CN110291598B - 通过增材制造来生产电力套管电容芯子 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于生产包括绝缘体的电力设备的方法。该方法包括：借助于增材制造，施加形成设备的一部分的聚合绝缘材料。该方法还包括：在后续的固结步骤中，使绝缘体在预定时间段期间经受升高的温度和升高的压力以固结绝缘体。
Description
技术领域
本公开涉及用于生产电力套管的电容芯子的方法。
背景技术
广泛的增材制造(也称为3D打印)技术在商业上可用，从而能够用不同材料(例如金属、陶瓷、塑料以及复合材料)逐层地生产定制的部件。近几年生产速度(体积/小时)和建造室的大小显著增加。例如，使用标准热塑性树脂的新型快速熔融沉积成型(FDM)机器更有成本效益。
一般趋势是取代高压(HV)绝缘中的环氧树脂绝缘。一个示例是热塑性材料的注塑成型。然而，注塑成型对于较厚的绝缘体比较困难。
存在许多带有基于环氧树脂(浸渍)绝缘的HV装置，其具有导电部分，例如电力套管。需要一些过程步骤，比如缠绕、干燥、真空浸渍和液态环氧树脂的固化，以形成紧密的固态绝缘体。针对干式套管的替代的制造过程使用缠绕聚合物膜。聚合物膜的成本/千克高于树脂的成本，使得过程的成本效益较低。
套管是导体可以穿过的中空的电绝缘体。套管被用于高压线路必须穿过开关设备、变压器、断路器和其他高压设备上的壁或其他表面的地方。套管例如被用于从充油式变压器穿过高压线路，由此套管是油到空气的套管，其中一部分在变压器中的油中并且一部分在变压器外的空气中。其他套管是例如使高压线路穿过壁的空气到空气的套管。
电力套管的电容芯子包括电绝缘材料，该电绝缘材料在其中具有导电片，以处理由穿过电容芯子的HV导体形成的电场。
发明内容
由增材制造(3D打印)制造的部件通常是相当多孔的，从而使其不适合用作HV绝缘，除非空隙被电绝缘液体填充(被浸渍)，电绝缘液体例如是诸如油的液体或者随后被固化以形成固体的环氧树脂。
现在已经发现通过与在升高温度和升高压力下的后续固结步骤结合使用增材制造，可以获得在电力套管中的例如以电容芯子为形式的、合适的中压(MV)(例如高于1kV)或高压(HV)(例如高于72.5kV)的绝缘体，而不需要用绝缘液体浸渍。在升高的温度下，电绝缘材料软化，从而允许升高的压力固结3D打印的绝缘体(例如电容芯子)，移除在增材制造期间在绝缘体中形成的任何气体填充(通常是空气填充)的空腔，减少绝缘材料的击穿或局部放电的风险。
根据本发明的一个方面，提供了用于生产电力设备的方法，该电力设备包括绝缘体。该方法包括，借助于增材制造，在设备中施加聚合绝缘材料，以在所述的设备中形成绝缘体。该方法还包括，在后续固结的步骤中，使绝缘体在预定时间段期间经受升高的温度和升高的压力以固结绝缘体。
在一些实施例中，绝缘体以电容芯子为形式。这样的电容芯子可以例如根据本发明的方法的实施例来生产，本发明的方法的实施例用于生产电力设备的电容芯子，例如中压或高压电力套管。该方法可以包括：借助于增材制造，在设备的纵向通孔的周围并且沿着设备的纵向通孔，施加聚合绝缘材料的、电容芯子的内同心层。该方法还可以包括：在纵向通孔的周围并且沿着纵向通孔，在内层的顶部，施加导电材料的多个同心中间层中的第一层。该方法还可以包括：借助于增材制造，在纵向通孔的周围并且沿着纵向通孔，在多个同心中间层中的第二层的顶部，施加聚合绝缘材料的、电容芯子的外同心层。该方法还可以包括：使电容芯子在预定时间段期间经受升高的温度和升高的压力以固结电容芯子。
根据本发明的另一方面，提供了电容芯子，该电容芯子作为本公开的方法的实施例的绝缘体而被生产。
根据本发明的另一方面，提供了包括本公开的电容芯子的实施例的高压电力套管。
根据本发明的另一方面，提供了变压器装置，该变压器装置包括变压器箱，该变压器箱装有变压器并且填充有电绝缘液体。该变压器装置还包括被布置穿过变压器箱的壁的本公开的套管的实施例。
应注意的是，任何方面的任何特征可以被应用到任何其他方面，无论其合适与否。同样地，任何方面的任何优点可以应用到任何其他方面。通过以下详细的公开内容，通过所附的权利要求并且通过附图，所附的实施例的其他目的、特征和优点将显而易见。
