CN111868850A - 凝胶浸渍的套管 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种高压(HV)套管(1)，该HV套管包括电容器芯(3)，该电容器芯(3)配置为围绕HV电导体(2)。电容器芯(3)包括绝缘材料(4)，该绝缘材料包括用热可逆凝胶浸渍的可渗透固体材料的缠绕层。凝胶包括油和增稠剂，该油包括含量在油的0.1‑100wt％的范围内的异链烷烃油，增稠剂包括含量在凝胶的0.1‑10wt％的范围内的至少一种共聚物。
Description
技术领域
本公开涉及包括热可逆凝胶的电绝缘系统。
背景技术
使用电绝缘热可逆凝胶浸渍电力电缆绝缘体是已知的。
WO 97/04466涉及一种高压直流(HVDC)电力电缆，其包括缠绕在导体上的多个可渗透(permeable)带的绝缘体(insulation)。浸渍化合物填充带层之间的所有空隙。浸渍化合物具有非常陡的粘度特性变化斜率，在等于和低于电缆最大工作温度的温度处，固体凝胶型结构的粘度较高，在发生浸渍的较高温度处，薄(thin)液体型结构的粘度较低。优选地，95％的浸渍化合物由链长超过15个碳单位的烷烃链组成，但不超过2％的链的链长超过28个碳单位。
WO 99/33066公开了一种介电胶凝组合物，其在转变温度处表现出热可逆的液体-凝胶转变，其中凝胶包括油和具有嵌段共聚物(block copolymer)的胶凝剂。该胶凝组合物用作具有至少一个导体和浸渍绝缘系统的绝缘直流(DC)电缆中的浸渍剂。该绝缘系统包括固体电绝缘介电部分，其具有用介电胶凝组合物浸渍的多孔、纤维和/或层压结构。
US 6,391,447涉及一种用于制造具有至少一个导体和多孔、纤维和/或层压电绝缘介电系统的电子设备的方法，该电绝缘介电系统包括用介电流体浸渍的固体电绝缘部分，其中该方法包括用介电流体浸渍，其中添加胶凝添加剂以在设备设计成在其下操作的条件下赋予流体高粘度和弹性。
然而，对于电力电缆，重要的是凝胶应足够柔软和流动以在环境温度和工作温度期间可弯曲，以便不在绝缘体中产生将损害绝缘材料的绝缘能力的裂缝或以其它方式引入空隙或变形。
发明内容
已经认识到，现有技术的绝缘凝胶的流动性太大，以致于由于以下原因(单独地或组合地)使其不能用于高压(HV)套管中：
-HV套管可能不是竖直定位，而是或多或少水平定位，这意味着如果不进行液密(liquid tight)密封，凝胶将从套管的一端(顶端)处泄漏。
-在HV套管的高工作温度下，凝胶可能具有相对较低的粘度。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于HV套管的具有增加的粘度的电绝缘热可逆凝胶。
根据本发明的一方面，提供了一种HV套管，该HV套管包括被配置为围绕HV电导体的电容器芯(condenser core)。电容器芯包括绝缘材料，该绝缘材料包括用热可逆凝胶浸渍的可渗透固体材料的缠绕层(wound layer)。凝胶包括油和增稠剂。油包括异链烷烃油，其含量在油的0.1-100wt％，优选地50-100wt％的范围内。增稠剂包括至少一种共聚物，其含量在凝胶的0.1-10wt％的范围内。
根据本发明的另一方面，提供一种制备用于HV套管的电容器芯的方法。该方法包括在HV电导体的纵向通道的周围缠绕可渗透固体材料的幅材(web)。在之前，之后或同时，该方法还包括将油与增稠剂混合以形成热可逆凝胶。该方法还包括将凝胶加热到至少第一温度，在该第一温度下凝胶具有低于1Pa·s的粘度。该方法还包括用所述第一温度下的凝胶浸渍缠绕的可渗透固体材料，以形成绝缘材料，该绝缘材料包括用热可逆凝胶浸渍的可渗透固体材料的缠绕层。该方法还包括将绝缘材料冷却至第二温度以形成电容器芯，在第二温度下凝胶的粘度高于1Pa·s。油包括异链烷烃油，其含量在油的0.1-100wt％，优选地50-100wt％的范围内，并且增稠剂包括至少一种共聚物，其含量在凝胶的0.1-10wt％的范围内。
与仅使用常规矿物油的情况相比，通过在凝胶中使用大量的异链烷烃油，可以获得具有较高转变温度(在本文中也称为拐点(knee)温度)的凝胶。转变温度是热可逆凝胶在其高粘度形式(本文也称为固体)和低粘度形式(本文也称为液体)之间转变的温度范围内的温度。凝胶可以随着温度的变化或多或少地连续改变粘度，但是在转变温度范围内相对要陡地改变粘度。通过选择合适的增稠剂(例如具有较高分子量的共聚物)或通过使用较高含量的增稠剂，可以获得较高的转变温度。如果需要稍低的转变温度，可以将一定量的矿物油与异链烷烃油混合以形成凝胶中的油。因此，发明人设法获得了一种适于根据本发明的HV套管的凝胶绝缘系统。
