CN1989577B - 高电压套管 - Google Patents

Abstract

高电压套管(1)具有导体(2)和围绕该导体(2)的芯(3)，其中芯(3)包括片状间隔物(4)，该间隔物(4)被电绝缘基质材料(6)浸渍。其特征在于间隔物(4)具有可以用基质材料(6)填充的多个孔(9)。优选地，间隔物(4)是网状的或者多孔的。它可以是纤维网。该套管(1)可以是在芯内具有均衡板(5)的精细分级套管(1)。填充有颗粒的树脂(6)可以用作基质材料(6)。

Description

高电压套管

技术领域

本发明涉及高电压技术领域。本发明涉及根据独立权利要求的前序部分所述的套管和生产套管的方法以及片状材料的用途。这样的套管例如应用于变压器、气体绝缘开关设备、发电机中或者应用为测试套管。

背景技术

套管是通常用来通过接地屏障如变压器箱在高电势传送电流的装置。为了减少和控制套管附近的电场，已经开发了有(精细)分级套管之称的电容式套管。通过插入并入至套管芯中的浮动均衡器(电极)板，电容式套管有助于实现电应力控制。电容器芯减少电场梯度并沿着绝缘体的长度分布电场，这提供了大大超过标称电压读数的低局部放电读数。

套管的电容器芯典型地使用作为间隔物的牛皮纸或者皱纹牛皮纸来缠绕。均衡板是由金属(典型地是铝)插入件或者非金属(墨、石墨膏)补块构造而成。这些板同轴地设置以便实现外部闪络与内部击穿强度之间的最佳平衡。纸间隔物确保电极板的限定位置并且提供机械稳定性。

现有套管的电容器芯被油浸渍(OIP，油浸纸)或者被树脂浸渍(RIP，树脂浸纸)。RIP套管具有的优点在于它们是干式(无油)套管。RIP套管的芯使用纸来缠绕，并且电极板插入于相邻纸绕组之间的适当位置。然后在芯的加热和真空过程中引入树脂。

浸纸套管的不足在于以油或者以树脂来浸渍纸的过程是缓慢的过程。所希望的是，能够加速对密实和操作安全的高电压套管的生产。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供没有上述不足的一种高电压套管和一种用于生产这种套管的方法。将会加速生产过程，特别地是将会缩短浸渍过程。

通过具有权利要求的特征的装置和方法来解决该问题。

根据本发明，该套管具有导体和围绕该导体的芯，其中芯包括片状间隔物，该间隔物被电绝缘基质材料浸渍。其特征在于间隔物具有可以用基质材料填充的多个孔。

导体典型地是杆或者管或者接线。芯提供导体的电绝缘并可以(但不是必须)包含均衡板。从典型意义上说，芯基本上是旋转对称的并与导体同心。平型间隔物可以被聚合物(树脂)或者油或者一些其它基质材料浸渍。平型间隔物可以是纸或者优选地是典型地以螺旋形式缠绕由此形成多个相邻层的不同材料。

间隔物散布有孔。这些孔有助于和加速基质材料穿透所缠绕的间隔物(芯)。如现有技术中那样利用未被刺穿的纸，基质材料必须蔓延通过一个纸层以便从成对的两个相邻间隔物层之间径向地移动到相邻的成对的两个相邻间隔物层。如果间隔物包括多个孔，则非常有助于在径向上交换基质材料，也非常有助于在轴向方向上穿透缠绕间隔物材料的芯，因为流动阻力由于更多空间而较低。

如果孔足够大并相应地已完成缠绕，则通道将在芯内形成，这些通道会在浸渍过程中快速地引导基质材料穿过芯。

孔基本上在片状间隔物的短尺度方向上穿透片状间隔物。

使用具有多个孔的间隔物的另一主要优点在于允许使用替代性材料。一个大的优点在于，纸可以由其它材料、如聚合物或者有机或者无机纤维所取代。使用纸作为间隔物的不足在于：在浸渍之前必须彻底地使纸干燥，这是缓慢的过程。由于过短或者因其它原因而不足的干燥过程导致保留在芯内的水分将会在套管使用于高温时损坏套管。至少作为重要优点的另一点在于可以使用各种基质材料。如现有技术中那样利用未被刺穿的纸，只有液态、未填充的、低粘性的聚合物可以用作基质材料。这些限制对根据本发明的套管不起作用。这可以使得固化基质材料所需要的时间显著减少。具体而言，颗粒填充的聚合物可以用作基质材料，这带来了数项热机械的优点和提高的(加速的)套管可生产性。

