JP5985650B2 - 電気絶縁システム - Google Patents

Description

本発明は、２つの異なる絶縁レイヤを備える電気絶縁システムに関する。

絶縁材料を、薄膜シートの形態のシート材料として提供することが知られている。薄膜シートは、絶縁されるべき対象物の周りに巻かれる。シート材料は、ポリマ・マトリクス内にナノ粒子充填剤を備えていることも知られている。例えば、導電体は、従来、その周囲に、ポリエステルイミド（ＰＥＩ）のマトリクス内にナノ粒子充填剤を備える絶縁テープを巻くことによって絶縁されている。その後、このテープは、添加された接着剤を溶かすため、および、それによって、テープを導電体に接着するために、加熱される。この従来の絶縁システムは、部分放電に対する優れた耐性を有する。この耐性は、荷電粒子が、絶縁テープを貫通することを阻止するナノ粒子の能力に基づく。

さらに、例えばＥＰ０３５６９２９から、導電性のトップ・レイヤを備える絶縁システムを提供することによって、コロナ放電に対する絶縁システムの下層部分を保護することが知られている。トップ・レイヤは、ポリマ・マトリクス内に酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を備えうる。Ｃｒ_２Ｏ_３充填剤は、絶縁システムの表面の導電性を高める。そして、これは、コロナ放電の集中効果を緩和するように見える。導電率は、より広い表面にわたってコロナ放電の効果を消し、もって、コロナ放電の有害な効果を低減すると信じられている。

前述した２つの絶縁システム、すなわち、ナノ充填されたテープおよびＣｒ_２Ｏ_３充填されたトップ・レイヤはともに、部分放電に対する満足できる耐性を与える一方、絶縁システムの寿命の延ばすために、この耐性をさらに向上するとの変わらぬ要望がある。

いくつかの絶縁システムが、シート材料の形態で利用可能である一方、進化した絶縁システムを組み立てるために利用可能なシート材料はない。例えば、Ｃｒ_２Ｏ_３充填されたトップ・レイヤは、導電体を、コーティング・バス、その後、ワイピング・ダイまたはフェルト、さらには、コーティングを硬化させるための加熱デバイスに、何度も通過させるという複雑なプロセスで、導電体上に加えられる。したがって、この従来のコーティング処理は、相応する装置を備える高度な専門企業によってのみ実施されうる。

本発明の１つの目的は、部分放電に対する向上された耐性を備えた絶縁システムを提供することである。

本発明の別の目的は、部分放電耐性を持つ絶縁システムを、誰でも、対象物に適用できるようにすることである。

これらの目的は、添付された請求項１にしたがうデバイスによって達成される。

ナノ充填されたポリマおよびＣｒ_２Ｏ_３充填されたポリマを備える既知の絶縁システムは、従来、部分放電の問題に対し、代替的かつ幾分同程度に良好な解決策として考えられている。本発明は、これら２つの解決策が組み合わされた場合に、結果的に得られる絶縁システムが、２つの絶縁システム単独の性能から予期され得ない、予想外に長い寿命を与えるという認識に基づく。２つの既知の絶縁システムの組み合わせは、そのメカニズムが詳細に知られていないシナジー効果を達成するように見える。

本発明はさらに、電気絶縁システムの適切な構成要素を備えるシート材料の形態の中間製品が提供された場合、いかなる特別な装置もなく、絶縁システムを組み立てることが容易であるという認識に基づく。

本発明の第１の態様によれば、ナノ粒子の形態の第１の充填剤および第１のポリマを備える第１の絶縁レイヤと、酸化クロムＣｒ_２Ｏ_３、酸化鉄Ｆｅ_２Ｏ_３、または酸化クロムと酸化鉄の混合物の形態の第２の充填剤および第２のポリマを備える第２の絶縁レイヤと、を備える電気絶縁システムが提供される。第１の絶縁レイヤおよび第２の絶縁レイヤのうちの少なくとも１つは、堅固でかつ平坦なシートの形態をとる。

ナノ粒子が良好に分散された第１の絶縁レイヤと、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子および／またはＦｅ_２Ｏ_３粒子が充填された第２の絶縁レイヤとを組み合わせた絶縁システムでは、これら２つの絶縁レイヤのシナジー効果が、電気放電に対する絶縁システムの優れたシールドおよび耐性を提供する。堅固でかつ平坦なシートは、容易に扱い易く、部分放電耐性を持つ絶縁システムを、誰でも対象物に適用できようになる。

