JP2015527697A - 高電圧分野における電気絶縁のための絶縁要素 - Google Patents

Abstract

高電圧領域における電気部品の電気絶縁用の絶縁要素（１）が提案される。この絶縁要素（１）はセルロースを含有した第１の層（２）とセルロースを含有した第２の層（３）を備える。前記第１の層（２）と第２の層（３）の間にマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有する中間層（５）が配置される。【選択図】なし

Description

この発明は、電気部品を電気絶縁するための絶縁要素とその種の絶縁要素を備えた変圧器とその種の絶縁要素を製造する方法ならびに電気部品の電気絶縁のための絶縁要素の適用に関する。

久しい以前から、以下にセルロースと呼称する、パルプを含有した天然繊維からなる絶縁要素が製造され、電気部品の電気絶縁用に使用されている。前記のセルロースを含有した天然繊維は、例えば紙、木綿タオル地、木綿帯、圧縮コットン、あるいは木材とすることができる。特に変圧器の場合、パルプからなるセルロースを含有する絶縁要素がしばしば使用され、これはセルロースが高い絶縁性と充分な絶縁破壊耐久性を有することに加えて再生可能な原材料として容易に入手可能でその結果低コストであるためである。加えて、パルプから製造された絶縁要素は、特に油絶縁された変圧器の変圧器ケーシング内において巻線の絶縁と冷却の両方の機能を成す絶縁油に対して通常良好な浸透性を有する。

その種のパルプからなる絶縁要素の一例がヴァイドマン社より市販され久しい以前から知られている製品“トランスフォーマボード ＴＩＶ”である。セルロースならびに冷却絶縁液に基づいていて密封形変圧器に使用するための絶縁要素がドイツ国特許第１９９１１５７９号明細書によって開示されている。スイス国特許第５７９８１２号明細書にも電気産業で使用するためのセルロースからなる絶縁要素が開示されている。

高電圧分野用の絶縁要素に求められる特性には、低い誘電率と低い製造コストに加えて好適には１２０℃までの良好な熱安定性と油吸収のための充分な多孔性と絶縁油による膨潤の小ささと低い熱膨張率と高い機械的安定性ならびに特に良好な部分放電耐性および絶縁破壊耐久性が含まれる。絶縁要素のこれらの特性は可能な限り絶縁要素の稼働時間に依存しないことが好ましい。

パルプに基づいた絶縁要素を所定の厚み以上で実現するために、通常それを多層式に形成する。そのため従来の技術において一般的にいずれも２枚のトランスフォーマボードをカゼイン接着剤、ポリエステル樹脂、エポキシあるいはフェノール樹脂接着剤を使用して相互に結合している。

多数の層の帯状紙から形成された絶縁体がドイツ国特許第２４４３３９８号明細書によって開示されている。ドイツ国特許第３０００４１８号明細書には、いずれも２枚のセルロース層を結合するためにエポキシ樹脂を使用する絶縁要素の製造が開示されている。別の多層式およびセルロースに基づいた絶縁要素が国際公開第２０１２／００３１６６号パンフレットおよび欧州特許出願公開第１１５０３１３号Ｂ１明細書によって開示されている。

その種の従来の多層式の絶縁要素の問題は、層を結合するために作用するカゼイン接着剤あるいはポリエステル樹脂等の材料が絶縁油によって全くあるいは殆ど浸漬できないうえさらに油に対してバリアを形成することである。従ってその種の絶縁要素にはしばしば浸透孔および乾燥孔が設けられ、それによって高コストになるとともに高いドリル摩耗につながる。加えて、接着剤のバリア効果のため絶縁油による絶縁要素の浸漬時間が延長され、その結果変圧器全体の製造時間が増大し従ってコストが上昇する。このことは特に油除去する必要がある場合に変圧器の修理にも影響を及ぼす。加えて、カゼイン接着剤ならびにポリエステル樹脂は微細空胞および空洞を含む可能性があり、それが絶縁要素内の不要な部分放電につながり得る。さらに、多様な材料を使用することによって必要となる材料分別のためその種の絶縁要素の手間がかかりかつ高コストな処分につながる。

従って本発明の目的は、特に絶縁油等の流体状でかつ特に高電圧領域において電気絶縁作用を有する材料によって可能な限り均等かつ迅速に浸漬可能である、製造が容易でかつ良好な絶縁特性を備えた多層式の絶縁要素を提供することである。加えて、絶縁要素は簡便に処分可能である必要がある。前記の課題を解決するために、請求項１によって定義された絶縁要素が提案される。さらに、請求項１４によってその種の絶縁要素を備えた変圧器と、請求項１５によってその種の絶縁要素の製造方法が定義される。加えて請求項１８により電気部品の電気絶縁のためのその種の絶縁要素の適用が定義される。本発明の好適な構成形態が従属請求項によって定義される。

