專利名稱：電絕緣體、材料和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電絕緣體、材料和設(shè)備，例如細長的高壓絕緣體。
絕緣體通常包括在兩個電極之間延伸的絕緣芯體，這兩個電極在操作中保持在顯著不同的電位下，其中的一個可以接地。絕緣芯體可包括管或桿，其例如由陶瓷材料或玻璃纖維增強的塑料制成。通常在配電系統(tǒng)中，絕緣體的一端保持在地電位，而另一端保持在系統(tǒng)電位，它可以為10千伏或更高，例如在英國的配電系統(tǒng)中為375千伏。在高壓下，絕緣體用于將系統(tǒng)與地絕緣，系統(tǒng)的操作電壓越高，為保持絕緣所需的絕緣體就越長。絕緣體電極之間的電應(yīng)力導(dǎo)致了泄漏電流經(jīng)絕緣材料的表面從高壓流到地面，因此就導(dǎo)致了操作系統(tǒng)的恒定功率損耗。
本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的絕緣體。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種獨立式高壓絕緣體，其包括由電絕緣材料制成的細長管或桿，其具有一對縱向間隔開的電極；以及材料層，其包括具有可切換電應(yīng)力控制性能的基體中的變阻粉末的粒狀填料，其中應(yīng)力控制材料在絕緣材料的一部分或基本上全部外表面上延伸，并與各電極電接觸。
用語“獨立式”是指絕緣體可形成純絕緣體，也就是說其中沒有導(dǎo)電體從中穿過，或者是絕緣體可設(shè)置在周圍，支撐本身包含有導(dǎo)電體的電氣設(shè)備，也就是說絕緣體并不形成在此電氣設(shè)備上。
變阻材料最好是無機的，例如陶瓷或金屬氧化物，最好包括氧化鋅。
雖然應(yīng)力控制材料可放置成與絕緣材料直接接觸，然而也可以設(shè)想，應(yīng)力控制材料例如可通過另一層材料與絕緣材料間隔開。另一中間材料層可以是應(yīng)力控制材料，其具有與氧化鋅變阻材料不同的電壓/電流特性，例如線性特性(c＝1，見下述)。
因此可以看出，除了傳統(tǒng)的電絕緣管或桿之外，本發(fā)明的絕緣體還設(shè)有應(yīng)力控制材料的外層，其最好為基體中的粒狀氧化鋅變阻粉末的形式，這種材料具有可切換應(yīng)力控制的特性。這種材料在高壓下操作時沿絕緣體的外表面分布電應(yīng)力。當(dāng)在一個電極上施加例如由雷擊所引起的過高電壓時，材料基本上瞬間切換到導(dǎo)電模式，因此電功率可安全地擴散到地面。材料然后可非?？斓?amicrometresost)立即回復(fù)到其絕緣模式。
這種非線性材料遵守歐姆定律的一個推廣形式I＝kVc，其中c為大于1的常數(shù)，其值取決于所用的材料。
這種應(yīng)力控制特性不僅在其交流電阻抗的差異性方面是非線性，而且還表現(xiàn)出切換特性，即施加在材料上的電壓與從中流過的電流之間的關(guān)系曲線存在著突變，因此，根據(jù)特定的材料，在預(yù)定的電應(yīng)力之下，應(yīng)力控制材料具有可基本上防止任何電流流動的絕緣性能，然而在超過此電應(yīng)力時，材料的阻抗在非常短的時間內(nèi)基本上下降到零，因而在一個端子上的觸發(fā)高壓可傳導(dǎo)到通常處于地電位的另一端子上。
本發(fā)明的絕緣體尤其適于形成純絕緣體，無論它是拉伸、懸掛、懸伸、壓縮或扭轉(zhuǎn)的電絕緣體。然而，電絕緣材料為管形式的絕緣體還適于放置在電氣設(shè)備的周圍，例如高壓電纜的終端、套管、開關(guān)或斷路器的周圍。這種電氣設(shè)備會因外表面污染、尤其是與會導(dǎo)致干帶(dry band)形成的潮濕相結(jié)合而易產(chǎn)生飛弧，潮濕也會導(dǎo)致飛弧、漏電痕跡和腐蝕，它們在嚴重的情況下會毀壞絕緣材料并使絕緣功能失效。打火還會產(chǎn)生電磁干擾。而且，由電纜終端內(nèi)的電應(yīng)力以及干帶上的電壓應(yīng)力所產(chǎn)生的沿電纜終端的外絕緣面的高場應(yīng)力會產(chǎn)生飛弧。傳統(tǒng)上說，這種飛弧可通過增加絕緣體的長度和/或絕緣材料的厚度來減小，然而這樣做會帶來增大裝置的整體物理尺寸的不合需要的效果。然而，根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)用到絕緣體外側(cè)的應(yīng)力控制材料限制了絕緣表面上的電場強度，此表面可以是絕緣材料和空氣之間的過渡。
