TW201727670A - 空心保護器強度膜 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示之概念大體上關於空心保護器膜，且特定言之關於包括以下之膜：由纖維及樹脂構成之拉擠管以及由呈墊子或織物形式之纖維及樹脂構成的一或多個包裹層。將該一或多個包裹層應用於該拉擠管以形成用聚合物外殼包覆射出成型的經包裹之拉擠管。

Description

空心保護器強度膜
所揭示之概念大體上涉及保護器，且特定言之涉及經結構化以沿縱向及徑向方向均展現高強度的空心保護器膜。
電學傳輸及分配設備在極窄範圍內在正常操作條件下經受電壓。然而，系統干擾(諸如雷擊及開關突波)可產生瞬時或經延長電壓位準，其極大地超過正常操作條件期間設備經歷的水準。此等電壓變動常常稱為過電壓條件。
若不保護關鍵且昂貴的設備，諸如變換器、開關器件、電腦設備及電學機械設備免受過電壓條件影響，則該等設備可被過電壓條件及相關電流突波損壞或毀壞。因此，系統設計者通常使用突波保護器來保護系統組件免受危險的過電壓條件影響。
突波保護器為保護器件，其通常與電學設備之相對較昂貴的部件平行連接以使過電壓感應電流突波分流或轉向而安全地圍繞設備，由此保護設備及其內部線路免受損壞。當曝露於過電壓條件時，突波保護器以將電流路徑提供至具有相對較低阻抗之電接地的低阻抗模式操作。否則突波保護器以將電流路徑提供至具有相對較高阻抗之接地的高阻抗模式操作。電流路徑之阻抗實質上低於當突波保護器以低阻抗模式操作時由突波 保護器保護之設備的阻抗，且否則實質上高於受保護設備之阻抗。
在完成過電壓條件時，突波保護器返回至以高阻抗模式的操作。此防止在系統頻率下之正常電流跟隨沿著電流路徑經由突波保護器到達接地的突波電流。
習知突波保護器通常包括由電絕緣材料及位於外殼相對末端用於連接在線路電位導體與電接地之間保護器的一對電端子製成的細長外殼或殼體及在端子之間形成串聯電學路徑的其他電學組件陣列。電絕緣材料可選自用於保護器殼體之此項技術中已知的彼等材料，諸如陶瓷(例如瓷)及聚合物(例如橡膠材料，包括矽橡膠及乙烯丙烯二烯單體(ethylene propylene diene monomer；EPDM)橡膠)。其他組件通常包括稱為變阻器之電壓依賴性、非線性電阻元件堆疊。變阻器之特徵為當曝露於正常工作電壓時具有相對較高的電阻及當曝露於諸如與過電壓條件相關之較大電壓時低許多的電阻。除了變阻器以外，突波保護器亦可包括在絕緣外殼內容納且與變阻器串聯電連接之一或多個電花隙組裝件。一些保護器亦包括與變阻器及間隙組裝件共軸對準的導電間隔元件。
為了適當的保護器操作，必須在堆疊組件之間維持接觸。為了實現此目的，已知將軸向負荷應用於堆疊元件。良好的軸向接觸對確保元件之相鄰面之間相對較低的接觸電阻、確保相對均一的電流分配經由元件且在元件與末端子之間提供良好熱傳遞至關重要。
一種應用此負荷之方式為在殼體內使用彈簧以推動堆疊元件彼此接合。應用負荷之另一方式為用玻璃纖維包裹保護器元件之堆疊以使在堆疊內軸向壓縮元件。
所揭示之概念提供一種用於空心保護器中殼體堆疊元件的聚合物膜，其展現經改良之對準能力及機械強度，同時能夠以低成本製造。
在一個態樣中，所揭示之概念包括用於殼體堆疊電學元件之具有空心的保護器膜，其包括具有複數個延伸至該空心中之突出的拉擠管，該拉擠管包括複數個纖維；及樹脂，其中該複數個纖維浸漬於該樹脂中且該複數個纖維至少主要沿縱向方向定向；施加至該拉擠管之外表面的至少一個包裹層，該至少一個包裹層包括複數個纖維；及樹脂，其中該複數個纖維浸漬於該樹脂中以形成墊子或織物，且該複數個纖維至少主要沿徑向方向定向；及施加至該至少一個包裹層之表面的外殼，該外殼包含聚合物。
該複數個纖維可包含玻璃纖維。該樹脂可選自由以下組成之群：聚酯、聚胺基甲酸酯、乙烯酯、環氧樹脂及其混合物。在某些具體實例中，該樹脂為環氧樹脂。
該聚合物可為橡膠材料。在某些具體實例中，該橡膠材料選自由聚矽氧橡膠組成之群。