本発明によれば、
セルロースを含有した第１の層と；
セルロースを含有した第２の層と；
前記第１の層と第２の層の間に配置されていてマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有した中間層を備えてなる、
高電圧領域における電気部品の電気絶縁用の絶縁要素、特に平板型の絶縁要素が提供される。

加えて本発明によれば、
セルロースを含有した第１の層と；
セルロースを含有した第２の層と；
前記第１の層と第２の層の間に配置されていてマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有した中間層を備えてなる、
電気部品の電気絶縁のための絶縁要素の適用が提供される。

中間層としてマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを使用することによって特に、絶縁要素を絶縁油によって浸漬する際に透過性である第１と第２の層の結合を容易にすることができる。ナノ寸法のセルロースは特にナノセルロースと呼称することもできる。マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースの多孔性のため中間層も第１および第２の層と同様に絶縁油によって浸漬することができ、それによって迅速かつ確実な変圧器の充填および油抜きを達成することができる。マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースの使用によってさらに、環境に優しく多様に入手可能でかつ低コストな原材料を使用して中間層を製造することが可能になる。特に、このように形成された絶縁要素の中間層においては浸漬孔および／または乾燥孔を設けることが不要になる。加えて、中間層としてマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを有する絶縁要素の中間層は通常極めて高い部分放電耐久性を備え、それによって最適な変圧器の設計寸法が可能になる。

この絶縁要素は高電圧領域における電気絶縁に適用することが好適である。しかしながら高電圧領域より低い電圧における絶縁に使用することもできる。高電圧領域には通常少なくとも１０００Ｖ以上の実効値を有する交流ならびに少なくとも１５００Ｖの直流が含まれる。それどころか、１００ｋＶまで、あるいは特に１２００ｋＶまでの任意の電圧で電気絶縁効果を有するように絶縁要素を形成することが好適である。

マイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロースは任意のセルロース含有材料から製造することができる。例えば、マイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロースは木材、てん菜、人参、麻、亜麻、木綿、麦わら、藻から生成されるセルロース、またはバクテリアから生成されるセルロースを使用して製造することができる。しかしながら通常はマイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロースを木材から製造する。マイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロースの製造は当業者において周知である。マイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロース中において個々の微細繊維が部分的あるいは完全に相互に分離して存在する。マイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロース、特に中間層内のマイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロースにおいて個々の微細繊維の少なくとも５０％、より好適には少なくとも７０％、最も好適には少なくとも９０％が部分的あるいは完全に相互に分離して存在することが有効である。通常ナノ寸法のセルロースの個々の微細繊維の大部分が僅か１ｎｍないし２０ｎｍの領域の直径を有する。通常マイクロ寸法のセルロースの個々の微細繊維の大部分が僅か１０ｎｍないし１００ｎｍの領域の直径を有する。

マイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロースを製造するために例えばセルロースを含んだ材料に基づいてパルプを処理する。その後そのパルプを例えば機械的な圧力とそれに先行したあるいは後続する化学処理あるいは酵素処理に曝す。別の形態によれば、セルロースを含んだ材料に酸性の加水分解およびそれに続く超音波処理を施すことによってマイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロースを製造する。別の形態によれば、マイクロ寸法あるいはナノ寸法のセルロースはバクテリア合成によって得られる。

マイクロ寸法のセルロースの個々の微細繊維の長さは殆ど５００ｎｍないし１０００μｍの大きな領域にわたって分布するが、広い長さ分布に基づけば２０００μｍの長さまで存在することが可能である。しかしながら、マイクロ寸法のセルロースの個々の微細繊維のうちの少なくとも８０％、より好適には少なくとも９０％、さらに好適には実質的に１００％が５００ｎｍないし１０００μｍの長さを有する。しかしながら好適には、マイクロ寸法のセルロースの個々の微細繊維のうちの少なくとも８０％、より好適には少なくとも９０％、さらに好適には実質的に１００％が５００ｎｍないし８００μｍの長さを有する。さらに好適には、マイクロ寸法のセルロースの個々の微細繊維のうちの少なくとも８０％、より好適には少なくとも９０％、さらに好適には実質的に１００％が５００ｎｍないし６００μｍの長さを有する。さらに好適には、マイクロ寸法のセルロースの個々の微細繊維のうちの少なくとも８０％、より好適には少なくとも９０％、さらに好適には実質的に１００％が５００ｎｍないし４００μｍの長さを有する。最も好適には、マイクロ寸法のセルロースの個々の微細繊維のうちの少なくとも８０％、より好適には少なくとも９０％、さらに好適には実質的に１００％が５００ｎｍないし２００μｍの長さを有する。そのように寸法設定された個々の微細繊維を有するマイクロ寸法のセルロースを使用することによって中間層の油浸漬性とその中間層の内部結合力ならびに中間層と第１および第２の層の間の結合力に関して特に最適な性質を絶縁要素が保有する。