要注意的是，任何方面的任何特征均可以在适当的情况下应用于任何其他方面。同样，任何方面的任何优点皆可以适用于任何其他方面。从下文的详细公开、所附的从属权利要求以及附图，公开实施例的其他目的，特征和优点将显而易见。
通常，除非本文另外明确定义，否则将根据其在技术领域中的普通含义来解释权利要求中使用的所有术语。除非另外明确指出，否则所有提及“一/一个/元件、设备、部件、装置、步骤等”应被公开地解释为是指元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一种实例。除非明确说明，否则不必以所公开的确切顺序执行本文公开的任何方法的步骤。对于本公开的不同特征/部件使用“第一”，“第二”等仅旨在将特征/部件与其他类似特征/部件区分开，并且不赋予特征/部件任何顺序或层次。
附图说明
将通过示例的方式参考附图来描述实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的HV套管的纵向截面的示意图。
图2是示出具有第一增稠剂的基于矿物油的凝胶和基于异链烷烃油的凝胶分别在不同温度下的复合(complex)粘度的示意图。
图3是示出具有第二增稠剂的基于矿物油的凝胶和基于异链烷烃油的凝胶分别在不同温度下的复合粘度的示意图。
图4是本发明的方法的实施例的示意流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参照示出某些实施例的附图来更全面地描述实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其他实施例也是可行的。相反，通过示例的方式提供以下实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在整个说明书中，相同的数字表示相同的元件。
图1示出了HV套管1的实施例，该HV套管1包括围绕HV导体2的通道的电容器芯3形式的绝缘体。套管1可以例如用于允许导体2穿过例如电力变压器、转换器(converter)或其他电气设备的壁(wall)。电容器芯3包括用热可逆凝胶浸渍的可渗透固体材料的缠绕层的绝缘材料4。可渗透固体材料可以例如是纤维素基，例如可以用液体形式的凝胶浸渍的纸材料，例如工艺纸或绉(crêpe)纸、或芳纶纸(例如NOMEXTM纸)、或其组合。凝胶是油与增稠剂、以及可选的添加剂(例如抗氧化剂)的混合物。通常，除了油和增稠剂之外，该凝胶包括至多5wt％，例如至多1wt％的添加剂，油和增稠剂因此构成凝胶的至少95wt％，例如99wt％。可选地，电容器芯包括多个导电箔5，其浮在绝缘材料4中、交错在缠绕层的层之间，用于改变在使用例如铝(Al)或铜(Cu)时由套管中的导体2形成的电场。
油包括含量在油的0.1-100wt％，优选地50-100wt％的范围内的异链烷烃油。异链烷烃油(例如，可商购的Shell Diala S4 ZX-I)不同于常规矿物油，其中，异链烷烃油主要由异链烷烃分子(馏出物(Fischer-Tropsch)，浓度为95-100％的重质(heavy)C18-50支链、环状以及线性异链烷烃分子)组成，相比之下，矿物油(例如，可商购的
Nytro10XN)由链烷(paraffinic)(例如43％)、环烷(naphthenic)(例如51％)和芳烃(aromatic)(例如6％)组成。异链烷烃油、以及因此本发明的基于异链烷烃油的凝胶由于其特殊的分子结构而具有以下优点：
-改善的添加剂响应导致改善的抗氧化性。
-使用EN ISO 2592:2000方法测得的高闪(high flash)点(例如至少196℃)。
-无硫含量或低硫含量。
-固态凝胶，其具有比用于电缆绝缘的凝胶高的粘度。
-较高的(固体到液体)转换温度(例如>105℃)，且因此使得套管1的较高的工作温度成为可能。
在本发明的一些实施例中，油包括与异链烷烃油混合的矿物油，该矿物油的含量为油的0.1-99wt％，例如10-50wt％。
在本发明的一些实施例中，油包括含量为油的60-80wt％的异链烷烃油。
