布有粘合促进剂(例如底漆)的纤维，可改进结合。特别是，粘合促进剂可引起在纤维和基质之间的共价键合。采用这种方式，粘合促进剂进一步改进纤维与聚合物基质的物理或化学联接。
Claims (15)
1. 用于具有高电压导电体的高电压装置的复合材料，所述复合材料适用于至少部分覆盖所述高电压导电体，用于使所述高电压导电体的电场分级，所述复合材料包含：
- 聚合基质；和
- 至少一种包埋于所述聚合基质的纤维，所述至少一种纤维的平均直径小于500 nm。
2. 权利要求1的复合材料，其中所述纤维的直径为20 nm-500 nm，优选50-500 nm。
3. 前述权利要求中任一项的复合材料，其中所述至少一种纤维为以下至少之一：多种纤维，和所述至少一种纤维的织造或非织造织物。
4. 前述权利要求中任一项的复合材料，其中所述聚合基质包含树脂，所述树脂包含有机或无机聚合物，例如硅酮、环氧聚合物、聚酯、聚氨酯、聚苯酚、它们的共聚物；特别是疏水性环氧聚合物、不饱和聚酯、聚乙烯基酯、聚氨酯或聚苯酚、聚碳酸酯、聚醚亚胺(UltemTM)、它们的共聚物和/或混合物，并优选疏水性环氧聚合物。
5. 前述权利要求中任一项的复合材料，其中所述纤维由电绝缘有机或无机聚合物制成，所述聚合物包含聚乙烯(PE)、聚酯、聚酰胺、芳族聚酰胺、聚苯并咪唑(PBI)、聚苯并双噁唑(PBO)、聚苯硫醚(PPS)、基于三聚氰胺的聚合物、聚苯酚、聚酰亚胺、S-玻璃纤维、E-玻璃纤维、Altex纤维(Al2O3/SiO2)、Nextel纤维(Al2O3/SiO2/B2O3)、石英、碳(石墨纤维)、玄武岩纤维(SiO2/Al2O3/CaO/MgO)、氧化铝(Almax纤维、(Al2O3)硼纤维、碳化硅纤维(SiC、SiCN、SiBCN)、铍纤维或陶瓷材料；和/或由导电材料制成，优选金属纤维或导电纤维，优选(石墨纤维)或由涂布有至少一个导电或半传导性层的非传导性材料制成的纤维。
6. 前述权利要求中任一项的复合材料，其中所述至少一种纤维涂布有粘合促进剂，所述粘合促进剂允许与所述聚合物基质物理或化学联接。
7. 权利要求6的复合材料，其中所述粘合促进剂为有机聚合物，优选选自聚氨酯、环氧聚合物、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、羧甲基纤维素、聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸、苯乙烯/马来酸酐共聚物。
8. 前述权利要求中任一项的复合材料，所述复合材料还包含在所述聚合基质中分散的填料颗粒。
9. 前述权利要求中任一项的复合材料，所述至少一种纤维在所述聚合基质中形成至少一个片状层。
10. 前述权利要求中任一项的复合材料，所述复合材料还包含在所述基质中分散的导电或半传导性片状层作为电场均衡化层。
11. 前述权利要求中任一项的复合材料在制造高电压装置中的用途。
12. 高电压装置，所述装置包含：
高电压导电体，和
前述权利要求1-10中任一项的复合材料，其中
所述复合材料至少部分覆盖所述导体，用于使所述高电压导电体的电场分级。
13. 权利要求12的高电压装置，其中所述高电压导电体为以下之一：
- 高电压变压器的变压器绕卷；
- 用于高电压应用的电流变压器；
- 高电压通过式导体，其中所述复合材料为围绕所述高电压通过式导体的衬套；
- 高电压电缆端部终端，其中所述复合材料为围绕所述电缆端部的电缆端部绝缘体。
14. 制造高电压装置的方法，所述方法包括：
- 提供高电压导电体，
- 围绕所述高电压导电体缠绕至少一种纤维，所述纤维的平均直径小于500 nm，
- 在聚合基质中包埋所述纤维或所述织物，从而得到包括包埋于所述聚合基质中的所述纤维的复合材料。
15. 权利要求14的方法，所述方法还包括使所述聚合基质硬化。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20141029 |