CN105229758A - 变压器绝缘 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电变压器，其包括电绝缘体和围绕芯的电导体的绕组，所述绝缘体由基本上无孔的复合材料形成，该基本上无孔的复合材料包括树脂基质和由树脂基质包绕的达到85％重量的绝缘纤维，复合材料在23℃和50％的相对湿度下具有小于0.5％重量的最大含湿量。

Description

变压器绝缘
技术领域
本发明涉及一种包括电绝缘体和围绕芯的电导体的绕组的电变压器。
背景技术
在电变压器的不同部分中，绝缘材料用于避免飞弧等。该绝缘材料典型地为基于纤维素的，因为此类纸或压板材料廉价，并且容易处理，同时给予了足够的绝缘。充油变压器中的绝缘体的实例为：
隔离物，其定位在绕组的圈/盘之间，允许油在其间循环。
轴向杆，其定位在绕组和芯之间，或不同的绕组之间。
围绕绕组定位的圆筒，其在绕组与其芯之间，或在不同的绕组之间。
绕组台，其定位在多个绕组的顶部和下方，支承绕组。
绕组的导体的绝缘涂层。
然而，纤维素典型地具有大约6到8％重量的含湿量。尽管绝缘材料在变压器制造期间干燥，但公知的是，存在于纤维素绝缘物中的湿气继续是在变压器的操作寿命期间的问题(介电、热、老化、气泡形成和操作中的不可靠性)的主要原因。如果未完美平衡，则隔离物由于湿气的收缩可导致绕组的轴向不平衡，这将导致较高的短路力。
此外，纤维素不可在长时间内耐受高于105℃的变压器的高操作温度。将合乎需要的是能够在高温下连续地操作变压器，或能够耐受过载，但接着，现在使用的基于纤维素的绝缘体不合适。芳纶1313例如NomexTM是具有高于纤维素的耐热性的绝缘材料，但其还为多孔的，并且包含高含湿量。
对纤维素的高温敏感的高湿气吸收导致绝缘纤维素材料的更快速的老化。例如，对于每次6到8℃的温升，纸的热恶化与其含水量成正比，纸绝缘的寿命减半。
为了耐用并且耐受施加在其上的应变，尤其是在长时间段内在高温下的油中，绝缘材料还需要为强且有回弹性的。
US8,085,120公开了一种用于流体填充的电力变压器的绝缘系统，其允许变压器在较高温度下并且以对老化的较低敏感性来操作。绝缘系统包括由固体粘合剂粘合在一起的多条纤维。例如，固体粘合剂可形成围绕纤维的套，或者可呈将纤维粘合于彼此的分散颗粒形式。一对基础纤维均具有粘合材料片，其粘合于彼此，将两条基础纤维粘合于彼此。纤维形成多孔绝缘网格，其允许变压器的冷却流体穿透并且循环穿过绝缘材料，从而避免其中可发生局部放电的泡。
WO2004/072994公开了一种变压器，其包括限定芯窗的芯、包绕芯的一部分并且包括位于芯窗内的部分的第一线圈、包绕芯的一部分并且包括位于芯窗内的部分的第二线圈，以及聚合物隔层绝缘部件，其至少部分地位于芯窗内，并且定位在第一线圈与第二线圈之间。绝缘材料由构造成耐受大约130℃的操作温度的高温聚合物制成。此外，聚合物材料构造成使得吸收不大于大约1％的湿气。
发明内容
本发明的目的在于解决关于现有技术的绝缘材料的问题。
根据本发明的方面，提供了一种电变压器，其包括电绝缘体和围绕芯的电导体的绕组，所述绝缘体由基本上无孔的复合材料形成，该基本上无孔的复合材料包括树脂基质和由树脂基质包绕的达到85％重量的绝缘纤维，复合材料在23℃和50％的相对湿度下具有小于0.5％重量的最大含湿量。
根据本发明的另一个方面，提供了一种生产用于电变压器的电绝缘体的方法，该方法包括将树脂与达到85％重量的绝缘纤维混合。该方法还包括将具有呈液体形式的树脂的混合物处理成用于电绝缘体的合适的形状。该方法还包括允许成形的混合物冷却并且凝固，以形成基本上无孔的复合材料的电绝缘体，其包括树脂基质和由树脂基质包绕的达到85％重量的绝缘纤维，复合材料在23℃和50％的相对湿度下具有小于0.5％的最大含湿量。在一些实施例中，该方法还可包括将电绝缘体定位在电变压器中。
复合材料是基本上无孔的意味着材料不允许液体例如经由孔、通道、裂缝等渗透到材料中或穿过材料，不存在任何小孔(即，在复合材料的生产期间形成的封闭气泡，其作为备选可称为空隙)，至少没有小孔具有如此大的直径，使得存在任何此类小孔中的局部放电的风险。因此，根据帕邢定律，复合材料中的任何小孔太小而不允许击穿。用于避免局部放电的最大孔径例如取决于电压等。在一些实施例中，假设它们具有最多1微米的孔径，则小孔为可接受的。另外，如由23℃和50％相对湿度下具有小于0.5％重量的最大含湿量的复合材料限定的，例如，依靠基本上无孔，材料不吸收湿气。因此，材料不膨胀/收缩和改变其厚度。此外，绝缘体材料为包括树脂基质和达到60％重量的绝缘纤维的复合材料。纤维使绝缘材料增强，使其较强，并且对于施加在其上的力和应变有更大回弹性。纤维由树脂基质包绕或浸入树脂基质中，该树脂基质使纤维关于彼此固定，形成实心的无孔且不可渗透的复合材料，例如，呈实心块、圆筒或片的形式。低湿气吸收和没有小孔减小了绝缘体的可压缩性，使其适用于例如隔离物。