增稠剂包括至少一种共聚物，其含量为凝胶的0.1-10wt％。
为了增加固体和/或液体形式的凝胶的粘度，和/或为了提高凝胶的转变温度，可以使用相对大量的增稠剂。因此，在本发明的一些实施例中，增稠剂的至少一种共聚物的含量为凝胶的至少1wt％，例如凝胶至少的2wt％或至少5wt％。
附加地或替代地，为了增加固体和/或液体形式的凝胶的粘度，和/或为了提高凝胶的转变温度，可以使用具有相对高分子量的共聚物。因此，在本发明的一些实施例中，增稠剂中的至少一种共聚物具有至少200kg/mol，或至少300kg/mol，至少400kg/mol或至少500kg/mol，例如至少约600kg/mol的平均分子量。
已经确定，苯乙烯共聚物可有利地用于本发明的一些实施例中。因此，在本发明的一些实施例中，增稠剂包括至少一种苯乙烯共聚物，例如，嵌段共聚物(block copolymer)，例如三嵌段或二嵌段共聚物。作为示例，表1中给出了一些可用于增稠剂的共聚物。
表1：建议的增稠剂
在本发明的一些实施例中，增稠剂包括三嵌段共聚物，其含量为凝胶的至少0.1wt％，例如凝胶的至少1wt％或至少2wt％。在一些实施例中，三嵌段共聚物是聚苯乙烯-b-聚(乙烯-乙烯/丙烯)-b-聚苯乙烯(可作为SEPTONTM SEEPS 4099商购获得)。
附加地或可替代地，在本发明的一些实施例中，增稠剂包括二嵌段共聚物，其含量为凝胶的至少0.1wt％，例如凝胶的至少1wt％或至少2wt％。在一些实施例中，二嵌段共聚物是聚苯乙烯-b-聚(乙烯/丙烯)，其可作为SEPTONTM SEP 1020商购获得。
热可逆凝胶在其固体形式(在低于转变温度的温度下)可以优选地具有至少1Pa·s的粘度，例如至少5Pa·s，至少10Pa·s或至少100Pa·s的粘度，以便防止从套管1泄漏。
附加地或可替代地，热可逆凝胶在其液体形式(在高于转变温度的温度下)可以优选具有至多1Pa·s的粘度，例如至多0.1Pa·s或至多0.01Pa·s的粘度，以便容易地浸渍可渗透固体材料。
热可逆凝胶可优选地具有至少80℃，例如至少105℃的转变温度。例如，在105℃下凝胶具有高于1Pa·s的粘度。
图2和图3示出了与矿物油(
10XN，实线)相比，使用异链烷烃油(ShellDiala S4 ZX-I，虚线)时增加的转变温度(图中的“拐点”)。
参见图2，对于两种油，增稠剂均包括KratonTMSEBS G1651和SEP G1701、矿物油凝胶中0.4wt％的SEBS G1651和0.8wt％的SEP G1701以及异链烷烃油凝胶中的0.55wt％的SEBS G1651和1.1wt％的SEP G1701的混合物。可以看出，转变温度从矿物油下的约40℃升高到异链烷烃油下的约100℃。
参照图3，对于两种油，增稠剂包括0.4wt％的SEPTONTM SEEPS 4099和0.8wt％的SEP 1020的混合物。可以看出，转变温度从矿物油下的约70℃升高到异链烷烃油下的约155℃。
当比较图2和3的图时，还可以看出，与KratonTM共聚物相比，使用SEPTONTM共聚物时，转变温度从矿物油下的40℃升高至70℃，并且从异链烷烃油下的100℃升高到155℃。
为了获得具有高转变温度的凝胶，因此优选使用异链烷烃油。然而，为了能够浸渍缠绕的可渗透固体材料，凝胶需要在浸渍温度下为液体。浸渍温度远远高于套管的工作温度，这是因为凝胶在所述工作温度下应为固体，但是由于加热成本和损坏例如可渗透固体材料的风险，具有非常高的浸渍温度可能是不切实际的。因此，可以将矿物油与异链烷烃油混合以获得针对任何给定增稠剂的合适的转变温度。
图4是用于制备用于HV套管1的电容器芯3的方法的实施例的示意性流程图。该方法包括在HV电导体2的纵向通道的周围缠绕(S1)可渗透固体材料的幅材。该方法还包括将油与增稠剂混合(S2)以形成热可逆凝胶。该方法还包括将凝胶加热(S3)到至少第一温度，在该第一温度下凝胶具有低于1Pa·s的粘度。该方法还包括用该第一温度下的凝胶浸渍(S4)缠绕的可渗透固体材料，以形成绝缘材料4，该绝缘材料4包括用热可逆凝胶浸渍的可渗透固体材料的缠绕层。该方法还包括将绝缘材料4冷却(S5)至第二温度以形成电容器芯3，在该第二温度下凝胶具有高于1Pa·s的粘度。油包括异链烷烃油，其含量在油的0.1-100wt％，优选地50-100wt％的范围内，增稠剂包括至少一种共聚物，其含量在凝胶的0.1-10wt％的范围内。