本発明の１つの実施形態によれば、第１の絶縁レイヤと第２の絶縁レイヤとの両方が、堅固でかつ平坦なシートの形態をとる。この手段によって、絶縁システムの扱い易さがさらに向上される。

本発明の１つの実施形態によれば、第１の絶縁レイヤと第２の絶縁レイヤとの両方が、単一の堅固でかつ平坦なシートに統合される。この手段によって、絶縁システムの扱い易さがさらに向上される。

本発明の１つの実施形態によれば、シートは、絶縁されるべき対象物に、このシートを接着するための接着剤を備える。接着剤は、シートを接着するための単純な手段となる。

本発明の１つの実施形態によれば、第１の絶縁レイヤは、第２の絶縁レイヤと接着剤との間にある。ある真性導電率を持つ第２の絶縁レイヤは、第１の絶縁レイヤをコロナ放電に対して保護するために、最外周レイヤを構成しなくてはならない。

本発明の１つの実施形態によれば、各シートは、例えば０．０２−０．２ｍｍのように、０．０１−０．４ｍｍの範囲の厚みを有する。このような厚みは、シートに、適切な柔軟性および強度を与えると示される。

本発明の１つの実施形態によれば、第２の充填剤は、例えば、第２の絶縁レイヤの体積の１０−３０％または１５−２０％のような、第２の絶縁レイヤの体積の１０−４０％の量にある。第２の充填剤のこのような濃度は、コロナ放電に対する許容可能な耐性のみならず、許容可能な機械的特性をも与えると示される。

本発明の１つの実施形態によれば、第２の絶縁充填剤は、例えば０．００５−１０μｍまたは０．１５−５μｍのように、０．００５−３０μｍの平均粒子サイズを有する。第２の充填剤のそのような粒子サイズは、コロナ放電に対する良好な耐性を第２の絶縁レイヤに与えると示される。

本発明の１つの実施形態によれば、第２の充填剤は、１０^４−１０^８ Ω・ｍの範囲内の抵抗率を有する。第２の充填剤のそのような抵抗率は、第２の絶縁レイヤに、コロナ放電に対する良好な耐性と適切な真性導電率を与えるように示される。

本発明の１つの実施形態によれば、第１の充填剤は、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、二酸化チタン、チタン酸バリウム、および酸化マグネシウムのうちの何かを備える。これらの充填剤は、第１の絶縁レイヤに、部分放電に対する良好な耐性を与えるように示される。

本発明の１つの実施形態によれば、第１の絶縁レイヤ内のナノ粒子は、第１のレイヤの体積の１−４０％の量にある。このようなナノ粒子の濃度は、第１の絶縁レイヤに、部分放電に対する許容できる耐性のみならず、良好な機械的特性を与えるように示される。

本発明の１つの実施形態によれば、第１の絶縁レイヤにおけるナノ粒子は、１−２００ｎｍの平均粒子サイズを有する。このようなナノ粒子のサイズは、第１の絶縁レイヤに、部分放電に対する良好な耐性を与えるように示される。

本発明の１つの実施形態によれば、第１のポリマおよび第２のポリマは、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルアミド、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリアミド、およびポリスルホンのうちの少なくとも１つのポリマを備える。これらポリマは、その中で第１の充填剤および第２の充填剤が容易に分散することができる適切なマトリクスを提供する。さらに、これらポリマは、薄膜シート材料に転化されるために適切な強度および柔軟性を有する。

本発明の別の態様によれば、前述した実施形態のうちの何れかにしたがう電気絶縁システムを備える導電体が提供される。前述した実施形態にしたがう電気絶縁システムは、導電体に適用されるのに特に適している。

本発明の１つの実施形態によれば、導電体の周囲にシートが数ターン巻かれ、少なくとも１ターンは、前のターンとオーバラップする。ターンをオーバラップすることによって、後続するターン間にギャップが残らないことが保証される。

本発明は、添付図面を参照してより詳細に説明されるだろう。
図１は、本発明の１つの実施形態にしたがう絶縁システムを備えた導電体を示す。 図２は、本発明の１つの実施形態にしたがう絶縁システムを備えたシート材料を示す。 図３は、本発明にしたがう絶縁システムと、２つの従来技術の絶縁システムとの寿命曲線の比較を示す。

