PL206279B1

PL206279B1 - Pojemnościowy korpus izolacyjny wysokonapięciowego przepustu

Info

Publication number: PL206279B1
Application number: PL368833A
Authority: PL
Inventors: Jan Czyżewski; Robert Sekuła; Johan Berner
Original assignee: Abb Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnościąabb Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2010-07-30
Also published as: WO2006001724A1; PL368833A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest pojemnościowy korpus izolacyjny wysokonapięciowego przepustu znajdujący zastosowanie w urządzeniach elektroenergetycznych, a zwłaszcza w transformatorach mocy, zawierający usytuowany wokół cylindrycznego rdzenia, izolacyjny korpus impregnowany żywicą.

Znane są szeroko przepusty z korpusem izolacyjnym typu RIP (Resin Impregnated Paper - papier impregnowany żywicą), które wytwarzane są w ten sposób, że na metalowy rdzeń nawija się spiralnie szereg, od kilkudziesięciu do kilkaset, warstw specjalnego papieru izolacyjnego, przy czym nawijane warstwy papieru nakładają się na siebie całkowicie lub częściowo, a co kilka warstw papieru, pomiędzy warstwami papieru umieszcza się warstwę elektrycznie przewodzącą w postaci arkusza folii aluminiowej o odpowiednich wymiarach, dostosowanych do wielkości przepustu i jego parametrów eksploatacyjnych. Wielkość arkuszy folii aluminiowej oraz ich ilość dobiera się tak, aby zapewnić prawidłowe kształtowanie pola elektrycznego w przepuście. Rdzeń wraz z nawiniętym papierem izolacyjnym, przekładanym arkuszami folii aluminiowej umieszcza się w cylindrycznej formie, którą zalewa się żywicą epoksydową i przeprowadza się impregnację papieru izolacyjnego żywicą, a następnie przeprowadza się proces utwardzania żywicy. Utwardzona żywica wraz z papierem i folią tworzy materiał o wysokiej wytrzymał o ś ci mechanicznej i dobrych własnoś ciach izolacyjnych, co jest wymagane dla korpusów przepustów izolacyjnych. Po wyjęciu korpusu z formy przeprowadza się jego obróbkę mechaniczną w celu nadania ostatecznego kształtu korpusu.

Ze względu na wielkość przepustów wysokonapięciowych i duże ilości żywicy, w procesie utwardzania żywicy wydzielają się duże ilości ciepła, jako wynik reakcji egzotermicznej, co powoduje powstanie znacznych gradientów temperaturowych, co z kolei wpływa na wytworzenie lokalnych, dużych naprężeń wewnętrznych. Naprężenia wewnętrzne mogą powodować pęknięcia i rozwarstwienia na powierzchni styku żywicy i folii aluminiowej. Uszkodzenia tego typu wywołane są głównie dużymi różnicami współczynnika rozszerzalności cieplnej obu materiałów.

Inną niedogodnością dotyczącą wytwarzania przepustów typu RIP są trudności związane z równomiernym rozmieszczaniem folii aluminiowej na papierze izolacyjnym, która w procesie nawijania warstw na rdzeń przepustu ma tendencje do zawijania i marszczenia, przy czym równomierne rozmieszczenie folii aluminiowej na papierze izolacyjnym ma pierwszorzędne znaczenie dla równomiernego kształtowania pola elektrycznego i wytrzymałości elektrycznej przepustu.

Stosowanie metalowych arkuszy elektrycznie przewodzących, w postaci warstw pośrednich pomiędzy warstwami papieru izolacyjnego, służących do kształtowania pola elektrycznego, znane jest z wielu rozwiązań dotyczących przepustów z pojemnościowym korpusem izolacyjnym. Przykładowe rozwiązania przedstawione są w opisach patentowych USA nr 3875327, 4 362 897, 4 338 487, 4 387 266, 4 500 745, GB 991 546, GB 1 125 964.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 1 103 988 znany jest przepust izolacyjny, który zawiera pojemnościowy korpus uformowany przez nawijanie izolacyjnego materiału na rurę otaczającą przewód przewodzący. Materiałem izolacyjnym, z którego uformowany jest korpus, jest papier impregnowany żywicą. We wnętrzu pojemnościowego korpusu, pomiędzy warstwami materiału izolacyjnego umieszczone są przewodzące lub półprzewodzące folie, służące, jako elementy kształtujące pole elektryczne.