在應(yīng)用到高壓電纜終端上時，絕緣體可設(shè)置在作為高應(yīng)力區(qū)的電纜的缺乏導(dǎo)電屏蔽處的周圍。切換變阻材料的應(yīng)用允許實現(xiàn)更小直徑的結(jié)構(gòu)，同時保持絕緣體軸向上的所需電場強度。
變阻即電應(yīng)力分級材料可設(shè)置在下方絕緣材料的整個長度或只是一部分長度上。在后一種情況下，應(yīng)力控制材料可位于靠近電極的較高電場強度的區(qū)域中，并沿絕緣部分從中延伸出。
此外，通過交錯地設(shè)置應(yīng)力控制材料帶與暴露出的下方絕緣材料帶，就可以實現(xiàn)電容應(yīng)力的分級效應(yīng)。
預(yù)計根據(jù)本發(fā)明的絕緣體會經(jīng)受較小的電活動、電暈放電、電弧放電和材料性能下降，并具有比傳統(tǒng)絕緣體更好的防飛弧性，在高度潮濕和/或污染的外界條件下尤其如此。
本發(fā)明所用的應(yīng)力控制層可包括絕緣體的最外層?；蛘?，應(yīng)力控制材料自身可密封于外層內(nèi)，此外層可為絕緣體提供電保護和/或環(huán)境保護。
假設(shè)襯底、即絕緣材料具有足夠低的熱容量和足夠高的導(dǎo)熱率，那么它將從變阻材料中相對較快地傳出熱量，因此可以不需要外保護套。關(guān)于這一點，陶瓷如瓷料襯底是合適的。然而，如果下方絕緣材料例如為硅氧烷聚合材料，那么在惡劣的環(huán)境條件如潮濕條件下，泄漏電流量高得足以使變阻層性能惡化，因而在絕緣體上需要保護性外套。
絕緣體的最外部件最好設(shè)有一個或多個裙邊，也就是其基本上為盤形的結(jié)構(gòu)，可將濕氣和水以及其它污染物從絕緣體表面上引出，以便中斷它們從一個電極到另一電極的連續(xù)流動，因而避免了短路。
最好，應(yīng)力控制材料層的填料顆粒在800℃到1400℃之間的溫度下煅燒并隨后崩碎，使得基本上所有顆粒保持其原始的、最好是大致球形的形狀。
煅燒工藝被認為會使單個顆粒有效地顯示出“變阻效應(yīng)”。這就是說，粒狀材料不僅在其交流電阻抗特性(施加于材料上的交流電壓和從中流過的合成電流之間的關(guān)系)方面是非線性的，而且還具有切換特性，即電壓與電流的關(guān)系曲線存在著突變，它可由當(dāng)電場增加小于5千伏/厘米(在電場范圍在5千伏/厘米到50千伏/厘米、最好在10千伏/厘米到25千伏/厘米之間的一些區(qū)域內(nèi)，這是在材料用于電力電纜終端時的典型操作范圍)時材料的比阻抗降低了至少十分之九來量化。最好，轉(zhuǎn)變使得當(dāng)電場在10到20千伏/厘米之間的范圍內(nèi)增加小于2千伏/厘米時產(chǎn)生了指定的降低。非線性發(fā)生于材料阻抗及其體積電阻率中。填料顆粒的非線性在切換點的各側(cè)可以不同。同樣重要的是，在切換點材料僅為顯著地改變其非線性，并不會隨電應(yīng)力的增大而產(chǎn)生電擊穿或飛弧。對于任何給定成分來說，顆粒尺寸越小，在切換點之上發(fā)生擊穿的可能性就越小。
最好，至少65％重量的填料由氧化鋅組成。
最好，超過50％重量的填料顆粒具有處于5到100微米之間的最大尺寸，使得材料具有非線性的電性能，這樣，當(dāng)電場范圍在5千伏/厘米到50千伏/厘米內(nèi)的區(qū)域中電場增加小于5千伏/厘米時，其比阻抗降低了至少十分之九。
最好，填料占應(yīng)力控制材料層的5％到60％體積，較理想為10％到40％體積，最好是30％到33％體積。
在實踐中，粒狀填料可包括至少65％重量、最好70到75％重量的氧化鋅。其余材料即摻雜劑例如可包括下述中的一些或全部Bi2O3、Cr2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO3、Al2O3、CoO、Co3O4、MnO、MnO2、SiO2，以及微量的鉛、鐵、硼和鋁，這是摻雜氧化鋅變阻材料的領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所公知的。