ナノ寸法のセルロースの個々の微細繊維の長さは殆ど５ｎｍないし５００ｎｍの大きな領域にわたって分布する。しかしながら、ナノ寸法のセルロースの個々の微細繊維のうちの少なくとも８０％、より好適には少なくとも９０％、さらに好適には実質的に１００％が５ｎｍないし５００ｎｍの長さを有する。そのように寸法設定された個々の微細繊維を有するナノ寸法のセルロースを使用することによって中間層の油浸漬性とその中間層の内部結合力ならびに中間層と第１および第２の層の間の結合力に関して特に最適な性質を絶縁要素が保有する。

上述したような個々の微細繊維の寸法を有するマイクロ寸法およびナノ寸法のセルロースの混合物を使用することによって中間層の油浸漬性とその中間層の内部結合力ならびに中間層と第１および第２の層の間の結合力に関して特に最適な性質を絶縁要素が保有する。

マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースの個々の微細繊維のうちの少なくとも５０％、より好適には少なくとも８０％、より好適には少なくとも９０％、さらに好適には実質的に１００％が５０ｎｍないし８０μｍの範囲の長さを有することが有効である。個々の微細繊維の厚みは微細繊維の大部分において１５ｎｍないし２５ｎｍの範囲、特に約２０ｎｍとなる。そのように寸法設定された個々の微細繊維を有するマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを使用することによっても中間層の油浸漬性とその中間層の内部結合力ならびに中間層と第１および第２の層の間の結合力に関して特に最適な性質を絶縁要素が保有する。

原則的にマイクロ寸法ならびにナノ寸法の両方のセルロースに関して以下のことが該当する：個々の微細繊維の長さが短いほどその個々の微細繊維の表面積が大きくなる。従ってより短い微細繊維を有する中間層によってその個々の微細繊維の大きな表面積のため、比較的長い個々の微細繊維を含んだ個々の微細繊維からなる中間層に比べて第１および第２の層をより強力に結合することができる。

極めて好適な実施形態によれば、中間層がナノ寸法のセルロースを含む。ナノ寸法のセルロースは、ナノ寸法のセルロースに比べてより長い個々の微細繊維を有するセルロース、例えばマイクロ寸法のセルロースと比較してより大きな表面積を有する。ナノ寸法のセルロースを含有する中間層はそれの大きな表面積のため、例えばマイクロ寸法のセルロース等のナノ寸法のセルロースに比べてより長い個々の微細繊維を有するセルロースに比べて第１および第２の層を比較的強力に結合することができる。

第１および第２の層はセルロースの他に例えばメチルセルロース、アセチルセルロース、またはニトロセルロース等のセルロース派生物を含有することができる。第１および第２の層は追加的にマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースも含むことができる。第１および第２の層内、さらに中間層内においても、当然セルロースの他に任意の数の他の材料を含むことができる。従って例えば特に第１および／または第２の層が、セルロースの他にさらにポリオレフィン（特にポリエチレン）、ポリスルホン、ポリエステル樹脂、セラミック、アラミド、ポリテトラフルオロエチレン、アミロース、アミロペクチン、でんぷん、アルギン、ペクチン、カラゲナン、カロブガム、キサンタンガム、グアルガム、寒天、ファーセレラン、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、および／またはタマリンド抽出物を含むことができる。

絶縁要素は、いずれもセルロースを含んだ複数の別の層を有することができ、その複数の別の層の間にマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有する中間層が配置される。

中間層内に含まれたマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースは多様な目的で機能することができる。これは例えば、絶縁層の製造に際していずれも２つのセルロースの間に発生する例えば樹脂等の材料を吸収して特に純粋な樹脂層の形成を防止するように作用することができる。しかしながら好適には、中間層内に含まれたマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースは第１および第２の層を結合するように作用する。その際層の結合は、中間層と第１あるいは第２の層の間の結合領域内に形成された水素結合および／またはファンデルワールス力に大きく基づくことが特に好適である。しかしながら、層の結合は層の間の相互の機械的な固定に主に基づくことも可能である。マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースが第１および第２の層を結合するように機能することによって、カゼイン接着剤あるいはポリエステル樹脂等の接着剤を使用することなく多層型の絶縁要素を製造することが可能になる。勿論、中間層がマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースの他に特にカゼイン接着剤あるいはポリエステル樹脂あるいはエポキシ樹脂接着剤あるいはフェノール樹脂接着剤等の接着剤をさらに含むことも可能である。しかしながら、中間層が全く接着剤を含まないことが好適である。