Istotą pojemnościowego korpusu izolacyjnego wysokonapięciowego przepustu według wynalazku, uformowanego przez nawijanie wokół cylindrycznego rdzenia warstw materiału elektroizolacyjnego, pomiędzy którymi umieszczone są arkusze materiału przewodzącego służące do kształtowania pola elektrycznego w przepuście, jest to, że co najmniej jeden arkusz materiału przewodzącego, który umieszczony jest w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, stanowi strukturę wykonaną na bazie papieru, tkaniny lub włókniny i zawiera zawieszone w niej cząstki przewodzące, tworzące perkolacyjną sieć przewodzącą elektrycznie w płaszczyźnie arkusza, przy czym cząstki przewodzące mają zasadniczo wydłużony kształt i takie wymiary, że stosunek ich długości do największego wymiaru poprzecznego wynosi więcej niż 10.

Korzystnie w pierwszej odmianie wykonania wynalazku, arkusz materiału przewodzącego, umieszczony w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, zawiera cząstki przewodzące w postaci nanorurek węglowych.

Korzystnie w pierwszej odmianie wykonania wynalazku, struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową wykonaną na bazie włókien celulozowych,

PL 206 279 B1 a czą stki przewodzą ce mają postać jednoś ciennych lub wieloś ciennych nanorurek wę glowych o ś rednicach mniejszych, od 50 nm.

Korzystnie w pierwszej odmianie wykonania wynalazku, stosuje się wielościenne nanorurki węglowe o średnicach od 10 nm - 30 nm i długościach od ^m do 10 μm

Korzystnie w drugiej odmianie wykonania wynalazku, arkusz materiału przewodzącego, umieszczony w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, zawiera cząstki przewodzące w postaci nanowłókien węglowych.

Korzystnie w drugiej odmianie wykonania wynalazku, struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać nanowłókien węglowych o średnicach od 50 nm do 300 nm.

Korzystnie w drugiej odmianie wykonania wynalazku, stosuje się grafitowe nanowłókna węglowe o średnicach od 100 nm do 200 nm i długościach od 30 μm do 100 μm.

Ewentualnie w drugiej odmianie wykonania wynalazku, stosuje się grafitowe nanowłókna węglowe średnicach od 60 nm do 150 nm i długościach od 30 μm do 100 μm.

Korzystnie w trzeciej odmianie wynalazku arkusz materiału przewodzącego, umieszczony w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, zawiera cząstki przewodzące w postaci mikrowłókien metalicznych.

Korzystnie w trzeciej odmianie wykonania wynalazku, struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać mikrowłókien metalicznych, o średnicy mniejszej niż 30 μ^ι.

Korzystnie w trzeciej odmianie wynalazku, stosuje się mikrowłókna stalowe o średnicy 5 - 10 μm i długości od 1 do 6 mm.

W drugiej wersji wykonania wynalazku, pojemnościowy korpus izolacyjny wysokonapięciowego przepustu, charakteryzuje się tym, że co najmniej jeden arkusz materiału przewodzącego, który umieszczony jest w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, stanowi strukturę wykonaną na bazie papieru, tkaniny lub włókniny i zawiera zawieszone w niej cząstki przewodzące, tworzące perkolacyjną sieć przewodzącą elektrycznie w płaszczyźnie arkusza, przy czym cząstki przewodzące mają ziaren o wymiarach mniejszych niż 1 μm.

Korzystnie w drugiej wersji wykonania wynalazku, arkusz materiału przewodzącego, umieszczony w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, zawiera cząstki przewodzące w postaci nanoziaren metalicznych.

Korzystnie w drugiej wersji wykonania wynalazku, struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać nanoziaren metalicznych o średnicach od 10 nm do 1000 nm.

Korzystnie w drugiej wersji wykonania wynalazku, stosuje się nanoziarna aluminiowe o średnicach od 50 nm do 150 nm.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie wystarczająco dobrej przewodności materiału przewodzącego służącego do kształtowania pola elektrycznego w przepuście przy jednoczesnym umożliwieniu otrzymania materiału korpusu nie podatnego na pękania i rozwarstwienia w procesie produkcyjnym. W szczególności wydłużony kształt cząstek przewodzących, rozmieszczonych wewnątrz struktury papieru, tkaniny lub włókniny i duży stosunek ich długości do wymiarów poprzecznych, wpływa na uzyskanie dobrej przewodności materiału przewodzącego już przy bardzo małej zawartości tych cząstek w strukturze, gdyż jest to przewodność typu perkolacyjnego. Szczególnie korzystne jest zastosowanie nanowłókien węglowych, nanorurek węglowych lub mikrowłókien metalicznych, wykazujących oprócz dużego stosunku długości do średnicy, bardzo wysokie przewodnictwo wzdłuż ich długości. Duże przewodnictwo elektryczne można uzyskać również stosując cząstki niecharakteryzujące się wydłużonym kształtem, ale charakteryzujące się bardzo małymi wymiarami, na przykład - ziarna metaliczne o submikronowych wymiarach. Zaletą wynalazku jest również wyeliminowanie lokalnych naprężeń cieplnych w przepuście, ze względu na zbliżone własności cieplne materiału izolacyjnego i struktury wykonanej na bazie papieru, tkaniny lub włókniny, zawierającej cząstki przewodzące. Ponadto przy zastosowaniu takiej struktury przewodzącej, unika się trudności związanych z jej rozmieszczaniem na warstwach materiału izolacyjnego, występujących przy zastosowaniu folii metalowej, a tym samym poprawia się, jakość przepustu. W przypadku zastosowania papieru, jako warstw materiału elektroizolacyjnego, który musi być poddany procesowi suszenia przed impregnacją żywicą, dodatkową zaletą stosowania warstw przewodzących, wykonanych na bazie papieru, tkaniny lub włókniny,

