CN108701534B - 具有电气绕组的紧凑型干式变压器和用于制备电气绕组的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于干式变压器的电气绕组，其允许即使在较高的电压等级下也能够构建紧凑的干式变压器。为此，电气绕组具有绕组导体的多个缠绕为线圈的匝。线圈被嵌入固体绝缘体中。根据本发明规定，在绝缘体的至少一个表面上施加由导电材料形成的涂层，所述涂层包括模铸树脂和微米级填料。

Description

具有电气绕组的紧凑型干式变压器和用于制备电气绕组的 方法

技术领域

本发明涉及干式变压器的绝缘体的涂层。

背景技术

干式变压器，特别是模铸树脂变压器是功率变压器，其应用在能源工程中以变换高压侧的高达约36kV的电压。在这种变压器中，低压绕组和高压绕组同轴地围绕铁芯柱布置。在此，具有较低电压的那个绕组被称为低压绕组，具有较高电压的那个绕组被称为高压绕组。两个绕组都被嵌入固体绝缘材料中，对于高压绕组，通常为此使用模铸树脂(或称为浇注树脂)。这种干式变压器从EP 1133779 B1中已知。

从尚未公开的EP 15185886 A1(内部文件编号201519004)中已知上面描述的、特别是针对高于36kV电压的干式变压器的进一步发展。其中公开了干式变压器的一种紧凑型结构类型，其特征尤其在于，干式变压器具有较小的尺寸，即被更紧凑地构建并且在该过程中，作为绝缘的空气由作为固体绝缘体的合适的模铸树脂代替。

在嵌入电气绕组中，即特别是嵌入缠绕为线圈的高压和/或低压绕组中的固体绝缘体的表面上设置涂层，其优选地来自半导电的材料。

对该半导电的涂层的化学和/或物理特性设置有特别的要求，特别是涉及热、机械和化学稳定性以及限定的层电阻。

需要提供一种干式变压器的绝缘体的满足这种性能特征的合适的涂层

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是提供一种用于以紧凑型结构形式的干式变压器的电气绕组以及一种制备用于以紧凑型结构形式的干式变压器的这种电气绕组的绝缘体的涂层的方法，其中，至少在绝缘体的表面设置涂层，其层电阻在10²至10⁵欧姆/平方米的范围，并且示出高的热稳定性、高的机械强度和对于诸如湿度和阳光照射的环境影响的稳定性。

在此，针对具有以多匝缠绕为线圈的绕组导体的干式变压器设置电气绕组，特别是高压绕组，其中线圈嵌入在固体绝缘体中，其中绝缘体的至少一个表面具有带有特定层电阻的涂层，其包括树脂组分以及至少一种微米级的且导电的填料，其中导电的填料的颗粒尺寸处于1μm至2mm的范围。

在此，绕组导体可以是膜导体，带状导体或者线导体。线圈被嵌入由固体绝缘材料构成的绝缘体中。通常，为此使用模铸树脂，利用其将线圈包封并且其在浇铸之后固化。最终获得机械稳定的以空心圆柱体的形式的绕组，其线圈被很好地保护免受环境影响。根据本发明，在绝缘体的至少一个表面上施加具有微米级的且导电的填料的树脂混合物的涂层。

该技术问题还通过用于制备电气绕组的方法解决，其具有如下方法步骤：

-将绕组导体缠绕多匝成为线圈，

-优选地通过利用模铸树脂进行包封以及随后使绝缘体固化，将线圈嵌入固体绝缘体中，

-通过将至少一种导电填料颗粒的微米级填料级分引入未固化的树脂中来调节用于制备涂层的配制物中的预定的层电阻，

-将配制物施加到绝缘体的至少一个表面上以产生涂层。

根据本发明的优选的实施方式，填料以至少一种微米级填料级分的形式存在，其填料含量占超过涂层重量的20％和/或超过涂层体积的10％，

根据本发明的优选的实施方式，在涂层中存在至少两种填料颗粒级分。至少两种填料级分具有微米级的填料颗粒是特别有利的。

在此，特别有利的是，限定的层电阻可以通过在涂层中存在至少两种填料级分的比例确定。

涂层可以通过施加配制物产生。在此，将由未固化的树脂组分与固化剂组成的可加工的、即优选地可流动的混合物要么以作为两个分开的组分要么以在一个组分中存在的形式用填料掺入，并且以溶液形式施加到表面上。然后，该配制物在表面上，例如通过热和/或UV引发的反应，被固化为最终的涂层。