通常地，除非本文另外明确定义，权利要求中使用的所有术语是根据它们在技术领域普通的含义来解释的。除非另外明确说明，所有对“一/一个/元件、装置、部件、器件、步骤等等”的参考公开地被解释为指代元件、装置、部件、器件、步骤等等中的至少一个实例。除非明确说明，本文公开的任何方法的步骤不必按照公开的确切顺序执行。本公开不同特征/部件的“第一”“第二”等等的使用仅仅旨在将特征/部件与其他相似的特征/部件区分开来，并不是赋予特征/部件任何顺序或层次。
附图说明
将通过示例，参考附图来描述实施例。其中：
图1是根据本发明的包括HV套管的变压器装置的实施例的截面的侧视图。
图2是根据本发明的HV套管的实施例的纵向截面的侧视图。
图3是根据本发明的固结室的实施例的纵向截面的侧视图。
具体实施方式
本文后面将会参考附图更全面地描述实施例，在附图中示出了某些实施例。然而，许多不同形式的实施例在本公开的范围内是可能的。相反，通过实例的方式提供以下实施例，使得本公开将是详尽的和完全的，并全面地向本领域的技术人员传达本公开的范围。在全文中，相同数字指代相同的元件。
绝缘体在本文中被示例为电容芯子，其在本发明的一些实施例中被优选。然而，本发明的方法还可以被用于生产通常用于MV或(特别是)HV电力设备的其他类型的电绝缘体。本发明的实施例的其他HV和(特别是)MV的应用的示例包括套管、支承绝缘子、套管盘(bushing plate)、嵌入式电极或整体绝缘子(例如用于气体绝缘变电站(GIS)或空气绝缘变电站(AIS)的应用)中的任何一种。
电力设备可以是例如套管、仪用互感器或者电缆终端，优选是套管，例如用作本文示例的HV套管。本发明的套管可以被用于变压器，例如如本文所例示的HV电力变压器，但是本发明的套管可以备选地用于其他电力设备，特别是气体或液体填充(例如油)的电力设备，诸如电动机或开关。
聚合绝缘材料在本文中被例示为热塑性材料，这在一些实施例中是优选的(例如当使用FDM时)，但是在其他实施例中(例如取决于所使用的增材制造技术)，可以使用其他聚合材料，诸如弹性体的或可固化聚合绝缘材料。
图1是变压器装置1的示意图，其中具有被电容芯子和外壳包围的纵向通孔的套管2用于将导体6中的电流(I,U)传导通过变压器箱4的壁到变压器3。变压器箱4(至少部分地)被填充有电绝缘(例如电介质)液体5，由此套管从绝缘液体5延伸到箱4外部的环境流体(通常是空气)中。变压器可以是油浸式变压器，例如填充有矿物油或酯基油。变压器可以是高压电力变压器，例如在50-200kV范围内、例如具有至少50kV的额定电压或工作电压的高压电力变压器，由此，高压电流经由穿过套管的通孔的导体6从变压器3穿过套管2。因此，套管2在变压器箱4内部的套管的下端/底端处可以具有内部浸油的部分，并且在变压器箱的外部的套管的上端/顶端处具有在空气中的部分。套管2可以至少部分地充有液体，通常是绝缘液体5，但是根据本发明，电容芯子是固结的并且不需要被绝缘液体浸渍。套管借助于其相关联的导体6，可以将电流从例如变压器3的绕组传导通过变压器箱4的壁，并且到达例如配电网络的架空线路，套管2将电流与壁和任何其他外部结构进行绝缘。
图2示出了套管2的电容芯子的多层结构。电容芯子可以被视为由具有基本上圆形的横截面的多个同心定位的圆柱层组成，它们彼此互相粘附并且被定位成一个在另一个外部，使得借助于增材制造技术所施加的多个绝缘层21被形成有介于其间的导电中间层22。可以使用任何数目的交替绝缘层21和导电层22，其取决于套管2的需求。在图2的示例中，示出了相对较少数目的层21和22：热塑性绝缘材料的内层21a、在内层21a顶部的导电材料的第一中间层22a、在第一中间层22a顶部的热塑性绝缘材料的中间层21b、在中间层21b顶部的导电材料的第二中间层22b、以及在第二中间层22b顶部的热塑性绝缘材料的外层21c。
交替层21和22通常在生产过程期间彼此粘附。热塑性绝缘材料的层21借助于增材制造技术(例如由于在相对较短时间内生产大量3D打印物体的能力而优选的FDM)被施加在例如导电中间层22的顶部。导电中间层22通常也可以在室温中，使用增材制造技术、等离子沉积、物理或化学汽相沉积，或者通过打印(例如喷墨打印)或涂漆(例如用刷子)，而被施加在热塑性绝缘材料层上，在热塑性绝缘材料层的顶部施加它。
