电气绝缘设备和具有该电气绝缘设备的电气设备

摘要

一种电气绝缘设备包括：腔室(5，18)；以及电气绝缘单元(4)，由在所述腔室(5，18)内固化成弹性状态的铸型聚合物形成。电气绝缘单元(4)包括导热率比所述聚合物的导热率更高的多个陶瓷颗粒。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电气绝缘设备，该设备包括：腔室；以及电气绝缘单元，由在所述腔室内固化成弹性状态的铸型聚合物形成。

本发明也涉及一种包括根据本发明的电气绝缘设备的用于中压或者高压输电的电气设备。

在本文中，中压或者高压是指等于或者高于约1kV的电压。

措辞“弹性”可以是指如下能力：由于外部影响出现而经历明显形状改变并且在所述外部影响消除或者消失时随后回到原有形状而无任何永久余留变形。在本文中应当注意，优选地，所述聚合物的弹性模数低于(优选地明显低于)电气绝缘单元在使用所述绝缘设备期间可以与之接触的相邻单元的弹性模数。因而，电气绝缘单元适合于在它的使用期间由于相邻单元的形状或者体积改变而弹性变形，而且优选地一般不影响所述相邻单元的形状或者体积，并且由此不允许这样的形状和体积改变。

所述绝缘单元的聚合物限定为“铸型聚合物”，这表明已经在液态下将它引入所述腔室中，以便能够良好地填充腔室，特别是在腔室具有复杂几何形状的那些情况下，或者在腔室容纳如下单元的情况下，这些单元具有复杂形状并且绝缘单元将持续地附着到这些单元或者在后续操作具有所述绝缘设备的电气设备时将持续接触这些单元。

优选地，根据本发明的电气设备可以包括以下组中的任何设备，该组包括：断路器、绝缘式开关设备、配电变压器、仪用变压器、避雷器、线缆端接装置、极头(pole head)、套管、绝缘子等中选择的任何设备。具体而言，这样的电气设备形成中压或者高压配电系统的各部分。

背景技术

在诸如断路器、绝缘式开关设备、配电变压器、仪用变压器、避雷器、线缆端接装置、极头、套管、绝缘子等一些电气设备中，可以提供填充有油或者电气绝缘气体作为电气绝缘手段的一个或者多个体积或者腔室。油具有的优点在于它是充分电气绝缘体并且也能够传递来自发热单元(如此类设备中的电压输送单元)的热。由于油存在于液态下，所以它具有的优点在于能够借助对流来传热。然而，使用液体绝缘如油可能引起泄漏问题，并且因而引起操作扰乱或者甚至严重击穿问题。从环境观点来看，油也是所不希望的。

当使用绝缘气体如SF6作为绝缘介质时也可能有泄漏，这些泄漏又可能导致对于在中压和高压系统中传输电流而言重要的设备的操作扰乱或者甚至击穿。

因而，为了弥补现有技术的弊端，近期研究着重于开发其中油或者气体由固体绝缘单元取代的干式绝缘。这样的固体绝缘单元可以包括聚合物，如聚亚安酯或者基于硅酮的聚合物，并且根据具体应用可以作为泡沫、凝胶或者甚至橡胶而存在。聚合物应当有可能铸型于它在操作时将容纳于其中的腔室或者体积中，以便能够持续地接触或者附着到周围单元，同时在它本身与任何这样的其他单元之间未留下空气或者其它气体的气袋。然而，用于形成这样的绝缘单元的许多聚合物的一个弊端在于它们相对低的导热率，尤其是在结合以下事实时更是如此：这样的固体绝缘单元不同于油这样的液体，将不能通过对流传热。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种如开篇限定的电气绝缘设备，该设备提供与现有技术的对应解决方案相比有所提高的导热率。