該複數個突出可呈半球形形狀。在某些具體實例中，該拉擠管及該複數個突出製造成單一零件。
在某些具體實例中，至少一個包裹層藉由包裹且固化施加至該拉擠管之外表面。該外殼可藉由包覆射出成型(over molding)施加至該至少一個包裹層之外表面。該至少一個包裹層可包括至少一個捲繞，或該至少一個包裹層可包括多個捲繞。另外，可存在多個包裹層。
在某些具體實例中，該拉擠管比該至少一個包裹層具有更高的玻璃纖維與樹脂比率。該拉擠管可具有至少70,000in-lbs之懸臂強度。對於該拉擠管，該等玻璃纖維可以該拉擠管之總重量計構成約50重量%至約90重量%，且該樹脂可構成約20重量%至約25重量%。對於該至少一個包裹層，該等玻璃纖維可以該層之總重量計構成約25重量%至約60重量%，且該樹脂可構成約40重量%。
該膜可經結構化以具有承受在65kA電學故障電流期間所產生之能量的爆裂強度。
在另一態樣中，所揭示之概念提供一種製造殼體堆疊電學元件用之具有空心之保護器膜的方法。該方法包括藉由在拉擠成形製程中以具有複數個延伸至該空心中之突出的管狀形狀用玻璃纖維浸漬樹脂而形成拉擠管，該等玻璃纖維至少主要沿縱向方向定向；藉由用玻璃纖維浸漬樹脂以形成墊子或織物而形成至少一個包裹層，該等玻璃纖維至少主要沿徑向方向定向；將該墊子或織物包裹至該拉擠管之外表面上，其中該包裹包含一或多個捲繞；固化；及藉由用聚合物使該至少一個包裹層包覆射出成型而形成外殼。
該至少一個包裹層可包括多個包裹層，且該外殼可由使最終包裹層包覆射出成型而形成。
當結合隨附圖式閱讀時從以下較佳具體實例之描述可獲得對所揭示概念之充分理解，其中：圖1為根據所揭示概念之某些具體實例的空心保護器膜之經拉擠、包 裹管之等距視圖；圖2為根據所揭示概念之某些具體實例的空心保護器膜之拉擠管之橫截面；圖3為根據所揭示概念之某些具體實例的進一步包括包裹層之圖2之拉擠管的橫截面圖；圖4為根據所揭示概念之某些具體實例的進一步包括第二包裹層之圖3之拉擠管的橫截面圖；圖5為根據所揭示概念之某些具體實例示意性展示用於空心保護器膜之拉擠管的樹脂中纖維之組態；圖6為根據所揭示概念之某些具體實例示意性展示用於空心保護器膜之包裹層的樹脂中纖維之組態；圖7為根據所揭示概念之某些具體實例的進一步包括外殼之圖3之拉擠管的橫截面圖。
出於下文中本說明書之目的，如圖式中經定向，本文中所用之方向性短語，諸如「頂部」、「底部」、「正面」、「後面」、「後方」、「側面」、「右側」、「左側」、「上部」、「下部」及其衍生詞將關於所揭示概念。應理解圖式中所說明及以下說明書中所描述之特定元件僅為所揭示概念之例示性具體實例。因此，關於本文揭示之具體實例的特定定向及其他物理特性相對於所揭示概念之範疇不視為限制性的。
如本文所採用，術語「數目」將意謂一個或大於一個之整數(亦即複數個)。
如本文所採用，表述兩個或更多個零件「連接」在一起將意謂零件直接接合在一起或經由一或多個中間零件接合。
所揭示概念係關於保護器，且特定言之關於沿縱向及徑向方向提供高強度的空心保護器膜或複合物。各種保護器設計在此項技術中為吾人所知。可採用超過一個保護器且可堆疊保護器。亦已知的為由含有形成保護器之電學組件陣列的電絕緣材料製成的各種細長外殼或殼體。舉例而言，位於外殼之相對末端處的一對電端子可連接線路電位導體與電接地之間的保護器、電壓依賴性非線性電阻元件(例如變阻器)堆疊及一或多個電花隙組裝件。
存在各種類型之保護器用於不同電力系統，其具有與其相關的電壓等級。根據所揭示概念，保護器具有約3KV及更高或較佳地，約230KV至約1100KV之電壓等級。
所揭示概念包括空心保護器膜，其包括由拉擠成形形成之管及由將經樹脂浸漬之織物(例如「預浸體」，諸如呈墊子形式)包裹或捲繞至拉擠管之外表面上形成的一或多個層。
