CN115298755B - 包括压制版的绝缘元件以及高压设备 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于高压设备的压制版，根据IEC60641‑2，所述压制版具有0.6‑1.3g/cm3的密度，且包括基于所述压制版的总干重的1‑15％的微原纤维化纤维素MFC。还提供了一种包括这样的压制版的绝缘元件(101)，其中所述压制版浸渍有电绝缘化合物(104)。还提供了一种这样的绝缘元件在高压设备(100)中的用途以及一种包括这样的绝缘元件的高压设备，其中所述高压设备可以是电力变压器。
Description
技术领域
本公开涉及用作高压(HV)设备(例如电力变压器)中的绝缘屏障和/或支撑结构的压制版(pressboard)。
背景技术
现代电力变压器通常包括由绕组导体围绕的油浸式芯，所述绕组导体由绝缘材料覆盖。
作为电绝缘材料，油浸渍压制版经常在电力变压器中使用。该压制版的主要功能之一是在防止电势与地之间或不同电势之间的电闪络(electrical flashover)的绝缘系统中形成屏障。该压制版的一个限制性属性是因压制版与油之间关于介电常数的不良匹配而显现的其耐电性；大差异导致油在电容电压下受高应力。已知的是，如果该压制版的密度——通常为大约1.0-1.3g/cm3——降低，则油的介电常数与压制版的介电常数之比可以降低。一个解释是较低的密度允许油更均匀分布在该压制版的多孔结构中。然而，为了仅仅降低密度不是一种选择，因为降低的密度也将降低该压制版的耐电性以及机械强度。此外，降低的密度将增加机械可压缩性，该机械可压缩性也对电力变压器的设计具有负面影响。换句话说，在机械属性和电属性之间存在折衷，且因此一个问题是在不损害耐电性或机械强度的情况下降低油的电应力。
发明内容
本公开的一个目的是提供一种可以用作电力变压器中的绝缘屏障和支撑结构的改进的压制版。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于高压设备的压制版，根据IEC60641-2，所述压制版具有0.6-1.3g/cm3的密度，且包括基于所述压制版的总干重的1-15％的微原纤维化纤维素(MFC)。
通过在所述压制版中包括MFC且同时与不含MFC的常规压制版相比保持或降低所述压制版的密度，提供了一种具有令人满意的机械属性的低密度压制版，所述压制版平衡了耐电性与机械强度。所述耐电性包括各种电压形状，诸如直流(DC)、交流(AC)、雷电冲击(LI)和操作冲击(SI)。
根据本公开的第二方面，提供了一种绝缘元件，根据IEC60641-2，其包括具有0.6-1.3g/cm3密度的压制版，其中所述压制版包括基于所述压制版的总干重的1-15％的MFC，且其中所述压制版浸渍有电绝缘化合物，例如液体或树脂，诸如固化树脂。
根据本公开的一个方面，提供了一种绝缘元件(101)，其包括用于高压设备的压制版(204)，所述压制版(204)
具有0.6-1.3g/cm3的密度，
包括基于所述压制版的总干重的1-15％的微原纤维化纤维素MFC，
具有的厚度为0.8-10mm，诸如1.0-9.0mm，诸如4.0-9.0mm；且
其中所述MFC同质地分布在所述压制版中
其中所述压制版浸渍有电绝缘化合物(104)，例如液体或树脂，诸如固化树脂，
其中
所述压制版(204)在矿物油中的电容率(ε板,矿物)与所述矿物油的电容率(ε液,矿物)之比在以下范围内：
ε板,矿物/ε液,矿物＝1-1.9，优选地1-1.6，更优选地1-1.4
和/或
所述压制版(204)在酯油中的电容率(ε板,酯)与所述酯油的电容率(ε液,酯)之比在以下范围内：
ε板,酯/ε液,酯＝1-1.35，优选地1-1.2，更优选地1-1.1。
与不含MFC的常规压制版相比，在所述压制版中添加MFC在保持低密度的同时允许降低的压制版电常数，这降低了所述压制版与浸渍所述压制版的绝缘液体或树脂之间的电常数的差异。结果，降低了固体绝缘元件附近的液体或树脂体积中的电应力，且提供了具有定制的介电匹配的浸渍压制版。
作为本公开的第三方面，提供了一种绝缘元件在高压设备中的用途，其中所述绝缘元件包括压制版，根据IEC60641-2，所述压制版具有0.6-1.3g/cm3的密度，且其中所述压制版包括基于所述压制版的总干重的1-15％的MFC，且其中所述压制版浸渍有电绝缘化合物，例如液体或树脂，诸如固化树脂。
作为本公开的第四方面，提供了一种包括绝缘元件的高压设备，其中所述绝缘元件包括压制版，根据IEC60641-2，所述压制版具有0.6-1.3g/cm3的密度，且其中所述压制版包括基于所述压制版的总干重的1-15％的MFC，且其中所述压制版浸渍有电绝缘化合物，例如液体或树脂，诸如固化树脂。所述HV设备可以是电力变压器，例如填充液体的电力变压器。所述HV设备可以是填充液体的HV设备，例如填充液体的电力变压器。