根据一种实施方式，基质树脂作为树脂和固化剂的双组分系统存在。在此，特别地，水溶性的双组分系统是有利的，因为在涂层的制备中避开了通常被认为对环境有害的有机溶剂。在此，固化剂组分和/或树脂组分可以在水性的溶液中加工。

因此，应用单或双组分的树脂系统是特别有利的，其特别是通过使用水基的溶剂而是环境相容的。例如通过使用水性的聚氨酯-丙烯酸酯树脂系统可以实现深远的生态方面，如省去了将溶剂循环或者后燃烧。在此，这也在对于操作者和/或制造者如油漆工的工作保护中起到了简化作用。

因此，根据本发明的该有利的实施方式中，为了制备被施加在绝缘体的至少一个表面上以产生涂层的配制物，水基溶剂是足够的。

在本技术领域以及在本发明的意义中，如果电阻小于10⁸Ω/□，则材料被视为是导电的。在此之上，材料被视为绝缘或者不导电。涂层应该至少施加在绝缘体的内表面，优选地施加在端面上。特别优选地，涂层施加在绝缘体的整个表面上，即除了在内表面和端面上也在外表面上施加。通过这样的涂层，电气绕组的电场在模铸树脂中被大大减小，并且因此在绕组外部被减小至这样的量，该量允许与变压器的其他部件(例如铁芯或者低压线圈)的距离由此可以更小，这可以实现更紧凑的结构形式。

优选地，涂层由半导电的材料(或称为半导体材料)形成。在本技术领域以及在本发明的意义中，如果材料的电阻率小于10⁸Ω/□且大于10¹Ω/□，则该材料被视为半导电的。因为绕组的导电的涂层，特别是整个表面中的一个表面示出短路绕组，则产生功率损耗的电流在其中流过。通过由半导电的材料组成的涂层可以限制这种功率损耗。

合适的导电的或者半导电的涂层基于树脂系统，在该树脂系统中掺入微米级的半导电的填料，在轻的、特别是空心的填料颗粒的情况下，有利地是以大于20重量％和/或10％体积的量，特别地以在20重量％至80％重量的范围的量，特别优选地以50重量％和60重量％之间和/或在相应的体积百分比界限之间的量掺入。

已经发现，例如具有选自下列树脂的第一组分的双组分树脂系统是对此合适的：环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸酯、聚酰亚胺和/或聚酯树脂系统，以及上述树脂的任意混合物、共聚物和共混物。作为第二组分，例如将针对各个树脂匹配的固化剂，如胺、酸酐、过氧化物、多异氰酸酯，特别是脂族多异氰酸酯加入到配制物中。水溶性的固化剂组分由于其环境相容性而是特别优选的，因为在此消除了溶剂的后燃烧并且使用有机溶剂在可持续性方面通常对生态是不利的。

该配制物具有一定的处理时间，在处理时间中其作为未交联的配制物被涂覆在绝缘体的至少一个表面上。涂覆例如通过喷涂、喷洒、刷涂、辊涂和/或通过浸渍实现。固化后，配制物交联并且达到对于环境影响、太阳辐射、机械负载等的稳定性。交联例如通过加热来促进。

根据本发明的一种有利的实施方式，涂层在温度高达170℃时具有稳定性。

为了达到限定的导电性，将至少两种级分的微米级填料添入配制物。在轻的填料颗粒的情况下，其以超过20重量％和/或10体积％的含量存在于配制物的干重中和/或涂层中，其甚至可以以高达干重的80重量％的含量存在，但是，其优选地以在配制物的干重的35％重量至75重量％的范围，特别地40重量％至60重量％的范围和/或相应的体积百分比的范围的含量存在。

