CN1809897B - 高压绝缘材料 - Google Patents

Abstract

提供了一种特别用于高压发生器，例如无线电工艺和计算机X射线断层分析术的固体和液体形式的高压绝缘材料。该固体绝缘材料的特征在于，尤其是它们具有高介电强度，同时具有相对低的重量。而且，可以相对简单地设置绝缘材料的导电率，使得表面电荷可靠地消散，避免了电压击穿。最后用更多的实施例，尤其是在混合绝缘材料的情况中，可以以目标方式适合或改变绝缘材料的介电常数和/或导电率，使得在绝缘材料上的各自的电压降不超过其各自的介电强度。

Description

高压绝缘材料

技术领域

本发明涉及一种固体和液体形式的高压绝缘材料，尤其是用于高压发生器的高压绝缘材料，并还涉及包括这种绝缘材料的高压发生器，例如用于无线电工艺和计算机X射线断层分析术的高压发生器。最后本发明还涉及具有包括这种绝缘材料的高压发生器的X射线系统。

背景技术

根据系统的类型，在例如以X射线系统为例的，尤其是高压电压发生器中的现代高压设备上设置多种各种要求。

一方面，在所有的运行条件下，高压发生器和它们的元件应当具有充分持久的高压稳定性。这意味着必须找到配置并必须使用这样的绝缘材料，其可以可靠地阻止由于在个别元件上的表面电荷导致的电压击穿以及还阻止通过绝缘材料的电压击穿。

这尤其适用于具有高电源密度的现代高压发生器的情况中，因为通过使用日益增加的高操作频率，功率元件(例如高压变压器、级联等)日益变小，高压发生器由此变得日益紧凑以及由此产生的场强日益变高。

另一方面，高压发生器应当具有尽可能轻的重量，尤其是在比如以计算机X射线断层分析术为例的旋转系统的情况中。而且由于这些设备以很高的转速运行，所以随着它们一起旋转的元件易受到迅速加速，因此它们的机械结构也应当很稳定并尽可能的小和紧凑。

为了保证在日益变小的空间中足够高的电压稳定性，高压发生器中的绝缘材料当然是极其重要的。然而，这里存在的一个问题是这样一个事实，如上述的原因所需要的，具有特别轻的重量(也就是低密度)的绝缘材料仅具有相对低的介电强度。

另外一个需求是在高压发生器中不需要使用绝缘纸，因为所述绝缘纸需要复杂的浸渍工艺。相反，期望单独使用塑料工艺学实现绝缘，给出这样的优点，绝缘材料同时还起到支撑相关元件的作用，并可以根据注入成型给出最适于高压发生器的几乎任何内部形状。

由此可在高压发生器区域中或者为了冷却各个元件而将液体绝缘材料注入的沟道中形成合适的地方。然而如在EP1176856中公开的这种混合绝缘的情况中，它必须根据固体和液体绝缘材料的不同特性，尤其是根据导电率和其介电常数来保证在混合绝缘的任何点处都不会发生电压击穿。

最后，还应当考虑这样的事实，通过DC电压、AC电压和单极脉动电压的混合载荷的某些应用，高压发生器可能受到影响，由于这些电压，甚至还由于固体和液体绝缘材料中不同的电压降，增加了对绝缘材料的需求，尤其是在混合绝缘的情况中。

发明内容

本发明的一般目的是提供一种高压绝缘材料，可以以相对简单的方式将该高压绝缘材料最优化成高压设备的一种或多种上述需求。

尤其是，将提供这样的高压绝缘材料，其可以可靠地阻止由于高压设备(尤其是高压发生器)的个别元件上表面电荷导致的电压击穿和通过绝缘材料的电压击穿。

而且，将提供这样的高压绝缘材料，其具有特别轻的重量而不必按照它的电压稳定性考虑很多的限制。

还提供这样的高压绝缘材料，其尤其适用于高压发生器中的混合绝缘，例如根据EP 1176856中公开的，并且和后者比较，相对于由于表面电荷导致的电压击穿具有改善的稳定性和/或相对于通过绝缘材料的电压击穿具有改善的稳定性。

最后，还提供包括绝缘材料的高压发生器，该绝缘材料具有可靠的介电强度，该介电强度充分低于所有的实际操作条件，特别甚至是混合载荷，同时具有相对轻的重量和/或特别小和紧凑的结构。