在一个优选实施例中，间隔物是网状的或者有网孔的。优选地，间隔物具有开口网格。该网格以及这些开口的分布分别可以是有规律的或者无规律的。另外，开口的形状在整个网格中可以是不变的或者可以是变化的。

在另一优选实施例中，间隔物包括多个纤维，特别地，间隔物可以基本上由纤维构成。适用的纤维例如可以是玻璃纤维。也能够以纤维形式进行使用的各种材料可以应用于间隔物中。例如：有机纤维，如聚乙烯和聚酯；或者无机纤维，如氧化铝或者玻璃；或者其它纤维：如硅树脂形成的纤维。不同材料的纤维也可以组合地使用于间隔物中。单独的纤维或者成束的纤维可以用作结构的经和纬。使用具有低或者零吸水性——特别地是与在现有技术已知的套管中使用的纤维素纤维的吸水性相比甚小的吸水性——的纤维是大为有利的。

在另一优选实施例中，间隔物缠绕在通过导体形状限定的轴周围。以与轴之间的适当径向距离在芯内设置金属或者半传导材料的均衡板。

这样的套管是分级或者精细分级的套管。从典型意义上说，一个单层分间隔物材料缠绕在导体或者心轴周围，以便形成间隔物材料的螺旋。特别是在很长的套管的情况下，可以并行地缠绕间隔物材料的两个或更多轴向偏移的带。也可以缠绕双层或者甚至更厚的间隔物材料的螺旋；不过这样的双层或者三层仍然可以被视为一层间隔物材料，该间隔物材料在那一情况下恰好分为双层或者三层。

均衡板可以是例如铝的金属箔，这些板在某一次数的缠绕之后插入到芯中，使得以与轴之间的定义好的、可指定的径向距离来排列和固定均衡板。也可以通过向间隔物施加金属或者半传导材料——例如通过喷溅、印制、涂布、等离子体喷溅或者化学气相沉积等——来为均衡板提供这样的材料。

特别地，在纤维形成间隔物主要部分的情况下，可以通过至少部分地是金属或者半传导的间隔物纤维形成均衡板。这样的特殊纤维例如可以在它们轴向延伸的某些长度之上以金属或者半传导的方式涂布。

在另一有利实施例中，涂布和/或表面处理间隔物以提高间隔物与基质材料之间的粘合性。根据间隔物材料，可能有利的是刷磨、刻蚀、涂布或者以别的方式处理间隔物的表面，以便实现间隔物与基质材料之间提高的相互作用。这将提供芯的增强的热机械稳定性。

在另一有利实施例中，间隔物缠绕在通过导体形状限定的轴周围，间隔物中孔的尺寸沿着平行于该轴的方向和/或沿着垂直于该轴的方向变化。由此可以增强浸渍能力。如果间隔物例如是玻璃纤维网的矩形件，该矩形件具有与轴平行对准的短边，而长边将在导体周围缠绕成螺旋，则玻璃纤维网中孔的尺寸可以沿着短边和/或长边变化。另外，间隔物材料中孔的形状也可以按照这样的方式变化。

在一种特别优选的实施例中，基质材料包括填充物颗粒。优选地，该基质材料包括聚合物和填充物颗粒。该聚合物例如可以是环氧树脂、聚脂树脂、聚氨酯树脂(polyurethane resin)或者另一电绝缘聚合物。优选地，填充物颗粒是电绝缘或者半传导的。填充物颗粒例如可以是SiO₂、Al₂O₃、BN、AlN、BeO、TiB₂、TiO₂、SiC、Si₃N₄、B₄C等或其混合物的颗粒。也可以在聚合物中具有各种此类颗粒的混合物。优选地，颗粒的物理状态是固态。

与利用未填充的环氧物(epoxy)作为基质材料的芯相比较，如果使用具有填充物的基质材料则在芯内将会有较少的环氧物。因而，可以明显地减少固化环氧物所需要的时间，这减少了制造套管所需要的时间。

如果填充物颗粒的热传导率高于聚合物的热传导率则是很有利的。另外，如果填充物颗粒的热膨胀系数(CTE)小于聚合物的CTE也是很有利的。如果相应地选择填充材料，则明显地增强套管的热机械特性。