微米级填料特别地适合作为填料，所述微米级填料的中值粒径D50在约1μm至2mm范围，例如在5μm至100μm范围，特别优选在10μm至50μm范围。

填料可以包括所有种类的填料颗粒形式。例如球形的填料可以与小片状的填料混合地存在。对于组合地或者单独地存在于配制物中的非常轻的填料颗粒，至少为20重量％的界限被相应的体积百分比代替，即例如认为约10体积％是下限。

填料颗粒优选地来自半导电的材料。材料例如可以是炭黑、导电石墨、石墨、金属氧化物和/或金属氮化物以及其任意混合物。填料颗粒可以同样良好地包括带壳的芯或者带有涂层的芯。

填料颗粒也可以是空心的，特别是空心纤维和/或空心球在本发明的意义中也可以单独地或者与其他填料颗粒级分相结合地使用。

例如，用半导电的材料涂覆的由例如云母构成的芯用作填料。同样地，具有涂层的由石英粉构成的填料以及由涂覆的和未涂覆的填料颗粒组成的任意混合物在此用作填料。

金属、金属氧化物以及掺杂的金属氧化物有利地被用作半导电的涂层。半导电的空心球、空心纤维或者壳也可以用作填料颗粒。对于这些轻的填料颗粒，下限则为在涂层中约10体积％的填充度。

填料可以是多峰的，即以各种不同的填料颗粒尺寸和/或填料颗粒形状应用。

通过合适地选择填料颗粒的材料、填料颗粒尺寸、填料颗粒形状、填料颗粒结构、粒度分布、填料的比表面积的大小和/或比表面积活性，可以在涂层中产生多种性能特征。

优选地，涂层的比表面电阻(也称为层电阻)为10²Ω/□至10⁵Ω/□，优选为10³Ω/□至10⁴Ω/□。电气绕组在新状态中具有该表面电阻。通过老化、环境影响或者脏污可以将其改变。该数量级的表面电阻一方面非常有效地限制功率损耗，而另一方面在由于脏污而导致表面电阻减小的情况下还提供足够的余地。

涂层的厚度至少在填充颗粒尺寸的范围，例如在从1μm至5mm的范围，优选地在从30μm至500μm的范围，特别地在从70μm至130μm的范围。

例如，在用于涂层的配制物中使用由具有经涂覆的填料颗粒的，例如具有用半导电的金属氧化物涂覆的云母颗粒的填料级分和由半导电的金属如导电炭黑构成的填料级分组成的混合物。在混合物中，两个填料级分例如可以以1:1的比例存在或者可以具有不同的含量，其中所采用的经涂覆的填料颗粒对未涂覆的填料颗粒的比例在从0.5至2.5的范围，优选地在从0.7至1.5的范围，特别优选地在从0.8至1.2的范围。

在本发明的一种优选的实施中，通过刷涂和/或喷涂方法施加涂层。特别地，通过喷涂来施加一方面保证均匀的薄膜厚度并且另一方面防止会导致局部放电的空气夹杂物。

涂层电气接地被视为有利的。由此，特别有效地减小在绕组外部的电场。

在此，如已经描述的，涂层可以施加在绝缘体的全部的表面上或者仅部分的表面上。绝缘体例如由环氧树脂形成，其中绝缘体在待涂覆的侧面上的特定的表面粗糙度对于将涂层粘附在表面上是有利的。

为了优化填料颗粒的均匀分布，可以将分散剂，例如表面活性剂和/或基于离子的添加剂添入配制物。

通过这种方法可以制备电气绕组，其电场在很大程度上由涂层屏蔽，并且其在干式变压器中使用，由此实现紧凑的结构形式。优选地，涂层是漆。涂层的施加在此可以通过喷涂、喷雾、刷涂、辊涂和/或作为浸漆来进行。在此，多个所提及的方法可以依次或者同时用于施加配制物。