圖1展示根據所揭示概念之某些具體實例的經包裹拉擠管1。管1以細長圓筒3之形狀形成。圓筒3之長度可改變，且通常長度為約四呎或小於四呎。如圖1中所示，圓筒3之各末端連接至具有其中形成之複數個孔洞7之末端接頭5。圓筒3可利用複數個孔洞7中之固定件(例如螺栓或螺釘(圖中未示))固定至表面。各末端接頭5可選自在此項技術中為吾人所知的各種機械裝置。通常製造且選擇末端接頭5以承受特定力或展現特定強度，根據其選擇固定件。另外，將末端接頭5連接至圓筒3之 各末端的機械裝置可選自此項技術中已知彼等裝置。在某些具體實例中，使用黏著材料。
圖2為拉擠管10之橫截面。圖2展示管10之空心9、內表面11及外表面15。內表面11包括複數個突出13。空心9內含有，例如堆疊電學組件及元件(圖中未示)。內表面11可有效地封閉電學組件及元件，且複數個突出13充當中心調整器件以促使堆疊電學組件及元件之垂直對準。如圖2中所示，複數個突出13包括六個半球形突出，然而，預期可使用多於或少於六個突出，且還應理解可形成各種其他形狀。突出之數目及突出之形狀不受限制，且經選擇使得其能夠維持管10之空心9內堆疊之電學組件及元件之對準。
拉擠管10由塗佈有樹脂之複數個纖維構成，且使用拉擠成形裝置及方法形成為管狀形狀。術語「拉擠成形」係指「拉伸」及「擠壓」之動作。一般而言，增強材料，諸如纖維用樹脂浸漬且經由樹脂經受聚合反應之加熱固定模具拉伸。浸漬可經由浴槽拉伸增強材料或藉由將樹脂注入通常連接至模具之腔室中完成。此項技術中已知的各種纖維及樹脂適用於拉擠成形製程。適合纖維包括玻璃纖維，且適合樹脂包括聚酯、聚胺基甲酸酯、乙烯酯、環氧樹脂及其組合或混合物。在某些具體實例中，拉擠管10由玻璃纖維及環氧樹脂構成。
如圖2中所示，複數個突出13與拉擠管10之內表面11形成一體，以便形成單一部件或單一零件。因此，複數個突出13可在拉擠成形製程期間在形成拉擠管10中形成。因此，在所揭示概念中不需要對準用的用於保護器之現有技術中為吾人所知的各別中心調整裝置(例如桿或橡 膠插件)。
可改變拉擠管之纖維組分及樹脂組分之量。在某些具體實例中，拉擠管包括以管之總重量計約75重量%至約80重量%玻璃纖維及約20重量%至約25重量%樹脂。一般而言，由於當玻璃纖維組分超過約90%時出現處理困難之可能性，因此以約90%或小於90%選擇玻璃纖維組分之量。另外，一般而言，由於當玻璃纖維組分小於約50%時出現機械性能變弱之可能性，因此以約50%或大於50%選擇纖維組分之量。
圖3為如圖2中所示之拉擠管10之橫截面。圖3展示如圖2中所示之空心9、內表面11、複數個突出13及外表面15。另外，圖3展示包裹至拉擠管10之外表面15上的第一層19。在某些具體實例中，第一層19藉由使用習知包裹/捲繞裝置及技術包裹或捲繞至拉擠管10之外表面15上。在將第一層19包裹至拉擠管10上之後，典型的為將經包裹拉擠管加熱至足以固化(例如聚合)墊子或織物之高溫，且因此將第一層19黏合至外表面15。
第一層19包括由玻璃纖維及樹脂(諸如環氧樹脂)構成之墊子或織物。樹脂可選自此項技術中已知且本文中上述的彼等樹脂。用於第一層19之玻璃纖維及樹脂(例如環氧樹脂)可與用於拉擠管10之玻璃纖維及樹脂(例如環氧樹脂)相同或不同。如上文所描述，拉擠管10及第一層19均由玻璃纖維及樹脂構成。拉擠管10之玻璃纖維與樹脂比率大於第一層19之玻璃纖維與樹脂比率。因此，拉擠管10為比第一層19更加緻密的材料。第一層19可具有稀鬆的編織材料之形式。
可改變第一層19之纖維組分及樹脂組分(例如預浸體樹脂 塗佈之纖維基質)之量。在某些具體實例中，第一層19包括以層之總重量計約60%玻璃纖維及約40%樹脂。一般而言，由於當玻璃纖維組分超過約70%或約65%時出現處理困難之可能性，因此以約70%或小於70%或約65%或小於65%選擇玻璃纖維組分之量。另外，一般而言，由於當玻璃纖維組分小於約25%時出現機械性能變弱之可能性，因此以約25%或大於25%選擇玻璃纖維組分之量。
第一層19可包括墊子或織物之單一捲繞或多個捲繞。包裹物與織物比率可改變。另外，後續層(除了第一層19之外)可適用於拉擠管10。舉例而言，第二層可包裹或捲繞至第一層19之外表面上，且第三層可包裹或捲繞至第二層之外表面上。各額外層可包括單一捲繞或多個捲繞。