通过本发明的高压绝缘材料实现该目的，通过增加至少一种另外的材料改变绝缘材料的导电率和/或介电常数，使得当在高压设备中使用该高压绝缘材料时，在运行中产生的电压降保持低于绝缘材料的击穿电压。

这种方案的一个优点是，例如通过至少增加绝缘材料的导电率，可以消散聚集在高压设备的元件上的表面电荷，使得不再发生电压击穿。

在混合绝缘材料的情况中获得这种方案的另一个优点，也就是说，那些不同的类型，例如尤其是固体和液体绝缘材料。由于这些通常具有不同的导电率和/或不同的介电常数，对应于在这些材料发生不同的DC或者AC电压降，其中在至少一种绝缘材料的每一种情况中，可能超出了其介电强度。通过根据介电强度改变导电率和/或介电常数，可以实现电压降的优化分布以及由此实现混合绝缘材料的整体更高的介电强度。

尽管US 2002/0094443A1公开了一种以合成聚酰亚胺泡沫形式的固体绝缘材料，其是由包括玻璃、碳、金属、陶瓷或者填充有气体的聚合物的中空球形微粒的聚合母体构成的，在其中也提到的这种泡沫不适用于绝缘电元件并且具有很高的介电常数。鉴于此，不认为所述文献与根据本发明的问题相关。

从属权利要求包含本发明的有益改进。

本发明还涉及涉及固体绝缘材料。通过提出基本上的球形微粒，可以产生具有相同或者所需大小的空腔的泡沫状绝缘材料并还在绝缘材料中产生这些空腔的高均匀的分布。

所述的绝缘材料具有这样的优点，它们具有特别轻的重量。

所述的绝缘材料具有这样的优点，可以以相对精确的和可再现的方式将它的导电率设置成所需的值。

从本发明的优选实施例的下述描述中，显现出本发明另外的细节、特征和优点。

具体实施方式

第一个实施例是以绝缘泡沫形式的固体高压绝缘材料，由于它的轻的重量，所以它尤其适合用在上述旋转X射线系统的高压发生器中。

这种绝缘泡沫包括基础物质，例如实质上具有大约3到4的介电常数ε_r的基础聚合母体。

以球形微粒的形式，将尤其是中空球体的填充料作为另外的材料导入到该聚合母体中。和制造泡沫状绝缘材料的公知方法相比，在这里获得这样的优点，由球形微粒形成的空腔具有对应于微粒的大小的尺寸并由此可以很精确地设置并可以再现。

另外，如果选择球形微粒的重量和特别是制造后者的材料，可以在绝缘材料中的空腔中获得比使用最公知的相关方法更显著地均匀分布，使得当它们被导入到还没有固化的基础衬底中时，在很大程度上它们既不沉淀也不漂浮，由此还可以获得非常高和所需程度的填充。

而且，如果为了控制触变性和/或粘滞性引入公知的润湿和分散添加剂，可以进一步增加填充程度。

通过本身公知的方法制造填充料或者球形微粒，因此这里不给出进一步的细节。

不像很多公知的绝缘泡沫那样，即使使具有非常不同的壁厚的绝缘材料以起泡沫到壳体等中，最终的空腔也不变化。而且，这里不发生在公知的绝缘泡沫中和在由于工艺导致大的壁厚的情况中将要被观察到的碳化(由于温升燃烧)。

根据对制造的中空球体的材料的适当选择，根据绝缘材料中的中空球体的尺寸和数量以及根据包含在中空球体中的气体类型和所述气体的压力，可以以所需的方式适合于或者改变绝缘材料的介电常数。

特别地，球形微粒是优选具有例如高达100μm直径的中空球体。

例如，中空球体可以由玻璃、(电容器)陶瓷或者酚醛树脂、丙烯腈共聚物或其它任何绝缘材料，例如热塑性或者硬质塑料(duroplastic)的材料制成。

中空球体可以包含气体，例如六氟化硫(SF₆)或者异戊烷或者如上所述的在增加的压力下还可以导入的其它气体。

因此，例如，随着绝缘材料中的气体的部分更大，可以进一步降低绝缘材料的介电常数。该部分随着中空球体的直径和数量的增加而增加。同时，根据这两种措施，当然还可以降低绝缘材料的重量。