図１に示すように、導電体１０は、第１の絶縁レイヤ６０を備えた第１のストリップ２０を周囲に巻かれることによって絶縁されうる。第１の絶縁レイヤ６０は、ナノ粒子の形態である第１の充填剤と第１のポリマから成る。第２の絶縁レイヤ７０を備える第２のストリップ３０が、第１のストリップ２０と同時に巻かれる。第２の絶縁レイヤ７０は、Ｃｒ_２Ｏ_３の形態である第２の充填剤と第２のポリマから成る。２つのストリップ２０，３０は、等しい幅を有し、好適には、第２のストリップ３０は、第１のストリップを正確に覆う。あるいは、導電体１０は、先ず、第１のストリップ２０を単独で巻かれ、その後、第２のストリップ３０を単独で巻かれる。第１のストリップ２０および第２のストリップ３０は、導電体１０にストリップを接着させるための接着剤８０を備えうる。オプションとして、接着剤は、ストリップの両側に添加されうる。接着剤は、フッ素化エチレン・プロピレン（ＦＥＰ）を備えるフッ素ポリマ樹脂から成りうる。各ターンは、前のターンとオーバラップし、これによって、後続するターン間の継ぎ目に沿ってオーバラップ領域４０が生成される。

２つの個別のストリップ２０，３０から構成される代わりに、第１のポリマ、第１の充填剤、第２のポリマ、および第２の充填剤がすべて、第３のストリップ５０に統合されうる。これは、単一ステップで巻かれうる。このような第３のストリップ５０は、図２に例示されており、ナノ粒子の形態からなる第１の充填剤および第１のポリマからなる第１の絶縁レイヤ６０と、Ｃｒ_２Ｏ_３の形態からなる第２の充填剤および第２のポリマからなる第２の絶縁レイヤ７０と、絶縁されるべき対象物に第３のストリップ５０を接着するための接着剤８０と、備える。２つの個別のストリップ２０，３０と比較して、第３のストリップ５０は、巻きが簡素化されるという利点を有する。それのみならず、結果として得られる絶縁システムもまた、恐らく改善される。なぜなら、２つのストリップを個別に巻くことは、第１の絶縁レイヤ６０と第２の絶縁レイヤ７０との間に、気泡や不純物がトラップされるリスクを増やすからである。これら不純物および気泡は、部分放電に対する絶縁システムの耐性を弱める。

第１のストリップ２０、第２のストリップ３０、および第３のストリップ５０の厚みは、好適には、０．０１ｍｍと０．４ｍｍの間であり、より好適には、０．０２ｍｍと０．２ｍｍの間である。第１の絶縁レイヤ６０の厚みは、好適には、０．０１ｍｍと０．１２の間であり、第２の絶縁レイヤ７０の厚みは、好適には、０．００５ｍｍと０．０６ｍｍの間である。

Ｃｒ_２Ｏ_３の代わりに、第２の充填剤は、各ケースにおいて、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、またはＣｒ_２Ｏ_３とＦｅ_２Ｏ_３の混合物でありうる。第２の充填剤の機能は、絶縁システムの外表面を、十分に導電性にし、これによって、絶縁システムの下層部分を、コロナ放電の集中効果に対して保護するようにすることである。この効果を実現するために、第２の充填剤は、１０^４−１０^８ Ω・ｍの範囲内の抵抗率を有していなければならない。さらに、第２の充填剤は、第２の絶縁レイヤ７０の体積の１０−４０％の量にあり、好適には、第２の絶縁レイヤ７０の体積の１０−３０％にあり、さらに好適には、第２の絶縁レイヤ７０の体積の１５−２０％にある。さらに、第２の充填剤は、０．００５−３０μｍの、好適には０．００５−１０μｍの、さらに好適には０．１５−５μｍの平均粒子サイズを有していなければならない。