圖4為包括第一層19之圖3中所示之拉擠管10的橫截面。另外，圖4包括第二層20，其亦由呈墊子或織物形式(如上文關於第一層19所描述)之玻璃纖維及樹脂構成。藉由使用習知包裹/捲繞裝置及技術將第二層20包裹或捲繞至第一層19之外表面21上。典型的為在固化第一層19之前第二層20包裹或捲繞至第一層19上使得在包裹第二層20至第一層19上之後，進行加熱至足以固化(例如聚合)墊子或織物之高溫，且因此黏合第一及第二層19、20。第二層20之墊子或織物不同於層19之墊子或織物。亦即第二層20具有不同於第一層19之組合物且可展現不同特性或特徵。舉例而言，第一與第二層19、20之間的差異可為以下中之一或多者：纖維組成、樹脂組成、纖維與樹脂之比率及纖維之定向。
在某些具體實例中，如上所提及，一或多個後續層可施加至第二層20。舉例而言，第三層可使用分別用於第一及第二層19及20之上 文所述程序而施加於第二層20之外表面。
圖5展示根據所揭示概念之某些具體實例的拉擠管材料30之視圖。如圖5中所示，複數個纖維23浸漬於樹脂24中。另外，複數個纖維23沿如箭頭所展示之縱向方向定向。
圖6展示根據所揭示概念之某些具體實例的包裹材料40之視圖。如圖6中所示，複數個纖維25浸漬於樹脂26中。另外，複數個纖維25沿如箭頭所展示之徑向方向定向。如圖6中所示，複數個纖維25中之各者及每一者沿徑向方向定向。然而，應理解實際上複數個纖維25可主要沿徑向方向定向，且因此複數個纖維25中之一些可不沿徑向方向定向。
一般而言，已發現拉擠管提供約70%至約80%懸臂強度但僅約15%至約30%徑向(爆裂)強度。
拉擠管以及包裹材料之一或多個層(例如預浸體)可提供超過80,000in-lbs之懸臂強度。爆裂/徑向強度通常藉由通過65kA或大於65kA電學故障電流測試之保護器產品測定，且未必為所陳述或已知的機械要求。在測試期間試圖爆裂產品中產生大量能量。實際上，保護器產品需要通過至少65kA故障電流測試，且較佳地，通過80kA故障電流測試。在某些具體實例中，係基於上面捲繞有玻璃纖維墊子之玻璃纖維含量為至少50%之拉擠管的機械結構(諸如保護器)達成至少70,000in-lbs之懸臂強度，同時亦提供承受在65kA電學故障電流期間所產生能量所要的爆裂強度。
圖7為如圖3中所示之拉擠管10之橫截面。圖7展示如圖3中所示之空心9、內表面11、複數個突出13、外表面15及第一層19。另外，圖7包括形成於第一層19之外表面21(如圖4中所示)上之外殼29。 如上文所描述，應預期且理解超過一個包裹層可施加至拉擠管10(諸如圖4中所示之第二層20)，且因此外殼29形成於最終包裹層之外表面上。外殼29由聚合物(諸如橡膠材料)構成，其包括(但不限於)矽橡膠、乙烯丙烯二烯單體(EPDM)橡膠及其混合物或組合。在所揭示概念之某些具體實例中，外殼29由用聚合物包覆射出成型第一層19而形成。習知射出成形裝置及此項技術中已知的技術適用於所揭示概念。
儘管已詳細地描述所揭示概念之特定具體實例，但熟習此項技術者應瞭解，鑒於本發明之總體教示可對彼等細節做各種修改及替換。因此，所揭示特定配置僅意謂說明性的且不為限制性的以使所揭示概念之範疇被給與隨附申請專利範圍以及其任何及所有等效物之全部範圍。
1‧‧‧經包裹拉擠管
3‧‧‧細長圓筒
5‧‧‧末端接頭
7‧‧‧孔洞

Claims (20)

  1. 一種用於殼體堆疊電學元件的具有空心之保護器膜，其包含：具有延伸至該空心中之複數個突出之拉擠管，該拉擠管包含：複數個纖維；及樹脂，其中將該複數個纖維浸漬於該樹脂中，且該複數個纖維至少主要沿縱向方向定向；將至少一個包裹層施加至該拉擠管之外表面，該至少一個包裹層包含：複數個纖維；及樹脂，其中將該複數個纖維浸漬於該樹脂中以形成墊子或織物，且該複數個纖維至少主要沿徑向方向定向；及施加至該至少一個包裹層之表面的外殼，該外殼包含聚合物。