PL 206 279 B1 charakteryzujących się znacznie wyższą przepuszczalnością gazów niż folia aluminiowa, jest uzyskanie możliwości skrócenia procesu suszenia zwiniętego korpusu izolacyjnego przed jego impregnacją.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie pojemnościowy korpus izolacyjny wysokonapięciowego przepustu w przekroju wzdłużnym A-A, a fig. 2 - korpus izolacyjny wysokonapięciowego przepustu w przekroju poprzecznym B-B.

Pojemnościowy korpus izolacyjny 1 usytuowany jest wokół cylindrycznego rdzenia 2 i umieszczony jest wewnątrz standardowej obudowy izolacyjnej, przeznaczonej dla wysokonapięciowych przepustów, która nie jest uwidoczniona na rysunku. Korpus pojemnościowy 1 składa się z wielu warstw marszczonego papieru elektroizolacyjnego 3, które nawinięte są na siebie i wokół rdzenia. Warstwy papieru elektroizolacyjnego są śrubowo nawinięte na rdzeń 2, a ich wymiary odnoszące się do grubości pojedynczego arkusza i jego szerokości i długości zależą od wielkości przepustu izolacyjnego i jego parametrów technicznych. Pomiędzy arkuszami papieru elektroizolacyjnego usytuowane są pojedyncze arkusze materiału przewodzącego 4, które służą do kształtowania pola elektrycznego w przepuście. Pojedynczy arkusz materiału przewodzącego 4 stanowi strukturę wykonaną na bazie papieru, zawierającą cząstki przewodzące, tworzące perkolacyjną sieć przewodzącą w płaszczyźnie arkusza. Rozmiary cząstek przewodzących są takie, że co najmniej jeden wymiar zewnętrzny pojedynczej cząstki wynosi mniej niż 30 μ^ι. Zamiast zastosowania papieru, jako bazy dla struktury, zawierającej cząstki przewodzące, można użyć w tym celu tkaniny lub włókniny o odpowiednich własnościach.

W pierwszym przykładzie wykonania wynalazku, struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać jednościennych lub wielościennych nanorurek węglowych o średnicach mniejszych od 50 nm. Przykładowo można wykorzystać wielościenne nanorurki węglowe o średnicach od 10 nm - 30 nm i długościach od 1 μm do 10 μm produkowane przez firmę Sun Nanotech Co Ltd, Chiny.

W drugim przykładzie wykonania wynalazku, struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać nanowłókien węglowych o średnicach od 50 nm do 300 nm. Przykładowo można wykorzystać grafitowe nanowłókna węglowe firmy Applied Science Inc., USA, typu Pyrograph® typu PR-19 o średnicach od 100 nm do 200 nm i długościach od 30 μm do 100 μm lub typu PR-24 o średnicach od 60 nm do 150 nm i długościach od 30 μm do 100 μm.

W trzecim przykładzie wykonania wynalazku, struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać mikrowłókien o średnicach mniejszych od 30 μιτι. Przykładowo można wykorzystać mikrowłókna stalowe o średnicy 6 μm i długości 5 mm, produkowane przez firmę Nippon Seisen Co., Ltd., Japonia.

W drugiej odmianie wykonania wynalazku, w przykładzie jego wykonania, struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać nanoziaren metalicznych o średnicach od 10 nm do 1000 nm. Przykładowo można wykorzystać nanoziarna aluminiowe o średnicach od 50 nm do 150 nm produkowane przez firmę QinetiQ Nanometerials Itd, UK.

W innym przykładzie wykonania wynalazku, struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego zawiera mieszaninę cząstek zawierającą nanorurki i nanowłókna węglowe lub mieszaninę cząstek węglowych i cząstek metalicznych.