上面主要参考一些实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，在由所附权利要求限定的本公开的范围内，除了以上公开的实施例以外的其他实施例同样是可行的。
Claims (15)
1.一种高压HV套管(1)，包括电容器芯(3)，所述电容器芯被配置为围绕HV电导体(2)，所述电容器芯(3)包括绝缘材料(4)，所述绝缘材料包括用热可逆凝胶浸渍的可渗透固体材料的缠绕层，所述凝胶包括油和增稠剂，所述油包括异链烷烃油，所述异链烷烃油的含量在所述油的0.1-100wt％的范围内，并且所述增稠剂包括至少一种共聚物，所述至少一种共聚物的含量在所述凝胶的0.1-10wt％的范围内。
2.根据权利要求1所述的套管，其中，所述油包括含量在所述油的50-100wt％的范围内的异链烷烃油。
3.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述至少一种共聚物的含量为所述凝胶的至少1wt％，例如所述凝胶的至少2wt％或至少5wt％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述增稠剂包括苯乙烯共聚物。
5.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述至少一种共聚物具有至少200kg/mol，例如至少300kg/mol，至少400kg/mol或至少500kg/mol的平均分子量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述增稠剂包括三嵌段共聚物，所述三嵌段共聚物的含量为所述凝胶的至少0.1wt％，例如所述凝胶的至少1wt％或至少2wt％。
7.根据权利要求6所述的套管，其中，所述三嵌段共聚物是聚苯乙烯-b-聚(乙烯-乙烯/丙烯)-b-聚苯乙烯。
8.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述增稠剂包括二嵌段共聚物，所述二嵌段共聚物的含量为所述凝胶的至少0.1wt％，例如所述凝胶的至少1wt％或至少2wt％。
9.根据权利要求8所述的套管，其中所述二嵌段共聚物是聚苯乙烯-b-聚(乙烯/丙烯)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述油包括与所述异链烷烃油混合的矿物油，所述矿物油的含量为所述油的0.1-99wt％，优选为10-50wt％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述油包括含量为所述油的60-80wt％的异链烷烃油。
12.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述凝胶在105℃下的粘度高于1Pa·s。
13.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述可渗透固体材料包括纤维素基材料，例如工艺纸或绉纸、或例如NOMEXTM纸的芳纶纸、或其组合。
14.根据前述权利要求中任一项所述的套管，其中，所述电容器芯(3)包括多个导电箔(5)，所述多个导电箔(5)交错在凝胶浸渍的固体材料的所述层之间。
15.一种制备用于高压HV套管(1)的电容器芯(3)的方法，所述方法包括：
在HV电导体(2)的纵向通道的周围缠绕(S1)可渗透固体材料的幅材；
将油与增稠剂混合(S2)以形成热可逆凝胶；
将所述凝胶加热(S3)到至少第一温度，在所述第一温度下所述凝胶具有低1Pa·s的粘度；
用所述第一温度下的所述凝胶浸渍(S4)缠绕的所述可渗透固体材料，以形成绝缘材料(4)，所述绝缘材料(4)包括用所述热可逆凝胶浸渍的所述可渗透固体材料的缠绕层；以及
将所述绝缘材料(4)冷却(S5)到第二温度以形成所述电容器芯(3)，在所述第二温度下所述凝胶具有高于1Pa·s的粘度；
其中，所述油包括异链烷烃油，所述异链烷烃油的含量在所述油的0.1-100wt％的范围内，所述增稠剂包括至少一种共聚物，所述至少一种共聚物的含量在所述凝胶的0.1-10wt％的范围内。
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