而且，通过适当地选择中空球体的直径以及还有所含的气体的类型和压力，还可以影响绝缘材料的介电强度。鉴于此，以本身公知的方式使得空球体中的气体压力以及直径彼此适合，结果避免了中空球体中的部分放电。

通过使用增粘剂，可以改善中空球体对基础衬底的粘着力，并由此可以进一步增加绝缘材料的高压稳定性。在中空球体是由玻璃或者陶瓷制成的情况中，通过用大约0.1到0.3％的硅烷化可以增加对聚合母体的粘着力。如果中空球体是由塑料制成的，通过用碳酸钙涂覆塑料球体，可以改善对聚合母体的粘着力。

根据所有的这些方法，由此可以制造硬泡沫状的绝缘材料，可以以定义的可再现的方式将该绝缘材料的重量、介电常数和高压稳定性设置在很宽的界限内。

特别与增加高操作频率的使用有关和与减小功率元件(例如，高压变压器、级联等)的尺寸有关以及与高压发生器的日益增加的紧凑结构相关，提出的另一个问题是固体绝缘材料的表面上电荷聚集，其中电荷导致在那里的电压击穿并可能导致绝缘设置的破坏以及由此导致的高压发生器(接口问题)中的故障。

通过提供由具有导电涂层的非导电材料构成的球形微粒或者中空球体，可以实现这些电荷的消散，以及由此根据DC电压场强进一步增加负载容量。已经发现，借助于和用中空球体制造的绝缘材料的上述特性有关的方法，例如尤其是制造的空腔的均匀分布和大小，可以根据中空球体的密度和/或大小的选择，以相对精确和可再现的方式设置绝缘泡沫的体导电率。

根据该方法，可以以相对简单的方式将绝缘材料的电阻率降低到大约10¹⁰到大约10¹²Ωcm的优选范围，因此，有效地消散或者至少降低了上述的表面电荷，使得不再发生电压击穿。

由此，还可以大大避免了为了降低电阻在将导电微粒(银、石墨等)混合到绝缘材料中时经常引起的缺陷。这是因为这样的情况，在电阻中的大量微粒(也就是它们的填充程度)和液滴之间存在很高的依赖性。这基本上基于这样的事实：一旦绝缘材料中的各个导电微粒开始接触(并由此形成复杂的渗透路径)，电阻就急剧降低，尤其是非常迅速地降低到低于上述优选范围。这不用担心被涂覆的和非常均匀分布的球形微粒。

由此，根据AC电压负载，也就是通过设置介电常数，和根据DC电压负载，也就是通过设置绝缘材料的电阻，用根据本发明的绝缘材料可以进行总体的目标场控制。

尤其在使用X射线系统的过程中，这具有优点，因为通过后者高压发生器通常受到DC电压、AC电压和单极脉冲电压的混合负载的影响，尤其是当它运行在材料负载容量的极限范围中时。

应当提出的是，根据绝缘材料的电要求，球形微粒还可能具有只接近于理想球形的形状。

本发明的第二个实施例是液体高压绝缘材料。这优选使用在那些高压发生器中(尤其是具有大功率密度的)，它们不使用绝缘纸，而是相反只使用(例如，热塑性或者环氧或者其它绝缘树脂的)塑料工艺和液体绝缘材料一起构成。这具有这样的优点，不再需要和绝缘纸相关的复杂渗透过程。

而且，以大功率注入模制部分的形式，由热塑性塑料制造的(固体)绝缘材料同时还可以起到支撑的作用，使得可能和这些部分的适当金丝成形结合，可以进一步增加高电压发生器的紧凑性并且进一步减小其尺寸。

然而，由于大的场强，这里还存在这样的危险，将相对大量地对某些表面，尤其是固体绝缘材料的那些表面充电，并由此进一步加剧了上述接口问题。这可以发展到这样的程度，甚至在还远远低于所担心的绝缘材料本身击穿的场强的场强时，仍发生电压击穿。

为了解决该接口问题，根据上述第一个实施例，通过导入用导电材料涂覆的中空球体，固体绝缘材料可以再次被给出降低的电阻率，使得电荷至少可以基本消散。

作为替换或者除了这之外，使用根据本发明的第二个实施例的液体绝缘材料，其同样具有以目标方式降低的电阻率，可以获得这样的状况，通过液体绝缘材料至少基本上消散了固体绝缘材料上的表面电荷。