本发明的目的借助开篇限定的电气绝缘设备来实现，该设备的特征在于，所述单元包括导热率比所述聚合物的导热率更高的多个陶瓷颗粒。

这里，“颗粒”是指如下本体或者单元，这些本体或者单元的尺寸和形状使得它们可以在其铸型之前容易地分布于所述聚合物中而不影响这样的混合物的粘度致使铸型变得不适当(例如导致绝缘单元与相邻单元之间的不连续接触)。另外，颗粒应当为这样的种类使得它们在聚合物固化期间不沉淀而是保持细微地分布于聚合物的基质中。因而，这样的颗粒可以是空心、固体、细长、球形、立方形或者用于具体目的的任何其它适当形状。它们应当具有这样的表面性质和形状以使得它们将在其固化之后持续地附着到周围聚合物基质而在它们本身与周围基质之间未留下空隙或者气袋。在原理上，它们应当包含这样的材料使得它们未造成所述绝缘单元的电气绝缘能力下降。

根据一个优选实施例，所述颗粒存在的量使得所述单元的总导热率增加至少10％，优选地至少50％，并且最优选至少100％。

优选地，所述陶瓷具有比所述聚合物的导热率明显更高的导热率，优选地是10 000倍或者更高的量级。高导热率将减少对于绝缘单元的导热率的某一提高所需的颗粒量。由此，在铸型之前与所述颗粒混合的聚合物的粘度将更少地受所述颗粒的影响，并且假如陶瓷的估价(prize)高于聚合物的估价，则总生产成本将降低。为了补偿所述颗粒的粘度增加这一效果，可以向在所述聚合物固化时将形成所述电气绝缘单元的混合物添加减少粘度的制剂，比如硅油。这样的制剂也可以改进所述颗粒的分布，由此事实上也提高所述单元的导热率。陶瓷颗粒可以具有小片形状并且可以具有1-100μm的平均直径。它们可以独立于它们的具体形状但优选地作为所述小片来形成平均直径的范围为10-700μm并且呈现或多或少不规则三维形状的凝聚物，该颗粒尺寸通过光扩散技术(比如MalvernMastersized颗粒尺寸分析器)来测量。

根据本发明的更多实施例，陶瓷颗粒的体积比为至少5％的体积，优选地至少7％的体积，并且最优选地至少9％的体积。从约5％的体积的陶瓷颗粒，已经观测到合理高的材料导热率。导热率然后随着所述陶瓷颗粒的含量增加而增加。

根据更多实施例，陶瓷颗粒的体积比低于15％的体积，优选地低于13％的体积，并且最优选地低于11％的体积。在陶瓷高于11％的体积时，所述颗粒对提升粘度的作用变得如此之大以至于它在材料制造期间将对材料有明确的负面影响。因此，优选如上文限定的含量。

根据另一实施例，陶瓷颗粒形成多个单独凝聚物，并且凝聚物的平均直径大于130μm，优选地大于200μm，最优选地大于250μm。申请人进行的测试已经确认：对于高于约5％的体积的陶瓷含量，具有如上文限定的平均直径的凝聚物获得对材料导热率的意外提高。

优选地，所述凝聚物均匀地分布于所述单元内。由此避免导热率不佳的局部区域。凝聚物或者如果未以凝聚物来聚集时的颗粒应当分布成使得导热率在绝缘单元内变化不多于+/-3％。

根据一个实施例，所述颗粒在所述单元内形成渗透网络。如果颗粒形成渗透网络，则可以经过导热率提升的此类材料的不中断路径传热。由此，一旦所述颗粒的形状和量足以生成其这样的渗透网络，绝缘单元的总导热率可能急剧增加。

优选地，所述陶瓷包括作为主要组成的氮化硼。氮化硼，特别是六边形氮化硼的颗粒已经被证实很好地适合于根据本发明提高绝缘单元的导热率的目的。具体而言，与在其铸型之后形成凝胶的基于硅酮的聚合物混合的氮化硼颗粒已经被证实有利于实现本发明的目的。