本発明の追加構成によれば、中間層が少なくとも２０重量％、より好適には少なくとも５０重量％あるいは少なくとも６０重量％、さらに好適には少なくとも７０重量％あるいは８０重量％、最も好適には１００重量％のマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを乾燥状態、すなわち油と水分を除外した状態における中間層の総重量に対して含有する。中間層中の前述した分量に相当する大きな割合のマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースが、特にこの中間層の絶縁油に対する良好な浸漬性と中間層内部ならびに第１および第２の層との良好な結合を可能にする。好適には、中間層はこの中間層の乾燥状態における総重量に対して１％未満のヘミセルロースおよび／または１％未満のリグニンを含むものとする。さらに好適には、中間層がヘミセルロースもリグニンも全く含有しない。

本発明の追加構成によれば、第１の層がこの第１の層の乾燥状態における総重量に対して少なくとも５０重量％、より好適には少なくとも７５重量％、特に好適には少なくとも９０重量％のセルロースを含有する。本発明の追加構成によれば、第２の層がこの第２の層の乾燥状態における総重量に対して少なくとも５０重量％、より好適には少なくとも７５重量％、特に好適には少なくとも９０重量％のセルロースを含有する。最も好適には、第１および第２の層の両方が専ら純粋にセルロースのみを含有しその他の材料は含有しない。

本発明の追加構成によれば、第１の層および／または第２の層がパルプあるいは木材パルプあるいは古紙を使用して製造される。好適には、第１の層および／または第２の層がパルプあるいは木材パルプあるいは古紙を含有する。セルロースを含有する材料からパルプおよび木材パルプを得ることは当業者において周知である。木材パルプは木材から生成されるのに対してパルプはセルロースを含んだ任意の材料から得ることができる。そのパルプは木材あるいは綿等の一年生植物から得ることが好適である。

本発明の追加構成によれば、第１の層がこの第１の層の乾燥状態における総重量に対して少なくとも５０重量％、より好適には少なくとも７５重量％、特に好適には少なくとも９０重量％のパルプを含有する。本発明の追加構成によれば、第２の層がこの第２の層の乾燥状態における総重量に対して少なくとも５０重量％、より好適には少なくとも７５重量％、特に好適には少なくとも９０重量％のパルプを含有する。最も好適には、第１および第２の層の両方が１００重量％パルプのみを含有しその他の材料は含有しない。

従って、第１の層、第２の層、および中間層が油による浸漬の前に専らパルプのみを含有することが好適であり、最も好適にはセルロースのみを含有する。絶縁要素全体が油による浸漬の前に実質的にセルロースのみから形成されることが特に好適であり、さらに好適には完全にセルロースのみから形成される。そのように形成された絶縁要素の利点は特に、廃棄の前に材料分別が必要でないことによる極めて簡便な廃棄である。絶縁要素を可能な限り均質に構成することによってさらにそれを空間的に任意に設置することができ、何故なら層構造を電界線に殆どあるいは全く配慮する必要がないためである。従って絶縁要素の絶縁特性は、特に層に対して電界線がどの角度で延在するかに依存しないようにすることができる。

第１および／または第２の層が圧縮板の形状で存在することが好適である。

本発明の追加構成によれば、第１の層、第２の層、および中間層が少なくとも０．８ｇ／ｃｍ^３、より好適には少なくとも１．０ｇ／ｃｍ^３、さらに好適には少なくとも１．２ｇ／ｃｍ^３あるいは少なくとも１．３ｇ／ｃｍ^３である共通の平均密度を有する。しかしながら前述した３層の共通の密度は通常最大でも１．４ｇ／ｃｍ^３となる。その際密度は特に２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−１０号第２版に従って判定される。密度が低過ぎると絶縁要素の機械的強度に影響をもたらす一方で、密度が高過ぎると過小な細孔容積ならびにそれに従って悪化する絶縁要素の絶縁油による浸漬性につながる。加えて、絶縁要素を自己支持形の部材として製造することを可能にするために充分に高い絶縁要素の密度が重要である。

第１の層、第２の層、および中間層が５％ないし４０％、特に１０％ないし２０％の共通の平均細孔容積を有することが好適であり、その際細孔容積の測定は２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−１３号第２版に従って油吸収を介して実施される。その種の細孔容積によって絶縁要素の良好な浸漬性と同時に充分な機械的強度が保証される。

通常、絶縁要素の少なくとも３つの層の材料および構造構成は、３つ全ての層が流動性かつ電気絶縁作用を有する材料、特に高電圧領域において電気絶縁作用を有する材料によって浸漬可能であり、従って絶縁要素が特に高電圧領域においてその絶縁作用を可能な限り最適に発揮し得るようにする。