聚合物基體可包括彈性體材料，例如硅氧烷或EPDM；熱塑性聚合物，例如聚乙烯或聚丙烯；粘合劑，例如基于乙烯乙酸乙烯酯的那些粘合劑；熱塑性彈性體；觸變漆；凝膠，熱固性材料，例如環(huán)氧樹脂或聚氨酯樹脂；或者是包括共聚物的這種材料的組合物，例如聚異丁烯和無定形聚丙烯的組合。
應(yīng)力控制材料可以釉料或涂料的形式來提供，其例如可涂覆到陶瓷絕緣體或其它絕緣襯底上。這種應(yīng)力控制釉料或涂料以及涂覆有這種釉料或涂料的所有類型(獨立或非獨立式)的電氣制品或設(shè)備屬于本發(fā)明的另一個方面。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，這里公開的優(yōu)選為氧化鋅的顆粒材料在其焙燒、或最好是未焙燒的狀態(tài)下混合到漿狀物中，然后進行焙燒以形成釉料。
漿狀物例如可包括粘土，其在焙燒時可產(chǎn)生瓷料或其它陶瓷?；蛘?，其中沉積了顆粒的基體可以是無機的，例如為聚合物、粘合劑、膠粘劑或凝膠。
可以理解，在本發(fā)明的這些形式中，如果顆粒材料先前未具備或未充分地具備所需特性，那么可采用焙燒漿狀物、釉料或涂料的步驟來使應(yīng)力控制材料具有所需的變阻切換特性。
應(yīng)力控制材料的所有組分可包括用于這些材料的其它眾所周知的添加劑，例如用于提高它們的可加工性和/或適于特定應(yīng)用的性能的添加劑。例如，在后一種情況下，用作電力電纜附件的材料需要能承受室外環(huán)境條件。因此，適當(dāng)?shù)奶砑觿┛砂庸ぶ鷦?、穩(wěn)定劑、抗氧化劑和增塑劑，例如油。
在本發(fā)明的絕緣體中的絕緣材料外表面上存在有變阻材料，使得在形成了干帶時泄漏電流流經(jīng)材料的體積而不是材料表面，因此就避免了漏電痕跡的問題。此外，這種應(yīng)力分級材料還允許絕緣體制成更小的壁厚和更小的直徑，這樣與傳統(tǒng)絕緣體相比具有更優(yōu)良的電性能。因此，通過本發(fā)明的絕緣體，在相對較低的電壓下，泄漏電流由于變阻材料的較低阻抗而沿其外表面相對無損傷地流過。如果電壓增大到某一值之上，變阻材料就將切換到其高阻狀態(tài)，泄漏電流就將流經(jīng)材料的主體，不會在其外表面上形成損壞性的碳痕跡。
應(yīng)力控制材料可通過擠壓、模制或以單獨部件的形式應(yīng)用到絕緣材料上。在上面提及的絕緣體的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力控制材料最好為管形，并且在基體包括聚合物時，應(yīng)力控制材料應(yīng)可復(fù)原的，最好是可熱復(fù)原的。當(dāng)絕緣體的外表面為裙邊式結(jié)構(gòu)時，裙邊可以與之形成一體，或是單獨地施加。
國際專利申請WO 97/26693公開了一種用作電應(yīng)力控制層的組合物，此組合物適用于本發(fā)明的絕緣體的應(yīng)力控制層。此公布的專利申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。
下面將以示例的形式通過參考附圖來介紹根據(jù)本發(fā)明的絕緣體的兩個實施例，在附圖中

圖1顯示了第一實施例的垂直剖面，其中中空管形絕緣體的應(yīng)力控制層密封于外保護層內(nèi)；圖2顯示了第二實施例，其中應(yīng)力控制材料與實心絕緣體的外保護層形成一體；圖3是煅燒的摻雜氧化鋅填料的典型顆粒尺寸分布的曲線圖；和圖4是不同顆粒尺寸的填料粉末的阻抗的曲線圖。
參見圖1，絕緣體2包括陶瓷材料的圓柱管形芯體4，其具有安裝于其各端部處的黃銅電極6。在電極6之間的絕緣芯體4的整個外表面上模制有摻雜氧化鋅的變阻材料層8?？赏扛部蛇x擇的外保護層10以覆蓋住應(yīng)力控制層8的整個外表面。保護層10設(shè)有多個大致圓形的裙邊12，其從絕緣體2上徑向伸出。芯體4也可以是實心體。
參見圖2，絕緣體22包括在一對端電極26之間延伸的內(nèi)圓柱形芯體24，其由纖維增強的環(huán)氧樹脂制成。然而在此實施例中，在芯體24上模制了一個裙邊式外部件28。部件28由可執(zhí)行控制絕緣體24的外表面上的應(yīng)力以及為其提供外部環(huán)境保護功能的材料制成。實心芯體24也可以是中空的管形結(jié)構(gòu)。