第１の充填剤の機能は、同様に、部分放電に対する保護を提供することであり、特に、機械的に持続可能である保護を提供することである。第１の充填剤としてのナノ粒子は、第１の絶縁レイヤ６０に対して、一方では、部分放電に対する良好な保護を、他方では、優れた曲がり強度を提供する。第２の絶縁レイヤ７０の機械的特性は、第２の充填剤の量が増加すると、減少する。したがって、２つの絶縁レイヤ６０，７０は、互いの弱点を補完する。より良好な機械的特性を得るために、第１の絶縁レイヤ６０におけるナノ粒子は、第１のレイヤ６０の体積の１−４０％の量にあらねばならず、その平均粒子サイズは、１−２００ｎｍでなければならない。さらに、ナノ粒子は、第１のポリマ内に良好に分散されねばならない。第１の充填剤は、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、二酸化チタン、チタン酸バリウム、または酸化マグネシウム、あるいはこれらの混合物を備えうる。

前述したように、第１の絶縁レイヤと第２の絶縁レイヤとはともに、従来技術から知られている。２つの先行技術解決策は、部分放電に耐える極めて異なる原理に基づいているように見える。したがって、これら２つの絶縁レイヤを組み合わせることで、驚くべき効果を与えるシナジー効果を達成する。このシナジー効果のメカニズムは、詳細に知られていなくても、その効果自身は、容易に測定可能である。図３は、２つの先行技術絶縁システムと、本発明による組み合わせとの寿命曲線を示す。ナノ充填ポリマとＣｒ_２Ｏ_３充填ポリマとの組み合わせの結果、寿命曲線の傾きは、２つの従来技術の絶縁システム単独の寿命曲線それぞれの傾きと比べて、大きな差をもたらす。

第１のポリマおよび第２のポリマの機能は、マトリクスを形成することであり、このマトリクス内では、第１の充填剤と第２の充填剤の粒子がそれぞれ、実質的に一様に分布しうる。また、結果として得られる成分は、取り扱いが容易なシート材料に転化されるのにも適切でありうる。第１のポリマおよび第２のポリマは、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルアミド、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリアミド、およびポリスルホンのうちの少なくとも１つのポリマを備えうる。さらに、第１のポリマおよび第２のポリマが、同じポリマでありうる。

本発明は前述した実施形態に限定されないが、もちろん、当業者であれば、特許請求の範囲によって定義されたような本発明の範囲内で、多くの方式で、本発明を修正しうる。
以下に、本願出願当初の特許請求の範囲に記載の発明を付記する。
［Ｃ１］ 電気絶縁システムであって、 ナノ粒子の形態をとる第１の充填剤および第１のポリマを備える第１の絶縁レイヤ（６０）と、 酸化クロムＣｒ２Ｏ３、酸化鉄Ｆｅ２Ｏ３、または酸化クロムと酸化鉄の混合物の形態をとる第２の充填剤および第２のポリマを備える第２の絶縁レイヤ（７０）とを備え、 前記第１の絶縁レイヤおよび前記第２の絶縁レイヤ（６０，７０）のうちの少なくとも１つが、堅固でかつ平坦なシートの形態をとることを特徴とする、電気絶縁システム。
［Ｃ２］ 前記第１の絶縁レイヤおよび前記第２の絶縁レイヤ（６０，７０）の両方が、堅固でかつ平坦なシートの形態をとる、［Ｃ１］に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ３］ 前記第１の絶縁レイヤおよび前記第２の絶縁レイヤ（６０，７０）の両方が、単一の堅固でかつ平坦なシートに統合される、［Ｃ１］に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ４］ 前記シートは、絶縁されるべき対象物に前記シートを接着するための接着剤（８０）を備える、［Ｃ１］乃至［Ｃ３］のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ５］ 前記第１の絶縁レイヤ（６０）は、前記第２の絶縁レイヤ（７０）と前記接着剤（８０）との間にある、［Ｃ４］に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ６］ 各シートは、０．０２−０．２ｍｍのような、０．０１−０。４ｍｍの範囲内の厚みを有する、［Ｃ１］乃至［Ｃ５］のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ７］ 前記第２の充填剤は、前記第２の絶縁レイヤ（７０）の体積の１０−３０％または１５−２０％のような、前記第２の絶縁レイヤ（７０）の体積の１０−４０％の量にある、［Ｃ１］乃至［Ｃ６］のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ８］ 前記第２の充填剤は、０．００５−１０μｍまたは０．１５−５μｍのような、０．００５−３０μｍの平均粒子サイズを有する、［Ｃ１］乃至［Ｃ７］のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ９］ 前記第２の充填剤は、１０４−１０８ｏｈｍ ｍの範囲内の抵抗を有する、［Ｃ１］乃至［Ｃ８］のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ１０］ 前記第１の充填剤は、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、二酸化チタン、チタン酸バリウム、および酸化マグネシウムのうちの何れかを備える、［Ｃ１］乃至［Ｃ９］のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ１１］ 前記第１の絶縁レイヤ（６０）内のナノ粒子は、前記第１の絶縁レイヤの体積の１−４０％の量にある、［Ｃ１］乃至［Ｃ１０］のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ１２］ 前記第１の絶縁レイヤ（６０）内のナノ粒子は、１−２００ｎｍの平均粒子サイズを有する、［Ｃ１］乃至［Ｃ１１］のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ１３］ 前記第１のポリマおよび前記第２のポリマは、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルアミド、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリアミド、およびポリスルホンのうちの少なくとも１つのポリマを備える、［Ｃ１乃至［Ｃ１２］のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
［Ｃ１４］ ［Ｃ１］乃至［Ｃ１３］のうちの何れかにしたがう電気絶縁システムを備える導電体（１０）。
［Ｃ１５］ 前記シートは、前記導電体の周囲に数ターン巻かれ、少なくとも１ターンが、前のターンとオーバラップする、［Ｃ１４］に記載の導電体（１０）。