上文关于第二方面所描述的内容经必要修改后适用于第三和第四方面。
附图说明
图1例示了根据本公开的HV设备(100)的一个示例性实施方案，所述HV设备包括绝缘元件(101)，所述绝缘元件包括MFC、HV元件(102)、壳体(103)和绝缘化合物(104)。
图2例示了根据本公开的绝缘元件(101)的一个示例性实施方案，所述绝缘元件包括由第一外层(201)、内层(202)和第二外层(203)组成的压制版(204)。
具体实施方式
根据IEC60641-2，根据本公开的用于高压设备的压制版(204)具有密度0.6-1.3g/cm3，优选地0.8-1.2g/cm3，诸如0.8-1.1g/cm3，诸如0.8-1.0g/cm3。压制版(204)包括基于压制版(204)的总干重的1-15％的MFC，优选地1-10％的MFC，诸如1-7％的MFC，诸如1-5％的MFC，诸如2-5％的MFC，诸如3-5％的MFC。
通常，当MFC被添加到纤维素基纸或板时，MFC填充空隙，导致密度增加。现在已经出人意料地发现，在添加MFC后提供一种低密度的压制版，高机械强度以及耐电性都被实现。
在本公开的优选实施方案中，MFC同质地分布在整个压制版(204)中。同质在本公开的上下文中是指MFC良好分布且不集中到压制版的某些区域。在一个实施方案中，压制版仅由一个压制版层组成，且在一个替代实施方案中，压制版包括多个压制版层(201、202、203)，且在这样的实施方案中，优选地所有的层都包括MFC，优选地同质地分布。
根据IEC60641-2，压制版(204)的厚度可以是0.8-10mm，诸如1.0-9.0mm，诸如4.0-9.0mm。压制版比一般用途的绝缘纸和厚纸板(presspaper)厚许多倍。根据IEC60554-1，用作例如缠绕绝缘材料的一般绝缘纸具有的厚度为15-250μm，而根据IEC60641-1，厚纸板具有的厚度为0.075-0.80mm。压制版的生产方法也不同于绝缘纸的生产方法。绝缘纸是根据标准造纸方法在造纸机上生产的，而压制版是通过在规定的循环内改变供料的压制和进给以逐渐形成规定的厚度的过程生产的。
在本公开的上下文中，MFC是指具有小于100nm的至少一个维度的纳米级纤维素颗粒纤维或原纤维。MFC包括部分地或全部地原纤维化纤维素或木质纤维素纤维。释放的原纤维具有小于100nm的直径，而实际的原纤维直径或颗粒尺寸分布和/或纵横比(长度/宽度)取决于来源和制造方法。最小的原纤维被称为基本原纤维，且可以具有大约2-4nm的直径，而通常基本原纤维的聚集形式——也被定义为微原纤维——是当例如通过使用扩展的精炼过程或压降分解过程制造MFC时获得的主要产物。取决于来源和制造过程，原纤维的长度可以从大约1微米到大于10微米变化。
MFC存在不同的同义词，这些同义词在文献中有时被混淆地使用，诸如纤维素微原纤维、原纤维化纤维素、纳米原纤维化纤维素(NFC)、原纤维聚集体、纳米级纤维素原纤维、纤维素纳米纤维、纤维素纳米原纤维(CNF)、纤维素微纤维(CMF)、纤维素原纤维、微原纤维纤维素、微原纤维聚集体和纤维素微原纤维聚集体。MFC也可以由各种物理属性或物理-化学属性——诸如大表面积或其当分散在水中时在低固体含量(1-5wt.％)形成凝胶状材料的能力——表征。纤维素纤维优选地被原纤维化到这样的程度，使得当用BET方法针对经冷冻干燥的材料确定时，形成的MFC的最终比表面积(final specific surface area)为大约1至大约200m2/g，或更优选地为50-200m2/g(布鲁诺、斯蒂芬、保罗·休·埃米特和爱德华·泰勒1938年发表在《美国化学学会杂志》第60.2期第309-319页的“气体在多分子层中的吸附”)。使用ASAP 2020(微粉学，USA)仪器记录氮气(N2)吸附等温线。在液体氮气温度(即，77K)下执行测量，且使用BET方法从等温线获得样品的比表面积。
存在各种制造MFC的方法，诸如单程或多程精炼、预水解之后精炼或高剪切分解或原纤维释放。可以进行一个或几个预处理步骤，以使MFC制造能量高效，包括酶预处理或化学预处理。
纳米原纤维纤维素可以包含一些半纤维素；量可以取决于诸如植物来源和制浆过程的因素。机械纤维可以用合适的装备诸如精制机、研磨机、均质器、碰撞机、摩擦研磨机、超声声波仪、流化器诸如微流化器、大流化器或流化器型均质器执行。根据MFC制造方法，产物还可能含有细粉或例如在木质纤维中或在造纸过程中存在的其他化学物质。该产物还可能含有各种量的、未被高效地原纤维化的微米尺寸的纤维颗粒。MFC可以由木质纤维素纤维产生，所述木质纤维素纤维由硬木纤维或软木纤维产生。替代地，它可以由农业纤维诸如麦秸浆、竹子、甘蔗渣或其它非木质纤维来源制成。它优选地由原生纤维的浆状物制成，所述浆状物是例如机械、化学和/或热机械浆状物，优选地从未干燥的纤维。