树脂基质由耐热且具有低湿气吸收的树脂制成。此类树脂的实例包括选自由以下构成的组的合成热塑性复合物：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯撑硫(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPE)和聚醚砜(PES)、聚醚酮醚(PEEK)和环氧或非饱和聚酯的热固性树脂，以及它们的任何混合物。
绝缘体材料可包括达到85wt％的纤维，其仍可允许树脂和纤维的复合混合物例如注射模制来形成绝缘体。然而，在一些实施例中，绝缘体包括达到60％或达到20％重量的绝缘纤维，其可给予充足的装备和改进的机械性能。合适量的纤维取决于复合材料的期望机械性质。例如，隔离物可需要较高程度的柔性，由此可使用较低比例的纤维，例如，10％到30wt％之间，而绕组台可需要较高的结构强度，由此50到70wt％之间的纤维比例可为合适的。在一些应用中，纤维的比例可低到1wt％或10wt％。
纤维还优选为耐热的，并且不吸收湿气，并且不是传导性的。合适的纤维的实例包括玻璃纤维，玄武岩纤维或芳纶纤维，或它们的任何混合物。为了避免纤维材料与绝缘体的表面处的树脂基质之间的界面中的液体吸收的风险，绝缘体例如可涂覆有树脂，例如，与树脂基质中相同的树脂材料，使得不存在纤维端与绝缘体的外部接触。
可方便使用相对长的纤维以便改进增强效果，改进绝缘体材料的强度，但还可方便使用相对短的纤维，以改进复合混合物的可用性，例如，用于注射模制或其它生产技术。另外，相对短的纤维增强和改进绝缘体的强度和刚度。因此，在一些实施例中，纤维具有小于3毫米的数均长度，如，小于1mm或小于0.2mm。作为备选，在一些实施例中，纤维具有至少1mm或甚至大致无限纤维的数均长度。
电导体例如可为导电线、丝或条。
在一些实施例中，绝缘体呈以下中的至少一个的形式：绕组的圈或盘之间的隔离物、绕组外侧或内侧(例如，绕组与芯之间或绕组之间)的轴向杆、围绕绕组的在绕组与其芯之间或绕组之间的圆筒、定位在在线圈绕组的顶部或下方的绕组台，以及粘附于且包绕绕组线圈的导体的导体绝缘物。这些是变压器中的绝缘体的实例，其中本公开的复合材料可被有利地使用。
在一些实施例中，电变压器构造用于至少105℃、至少130℃或至少155℃的操作温度。如IEC60076-14(表4)中限定的，变压器使用高温级别的材料，并且因此可设计有混杂绝缘系统或半混杂绝缘系统或混合绝缘系统或常规绝缘系统。因此，本发明的绝缘体例如可处于从105℃(A类)开始到/从130℃(B类)或到/从155℃(F类)的固体绝缘材料的温度级别。
如上文所述，电变压器可为流体填充的，用于改进绝缘和/或换热。流体例如可为矿物油、硅油、合成酯、天然酯或气体。对于高温应用，可方便的是使用酯油，例如，天然或合成酯油。绝缘体优选抵抗流体，例如，不被流体溶解。因此，绝缘体应当大致不能够被流体浸渍，即，其应当大致不可浸渍和/或不透流体。作为优选，绝缘材料和流体不应当影响彼此的性质，并且不应当与彼此反应。
在一些实施例中，根据ASTMD-150或IEC60250，复合材料具有小于5的介电常数，例如，在60Hz下小于4.2。此类介电常数例如适于酯油填充的变压器。
在一些实施例中，根据ISO527，复合材料具有至少60MPa的抗拉强度，如至少75MPa。
此类高拉伸强度能够借助于本发明的纤维增强复合材料获得。
在一些实施例中，根据ISO604，复合材料具有至少150MPa的抗压强度，如至少200MPa。此类高抗压强度能够借助于本发明的纤维增强复合材料获得。
大体上，权利要求中使用的所有用语都根据技术领域中的它们的普通意义解释，除非在本文中另外明确限定。所有提到的″一/一个/该元件、设备、构件、器件、步骤等″都开放地解释为表示元件、设备、构件、器件、步骤等的至少一个情形，除非另外明确指出。本文中公开的任何方法的步骤都不必以公开的确切顺序执行，除非明确指出。针对本公开的不同特征/构件使用的″第一″、″第二″等仅旨在将特征/构件与其它类似的特征/构件区分开，并且不对特征/构件给予任何顺序或等级。
附图说明
现在参照附图经由实例描述本发明，在该附图中：
图1为本发明的电变压器的实施例的截面。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图来更完全地描述本发明，其中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可以以许多不同形式实施，并且不应当看作是限于本文中阐述的实施例；相反，这些实施例经由实例提供，以使本公开将为彻底且完整的，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。相似标记遍及说明书表示相似元件。