通过使用具有填充物的基质材料，芯的较高热传导率将允许增加套管的电流额定值或者在同一电流额定值时减少套管的重量和尺寸。另外，当使用高热传导率的填充物颗粒时，在工作条件之下套管内的热分布更为均匀。

由于使用具有填充物的基质材料，芯的较低CTE将造成在固化过程中减少的总体化学收缩。这实现了生产(几乎)最终形状的套管(免加工)，并且因此明显地减少生产时间。此外，可以减少芯与导体(或者心轴)之间的CTE失配。

另外，由于基质材料中的填充物，可以大大地减少芯的吸水性并可以实现增加的断裂韧度(较高的抗裂性)。使用填充物可以显著地减少芯的脆性(较高的断裂韧度)，由此实现增强芯的热机械特性(较高的玻璃化转变温度)。

更多的优选实施例和优点从附属权利要求和附图中显现。

附图说明

下文借助在附图中示出的可能实施例具体地说明本发明。这些附图示意性地示出：

图1    精细分级套管的局部横截面图；

图1A   图1的放大细部图；

图2    纤维网形式的间隔物的局部图；

图3    间隔物的局部图。

在标号列表中总结了在附图中使用的标号及其含义。一般而言，相似的或者功能相似的部分被赋以相同的标号。所述实施例仅用作例子而不应当限制本发明。

具体实施方式

图1示意性地示出了精细分级套管1的局部横截面图。该套管基本上关于对称轴A旋转对称。在套管1的中央是实心金属导体2，该导体也可以是管或者接线。导体2部分地为芯3所包围，该芯也是基本上关于对称轴A旋转对称。芯3包括间隔物4，该间隔物缠绕在芯周围并且被作为基质材料的可固化环氧物6浸渍。以与轴A之间的指定距离在间隔物4的相邻绕组之间插入铝箔件5，以便用作均衡板5。在芯的外侧上设置法兰10，该法兰允许将套管固定到变压器或者开关设备等的接地壳体。套管可以是变压器或者开关设备的部分，或者是另一高电压设施或者高电压装置例如发电机的部分。在工作条件之下导体1将处于高电势，而芯则在接地电势提供导体2与法兰10之间的电绝缘。在套管2通常位于壳体外部的那一侧上，绝缘封包11包围芯3。封包11可以是例如由瓷、硅树脂或者环氧物制成的中空合成物。该封包可以被提供有裙部(shed)或者如图1中所示的那样提供裙部。该封包具有一些裙部，这实际上是需要它的原因所在。封包11应当保护芯3免受老化(UV辐射、天气)并在套管1的整个寿命过程中维持良好的电绝缘性。裙部的形状被设计成使得它在暴露于雨水时具有自行清洁的表面。这避免了在裙部表面上的尘埃或者污染物累积，此累积可能影响绝缘性并导致电闪络。

当在芯3与封包11之间有中间空间的情况下，可以提供绝缘介质12、例如像硅树脂凝胶或者聚氨酯凝胶这样的绝缘液体12以便填充那一中间空间。

图1的放大局部图更具体地示出了芯3的结构。间隔物4是片状的并具有填充有基质材料6的多个孔9。间隔物4基本上是玻璃纤维交织束7的网4。

图2示意性地示出了这样的间隔物4。纤维束7形成用来限定开口9或者孔9的桥接8或者跨接件8。在穿过这种网的横截面中，当缠绕成螺旋时，纤维束和在这些纤维束之间的孔是可见的，就像图1A中所示的那样。

在图1A中也示出了在相邻的间隔物绕组之间以与轴之间的某些距离插入的均衡板5。在图1A中，在相邻的均衡板5之间有五个间隔物绕组。通过在相邻的均衡板5之间的间隔物绕组数目(整数或者非整数)，可以选择在相邻的均衡板5之间的(径向)距离。在相邻的均衡板5之间的径向距离可以因均衡板而不同。

相邻间隔物绕组的孔9如图1A中所示的那样交迭，使得形成通道13，基质材料6可以在浸渍过程中流到这些通道中和流过这些通道。在如现有技术已知的那样由没有孔的间隔物材料所缠绕的芯中，无法形成从间隔物绕组一侧径向地延伸到间隔物绕组另一侧的通道13。