上文所描述的MFC的定义包括但不限于对纤维素纳米原纤维(CNF)所提出的TAPPI标准W13021，该标准定义包含多个基本原纤维的纤维素纳米纤维材料，所述基本原纤维具有结晶区域和无定形区域二者、具有高纵横比、其中宽度为5-30nm且纵横比通常大于50。
还提供了一种根据本公开的绝缘元件(101)，所述绝缘元件包括压制版(204)，其中所述压制版浸渍有电绝缘化合物(104)，例如液体或树脂，诸如固化树脂。
MFC的包括允许电绝缘液体的介电常数和压制版的介电常数之比低，而同时压制版具有良好的机械属性。
在一些实施方案中，所述绝缘元件包括压制版，所述压制版包括基于所述压制版的总干重的1-10％的MFC，诸如1-7％的MFC，诸如1-5％的MFC，诸如2-5％的MFC，诸如3-5％的MFC。
在另外的实施方案中，所述绝缘元件包括压制版，所述压制版具有的密度为0.8-1.2g/cm3，诸如0.8-1.1g/cm3，诸如0.8-1.0g/cm3。
在一些实施方案中，所述绝缘元件包括压制版，所述压制版包括多个压制版层201、202、203。
在所述绝缘元件的一些实施方案中，所有的层都包括MFC。
在一些实施方案中，所述电绝缘化合物是或包括油，诸如矿物油，或酯基液体。所述矿物油来源于原油或天然气，而所述酯基液体是酯流体，优选地来源于植物或农作物、诸如来源于油菜籽、加拿大油菜(canola)或大豆的脂流体。
在另外的实施方案中，电绝缘化合物(104)是或包括固化树脂，诸如环氧基树脂、聚酯基树脂或酚醛树脂(phenolic resin)或其组合。
绝缘元件(204)可以具有直流(DC)和/或交流(AC)和/或雷电冲击(LI)和/或操作冲击(SI)电击穿威布尔(Weibull)α值，该值比不含MFC的对应的绝缘元件高5-50％，优选地高15-50％，更优选地高30-50％。由于绝缘元件的密度，对于电压形状DC、AC、LI和SI中的至少一些，所述绝缘元件具有增加的击穿威布尔α值。不含MFC的对应的绝缘元件在本公开的上下文中是指不具有MFC但在其他方面相同的绝缘元件。威布尔α值是击穿强度的量度。
压制版(204)的DC和/或AC和/或LI和/或SI电击穿威布尔β值可以是在7以上，优选地在9以上，更优选地在12以上。威布尔β值是阿尔法值周围的击穿强度的统计分布的量度。较高的贝塔值意味着低统计分布。在一些实施方案中，根据IEC62631-2-1确定的所述压制版在矿物油中的电容率(ε板,矿物)与所述矿物油的电容率(ε液,矿物)具有以下比：ε板,矿物/ε液,矿物＝1-1.9，优选地1-1.6，更优选地1-1.4。
替代地，压制版(204)在酯油中的电容率(ε板,酯)与所述酯油的电容率(ε液,酯)可以具有以下比：ε板,酯/ε液,酯＝1-1.35，优选地1-1.2，更优选地1-1.1。
压制版与绝缘化合物之间的电容率比可以有利地接近1。接近1或等于1的电容率比意味着绝缘化合物在电容电压下处于低应力下。电容率比取决于所使用的绝缘化合物的类型。
还提供了根据本公开的一个实施方案的绝缘元件(101)在高压设备(100)中的用途，其中压制版(204)浸渍有电绝缘化合物(104)，例如液体或树脂，诸如固化树脂。
还提供了一种高压设备(100)，所述高压设备包括根据本公开的一个实施方案的绝缘元件(204)，其中所述压制版(204)浸渍有电绝缘化合物(104)，例如液体或树脂，诸如固化树脂。所述绝缘化合物与浸渍板的绝缘化合物相同。
可以在以下要点中任一个中描述本公开的实施方案。
1.一种用于高压设备的压制版(204)，所述压制版(204)具有0.6-1.3g/cm3的密度，且包括基于所述压制版的总干重的1-15％的微原纤维化纤维素MFC。
2.根据要点1所述的压制版(204)，包括基于所述压制版的总干重的1-10％的MFC，诸如1-7％的MFC，诸如1-5％的MFC，诸如2-5％的MFC，诸如3-5％的MFC。
3.根据前述要点中任一个所述的压制版(204)，其中所述密度为0.8-1.2g/cm3，诸如0.8-1.1g/cm3，诸如0.8-1.0g/cm3。
4.根据前述要点中任一个所述的压制版(204)，具有的厚度为0.8-10mm，诸如1.0-9.0mm，诸如4.0-9.0mm。
5.根据前述要点中任一个所述的压制版(204)，其中所述压制版包括多个压制版层(201、202、203)。