层21和层22在套管2的中心通孔23的周围并且沿着中心通孔23形成，导体6可以穿过通孔23。通孔23可以由电绝缘材料或导电材料的中心管形成，热塑性绝缘材料的内层21a可以使用增材制造而被施加在其上。如果中心管是例如铜或铝的导电材料，则中心管可以形成导体6的一部分。
例如电绝缘陶瓷的外壳或壳体24可以形成电容芯子外部的套管2的外表面。
设备2的工作电压可以是至少30kV或50kV的HV，例如在35-400kV范围内，诸如针对例如套管的35-170kV或针对例如电缆终端的140-400kV，这意味着电容芯子被配置用于至少30kV的套管的工作电压，例如在35-400kV范围内(诸如35-170kV或140-400kV)。HV的使用在电容芯子上施加了一些应变，该电容芯子必须被配置为处理相对较强的电场和高温。
聚合(例如热塑性)绝缘材料具有熔点Tm或玻璃化转变温度Tg，其高于套管的工作温度，但低于用于借助于增材制造技术而施加聚合材料的温度。在聚合(例如热塑性)材料可能具有至少120℃的Tm或Tg的情况下，套管的工作温度可以是例如至少100℃、例如至少120℃。在聚合材料可能具有小于250℃、例如小于200℃或小于150℃的Tm或Tg的情况下，增材制造技术可以包括在至少150℃或至少200℃、例如至少250℃的温度下施加聚合(例如热塑性)绝缘材料。备选地，聚合材料的Tg可以低于聚合材料必须被处理的温度，例如小于-40℃。
中间层22的导电材料可以以任何合适的方式施加，例如在室温下以液体的形式，或者通过任何其他的涂覆方式，例如喷墨打印或3D打印、等离子沉积、物理或化学汽相沉积、喷涂或涂漆(例如用刷子)、或者通过用粘合剂或直接将导电箔片施加/粘附在聚合绝缘材料的任何层21上的绝缘材料(如果有粘性)上。导电材料例如可以是或包括银、铝、石墨烯和/或在漆中的碳黑，该漆在被施加到电容芯子中之前在室温下为液体。
电容芯子的尺寸取决于套管2的大小和应用。本发明的电容芯子可以特别适用于小尺寸到中尺寸的HV套管，因为较大的电容芯子可能不易通过增材制造或固结来生产。电容芯子的纵向长度例如可以为至少0.5或1m、或例如最多6m、例如在0.5-3m的范围内。电容芯子的横截面直径可以在7-30cm的范围内(例如10-30cm)，这取决于通孔23的直径以及电容芯子的层21和22的组合环形壁的厚度。在一些实施例中，电容芯子的壁厚度在2-10cm范围内，如从内层22a的内表面到外层22c的外表面所测量的。
图3示意性地示出了在固结室30内部的套管2或其电容芯子的实施例，固结室30被配置用于在已通过施加层21和层22形成电容芯子之后对电容芯子进行固结。固结室基本上可以是圆柱形的，例如具有基本上是圆形的横截面，并且足够大以能够封闭电容芯子。固结室被配置为在室30内施加升高的温度T和升高的压力p以固结电容芯子。升高的温度优选地在高于聚合材料的Tg且低于其Tm的范围内，并且升高的压力例如可以在1.0-10bar的范围内。固结室30例如可以被配置用于等静压。借助于升高的T和P，空腔和气泡可以从电容芯子中移除，减少了闪络的风险并提高了电容芯子的绝缘性能，而无需针对HV应用而浸渍例如油或环氧树脂。
上文主要参考一些实施例对本公开进行了描述。然而，正如本领域的技术人员容易理解的那样，除上文所公开的实施例之外的其他实施例同样可以在由所附权利要求所限定的本公开的范围内。
Claims (21)
1.一种用于生产电力设备(2)的方法，所述电力设备(2)包括绝缘体(21)，所述方法包括：
借助于增材制造，在所述设备(2)中施加聚合绝缘材料，以在所述设备中形成所述绝缘体；以及
在后续的固结步骤中，使所述绝缘体在预定时间段期间经受升高的温度和升高的压力，以固结所述绝缘体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以所述电力设备(2)的电容芯子的形式来形成所述绝缘体(21)，所述方法包括：