帕邢定律为给出击穿电压的方程，即，需要开始气体中的两个电极之间随压力和间隙长度变化的放电或电弧的电压。在本公开的构思内，间隙长度为复合材料内的任何小孔/空隙/通道的最小直径。引起弧所需的电压随间隙尺寸减小而减小，但仅至一点。在间隙进一步减小时，引起弧所需的电压再次升高。帕邢曲线由以下方程描述：
V＝apd/(ln(pd)+b)
其中V为以伏为单位的击穿电压，p为以大气或Bar为单位的压力，并且d为以米为单位的间隙距离。常数a和b为用于气体成分的特定常数。因此，在本发明的实施例中，基本上无孔的复合材料中的任何小孔具有小于间隙距离的最小直径，从而允许根据帕邢定律的击穿，这取决于所述小孔(例如，小于1微米)中的压力和气体。典型地，压力为大气压，并且气体为空气(a＝4.36x107V/(atm·m)并且b＝12.8)。
图1示意性地示出了电变压器100的实施例，其至少部分地填充油(由附图中指示的波状油-空气界面示意性地示出)。注意的是，附图仅为示意性的，并且提供成具体示出不同类型的绝缘体中的一些，其可与本发明一起使用。
示出了两个相邻的绕组101(a&b)，其均包括围绕芯103(a&b)(例如，金属芯)的电导体102(a&b)的线圈。芯103a和103b借助于顶部和底部轭104连接和固定于彼此。因此，这是变压器的一个示例性设立，但任何其它变压器设立可作为备选与本发明一起使用，如由本领域技术人员认知到的。
导体102借助于变压器包含的流体(例如，酯油)来与彼此和与变压器100的其它部分绝缘。然而，另外固体绝缘体需要在结构上将导体和变压器的其它部分保持在它们的预期位置固定。现今，此类固相绝缘体典型地由基于纤维素的压制板或由绝缘流体浸渍的NomexTM制成。相比之下，根据本发明，包括树脂基质和由树脂基质包绕的绝缘纤维的基本上无孔的复合材料用于形成绝缘体。例如，绝缘体可呈将绕组101的圈或盘与彼此分开的隔离物105、例如将导体105绕组101与其芯103或与另一个绕组101分开的轴向杆106、将绕组与变压器100的其它部分(例如，形成绕组、芯、轭等依靠在其上的支承物或台)分开的绕组台107，以及形成绕组101的导体102的绝缘涂层(未示出)的形式。在附图中，为了清楚起见，示出了仅一些不同的示例性绝缘体。例如，由绝缘复合材料制成的、围绕绕组的在绕组与其芯之间或在不同绕组之间(例如，高压和低压绕组之间)的圆筒可在一些实施例中使用。此类圆筒可在导体例如卷绕在圆筒上面/到其上时向绕组提供机械稳定性，并且其可破坏两个绕组(例如，低压绕组和高压绕组)之间的大油间隙，这改进了两个绕组之间的间隙的总体绝缘强度。在一些实施例中，围绕芯的同心圆筒可用于使绕组的不同导体层与彼此分开和绝缘。
隔离物105定位在导体103的圈或盘之间，使圈或盘与彼此分开。有利的是使用大致刚性和无孔的材料用于隔离物105，以便避免隔离物在制造或使用期间被压缩。纤维素压制板的问题在于它们两者通过吸收绝缘流体膨胀，并且在一定时间内压缩，引起绕组的高度变化，这导致绕组101之间的轴向不平衡。两个绕组之间的轴向不平衡导致较高的轴向短路力。此外，隔离物需要耐受施加在它们上的应力。作为实例，隔离物的复合材料具有至少75MPa(75N/mm2)或至少100MPa(100N/mm2)的抗拉强度、至少200MPa(200N/mm2)的抗压强度，以及小于0.5％的收缩。为了实现这一切，可使用本发明的无孔复合材料。
轴向杆106沿绕组101定位，例如，在绕组的导体102与其芯103之间，或在两个绕组101之间，使它们与彼此绝缘和间隔。另外，绕组杆应当能够耐受应力，以便不破裂或变形。作为实例，轴向杆的复合材料具有至少90MPa(90N/mm2)或至少110MPa(110N/mm2)的抗拉强度，以及至少80MPa(80N/mm2)或至少90MPa(90N/mm2)的抗弯强度。为了实现这一切，可使用本发明的无孔复合材料。另外，本发明的轴向杆基本上无湿气(小于0.5％)，并且防止过载。
绕组台107应当能够支承相对重的绕组/芯组件。作为实例，绕组台的复合材料具有至少60MPa(60N/mm2)的抗拉强度，以及至少100MPa(100N/mm2)的抗弯强度。为了实现这一切，可使用本发明的无孔复合材料。
本发明的复合材料可以以若干标准方式中的任一种产生。例如，纤维(尤其在使用长纤维时)可混合到加热至液体形式的树脂中/与其混合，或者与纤维(尤其是较短纤维)混合的树脂可复合成颗粒形式。接着，加热(液体)形式的树脂纤维混合物形成为期望形状的复合材料，并且允许冷却和硬化成固体形式。例如，液体混合物可借助于注射模制形成为例如隔离物，或者借助于挤出随后切割成期望长度来形成为例如杆，或者借助于压缩模制形成为例如绕组台。