We wszystkich przykładach wykonania wynalazku, tworzące korpus izolacyjny 1, warstwy materiału elektroizolacyjnego 3 wraz z arkuszami materiału przewodzącego 4 impregnuje się żywicą impregnującą. Impregnację przeprowadza się w odpowiednio ukształtowanych formach odlewniczych. Po zalaniu formy korpus izolacyjny 1 przybiera kształt formy odlewniczej. Korpus ten następnie poddaje procesowi utwardzania, a po jego ukończeniu przeprowadza się obróbkę mechaniczną korpusu w celu osiągnięcia pożądanego kształtu. Gotowy korpus izolacyjny 1 umieszcza się w obudowie izolacyjnej przepustu wysokonapięciowego.

Claims

1. Pojemnościowy korpus izolacyjny wysokonapięciowego przepustu, uformowany przez nawijanie wokół cylindrycznego rdzenia warstw materiału elektroizolacyjnego, pomiędzy którymi umieszczone są arkusze materiału przewodzącego służące do kształtowania pola elektrycznego w przepuście, znamienny tym, że co najmniej jeden arkusz materiału przewodzącego, który umieszczony jest w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, stanowi strukturę wykonaną na bazie papieru, tkaniny lub włókniny i zawiera zawieszone w niej cząstki przewodzące, tworzące perkolacyjną sieć przewodzącą elektrycznie w płaszczyźnie arkusza, przy czym cząstki przewodzące mają zasadniczo wydłużony kształt i takie wymiary, że stosunek ich długości do największego wymiaru poprzecznego wynosi więcej niż 10.

2. Pojemnościowy korpus według zastrz. 1, znamienny tym, że arkusz materiału przewodzącego, umieszczony w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, zawiera cząstki przewodzące w postaci nanorurek węglowych.

3. Pojemnościowy korpus według zastrz. 2, znamienny tym, że struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać jednościennych lub wielościennych nanorurek węglowych o średnicach mniejszych od 50 nm.

4. Pojemnościowy korpus według zastrz. 3, znamienny tym, że stosuje się wielościenne nanorurki węglowe o średnicach od 10 nm - 30 nm i długościach od 1 μm do 10 μm.

5. Pojemnościowy korpus według zastrz. 1, znamienny tym, że arkusz materiału przewodzącego, umieszczony w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, zawiera cząstki przewodzące w postaci nanowłókien węglowych.

6. Pojemnościowy korpus według zastrz. 5, znamienny tym, że struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać nanowłókien węglowych o średnicach od 50 nm do 300 nm.

7. Pojemnościowy korpus według zastrz. 6, znamienny tym, że stosuje się grafitowe nanowłókna węglowe o średnicach od 100nm do 200nm i długościach od 30 μm do 100 μm.

8. Pojemnościowy korpus według zastrz. 6, znamienny tym, że stosuje się grafitowe nanowłókna węglowe średnicach od 60 nm do 150 nm i długościach od 30 μm do 100 μm.

9. Pojemnościowy korpus według zastrz. 1, znamienny tym, że arkusz materiału przewodzącego, umieszczony w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, zawiera cząstki przewodzące w postaci mikrowłókien metalicznych.

10. Pojemnościowy korpus według zastrz. 9, znamienny tym, że struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać mikrowłókien metalicznych, o średnicy mniejszej niż 30 μm.

11. Pojemnościowy korpus według zastrz. 10, znamienny tym, ze stosuje się mikrowłókna stalowe o średnicy 5 - 10 μm i długości od 1 do 6 mm.

12. Pojemnościowy korpus izolacyjny wysokonapięciowego przepustu, uformowany przez nawijanie wokół cylindrycznego rdzenia warstw materiału elektroizolacyjnego, pomiędzy którymi umieszczone są arkusze materiału przewodzącego służące do kształtowania pola elektrycznego w przepuście, znamienny tym, że co najmniej jeden arkusz materiału przewodzącego, który umieszczony jest w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, stanowi strukturę wykonaną na bazie papieru, tkaniny lub włókniny i zawiera zawieszone w niej cząstki przewodzące, tworzące perkolacyjną sieć przewodzącą elektrycznie w płaszczyźnie arkusza, przy czym cząstki przewodzące mają postać ziaren o wymiarach mniejszych niż 1 μ^ι.

13. Pojemnościowy korpus według zastrz. 12, znamienny tym, że arkusz materiału przewodzącego, umieszczony w korpusie pomiędzy warstwami materiału elektroizolacyjnego, zawiera cząstki przewodzące w postaci nanoziaren metalicznych.

14. Pojemnościowy korpus według zastrz. 13, znamienny tym, że struktura pojedynczego arkusza materiału przewodzącego stanowi suchą masę papierową na bazie włókien celulozowych, a cząstki przewodzące mają postać nanoziaren metalicznych o średnicach od 10 nm do 1000 nm.

15. Pojemnościowy korpus według zastrz. 14, znamienny tym, że stosuje się nanoziarna aluminiowe o średnicach od 50 nm do 150 nm.