6.根据要点5所述的压制版(204)，其中所有的层都包括MFC。
7.根据前述要点中任一个所述的压制版(204)，其中所述MFC同质地分布在所述压制版中。
8.一种绝缘元件(101)，包括根据点1-7中任一个所述的压制版(204)，其中
所述压制版浸渍有电绝缘化合物(104)，例如液体或树脂，诸如固化树脂。
9.根据要点8所述的绝缘元件(101)，其中所述电绝缘化合物(104)是或包括油，诸如矿物油，或酯基液体。
10.根据要点8所述的绝缘元件(101)，其中所述电绝缘化合物(104)是或包括固化树脂，诸如环氧基树脂、聚酯基树脂或酚醛树脂或其组合。
11.根据要点8-10中任一个所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)的直流DC和/或交流AC和/或雷电冲击LI和/或操作冲击SI电击穿威布尔α值比不含MFC的对应的绝缘元件高5-50％，优选地高15-50％，甚至更优选地高30-50％。
12.根据要点8-11中任一个所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)的直流DC和/或交流AC和/或雷电冲击LI和/或操作冲击SI电击穿威布尔β值在7以上，优选地在9以上，更优选地在12以上。
13.根据要点8-12中任一个所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)在矿物油中的电容率(ε板,矿物)与所述矿物油的电容率(ε液,矿物)之比在以下范围内：
ε板,矿物/ε液,矿物＝1-1.9，优选地1-1.6，更优选地1-1.4，
和/或
所述压制版(204)在酯油中的电容率(ε板,酯)与所述酯油的电容率(ε液,酯)之比在以下范围内：
ε板,酯/ε液,酯＝1-1.35，优选地为1-1.2，更优选地为1-1.1。
14.根据要点8-13中任一个所述的绝缘元件在高压设备(100)中的用途。
15.一种高压设备(100)，包括任何要点8-13所述的绝缘元件(101)，其中所述高压设备是电力变压器，例如液体填充的电力变压器。
Claims (30)
1.一种绝缘元件(101)，包括用于高压设备的压制版(204)，所述压制版(204)：
具有0.6-1.3g/cm3的密度；
包括基于所述压制版的总干重的1-15％的微原纤维化纤维素MFC；
具有0.8-10mm的厚度；且
其中所述MFC同质地分布在所述压制版中，
其中所述压制版浸渍有电绝缘化合物(104)，
其中所述压制版(204)在矿物油中的电容率(ε板,矿物)与所述矿物油的电容率(ε液,矿物)之比在以下范围内：
ε板,矿物/ε液,矿物＝1-1.9，
和/或
所述压制版(204)在酯油中的电容率(ε板,酯)与所述酯油的电容率(ε液,酯)之比在以下范围内：
ε板,酯/ε液,酯＝1-1.35。
2.根据权利要求1所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版包括基于所述压制版的总干重的1-10％的MFC。
3.根据权利要求1所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版具有的密度为0.8-1.2g/cm3。
4.根据权利要求1所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版包括多个压制版层(201、202、203)。
5.根据权利要求4所述的绝缘元件(101)，其中所有的层都包括MFC。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的绝缘元件(101)，其中所述电绝缘化合物(104)是油或酯基液体，或所述电绝缘化合物包括油或酯基液体。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的绝缘元件(101)，其中所述电绝缘化合物(104)是固化树脂，或所述电绝缘化合物(104)包括固化树脂。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)的直流DC和/或交流AC和/或雷电冲击LI和/或操作冲击SI电击穿威布尔α值比不含MFC的对应的绝缘元件高5-50％。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)的直流DC和/或交流AC和/或雷电冲击LI和/或操作冲击SI电击穿威布尔β值在7以上。
10.根据权利要求1所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)具有1.0-9.0mm的厚度。