本发明主要参照了一些实施例在上文中描述。然而，如本领域技术人员容易认识到的，除上文公开的实施例之外的其它实施例在由所附专利权利要求限定的本发明的范围内同样可能。

Claims (15)

1.一种包括电绝缘体(105；106；107)和围绕芯(103)的电导体(102)的绕组(101)的电变压器(100)，所述绝缘体由基本上无孔的复合材料形成，所述基本上无孔的复合材料包括树脂基质和由所述树脂基质包绕的达到85％重量的绝缘纤维，所述复合材料在23℃和50％的相对湿度下具有小于0.5％重量的最大含湿量。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述树脂基质由选自由以下构成的组的合成热塑性复合物制成：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯撑硫(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPE)和聚醚砜(PES)、聚醚酮醚(PEEK)和环氧或非饱和聚酯的热固性树脂，以及它们的任何混合物。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的变压器，其特征在于，所述绝缘体(105；106；107)包括达到60％或达到20％重量的所述绝缘纤维。
4.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维，或它们的任何混合物。
5.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述纤维具有小于3毫米的数均长度，如，小于1mm或小于0.2mm。
6.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述绝缘体呈以下中的至少一个的形式：在所述绕组(101)的圈或盘之间的隔离物(105)、所述绕组外或内(例如，所述绕组与所述芯之间)的轴向杆(106)、围绕绕组在绕组与其芯之间或绕组之间的圆筒、定位在所述绕组(101)的顶部或下方的绕组台(107)，以及粘附于且包绕所述导体(102)的导体绝缘物。
7.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述电变压器(100)构造用于至少105℃、至少130℃或至少155℃的操作温度。
8.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述电变压器(100)为流体填充的。
9.根据权利要求8所述的变压器，其特征在于，所述流体为酯油，并且所述复合材料在所述变压器构造成在其下操作的温度下抵抗所述油。
10.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述复合材料(105；106；107)根据ASTMD-150或IEC60250在60Hz下具有小于5，例如小于4.2的介电常数。
11.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述复合材料(105；106；107)根据ISO527具有至少60MPa，如至少75MPa的抗拉强度。
12.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述复合材料(105；106；107)根据ISO604具有至少150MPa，如至少200MPa的抗压强度。
13.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述基本上无孔的复合材料中的任何小孔取决于所述小孔中的压力和气体而具有允许根据帕邢定律击穿的小于所述间隙距离的最小直径，例如，小于1微米。
14.一种生产用于电变压器的电绝缘体的方法，所述方法包括：
将树脂与达到85％重量的绝缘纤维混合；
将具有呈液体形式的所述树脂的所述混合物处理成用于所述电绝缘体的合适形状；
允许所述成形的混合物冷却并且凝固来形成基本上无孔的复合材料的所述电绝缘体，其包括树脂基质和由所述树脂基质包绕的达到85％重量的绝缘纤维，所述复合材料具有在23℃和50％的相对湿度下小于0.5％重量的最大含湿量。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述电绝缘体定位在电变压器中。
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