專利名稱：電絕緣材料、包括電絕緣材料的電氣設(shè)備和變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電氣設(shè)備的電絕緣材料、一種包括電絕緣材料的電氣設(shè)備和
一種變壓器。
背景技術(shù)：
在高壓裝置如高壓變壓器中，絕緣系統(tǒng)包括浸漬有絕緣液體的基于纖維的絕緣體 是普遍的，例如在油或者其它電介質(zhì)液體中浸透的基于纖維素的絕緣體或者具有低的或者 實(shí)質(zhì)上閉合的多孔性的基于如聚乙烯的熱塑聚合物的絕緣體?；诶w維素的壓制板絕緣屏障通常使用于由油填充的高壓(HV)變壓器的設(shè)計(jì) 中。屏障的目的在于防止預(yù)擊穿事件，比如PD (部分放電)和放電，這些事件可能在表面上 出現(xiàn)并且沿著絕緣體傳播(所謂流注(streamer))以發(fā)展成絕緣系統(tǒng)的擊穿。通常，壓制 板屏障被設(shè)計(jì)成厚到足以防止沖擊流注擊穿屏障。然而，未擊穿屏障的流注可能沿著它的 表面?zhèn)鞑?。流注可以按不同速度傳播，作為慢速模式的流?2-3km/s)或者快速事件(大 于lOkm/s、高達(dá)數(shù)百km/s)。對于典型變壓器設(shè)計(jì)，沿著表面的快速傳播的流注比慢速傳播 的流注風(fēng)險(xiǎn)大得多。有關(guān)于此的一個(gè)示例是如果變壓器暴露于高壓雷擊。由于該脈沖持續(xù) 時(shí)間短(為50 μ s數(shù)量級(jí))，所以傳播的速度強(qiáng)烈地影響全擊穿的可能性。另外，如附圖1 (摘自下文給出的Limdgaard等人的論文)中所見，已知與在純油 中發(fā)生的情形相比，快速事件針對更低電壓沿著壓制板表面出現(xiàn)。在本圖中可見針對油+ 壓制板這一組合快速事件在約250kV出現(xiàn)，而僅有油的快速事件直至約350kV才出現(xiàn)。快 速事件在油+壓制板中的速度也高得多。一種可能的解釋可以是流注頂端中的電荷的鏡 像電荷出現(xiàn)在壓制板中。來自鏡像電荷的力Fas隨著流注被迫朝著壓制板的表面向下而 修改流注形狀，從而在流注頂端造成增強(qiáng)的場，這可以有助于向快速事件轉(zhuǎn)變。參見附圖 2(摘自下文給出的 Lundgaard 等人的論文)。在 Lundgaard、Linhjel 1、Berg、Sigmond 在 IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulationl998 年 6 月第 5 卷第 3 期的"Propagation of Positive and NegativeStreamers in Oil with and without Pressboard Interfacees“中描:了一根據(jù)上文清楚將希望發(fā)現(xiàn)用于抑制快速事件沿著壓制板表面開始的手段。作為說明流注如何在油中傳播的附加文獻(xiàn)，特此引用Francis 0' Sullivan 于2007年5月在美國麻省理工學(xué)院的博士論文〃 A Model for the Initiation and Propagation of Electrical Streamers in Transformer Oil and Transformer Oil Based Nanofluids"。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適合于在電氣設(shè)備中使用的電絕緣材料，該電氣設(shè)備 包括一個(gè)或者多個(gè)電導(dǎo)體和布置于導(dǎo)體周圍或者多個(gè)導(dǎo)體之間的電絕緣材料，并且該絕緣 材料浸漬有電介質(zhì)絕緣液體，并且該材料具有抑制快速事件開始的能力。具體而言，本發(fā)明的目的在于提供一種其中減少流注和快速事件的出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的高壓變壓器。本發(fā)明的目的借助如專利權(quán)利要求1所限定的一種電絕緣材料、如權(quán)利要求9所 限定的一種電氣設(shè)備和如權(quán)利要求11所限定的一種變壓器來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地如權(quán)利要求1所限定的，一種用于電氣設(shè)備的電絕緣材料，該電氣設(shè)備包 括一個(gè)或者多個(gè)電導(dǎo)體和布置于導(dǎo)體周圍或者多個(gè)導(dǎo)體之間的電絕緣材料，并且該絕緣材 料浸漬有電介質(zhì)絕緣液體，其特征在于電絕緣材料包括具有表面層的主層，該表面層具有 比主層的介電常數(shù)更低的介電常數(shù)通過用介電常數(shù)比主層的介電常數(shù)更低的材料層涂敷主層，在它與電介質(zhì)絕緣液 體接觸時(shí)所在表面的介電常數(shù)的更低值將減少鏡像力，并且它應(yīng)當(dāng)因此抑制向快速事件的 轉(zhuǎn)變。