优选地，所述聚合物在其固化状态下形成凝胶。

优选地，所述聚合物是基于硅酮的聚合物，尽管可以设想其它材料并且优选为聚亚安酯。根据一个实施例，所述聚合物包括：

a)可交联聚有机硅氧烷，以及

b)有机硅交联剂。

适合于本发明目的的可交联聚有机硅氧烷的一个例子由以下分子式给出：

其中R是具有多达18个碳原子的单价烃族，R’是单价烃或者氧化烃族、氢原子或者羟基团，而x是值从10到1500的整数。

有机硅交联剂的例子可以选自于硅烷、低分子量有机硅树脂和短链有机硅氧烷聚合物。

根据本发明的一个优选实施例，所述绝缘单元包括分布于其中的可压缩颗粒。这样的颗粒的目的在于使整个绝缘单元可压缩至某一程度。不同于其中例如使用油作为绝缘手段的解决方案(其中膨胀体积用于接受油的体积改变)，根据本发明的固体绝缘单元容纳于其中的腔室的体积应当相对恒定，以便保证固体单元在改变操作条件时未失去它与所述腔室中的重要相邻单元的接触。因此，可压缩颗粒的目的可以在于借助其压缩来补偿所述绝缘单元的聚合物的任何体积改变。聚合物的这样的体积改变可能归因于温度的改变(造成其热膨胀)，或者归因于与绝缘单元相邻并且容纳于所述腔室中的单元(如电导体)的尺寸或者形状的任何更改。

优选地，各所述可压缩颗粒包括密封地包围其内部由气体填充体积的弹性壳。壳材料应当至少就以下方面而言兼容于绝缘单元中的周围聚合物基质材料：壳粘附到基质并且未由于基质的体积或者形状改变而未在它本身与所述基质之间引起空隙。优选地，可压缩颗粒限定直径范围从20μm到500μm、优选地从30μm到100μm的微球体。所述壳可以包括有机聚合材料，比如聚丙烯腈、聚氯乙烯、多乙酸乙烯酯、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、乙基纤维素、硝化纤维素、苄基纤维素、环氧树脂、羟丙基甲基纤维素邻苯二甲酸酯、氯乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物、乙酸乙烯酯和乙酰丁酸纤维素的共聚物、苯乙烯和顺丁烯二酸的共聚物、丙烯腈和苯乙烯的共聚物、偏二氯乙烯和丙烯腈的共聚物以及类似物。

适当微球的例子是在Pierce和Stephens公司的商标Dualite TM名下的商用微球和在Akzo Nobel的商标Expancel TM名下出售的微球。

优选地，所述可压缩颗粒存在于所述单元中的量使得它们能够借助其压缩来完全补偿所述单元的所述聚合物在所述腔室内的任何热膨胀，直至绝缘设备将在其正常操作条件期间将经受的最大温度。

根据本发明的优选实施例，所述可压缩颗粒的量为所述绝缘单元的材料的至少20％的体积、优选地至少24％的体积。由此，对于多数应用实现绝缘单元的充分压缩，而所述单元未对周围结构施加任何过量压力。

根据更多实施例，所述可压缩颗粒的量低于所述绝缘单元的材料的30％的体积，优选地低于26％的体积。由此，在绝缘单元的材料中留下足够空间以由上文提到的陶瓷占据和由任何更多添加剂、优选为硅油占据。

根据一个实施例，所述绝缘设备也包括位于所述腔室中或者邻近处的电压输送单元，其中所述单元至少部分地使所述电压输送单元电气绝缘。电压输送单元通常可以是用于传导中压或者高压的导体。通常，电压输送单元可以由任何更多电气绝缘物覆盖，该电气绝缘物相应地分离本发明的绝缘单元以免与电压输送单元直接接触。然而也设想如下实施例，其中在本发明的绝缘单元与电压输送单元之间有直接接触。

根据一个优选实施例，所述腔室是封闭腔室，在所述设备的正常操作条件之下其归因于温度改变的体积改变比所述单元的所述聚合物的体积改变更少。优选地，绝缘单元在具有本发明电气绝缘物的电气设备的所有正常操作条件之下完全填充所述腔室。借助上述特征，保证了在操作条件期间在腔室中不形成可能减少所述设备的绝缘能力的空隙或者气袋。

根据一个实施例，所述腔室是封闭腔室，在所述设备的正常操作条件之下其体积大体上恒定。在这样的情况下，绝缘单元的聚合物基质的体积可能由于温度改变而改变，其中分布于其中的可压缩颗粒借助压缩或者膨胀来补偿任何这样的体积改变。然而，如果有在操作期间体积变化的更多单元并且所述更多单元影响腔室的体积而不存在绝缘单元中的聚合基质的由温度引起的体积改变，则可压缩颗粒将保证绝缘单元与之对应地压缩或者膨胀。