从典型意义上说，在相邻的均衡板5之间有3到9个间隔物绕组(层)。也可以在相邻的均衡板5之间仅有一个间隔物层，在这一情况下形成桥接8的间隔物材料应当可由基质材料6穿透和/或间隔物4在这些桥接处的高度(垂直于片状间隔物的片平面进行测量)应当变化，以便允许基质材料6流过在桥接与相邻实心均衡板5之间余留的(径向延伸)空间。以这一方式，基质材料6对间隔物4的无空隙浸渍是可能的。在交织纤维束网的情况下，桥接8可由基质材料6穿透，因为纤维束不是实心的而是在形成束的纤维之间余留空间。另外，在交织纤维束网的情况下，间隔物桥接的高度并不恒定，因为纤维束的直径不是恒定的，也因为间隔物的厚度在这样的网络中在经和纬交迭的地方比在经与纬之间的地方要更大。

从典型意义上说，在相邻的均衡板5之间排列两层或者更多层间隔物材料。在那一情况下，可以由相邻的间隔物层通过孔9的一些交迭来形成通道13。

取代纤维束7，也可以由单独的纤维(未示出)形成网状间隔物5。

取代由纤维构造间隔物，也可以由材料实心件构造间隔物4。图3示出了一个例子。片状纸或者聚合物包括通过桥接8相互分隔的孔9。孔的形状可以如图3中所示的那样是方形的，但是任何形状如矩形或者圆形或者椭圆形都是可能的。

图1中的芯3的基质材料6优选地是填充有颗粒的聚合物。例如填充Al₂O₃颗粒的环氧树脂或者聚氨酯。典型的填充物颗粒尺寸是10nm至300μm量级。间隔物被成形为使得填充物颗粒可以在浸渍过程中分布于整个芯3。在利用(无孔的)纸作为间隔物的常规套管中，纸将用作这些颗粒的过滤器。可以容易地提供大到足以让填充有颗粒的基质材料6流过的通道13，如图1A中所示。

具有纯(未填充颗粒)树脂的标准RIP芯的热传导率典型地约为0.15W/mK到0.25W/mK。当使用填充有颗粒的树脂时，可以容易地实现套管芯热传导率至少0.6W/mK到0.9W/mK或者甚至于1.2W/mK或者1.3W/mK以上的值。

此外，当取代没有填充物颗粒的基质材料而使用填充有颗粒的基质材料6时，热膨胀系数(CTE)可以小得多。这造成较小的套管芯内热机械应力。

结合图1描述的套管的生产过程典型地包括以下步骤：将(一个或多个带或者一件或多件)间隔物4缠绕到导体2上；在缠绕过程中添加均衡电极5；施加真空并向抽成真空的芯3施加基质材料6直至芯3完全被浸渍。真空之下的浸渍在典型地为50℃与90℃之间的温度发生。然后在典型地为100℃与140℃之间的温度固化(硬化)环氧材料6，并最终使之后期固化以便达到所需的热机械性质。然后使芯冷却并对之进行加工，而且施加法兰10、绝缘封包11和其它部件。

一般而言，间隔物应当具有孔网格。该网格不是必须在任一方向均匀间隔开。另外，孔的形状和面积不是必须在任一方向均匀间隔开。特别地，可能有利的是沿着轴向方向和/或垂直于轴向方向改变孔的尺寸(面积)，使得有助于芯的无空隙浸渍。

间隔物中的孔9可以具有典型地为0.5mm到5cm、特别是2mm到2cm级的横向延伸，而间隔物4的厚度和桥接8的宽度典型地是0.03mm到3mm、特别是0.1mm到0.6mm量级。孔9所占据的面积通常至少与桥接所占据的面积一样大。从典型意义上说，在间隔物的片平面中，孔9所占据的面积比桥接所占据的面积要大1至5个数量级、特别地是2至4个数量级。

使用具有多个孔的间隔物4可允许生产无纸干式(免油)套管。这一点是有利的，因为可以加快或者甚至省略在浸渍之前干燥间隔物这一过程。

取代在间隔物绕组之间插入金属箔件，也可以通过向间隔物4直接施加传导或者半传导材料来形成均衡板5。在间隔物4由纤维制成的情况下，可以在间隔物网中并入传导或者半传导纤维。