這一類分層材料例如在變壓器的壓制板屏障中將抑制沿著表面的流注傳播而不明顯 改變良好的擊穿阻止性質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，表面層的介電常數(shù)在主層的介電常數(shù)以下至少0. 3。應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)提及絕緣材料的介電常數(shù)時(shí)將意味著電氣設(shè)備中的浸漬絕緣材料的 介電常數(shù)。某一材料的介電常數(shù)受它浸漬有的并且在設(shè)備中使用的電介質(zhì)液體類型影響。 一種常見類型的電介質(zhì)絕緣液體為介電常數(shù)(O約為2. 2的礦物油。其它可能的絕緣液 體為酯(ε為3.0數(shù)量級(jí))、硅油等。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，表面層具有至少ΙΟμπι的厚度。表面層的厚度應(yīng)當(dāng)優(yōu)選 地至少為與典型流注直徑相同的尺寸。在多種情況下這將意味著10-40 μ m或者20-40 μ m 的厚度。需要更厚的表面層以保證抵抗可能影響表面的偶然放電以及一般磨損和撕裂的穩(wěn) 健性。例如在絕緣材料在繞組之間或者在繞組與接地之間(比如在變壓器中)用作 絕緣屏障的應(yīng)用中，整個(gè)絕緣屏障的厚度可以范圍為1-3毫米。適當(dāng)表面層然后將具有 10-1000 μ m 的厚度。作為另一示例可以描述在變壓器的如下區(qū)域中的塔式絕緣體，變壓器套管在該區(qū) 域連接到變壓器。在這樣的應(yīng)用中，絕緣屏障構(gòu)建為圓柱體，該圓柱體在交替層中具有高密 度壓制板和波浪形壓制板直至總絕緣厚度的范圍從幾個(gè)分米上至一米、有時(shí)甚至更大。表 面層的適當(dāng)厚度范圍然后將為10-5000 μ m。當(dāng)考慮不同應(yīng)用的可能性并且也考慮實(shí)現(xiàn)表面 層的實(shí)用方面時(shí)，40-5000 μ m或者10-5000 μ m的一般厚度范圍是合理選擇。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，主層包括從以下材料中選擇的材料-基于纖維素的材料-聚合材料-由環(huán)氧樹脂浸漬的材料-橡膠材料?；诶w維素的材料的示例為高密度壓制板。聚合材料的示例為諾梅克斯(基于纖 維的聚合材料)，而環(huán)氧材料的示例為纖維玻璃加固環(huán)氧。當(dāng)選擇主材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮將要 使用的電介質(zhì)絕緣液體類型以及與表面材料的組合。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，表面層包括從以下材料中選擇的材料-基于纖維素的材料-聚合材料
-由環(huán)氧樹脂浸漬的材料-橡膠材料。基于纖維素的材料的示例是低密度壓制板、波浪形壓制板、牛皮紙、縐紙。關(guān)于用于表面層的聚合材料，它可以選自于PE-聚乙烯、PP聚乙烯、PS聚苯乙烯、 氟化聚合物。可能的氟化聚合物的示例為PTFE-聚四氟乙烯、PEP氟化乙烯丙烯、PEA全氟 乙火布ο根據(jù)本發(fā)明還限定一種電氣設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)或者多個(gè)電導(dǎo)體和布置于一個(gè) 導(dǎo)體周圍或者多個(gè)導(dǎo)體之間的電絕緣材料，并且該絕緣材料浸漬有電絕緣液體，其特征在 于它包括如限定電絕緣材料的任一權(quán)利要求所述的電絕緣材料。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施例，電氣設(shè)備為高壓電氣裝置。本發(fā)明也涉及一種變壓器，其特征在于根據(jù)與電絕緣材料有關(guān)的任一權(quán)利要求所 述的電絕緣材料在電應(yīng)力高的區(qū)域之間用作絕緣屏障。電應(yīng)力高通常意味著在105V/m以 上。


現(xiàn)在將參照以下附圖更具體描述本發(fā)明，其中圖1圖示了在有和無d = IOcm的壓制板表面時(shí)在過電壓處的平均擊穿速度，圖2圖示了流注沿著固體表面如壓制板P的傳播；上圖示出了如在Limdgaard等 人的引用文獻(xiàn)中說明的用于流注的模型，而下圖示出了在壓制板表面上觀測的實(shí)際軌道， 并且圖3示出了僅作為示例給出的形式為壓制板的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式作為示例現(xiàn)在將描述適合于高壓變壓器的壓制板屏障這一形式的本發(fā)明的實(shí)施 例。圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的電絕緣材料1的示例。