鉴于此，根据本发明，将第一种物质添加到液体绝缘材料，所述第一种物质尽可能的基本上或者完全溶解或者稍微地降低溶液的电阻率。由于物质溶解的事实，获得这样的优点，不能形成导致电阻中的突然降低的上述渗透路径，并由此还可以以目标的和可再现的方式设置液体绝缘材料的所需电阻率。

例如，可以将常规变压器油或者酯类液体选为液体绝缘材料的基础物质。为了减小电阻率，例如可以添加芳香烃和/或乙醇(例如酒精)，特别优选添加的量为使得仍然保持所需的和必需的介电强度并且液体中的损失仍是能容许的。

由于对液体绝缘材料的电阻率的这种设置和根据上述描述的固体绝缘材料的可能性，根据DC电压负载中固体和液体绝缘材料之间的目标场控制或者场分布，使得两种绝缘材料(混合绝缘材料)中的电压降不大于每种情况中绝缘材料的介电强度。

例如液体绝缘材料的电阻率可以降低到大约10¹⁰到大约10¹³Ωcm的范围，作为特定设置和配置的函数。

作为替换或者除了这之外，为了以目标方式实现相对于绝缘材料的AC电压负载的场控制，还可以以所需的方式相对于基础物质的介电常数依次设置或者改变液体绝缘材料的介电常数。为了增加全部绝缘材料的介电常数，可以将第二种物质，例如具有介电常数ε_r大约为8的蓖麻油添加到变压器中作为基础物质(ε_r＝2.1)。

尤其有利的是，可以彼此结合地使用根据本发明的固体和液体绝缘材料。

这将被看作是，例如当高压发生器具有混合绝缘时，在该混合绝缘中存在将液体绝缘材料馈送到其中的固体绝缘材料沟道，例如是为了能够比具有固体绝缘材料更好地从特别高热量负载的区域中消散热量。在EP1176856中公开了具有这种混合绝缘的高压发生器，应当参考该文献作为本发明公开的一部分。

在混合绝缘的情况中，根据上面已经描述的内容，可以有利地使固体和液体绝缘材料的电阻率和介电常数彼此适合，使得一方面可靠地消散表面电荷，以及另一方面，以最优的方式，在两种绝缘材料上通过DC和AC电压场分布负载，使得各自的电压降不超过各自的介电强度。

根据对于两种绝缘材料的DC和AC电压负载的目标场控制，可以进一步改善混合绝缘材料的介电强度，并可以使相关设备的壳体设计甚至更小。尤其是，通过可靠地消散表面电荷，所有的用途可以由绝缘材料的介电强度构成，以及由此可以相应地增加所有系统中的场强。

Claims (7)

1.一种高压绝缘材料，其是硬的且呈泡沫状，包括聚合母体和填充物，其中所述聚合母体具有3-4的介电常数，其中所述填充物由中空球体形成，其中所述中空球体由玻璃和/或陶瓷和/或酚醛树脂和/或丙烯腈共聚物构成或由热塑性或硬质塑料材料构成，其中所述中空球体具有高达100μm的直径，以及其中所述中空球体填充有气体。

2.如权利要求1的高压绝缘材料，其中中空球体具有由导电材料形成的涂层。

3.如权利要求1的高压绝缘材料，其中中空球体具有由提高中空球体和所述聚合母体之间的粘着力的材料形成的涂层。

4.如权利要求1的高压绝缘材料，其中中空球体嵌入在所述聚合母体中，其中向所述中空球体添加增粘剂，用于提高中空球体和所述聚合母体之间的粘着力。

5.一种高压发生器，包括如权利要求1-4中任一项所述的高压绝缘材料，和液体形式绝缘材料，其中所述液体形式绝缘材料包括液体基础物质和第一种物质，其中所述第一种物质溶解在所述液体基础物质中，其中该液体基础物质是变压器油和/或酯液体，以及第一种物质是芳香烃和/或乙醇。

6.如权利要求5所述的高压发生器，其中所述液体形式绝缘材料还包括第二种物质，其为蓖麻油，用于改变介电常数。

7.一种具有如权利要求5-6中任一项所述的高压发生器的X射线系统。