形成了第一實施例中的層8(圖1)中并包括在第二實施例中的層28(圖2)內(nèi)的摻雜氧化鋅的應(yīng)力控制材料是硅氧烷彈性體和摻雜氧化鋅的粒狀填料的基體。摻雜氧化鋅包括大約70到75％重量的氧化鋅和約10％重量的Bi2O3+Cr2O3+Sb2O3+Co2O3十MnO3。
粉末在約1100℃的溫度下在窯爐中煅燒，然后與聚合物基體的丸狀物混合，并送到擠壓機中以生產(chǎn)出最終所需的形式。煅燒填料占整個組合物的約30％體積，組合物包括填料和聚合物基體。
在圖3中顯示了在經(jīng)過了125微米的篩網(wǎng)之后的適當(dāng)粉末的相對數(shù)量的煅燒摻雜氧化鋅顆粒的典型顆粒尺寸分布，從中可以看出，在約40微米的顆粒尺寸處存在著尖峰，大部分顆粒處于20到6微米之間。
在圖4中顯示了三種顆粒尺寸范圍內(nèi)的煅燒摻雜氧化鋅顆粒的切換特性，顯示了作為電場強度(在50赫茲下)的函數(shù)的非線性比阻抗的突變。曲線I涉及小于25微米的顆粒尺寸，曲線II涉及25微米到32微米的顆粒尺寸，曲線III涉及75微米到125微米的顆粒尺寸?？梢钥闯觯?dāng)顆粒尺寸降低時，切換點發(fā)生在較高的電場強度下。
可以設(shè)想，與芯體4，24相對應(yīng)的內(nèi)絕緣件可以為管形，使得絕緣體2，22例如可以安裝在高壓電纜的終端上，從而提供對沿其外表面的飛弧的防護。在此實施例中，還可以構(gòu)思出電纜終端自身可以是可控制應(yīng)力的，在缺乏電纜屏蔽處尤其如此，這與傳統(tǒng)上所做的相同。
權(quán)利要求
1.一種獨立式高壓絕緣體，包括由電絕緣材料制成的細長管或桿，其具有一對縱向間隔開的電極；以及材料層，其包括具有可切換電應(yīng)力控制性能的基體中的變阻粉末的粒狀填料，其中，所述應(yīng)力控制材料在所述絕緣材料的一部分或基本上全部外表面上延伸，至少一些所述應(yīng)力控制材料與各所述電極電接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體，其特征在于，所述應(yīng)力控制材料處于各所述電極附近的兩個分開的區(qū)域內(nèi)并與各所述電極電接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的絕緣體，其特征在于，所述應(yīng)力控制材料包括無機材料，最好為氧化鋅。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的絕緣體，其特征在于，所述應(yīng)力控制材料層密封于外層內(nèi)，所述外層可為其提供電保護和/或環(huán)境保護。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的絕緣體，其特征在于，所述應(yīng)力控制材料層或所述外保護層具有裙邊式外部結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的絕緣體，其特征在于，(i)所述應(yīng)力控制材料層的填料顆粒在800℃到1400℃之間的溫度下煅燒并隨后崩碎，使得基本上所有所述顆粒保持其原始形狀，(ii)至少65％重量的填料由氧化鋅組成，(iii)超過50％重量的所述填料顆粒具有處于5到100微米之間的最大尺寸，使得所述材料具有非線性的電性能，這樣，當(dāng)電場范圍在5千伏/厘米到50千伏/厘米內(nèi)的區(qū)域中電場增加小于5千伏/厘米時，所述材料的比阻抗降低了至少十分之九，和(iv)所述填料占所述應(yīng)力控制材料層的5％到60％體積。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的絕緣體，其特征在于，所述填料的所有顆粒具有小于125微米、最好是小于100微米的最大尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的絕緣體，其特征在于，不超過15％重量的所述填料顆粒具有小于15微米的最大尺寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求6到8中任一項所述的絕緣體，其特征在于，所述填料顆粒在約950℃到1250℃之間的溫度、最好在約1100℃的溫度下進行煅燒。