  2. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該複數個纖維包含玻璃纖維。
  3. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該樹脂選自由以下組成之群：聚酯、聚胺基甲酸酯、乙烯酯、環氧樹脂及其混合物。
  4. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該樹脂為環氧樹脂。
  5. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該聚合物為橡膠材料。
  6. 如申請專利範圍第5項之保護器膜，其中該橡膠材料選自由聚矽氧橡膠組成之群。
  7. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該複數個突出呈半球形形狀。
  8. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中將該拉擠管及該複數個突出 製造成單一零件。
  9. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該至少一個包裹層藉由包裹及固化來施加至該拉擠管之外表面。
  10. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該外殼藉由包覆射出成型來施加至該至少一個包裹層之外表面。
  11. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該至少一個包裹層包含至少一個捲繞。
  12. 如申請專利範圍第11項之保護器膜，其中該至少一個包裹層包含多個捲繞。
  13. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該至少一個包裹層包含多個包裹層。
  14. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該拉擠管之玻璃纖維與樹脂比率高於該至少一個包裹層。
  15. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該拉擠管具有至少70,000in-lbs之懸臂強度。
  16. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中對於該拉擠管，以該拉擠管之總重量計，該等玻璃纖維構成約50重量%至約90重量%，且該樹脂構成約20重量%至約25重量%。
  17. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中對於該至少一個包裹層，以該層之總重量計，該等玻璃纖維構成約25重量%至約60重量%，且該樹脂構成約40重量%。
  18. 如申請專利範圍第1項之保護器膜，其中該膜經結構化以具有承受在 65kA電學故障電流期間所產生之能量的爆裂強度。
  19. 一種製造用於殼體堆疊電學元件的具有空心之保護器膜的方法，其包含：藉由在拉擠成形製程中以具有複數個延伸至該空心中之突出的管狀形狀用玻璃纖維浸漬樹脂而形成拉擠管，該等玻璃纖維至少主要沿縱向方向定向；藉由用玻璃纖維浸漬樹脂以形成墊子或織物而形成至少一個包裹層，該等玻璃纖維至少主要沿徑向方向定向；將該墊子或織物包裹至該拉擠管之外表面上，其中該包裹包含一或多個捲繞；固化；及藉由用聚合物使該至少一個包裹層包覆射出成型而形成外殼。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該至少一個包裹層包含多個包裹層，且該外殼係藉由使最終包裹層包覆射出成型而形成。
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