在這一實(shí)施例中，絕緣材料是適 合于在以礦物油作為絕緣液體的高壓變壓器中使用的壓制板屏障。絕緣材料包括由高密度 壓制板制成的主層2。通常，在浸漬之前的密度可以在1.0-1. 5g/cm3之間。介電常數(shù)對于 浸漬有絕緣液體如礦物油的高密度壓制板而言通常為ε = 4. 0-4. 5、甚至4. 1-4. 3。壓制板屏障中的絕緣材料的表面層3由典型密度為0.5-1. Og/cm3的低密度壓 制板制成。這一表面層的介電常數(shù)比對于主層而言更低、通常在區(qū)間ε =2. 1-4.0、甚至 2. 1-3.0中。礦物油中的低密度壓制板的典型介電常數(shù)約為3.0。作為一種替代，如果使用 縐紙，則介電常數(shù)將約為2. 8，而如果使用牛皮紙，則介電常數(shù)將為3. 4-3. 7。表面層的厚度應(yīng)當(dāng)至少有范圍為10-1000 μ m的與預(yù)計(jì)的流注相同的厚度。在本 情況下，更可能為10-40 μ m或者20-40 μ m。假如獲得厚度充分的層，則通過涂覆工藝、將兩個(gè)壓制板層粘在一起或者以任何 其它適當(dāng)方法來生產(chǎn)表面層。無需層為不同分離層，只要有所需低介電常數(shù)的充分厚的表 面層。如上文提到的那樣，這一類分層材料將抑制沿著表面的流注傳播而不明顯改變良
5好的擊穿阻止性質(zhì)。在上文引用的Limdgaard等人的論文中用如下電極進(jìn)行測試，其中電 極之間的間隙范圍僅為100mm。如圖2中可見，平均擊穿電壓Vb然后將在比對于快速事件 而言低得多的電壓出現(xiàn)。這將表明擊穿電壓將是主要考慮。然而，本發(fā)明的一個(gè)發(fā)明方面 在于當(dāng)與Limdgaard進(jìn)行的測試比較時(shí)必須實(shí)現(xiàn)變壓器在高壓導(dǎo)體與接地部分之間具有 長得多的距離。當(dāng)將這些測試的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于變壓器技術(shù)時(shí)，可以預(yù)計(jì)擊穿電壓將比對于小 規(guī)模測試明顯更高。甚至預(yù)計(jì)擊穿電壓在快速事件出現(xiàn)時(shí)更高。因而應(yīng)當(dāng)減少本發(fā)明的絕 緣屏障系統(tǒng)的擊穿和擊穿風(fēng)險(xiǎn)。 本發(fā)明不限于僅作為示例給出的所述實(shí)施例而是可以在所附專利權(quán)利要求書中 限定的范圍內(nèi)由本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種方式加以修改。例如，本發(fā)明也可應(yīng)用于線纜、發(fā)電 機(jī)、電容器或者HV套管。
權(quán)利要求
一種用于電氣設(shè)備的電絕緣材料(1)，所述電氣設(shè)備包括一個(gè)或者多個(gè)電導(dǎo)體和布置于所述導(dǎo)體周圍或者所述多個(gè)導(dǎo)體之間的電絕緣材料，并且所述電絕緣材料浸漬有電介質(zhì)絕緣液體，其特征在于所述電絕緣材料包括具有表面層(3)的主層(2)，所述表面層具有比所述主層的介電常數(shù)更低的介電常數(shù)，并且所述主層(2)包括從以下材料中選擇的材料 高密度壓制板 聚合材料 由環(huán)氧樹脂浸漬的材料 橡膠材料。
2.一種電氣設(shè)備，包括一個(gè)或者多個(gè)電導(dǎo)體和布置于所述導(dǎo)體周圍或者所述多個(gè)導(dǎo)體 之間的電絕緣材料，并且所述電絕緣材料浸漬有電介質(zhì)絕緣液體，其特征在于所述電氣設(shè) 備包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的電絕緣材料(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣設(shè)備，其特征在于所述電氣設(shè)備為高壓電氣裝置。
4.一種變壓器，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求1所述的電絕緣材料(1)在電應(yīng)力高的區(qū)域 中用作絕緣屏障。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明限定一種用于電氣設(shè)備的電絕緣材料(1)，該電氣設(shè)備包括一個(gè)或者多個(gè)電導(dǎo)體和布置于導(dǎo)體周圍或者多個(gè)導(dǎo)體之間的電絕緣材料，并且該絕緣材料浸漬有電介質(zhì)絕緣液體。電絕緣材料包括具有表面層(3)的主層(2)，該表面層具有比主層的介電常數(shù)更低的介電常數(shù)。
文檔編號(hào)H01B3/52GK101911212SQ200880122954
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者A·賈特斯, L·A·佩特爾森, O·赫喬特斯坦, 劉榮生 申請人:Abb研究有限公司