Claims (15)

1. 電気絶縁システムであって、
   ナノ粒子の形態をとる第１の充填剤および第１のポリマを備える第１の絶縁レイヤ（６０）と、
   酸化クロムＣｒ_２Ｏ_３、酸化鉄Ｆｅ_２Ｏ_３、または酸化クロムと酸化鉄の混合物の形態をとる第２の充填剤および第２のポリマを備える第２の絶縁レイヤ（７０）とを備え、
   前記第１の絶縁レイヤおよび前記第２の絶縁レイヤ（６０，７０）のうちの少なくとも１つが、堅固でかつ平坦なシートの形態をとることを特徴とする、電気絶縁システム。
2. 前記第１の絶縁レイヤおよび前記第２の絶縁レイヤ（６０，７０）の両方が、堅固でかつ平坦なシートの形態をとる、請求項１に記載の電気絶縁システム。
3. 前記第１の絶縁レイヤおよび前記第２の絶縁レイヤ（６０，７０）の両方が、単一の堅固でかつ平坦なシートに統合される、請求項１に記載の電気絶縁システム。
4. 前記シートは、絶縁されるべき対象物に前記シートを接着するための接着剤（８０）を備える、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
5. 前記第１の絶縁レイヤ（６０）は、前記第２の絶縁レイヤ（７０）と前記接着剤（８０）との間にある、請求項４に記載の電気絶縁システム。
6. 各シートは、０．０１−０．４ｍｍの範囲内の厚みを有する、請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
7. 前記第２の充填剤は、前記第２の絶縁レイヤ（７０）の体積の１０−４０％の量にある、請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
8. 前記第２の充填剤は、０．００５−３０μｍの平均粒子サイズを有する、請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
9. 前記第２の充填剤は、１０^４−１０^８ Ω・ｍの範囲内の抵抗率を有する、請求項１乃至８のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
10. 前記第１の充填剤は、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、二酸化チタン、チタン酸バリウム、および酸化マグネシウムのうちの何れかを備える、請求項１乃至９のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
11. 前記第１の絶縁レイヤ（６０）内のナノ粒子は、前記第１の絶縁レイヤの体積の１−４０％の量にある、請求項１乃至１０のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
12. 前記第１の絶縁レイヤ（６０）内のナノ粒子は、１−２００ｎｍの平均粒子サイズを有する、請求項１乃至１１のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
13. 前記第１のポリマおよび前記第２のポリマは、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルアミド、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリアミド、およびポリスルホンのうちの少なくとも１つのポリマを備える、請求項１乃至１２のうち何れか１項に記載の電気絶縁システム。
14. 請求項１乃至１３のうちの何れかにしたがう電気絶縁システムを備える導電体（１０）。
15. 前記シートは、前記導電体の周囲にいくつかのターン巻かれ、少なくとも１ターンが、前のターンとオーバラップする、請求項１４に記載の導電体（１０）。

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