本発明の追加構成によれば、第１および第２の層とさらに中間層に対して垂直に貫通して計測したものである絶縁要素の厚みが少なくとも１ｍｍ、より好適には少なくとも６ｍｍ、最も好適には少なくとも８ｍｍである。

絶縁要素の中間層は最大でも２ｍｍ、より好適には最大でも１ｍｍ、最も好適には最大でも４００μｍの平均層厚を有する。この平均層厚は少なくとも５０μｍであることが好適である。

第１の層および／または第２の層が０．５ｍｍないし８ｍｍ、特に３ｍｍないし６ｍｍの層厚を有することが好適である。

本発明の追加構成によれば、絶縁要素が５ないし９ＧＰａの範囲の弾性率ならびに３０ないし７０ＭＰａの範囲の曲げ強度を備える（いずれも２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−９号第２版に従って計測する）。その結果この絶縁要素を特に自己支持形の構成要素として最適に使用することができる。

２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−１７号第２版に従って実施される測定における水性の抽出物のｐＨ値は５ないし１０の範囲に存在することが好適である。２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−１６号第２版に従った測定における絶縁要素全体の水性抽出物の導電性は最大でも１５ｍＳ／ｍであることが好適である。

電気構成部品は通常変圧器の構成要素に係る。しかしながら、例えば補償リアクトル、電圧コンバータ、あるいは移相器等の別の電気構成部品の構成要素とすることもできる。変圧器の構成要素に係る場合、その変圧器は乾式変圧器（直流あるいは交流）とするか流動性材料、特に油等の液体を充填した変圧器（合成油／エステル／鉱油／天然油、直流および交流用）とすることができ、その際変圧器は特に電源変圧器、配電変圧器、溶接変圧器、バルブまたは電圧調整変圧器、または自動車用変圧器とすることができる。

絶縁要素は例えばスペーサ、ブラケット、バー、ブロック、プレート、圧力リング、ロッド、アングルリング、アンギュラリングもしくは口金、フード、キャップ、扇形ノズル、フランジ管、締付棒、ベローズ、ネジ、ナット、ボルト、吐出し管、支持ブロック、シールドリング、または管とすることができる。上記の絶縁要素は変圧器に適用することができる。

加えて、絶縁要素の製造方法が開示されており、その絶縁要素は上述したように構成される。この方法は、セルロースを含有した第１の層とセルロースを含有した第２の層の間に中間層を配置する工程を少なくとも含む。その際マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有する中間層を適用する。

前記のマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースは、水および／またはエタノール、メタノール等の極性の溶媒液によって第１の層と第２の層の間に不連続性に配置することが好適である。第１の層および第２の層は特にトランスフォーマボード ＴＩＶとすることができ、これは乾燥した初期状態を有することが好適である。中間層は通常ヘミセルロースもリグニンも含有しない。好適には、中間層はこの中間層の乾燥状態における総重量に対して１％未満のヘミセルロースおよび／または１％未満のリグニンを含むものとする。さらに好適には、中間層がヘミセルロースもリグニンも全く含有しない。

第１の層、中間層、および第２の層は、１０Ｎ／ｃｍ^２ないし６００Ｎ／ｃｍ^２、より好適には１０Ｎ／ｃｍ^２ないし３００Ｎ／ｃｍ^２、さらに好適には１５０Ｎ／ｃｍ^２ないし２５０Ｎ／ｃｍ^２のプレス圧力で相互に圧縮されることが好適である。この圧縮は通常室温中でまた大抵は負圧をかけずに実施される。しかしながら、５０℃ないし１２０℃、特に約９０℃における圧縮が極めて好適であることが判明した。この加熱圧縮、すなわち室温を超える温度における圧縮、特に前記のような室温を超える温度における圧縮によって本発明に係る絶縁要素の寸法安定性および／または接着強度が改善される。この圧縮によって絶縁要素から空気が排除され絶縁要素の層が相互に接触してまた相互に結合される。

第１の層と第２の層の間への中間層の配置に続いてこれらの第１の層と第２の層と中間層の乾燥を行うことが好適である。この乾燥は特に、通常１５０℃未満、特に１２０℃未満の温度で熱によって行うことができる。より高い温度に上げると絶縁要素の構造によっては損傷の危険が生じる。しかしながら前記の乾燥には、例えばマイクロ波乾燥等の他の任意の乾燥方法を適用することもできる。圧縮と熱乾燥を同時に実施することも極めて好適である。

前述した加熱圧縮とそれに続く乾燥の流れは、本発明に係る絶縁要素の曲げ強度を高めることができるという利点を有する。前記熱乾燥は必ずしも時間的に加熱圧縮の直後に実施する必要はなく、逆に時間的に間隔を空けて実施することもできる。