本发明的目的也借助开篇限定的用于中压或者高压输电的电气设备来实现，该设备的特征在于，包括根据本发明的电气绝缘设备。

根据一个实施例，除所述电气绝缘单元外，在所述腔室内，电气设备还包括将在所述设备的正常操作条件之下改变形状或者体积的一个或者多个单元，所述一个或者多个单元与所述电气绝缘单元接触并且由此影响所述电气绝缘单元的形状或者体积。

根据一个实施例，除所述电气绝缘单元外的所述一个或者多个单元包括中压或者高压输送单元。

根据一个实施例，所述电气设备包括电缆端接装置，其中所述腔室为所述电缆端接装置的腔室。

根据一个实施例，所述电气设备包括电力变压器，并且所述腔室为所述电力变压器的腔室。

根据一个实施例，所述电气设备包括电力套管，并且所述腔室为所述电力套管的腔室。

根据一个实施例，所述电气设备包括电力断路器，并且所述腔室为所述电力断路器的腔室。

本发明也可以包括生产根据本发明的绝缘设备或者电气设备的方法，其中将所述聚合物铸型到所述腔室中并且使在其中固化。

将在以下具体实施方式中说明本发明的更多特征和优点。

附图说明

现在将参照以下附图通过例子描述本发明的优选实施例，其中：

图1是根据本发明的电气设备的横截面图，

图2是根据本发明的电气设备的另一实施例的横截面图，并且

图3是示出了根据本发明与电气绝缘材料样本的导热率相对BN体积百分比有关的测试结果的图。

具体实施方式

如图1中所示，具体参照支撑绝缘子来描述本发明的电气设备；必须按照说明而非限制性的例子的方式来考虑这样的实施例。

如图1中所示，标号100大体上表示的绝缘子包括由绝缘合成材料如纤维玻璃制成的绝缘管1，该管覆盖有例如由硅酮橡胶制成的绝缘裙部2；两个金属法兰3固定于管1的端部。所述管1和法兰3界定或者包围腔室5。当绝缘子在电压之下时，所述两个金属法兰具有不同电势；为了在具有不同电压的两个法兰之间实现电气绝缘从而避免危险放电，在管状壳1内限定自由体积V的腔室5填充有适当电介质填充物。

有利地，在本发明的本实施例中，所述电介质填充物有益地由基于硅酮的可压缩合成物制成，由此形成电气绝缘单元4；特别地，所述基于硅的可压缩合成物在液态下并且借助图中未图示的适当设备(图中未示出)以比允许的最大体积更大的量注入于管1内。具体而言，待填充的自由体积为V，注入的基于硅的可压缩合成物在25DEG C的温度具有范围从1.01到1.20V的体积。由于注入的填充物处于液态，所以它完全充满了适当的体积；注入的基于硅的合成物然后固化成凝胶状态。在这一相态中，由于填充物体积大于待填充的体积V，所以有助于将硅填充物理想地附着到与管的所有接触表面。考虑到良好可压缩性能，这也在设备经受例如范围从-40DEGC到+70DEG C的广泛温度变化时进行而无损坏、破裂或者与壁的分离。有利地，这允许设备的电介质强度水平一般高于已知电气设备可实现的电介质强度水平，并且也允许沿着所述接触表面的高电介质强度值。

根据本发明的一个优选实施例，电介质填充物包括填充有可压缩微球(优选为在Expancel TM名下的商用微球)的基于硅酮的聚合物。聚合物和微球是如下种类，该种类在固化聚合物时将形成硅凝胶，比如由Wacker制造的在Com Gel名下的商用硅凝胶。在铸型和固化聚合物之前，应当将主要包括氮化硼的颗粒增添到混合物10％的体积这一体积量。这里，所述氮化硼包括六边形氮化硼，比如由Saint Gobain公司生产的氮化硼。优选地，在混合物中还包括减少粘度的制剂。根据一个优选实施例，这样的制剂可以包括低粘度硅油。在优选实施例中，在混合物中因此包括20％的体积的低黏度硅油(TR-50(50cSt))。由此减少粘度，并且提高BN颗粒在混合物中的分散，由此提高待形成的单元的导热率。根据本申请的教导，在腔室或者体积中引入如上所述液体混合物，该混合物在该腔室或者体积中固化和形成填充物，即电气绝缘单元。