11.根据权利要求1所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)具有4.0-9.0mm的厚度。
12.根据权利要求1所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版浸渍有液体或树脂。
13.根据权利要求1所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版浸渍有固化树脂。
14.根据权利要求1所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)在矿物油中的电容率(ε板,矿物)与所述矿物油的电容率(ε液,矿物)之比在以下范围内：
ε板,矿物/ε液,矿物＝1-1.6，
和/或
所述压制版(204)在酯油中的电容率(ε板,酯)与所述酯油的电容率(ε液,酯)之比在以下范围内：
ε板,酯/ε液,酯＝1-1.2。
15.根据权利要求1所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)在矿物油中的电容率(ε板,矿物)与所述矿物油的电容率(ε液,矿物)之比在以下范围内：
ε板,矿物/ε液,矿物＝1-1.4，
和/或
所述压制版(204)在酯油中的电容率(ε板,酯)与所述酯油的电容率(ε液,酯)之比在以下范围内：
ε板,酯/ε液,酯＝1-1.1。
16.根据权利要求2所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版包括基于所述压制版的总干重的1-7％的MFC。
17.根据权利要求2所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版包括基于所述压制版的总干重的1-5％的MFC。
18.根据权利要求2所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版包括基于所述压制版的总干重的2-5％的MFC。
19.根据权利要求2所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版包括基于所述压制版的总干重的3-5％的MFC。
20.根据权利要求3所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版具有的密度为0.8-1.1g/cm3。
21.根据权利要求3所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版具有的密度为0.8-1.0g/cm3。
22.根据权利要求6所述的绝缘元件(101)，其中所述电绝缘化合物(104)是矿物油，或所述电绝缘化合物(104)包括矿物油。
23.根据权利要求7所述的绝缘元件(101)，其中所述电绝缘化合物(104)是环氧基树脂、聚酯基树脂或酚醛树脂或其组合，或所述电绝缘化合物(104)包括环氧基树脂、聚酯基树脂或酚醛树脂或其组合。
24.根据权利要求8所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)的直流DC和/或交流AC和/或雷电冲击LI和/或操作冲击SI电击穿威布尔α值比不含MFC的对应的绝缘元件高15-50％。
25.根据权利要求8所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)的直流DC和/或交流AC和/或雷电冲击LI和/或操作冲击SI电击穿威布尔α值比不含MFC的对应的绝缘元件高30-50％。
26.根据权利要求9所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)的直流DC和/或交流AC和/或雷电冲击LI和/或操作冲击SI电击穿威布尔β值在9以上。
27.根据权利要求9所述的绝缘元件(101)，其中所述压制版(204)的直流DC和/或交流AC和/或雷电冲击LI和/或操作冲击SI电击穿威布尔β值在12以上。
28.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘元件在高压设备(100)中的用途。
29.一种高压设备(100)，包括权利要求1-27中任一项所述的绝缘元件(101)，其中所述高压设备是电力变压器。
30.根据权利要求29所述的高压设备(100)，其中所述高压设备是填充液体的电力变压器。
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