本発明の好適な実施形態によれば第１の層と中間層と第２の層が加熱して相互に圧縮される。加熱圧縮とは、圧縮が室温を超える温度で実施されることを意味する。好適には、第１の層、中間層、および第２の層は、１０Ｎ／ｃｍ^２ないし６００Ｎ／ｃｍ^２、より好適には１０Ｎ／ｃｍ^２ないし３００Ｎ／ｃｍ^２、さらに好適には１５０Ｎ／ｃｍ^２ないし２５０Ｎ／ｃｍ^２のプレス圧力で相互に圧縮される。この加熱圧縮は５０℃ないし１２０℃、特に約９０℃の温度で実施することが好適である。この加熱圧縮、特に前記のような温度における圧縮によって本発明に係る絶縁要素の寸法安定性および／または接着強度が改善される。もし必要であれば、前記加熱圧縮によってさらに、第１の層と第２の層の間への中間層の配置に続いて実施される第１の層と第２の層と中間層の前記好適な乾燥を省略することもでき、それによって低コストかつ省エネルギー的な本発明に係る絶縁要素の製造が可能になる。加熱圧縮は通常負圧を加えずに実施される。しかしながら、負圧を加えて加熱圧縮を実施することも勿論可能である。

本発明の別の実施形態によれば、第１の層と第２の層の間に中間層を配置し、その際に配置されるマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースが８００ｇ／ｍ^２あるいはそれ未満、より好適には２０ｇ／ｍ^２ないし３５０ｇ／ｍ^２、さらに好適には１５０ｇ／ｍ^２ないし３００ｇ／ｍ^２、さらに好適には約２４０ｇ／ｍ^２の単位面積重量を有する。その際中間層は専らマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースのみから形成することが好適である。それによって本発明に係る絶縁要素の安定性を向上させることができる。

次に、本発明の好適な実施例について添付図面を参照しながら説明するが、これは単に説明の目的の例であり本発明がこれに限定されるものではない。

従来の技術にかかる多層式の絶縁要素を示した透視図である。 本発明にかかる多層式の絶縁要素を示した透視図である。 純粋なマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロース（ＡＲＢＯＣＥＬ（登録商標）ＭＦ４０−１０）を光学顕微鏡撮影した写真である。 マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロース（ＡＲＢＯＣＥＬ（登録商標）ＭＦ４０−１０）と混合した従来のパルプ繊維を撮影した光学顕微鏡写真である。

図１には、当業者において従来の技術によって以前から周知である変圧器の電気構成部品を電気絶縁するための絶縁要素１′が示されている。絶縁要素１′は第１の層２と第２の層３と、これら第１の層２と第２の層３の間に配置された中間層４を有する多層式の構造を有する。このように定義された層順列を絶縁要素内で任意の回数で繰り返すことができる。

第１の層２と第２の層３はいずれもパーティクルボードによって製造され、ここでは専らパルプから形成される。これらの層２および層３は特にヴァイドマン社によって古くから製造されている材料“トランスフォーマボード ＴＩＶ”にかかる。この材料の構造、ならびに特に高温プレスによって実施される製造は当業者において以前から知られている。

中間層４は第１の層２と第３の層３を結合および固定するよう機能し、これは示されている従来技術の例においてカゼイン接着剤あるいはポリエステル樹脂を含有する。絶縁要素１′の浸漬に際して通常カゼイン接着剤もポリエステル樹脂も絶縁油に対して浸透性でないため、従来の技術によるこの種の絶縁要素１′には通常浸漬孔６が設けられる。浸漬孔６は多数かつ規則的な間隔で絶縁要素１′全体にわたって配分され、いずれも第１の層２と第２の層３と中間層４に対して垂直な方向に連通する。絶縁要素１′内に浸漬孔６を設けることによってその絶縁要素１′の絶縁油による充分な浸漬を確立することができる。勿論、浸漬孔の形成によって製造中に大きな穿孔摩耗が発生する。さらに、不可欠な浸漬孔の形成のために絶縁要素１′の製造が長時間化し、従って比較的に高コストになる。さらにカゼイン接着剤あるいはポリエステル樹脂内に内包され得る微細気泡および空洞も問題であり、それによって絶縁要素１′の不要な部分放電につながる可能性が有る。さらにこの絶縁要素１′は多様な材料、すなわち第１の層２および第２の層３と中間層４のカゼイン接着剤あるいはポリエステル樹脂の材料を互いに分離する必要があるため、その処分にも相当なコストを伴う。また、中間層４内のひびのため絶縁要素１′の平均絶縁破壊耐久性にも影響がもたらされる可能性も有り、それもこの種の絶縁要素１′の大きな難点となる。従来の技術にかかる絶縁要素１′は通常最大でも８ｋＶ／ｍｍまでしか部分放電無しにならない。