所述凝胶可以有利地用作诸如断路器、绝缘式开关设备、电力变压器和测量变压器、避雷器、线缆端接装置、极头、套管、绝缘子等若干电气设备中的绝缘填充物。

图2示出了根据本发明的线缆端接装置的一个实施例。图2的线缆端接装置包括导体11、内部电气绝缘物12、外部封装13和中间电气绝缘单元14。在外部封装13的相反端，分别提供底部法兰15和顶部盖16。

导体11是杆形或者管形。优选地，它包括高导电率材料，比如铜或者铝。另外，导体11形成线缆的一部分，其中内部绝缘物12是附着到导体11外围的、由固体电介质材料如聚合物制成的典型线缆绝缘物。

由内部绝缘物12包围的导体11所形成的线缆17经过其由底部法兰15形成的端部进入线缆端接装置。底部法兰15、顶部盖16和外部封装13限定如下外壳，该外壳界定线缆17的导体11延伸经过的腔室18。导体11经过顶部盖16引出所述外壳。在顶部端16外部，导体16未由任何内部电气绝缘物覆盖而是自由地暴露于环境和/或自由地伸展或者连接到任何进一步的电气设备(未示出)。

提供图2中所示实施例的外部封装13是出于在线缆端接装置的外围防止表面电闪络的目的，由此限定外部电气绝缘物。出于这一目的，外部封装优选地具有如本身在本技术领域内公知的特征波形并且包括适当材料。外部封装13可以包括电气绝缘材料，比如聚合物(如硅或者瓷)。外部封装13在导体11/线缆17的轴向方向上的长度适配于其击穿强度。因而，外部封装13的长度将必须随着导体的电压增加而增加。

中间电气绝缘介质14由根据本发明的电气绝缘单元形成，并且提供于上述腔室18内而且填充该腔室。由此，中间电气绝缘单元14位于线缆17与外部封装13之间的间隔中。它充当电绝缘体和在径向以及轴向方向上经过所述外壳从导体11向外传热的传热介质。由此，它对优选地包括聚合物材料的内部绝缘物12的温度具有决定性影响。在这一优选实施例中，中间电气绝缘物14包括根据本专利申请教导的固体或者半固体填充合成物。优选地，已经用与参照图1针对填充物4描述的方式对应的方式将中间绝缘单元14引入到外壳中。

中间绝缘物14的提高导热率已经证实极大地改进线缆端接装置的功能。

因此根据以上描述清楚的是，本发明的电气设备实现既定任务和目的，因为它保证与已知电气设备相比有所提高的性能同时避免出现放电；另外，这样设想的电气设备可以与广泛温度工作范围一起使用而无需利用粘度促进剂补偿体积或者表面处理。

必须指出，在电气设备内可以容易地插入诸如线缆、机械杆、在电压之下的连接等功能单元；此外，它还无填充物泄漏问题并且允许免去泄漏监视和通知系统。

图3示出了在向聚合物添加的BN量不同时和在BN凝聚物尺寸不同时根据本发明针对电气绝缘材料的不同样本获得的测试结果。如根据测试可见，平均直径为280μm的BN凝聚物从约5％的体积以上，材料的导热率有显著和意外提高。直至BN约5％的体积，平均直径为130μm的凝聚物与280μm样本呈现相似的关系。然而，发现平均直径为130μm的样本的导热率持续与BN的量大体上成比例，直至BN的9到10％的体积、然后偏离到更低值，而具有更大凝聚物的样本对于体积比5％以上的BN含量而言偏离到更陡的曲线中。

值得注意的是，单独BN颗粒的小片的平均尺寸看来与所得导热率相关性更小。12μm和30μm的平均直径分别用于130μm凝聚物的不同样本，并且未观测到导热率的明显不同。

已经参照具体和优选实施例描述了这样设想的本发明，然而本发明不限于描述的内容，而是涵盖落入发明思想范围内的变化和修改。

最后，所有细节可以由其它技术等效要素取代。