根据该方法的一种有利的实施方式，在施加配制物之前处理绝缘体的表面，以保证配制物和随后涂层对绝缘体的良好的粘附性。

优选地，涂层由半导体材料形成。

特别优选地，涂层以喷涂方法施加，由此实现特别均匀的薄膜厚度。

附图说明

下面结合附图更详细地解释本发明

图1示出了根据本发明的半导电的涂层在150天内，在170℃的情况下老化的图示。在第一天内涂层固化后可以看到，尽管在至少半年的整个观察期间都置于170℃的温度中，限定的层电阻也保持稳定。

具体实施方式

下面通过表格式的总结来详细解释用于制备根据本发明的实施方式的涂层的示例性配制物的制备：

例如：

在所示的例子中，给出了针对紧凑型结构形式的干式变压器的漆涂层的配制物，其中通过水基的固化剂组分的环境相容的清漆技术和尽管如此也实现的在机械和热方面的稳定性(如图1所证实的)的组合，证实了在此所示的配制物的技术创新，特别是在用于干式变压器的情况下。

本发明涉及一种针对干式变压器的电气绕组，其允许即使在较高的电压等级下也能够构建紧凑的干式变压器。为此，电气绕组具有绕组导体的多个被缠绕成线圈的匝。线圈嵌入固体绝缘体中。根据本发明规定，在绝缘体的至少一个表面上施加由导电材料构成的涂层，所述涂层包括基质树脂和微米级填料。

Claims (16)

1.一种电气绕组，其用于具有以多匝缠绕为线圈的绕组导体的干式变压器，其中所述线圈嵌入在固体绝缘体中，

其特征在于，

在绝缘体的至少一个表面上设置具有特定层电阻的涂层，所述涂层能够通过施加配制物产生，所述配制物含有水作为溶剂并且包括树脂组分以及至少一种微米级的且导电的填料，其中填料的颗粒尺寸处于1μm至2mm的范围，其中涂层至少双峰地填充，即在涂层中存在至少两种填料颗粒级分，通过调节配制物中的至少两种填料颗粒级分的比例能够调节涂层的限定的层电阻。

2.根据权利要求1所述的电气绕组，其特征在于，所述电气绕组是高压绕组。

3.根据权利要求1所述的电气绕组，其特征在于，填料以超过20重量％和/或超过10体积％的量存在于所述涂层中。

4.根据权利要求1所述的电气绕组，其特征在于，涂层完全覆盖绝缘体的表面。

5.根据权利要求1所述的电气绕组，其特征在于，涂层由半导电的材料形成。

6.根据权利要求1所述的电气绕组，其特征在于，涂层的每平方米电阻值为10²Ω/□至10⁵Ω/□。

7.根据权利要求1所述的电气绕组，其特征在于，涂层的每平方米电阻值为10³Ω/□至10⁴Ω/□。

8.根据权利要求1所述的电气绕组，其特征在于，用于产生涂层的配制物能够通过喷涂方法施加。

9.根据权利要求1所述的电气绕组，其特征在于，涂层接地。

10.根据权利要求1所述的电气绕组，其特征在于，通过调节配制物中的涂覆的相对于未涂覆的填料颗粒的比例能够调节涂层的限定的层电阻。

11.一种用于制造根据权利要求1的电气绕组的方法，其具有如下方法步骤：

-将绕组导体缠绕多匝成为线圈，

-将线圈嵌入固体绝缘体中，

-调节配制物中的来自微米级填料的至少两填料颗粒级分的特定比例，以便制备特定的层电阻的涂层，

-将所述配制物施加在绝缘体的至少一个表面上以产生涂层，

其中，所述配制物作为水基溶液被施加。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，涂层施加在绝缘体的整个表面上。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，涂层由半导电的材料构成。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过喷涂配制物和随后的固化来制备涂层。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，配制物通过涂漆、喷涂、刷涂、辊涂和/或作为浸漆来施加。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过利用模铸树脂进行包封以及随后使绝缘体固化，来将线圈嵌入固体绝缘体中。

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