高電圧領域における電気構成部品の電気絶縁のための本発明に係る絶縁要素１の実施例が図２に示されている。図２に示された本発明の実施例は、絶縁要素１が前記絶縁要素１′のものとは異なった構成の中間層５を有することのみによって図１に示された従来の技術にかかる例と異なる。加えて図２に示された絶縁要素１は浸漬孔６を備えない。なお、図１および図２において同一あるいは類似の構成の要素にはいずれも同じ参照符号で示されている。

図１に示された従来の技術に係る絶縁要素１′の実施例と図２に示された本発明に係る絶縁要素１の実施例のいずれも特に油充填された変圧器の構成要素に関するものである。それらの実施例に係る絶縁要素１′のあるいは絶縁要素１は、いずれも平形の要素として形成される。

図２に示された絶縁要素１の中間層５はマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースから製造される。そのためこの実施例においては、ドイツ国・７３４９４・ローゼンベルグのＪ．レッテンマイヤ＆ゼーネ・ゲーエムベーハー・プラス・コー・カーゲー社製の製品ＡＲＢＯＣＥＬ（登録商標）ＭＦ４０−１０を１５％の固形質の割合で使用した。絶縁要素１の製造に際してマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースをまず第１の層２の表面に塗付する。その後第２の層３を前記マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースの上に載置する。続いて第１の層２とマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースと第２の層３を約２００Ｎ／ｃｍ^２のプレス圧力によって相互に圧縮する。その後あるいはそれと同時に絶縁要素１を１００℃ないし１５０℃の範囲の温度で熱乾燥する。

絶縁要素１は１．２ｇ／ｃｍ^３ないし１．３ｇ／ｃｍ^３の平均密度（２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−１０号第２版に従って測定）と１０％ないし２０％の細孔容積を有する。従って絶縁要素１の乾燥質量に対して１０ないし２０重量％の油吸収が生じる（２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−１３号第２版に従って測定）。絶縁要素１の弾性率は５ないし９ＧＰａの範囲内、特に約７ＧＰａとなる（２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−９号第２版に従って計測）。この実施例において達成される絶縁要素１の曲げ強度は、２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−９号第２版に従って計測して３０ないし７０ＭＰａの範囲となる。さらに絶縁要素１は約１２０℃までの熱安定性を有するが、これは以下の規格に従って測定される：２００１年７月１日付の国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−１第５版２００１；２００５年８月１１日付の国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−２第４版２００５；国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−３第２版２００６と２００９年１２月１８日付の国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−３第２版２００６の２００９年ＣＯＲ１の組み合わせ；２００６年１月１９日付の国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−４−１第４版２００６；２０００年７月１日付の国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−４−２第１版２０００；２０００年４月１日付の国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−４−３第１版２０００；国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−５第３版２００８と２００９年１２月１８日付の国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−５第３版２００８の２００９年ＣＯＲ１の組み合わせ；２００６年５月２９日付の国際標準規格ＩＥＣ６０２１６−６第２版２００６。

第１の層２と第２の層３はいずれも３ないし６ｍｍの平均層厚を有する。中間層５は４００μｍ未満の厚みを有するとともに１００％マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースから形成される。塗付されたマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースが８００ｇ／ｍ^２未満の単位面積重量を有する。

２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−１７号第２版に従って測定された水性の抽出物のｐＨ値は５ないし１０の範囲となる。２００７年２月１５日付の国際標準規格ＩＥＣ６０７６３−２−１６号第２版に従った測定における絶縁要素全体の水性抽出物の導電性は最大でも１５ｍＳ／ｍとなる。０ｋＶ／ｍｍないし１２ｋＶ／ｍｍの範囲内において絶縁要素１に全く絶縁破壊および部分放電が発生しない。

図３は、中間層５内に使用されたマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロース８（ＡＲＢＯＣＥＬ（登録商標）ＭＦ４０−１０）が高倍率で拡大して示されている光学顕微鏡写真である。この図から理解されるように、少なくとも部分的に相互に分離して存在する個々の微細繊維がいずれもこぶ形状の多数の堆積部を有する。

図４は、マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロース８（ＡＲＢＯＣＥＬ（登録商標）ＭＦ４０−１０）が混合された従来のパルプ繊維７が高倍率で拡大して示されている光学顕微鏡写真である。相互に分離して存在する個々の微細繊維を有するマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロース８のこぶ形状の堆積部が数倍も大きな寸法のパルプ繊維７上に付着していることが容易に理解される。