借助于所述增材制造，在所述设备的纵向通孔(23)的周围并且沿着所述设备的所述纵向通孔(23)，施加所述聚合绝缘材料的所述电容芯子的内同心层(21a)；
在所述纵向通孔的周围并且沿着所述纵向通孔，在内层(21a)的顶部施加导电材料的多个同心中间层(22)中的第一同心中间层(22a)；以及
借助于所述增材制造，在所述纵向通孔的周围并且沿着所述纵向通孔，在所述多个同心中间层(22)中的第二同心中间层(22b)的顶部施加所述聚合绝缘材料的所述电容芯子的外同心层(21c)；
在使所述电容芯子在所述预定时间段期间经受所述升高的温度和所述升高的压力以固结所述电容芯子之前。
3.根据权利要求2所述的方法，其中导电中间层(22)通过涂覆或者通过粘附导电箔片而被施加在所述聚合绝缘材料的任何层(21)上。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述涂覆包括喷墨打印或3D打印、等离子沉积、物理或化学汽相沉积、喷涂或涂漆。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述喷涂或涂漆包括用刷子喷涂或涂漆。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其中所述电容芯子被配置用于至少30kV的所述设备(2)的工作电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述工作电压包括在35-400kV的范围内。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述工作电压包括在35-170kV或140-400kV的范围。
9.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，还包括：在高压套管(2)、互感器或电缆终端中布置所述电容芯子。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：布置所述套管(2)穿过变压器箱(4)的壁。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述电力设备是套管(2)、互感器或电缆终端。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：以中压绝缘体的形式来形成所述绝缘体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述中压绝缘体包括套管、支承绝缘子、套管盘、嵌入式电极或整体绝缘子。
14.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述增材制造包括熔融沉积成型FDM。
15.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述聚合绝缘材料是热塑性材料。
16.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述增材制造包括：在至少150℃的温度下施加所述聚合绝缘材料。
17.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述增材制造包括：在至少200℃的温度下施加所述聚合绝缘材料。
18.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述聚合绝缘材料具有至少120℃或小于40℃的玻璃化转变温度Tg。
19.一种电容芯子，所述电容芯子作为根据前述权利要求中任一项所述的方法的所述绝缘体而被生产。
20.一种高压电力套管(2)，包括根据权利要求19所述的电容芯子。
21.一种变压器装置(1)，包括变压器箱(4)以及根据权利要求20所述的套管(2)，所述变压器箱(4)装有变压器(3)并且填充有电绝缘液体(5)，所述套管(2)被布置穿过所述变压器箱的壁。
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