在1kA到50kA的额定电流时，用于高电压套管的典型电压额定值在约50kV到800kV之间。

附图标记

1   套管，电容式套管

2   导体

3   芯

4   间隔物，网，网孔网格

5   均衡板，铝箔

6   基质材料，环氧物

7   纤维束

8   交接件，条，桥接

9   孔，开口

10  法兰

11  绝缘封包(具有裙部)，中空芯合成物

12  绝缘介质，凝胶

13  通道

A   轴

Claims (16)

1.一种套管(1)，具有导体(2)和围绕所述导体(2)的芯(3)，所述芯(3)包括片状间隔物(4)，所述间隔物(4)被电绝缘基质材料(6)浸渍，以及所述间隔物以螺旋形式缠绕，由此形成多个相邻层，其特征在于所述基质材料(6)包括填充物颗粒，所述间隔物(4)是由纤维交织束构成的网状的或有网孔的，且具有可以用所述基质材料(6)填充的多个孔(9)，以及在所述芯(3)中形成有用于引导所述基质材料(6)通过所述芯(3)的通道(13)，所述通道通过来自相邻层的孔(9)的一些交迭而从所述间隔物的绕组的一侧径向地延伸到所述间隔物的绕组的另一侧。

2.根据权利要求1所述的套管(1)，其特征在于所述间隔物(4)是网状的或者有网孔的。

3.根据任一前述权利要求所述的套管(1)，其特征在于所述间隔物(4)包括多个纤维(7)。

4.根据权利要求3所述的套管(1)，其特征在于所述间隔物(4)缠绕在轴(A)周围，所述轴(A)通过所述导体(2)的形状来限定，以及传导材料或者半传导材料的均衡板(5)以与所述轴(A)之间的适当径向距离设置于所述芯(3)内。

5.根据权利要求4所述的套管(1)，其特征在于所述均衡板(5)通过以金属或者半传导的方式涂布的所述间隔物(4)的纤维(7)来形成。

6.根据权利要求5所述的套管(1)，其特征在于所述均衡板(5)通过向所述间隔物(4)施加金属或者半传导材料来形成。

7.根据权利要求6所述的套管(1)，其特征在于所述间隔物(4)被涂布和/或表面处理，以提高所述间隔物(4)与所述基质材料(6)之间的粘合性。

8.根据权利要求7所述的套管(1)，其特征在于所述间隔物缠绕在轴(A)周围，所述轴(A)通过所述导体(2)的形状来限定，以及所述间隔物(4)中的所述孔(9)的尺寸沿着平行于所述轴(A)的方向和/或沿着垂直于所述方向的方向变化。

9.根据权利要求8所述的套管(1)，其特征在于所述填充物颗粒是电绝缘或者半传导的。

10.根据权利要求9所述的套管(1)，其特征在于所述基质材料(6)包括聚合物，所述填充物颗粒的热传导率高于所述聚合物的热传导率和/或所述填充物颗粒的热膨胀系数小于所述聚合物的热膨胀系数。

11.一种生产套管(1)的方法，其中片状间隔物(4)以螺旋形式缠绕在导体(2)或者心轴周围，由此形成多个相邻层、然后被电绝缘基质材料(6)浸渍，

其特征在于所述基质材料(6)包括填充物颗粒，使用由纤维交织束构成的网状的或有网孔的且包括可以用所述基质材料(6)填充的多个孔(9)的间隔物(4)，在缠绕期间在芯(3)中形成通道(13)，所述通道通过来自相邻层的孔(9)的一些交迭而从所述间隔物的绕组的一侧径向地延伸到所述间隔物的绕组的另一侧，以及在浸渍期间所述基质材料(6)被引导通过所述芯(3)。

12.一种使用具有可用包括填充物颗粒的基质材料(6)填充的多个孔(9)的由纤维交织束构成的网状的或有网孔的片状材料(4)作为间隔物(4)的用途，所述间隔物(4)以螺旋形式缠绕，由此在套管(1)的芯(3)内形成具有通道的多个相邻层，其中所述通道通过来自相邻层的孔(9)的一些交迭而从所述间隔物的绕组的一侧径向地延伸到所述间隔物的绕组的另一侧。

13.一种变压器，包括根据权利要求1至10中任一权利要求所述的套管(1)。

14.一种开关设备，包括根据权利要求1至10中任一权利要求所述的套管(1)。

15.一种高电压装置，包括根据权利要求1至10中任一权利要求所述的套管(1)。

16.一种发电机，包括根据权利要求1至10中任一权利要求所述的套管(1)。

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