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到9中任一項所述的絕緣體，其特征在于，至少70％重量的所述填料由氧化鋅組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求6到10中任一項所述的絕緣體，其特征在于，超過50％重量的所述填料顆粒具有在25到75微米之間的最大尺寸。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的絕緣體，其特征在于，所述填料占所述應(yīng)力控制材料層的10％到40％體積，最好是30％到33％體積。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的絕緣體，其特征在于，所述應(yīng)力控制層的基體包括聚合物材料、樹脂、觸變漆或凝膠。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的絕緣體，其特征在于，所述聚合物材料包括聚乙烯、硅氧烷或EPDM。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的絕緣體，其特征在于，所述應(yīng)力控制材料層最好通過擠壓、模制或復(fù)原而直接施加到所述絕緣材料層上。
16.一種高壓套管、開關(guān)或斷路器，包括根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的絕緣體。
17.一種在其一端具有應(yīng)力控制終端的高壓電纜，其密封在根據(jù)權(quán)利要求1到15中任一項所述的絕緣體中。
18.一種電應(yīng)力控制材料，包括漿狀物、釉料或涂料，其中散布了能夠提供應(yīng)力分級特性的顆粒。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電應(yīng)力控制材料，其特征在于，所述漿狀物、釉料或涂料經(jīng)過了焙燒以得到具有電應(yīng)力控制切換特性的材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的電應(yīng)力控制材料，其特征在于，所述顆粒在引入到所述漿狀物、釉料或涂料中之前未被焙燒。
21.根據(jù)權(quán)利要求18或20中任一項所述的電應(yīng)力控制材料，其特征在于，所述粒狀材料包括根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鋅填料顆粒。
22.根據(jù)權(quán)利要求18到21中任一項所述的電應(yīng)力控制材料，其特征在于，所述漿狀物形成了陶瓷材料，最好是瓷料。
23.根據(jù)權(quán)利要求18到21中任一項所述的電應(yīng)力控制材料，其特征在于，所述漿狀物包括無機基體。
24.一種電絕緣體或其它電氣制品或設(shè)備，其中應(yīng)用了根據(jù)權(quán)利要求18到23中任一項所述的電應(yīng)力控制材料。
25.一種電絕緣體、裙邊或其它電氣制品或設(shè)備，其具有罩殼(漿狀物、釉料或涂料的擠出層)，所述罩殼由填充有根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鋅顆粒的聚合物或其它組合物制成。
全文摘要
一種細長的高壓絕緣體(2)，其由絕緣材料的桿或管(4)形成，并具有一對縱向間隔開的電極(6)。在絕緣材料(4)的至少一部分、最好是全部外表面上覆蓋了一層材料(8)，其包括具有切換電應(yīng)力控制性能的基體中的變阻粉末的粒狀填料，此材料層與各電極(6)電接觸。絕緣體芯體(4)可由瓷料制成，應(yīng)力控制材料(8)可包括氧化鋅。
文檔編號H01B7/00GK1491421SQ0280465
公開日2004年4月21日 申請日期2002年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月9日
發(fā)明者B·貝特歇爾, R·利茨克, G·馬林, R·P·格勒姆波基, M·H·斯帕爾丁, B 貝特歇爾, 斯帕爾丁, 格勒姆波基, 目 申請人:泰科電子雷伊化學(xué)有限責(zé)任公司