本発明は勿論前述した図２にかかる実施例に限定されることはなく、むしろ多数の設計変更が可能である。すなわち第１の層２と第２の層３と中間層５はセルロース以外に任意の別の材料を含有することができる。本発明に係る図２の絶縁要素において浸漬孔および／または乾燥孔を設けることも可能である。絶縁要素が、特にセルロースを含有することも可能な別の層を有することも可能であり、それを特にマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有する中間層によって相互に結合することも可能である。絶縁要素は必ずしも変圧器の構成要素に限られない。この絶縁要素は例えば補償リアクトルあるいは移相器等の他の電気構成部品の絶縁のために使用することもできる。変圧器の場合も必ずしも油充填した変圧器に限られない。本発明に係る絶縁要素は勿論乾式の変圧器に使用することもできる。さらに多数の他の適用法が可能である。

１，１′ 絶縁要素
２ パルプに基づいた層
３ パルプに基づいた層
４ カゼイン接着剤あるいはポリエステル樹脂を有する中間層
５ マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを有する中間層
６ 浸漬孔
７ パルプ繊維
８ マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロース（ＡＲＢＯＣＥＬ（登録商標）ＭＦ４０−１０）

Claims (19)

1. セルロースを含有した第１の層（２）と；
   セルロースを含有した第２の層（３）と；
   前記第１の層（２）と第２の層（３）の間に配置された中間層（５）を備えた、
   高電圧領域における電気部品の電気絶縁用の絶縁要素であり、
   前記中間層（５）がマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有することを特徴とする絶縁要素（１）。
2. マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースが第１の層（２）と第２の層（３）を結合するよう機能する請求項１記載の絶縁要素（１）。
3. 中間層（５）が乾燥状態において少なくとも５０重量％超、特に少なくとも７５重量％超のマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有する請求項１または２記載の絶縁要素（１）。
4. マイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースの個々の微細繊維の少なくとも５０％、特に少なくとも７０％が部分的あるいは完全に相互に分離して存在する請求項１ないし３のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
5. 第１の層（２）と第２の層（３）が乾燥状態においていずれも５０重量％超、特に７５重量％超のセルロースを含有する請求項１ないし４のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
6. 第１の層（２）および／または第２の層（３）がパルプを含有する請求項１ないし５のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
7. 第１の層（２）および／または第２の層（３）が圧縮板の形状で存在する請求項１ないし６のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
8. 第１の層（２）、第２の層（３）、および中間層（５）が乾燥状態において少なくとも０．８ｇ／ｃｍ^３、特に少なくとも１．２ｇ／ｃｍ^３である共通の平均密度を有する請求項１ないし７のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
9. 第１の層（２）、第２の層（３）、および中間層（５）が５％ないし４０％、特に１０％ないし２０％の共通の平均細孔容積を有する請求項１ないし８のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
10. 第１の層（２）および第２の層（３）とさらに中間層（５）に対して垂直に貫通して計測して少なくとも６ｍｍ、特に少なくとも８ｍｍである厚みを絶縁要素（１）が有する請求項１ないし９のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
11. 中間層（５）が最大でも１ｍｍ、特に最大でも４００μｍの平均層厚を有する請求項１ないし１０のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
12. 第１の層（２）および／または第２の層（３）が０．５ｍｍないし８ｍｍ、特に３ｍｍないし６ｍｍの層厚を有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
13. 電気部品が変圧器の構成要素である請求項１ないし１２のいずれかに記載の絶縁要素（１）。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の絶縁要素（１）を少なくとも含んでなる変圧器。
15. セルロースを含有した第１の層（２）とセルロースを含有した第２の層（３）の間に中間層（５）を配置する、高電圧領域における電気部品の電気絶縁用の絶縁要素（１）の製造方法であり、
    前記中間層（５）がマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有することを特徴とする方法。
16. 第１の層（２）、中間層（５）、および第２の層（３）が１０Ｎ／ｃｍ^２ないし６００Ｎ／ｃｍ^２、より好適には１０Ｎ／ｃｍ^２ないし３００Ｎ／ｃｍ^２、さらに好適には１５０Ｎ／ｃｍ^２ないし２５０Ｎ／ｃｍ^２のプレス圧力で相互に圧縮される請求項１５記載の方法。
17. 第１の層（２）と第２の層（３）の間への中間層（５）の配置に続いてこれらの第１の層（２）と第２の層（３）と中間層（５）の乾燥を行う請求項１５または１６記載の方法。
18. セルロースを含有した第１の層（２）と、
    セルロースを含有した第２の層（３）と、
    前記第１の層（２）と第２の層（３）の間に配置されていてマイクロ寸法および／またはナノ寸法のセルロースを含有する中間層（５）を有してなる絶縁要素（１）の電気部品の電気絶縁用の適用。
19. 高電圧領域における電気部品の電気絶縁用における請求項１８記載の絶縁要素（１）の適用。

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