电绝缘材料、包括电绝缘材料的电气设备和变压器

摘要

根据本发明限定一种用于电气设备的电绝缘材料(1)，该电气设备包括一个或者多个电导体和布置于导体周围或者多个导体之间的电绝缘材料，并且该绝缘材料浸渍有电介质绝缘液体。电绝缘材料包括具有表面层(3)的主层(2)，该表面层具有比主层的介电常数更低的介电常数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电气设备的电绝缘材料、一种包括电绝缘材料的电气设备和一种变压器。

背景技术

在高压装置如高压变压器中，绝缘系统包括浸渍有绝缘液体的基于纤维的绝缘体是普遍的，例如在油或者其它电介质液体中浸透的基于纤维素的绝缘体或者具有低的或者实质上闭合的多孔性的基于如聚乙烯的热塑聚合物的绝缘体。

基于纤维素的压制板绝缘屏障通常使用于由油填充的高压(HV)变压器的设计中。屏障的目的在于防止预击穿事件，比如PD(部分放电)和放电，这些事件可能在表面上出现并且沿着绝缘体传播(所谓流注(streamer))以发展成绝缘系统的击穿。通常，压制板屏障被设计成厚到足以防止冲击流注击穿屏障。然而，未击穿屏障的流注可能沿着它的表面传播。流注可以按不同速度传播，作为慢速模式的流注(2-3km/s)或者快速事件(大于10km/s、高达数百km/s)。对于典型变压器设计，沿着表面的快速传播的流注比慢速传播的流注风险大得多。有关于此的一个示例是如果变压器暴露于高压雷击。由于该脉冲持续时间短(为50μs数量级)，所以传播的速度强烈地影响全击穿的可能性。

另外，如附图1(摘自下文给出的Lundgaard等人的论文)中所见，已知与在纯油中发生的情形相比，快速事件针对更低电压沿着压制板表面出现。在本图中可见针对油+压制板这一组合快速事件在约250kV出现，而仅有油的快速事件直至约350kV才出现。快速事件在油+压制板中的速度也高得多。一种可能的解释可以是流注顶端中的电荷的镜像电荷出现在压制板中。来自镜像电荷的力F_镜像随着流注被迫朝着压制板的表面向下而修改流注形状，从而在流注顶端造成增强的场，这可以有助于向快速事件转变。参见附图2(摘自下文给出的Lundgaard等人的论文)。在Lundgaard、Linhjell、Berg、Sigmond在IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation1998年6月第5卷第3期的″Propagation of Positive and NegativeStreamers in Oil with and without Pressboard Interfacees″中描述了这一解释。

根据上文清楚将希望发现用于抑制快速事件沿着压制板表面开始的手段。

作为说明流注如何在油中传播的附加文献，特此引用Francis O’Sullivan于2007年5月在美国麻省理工学院的博士论文″A Model for the Initiation and Propagation of Electrical Streamers in Transformer Oil and Transformer Oil Based Nanofluids″。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合于在电气设备中使用的电绝缘材料，该电气设备包括一个或者多个电导体和布置于导体周围或者多个导体之间的电绝缘材料，并且该绝缘材料浸渍有电介质绝缘液体，并且该材料具有抑制快速事件开始的能力。具体而言，本发明的目的在于提供一种其中减少流注和快速事件的出现风险的高压变压器。

本发明的目的借助如专利权利要求l所限定的一种电绝缘材料、如权利要求9所限定的一种电气设备和如权利要求11所限定的一种变压器来实现。

相应地如权利要求1所限定的，一种用于电气设备的电绝缘材料，该电气设备包括一个或者多个电导体和布置于导体周围或者多个导体之间的电绝缘材料，并且该绝缘材料浸渍有电介质绝缘液体，其特征在于电绝缘材料包括具有表面层的主层，该表面层具有比主层的介电常数更低的介电常数

通过用介电常数比主层的介电常数更低的材料层涂敷主层，在它与电介质绝缘液体接触时所在表面的介电常数的更低值将减少镜像力，并且它应当因此抑制向快速事件的转变。这一类分层材料例如在变压器的压制板屏障中将抑制沿着表面的流注传播而不明显改变良好的击穿阻止性质。

根据本发明的一个方面，表面层的介电常数在主层的介电常数以下至少0.3。

应当注意当提及绝缘材料的介电常数时将意味着电气设备中的浸渍绝缘材料的介电常数。某一材料的介电常数受它浸渍有的并且在设备中使用的电介质液体类型影响。一种常见类型的电介质绝缘液体为介电常数(ε)约为2.2的矿物油。其它可能的绝缘液体为酯(ε为3.0数量级)、硅油等。

根据本发明的另一方面，表面层具有至少10μm的厚度。表面层的厚度应当优选地至少为与典型流注直径相同的尺寸。在多种情况下这将意味着10-40μm或者20-40μm的厚度。需要更厚的表面层以保证抵抗可能影响表面的偶然放电以及一般磨损和撕裂的稳健性。

例如在绝缘材料在绕组之间或者在绕组与接地之间(比如在变压器中)用作绝缘屏障的应用中，整个绝缘屏障的厚度可以范围为1-3毫米。适当表面层然后将具有10-1000μm的厚度。

作为另一示例可以描述在变压器的如下区域中的塔式绝缘体，变压器套管在该区域连接到变压器。在这样的应用中，绝缘屏障构建为圆柱体，该圆柱体在交替层中具有高密度压制板和波浪形压制板直至总绝缘厚度的范围从几个分米上至一米、有时甚至更大。表面层的适当厚度范围然后将为10-5000μm。当考虑不同应用的可能性并且也考虑实现表面层的实用方面时，40-5000μm或者10-5000μm的一般厚度范围是合理选择。

根据本发明的一个方面，主层包括从以下材料中选择的材料：

-基于纤维素的材料

-聚合材料

-由环氧树脂浸渍的材料

-橡胶材料。

基于纤维素的材料的示例为高密度压制板。聚合材料的示例为诺梅克斯(基于纤维的聚合材料)，而环氧材料的示例为纤维玻璃加固环氧。当选择主材料时，应当考虑将要使用的电介质绝缘液体类型以及与表面材料的组合。

根据本发明的一个方面，表面层包括从以下材料中选择的材料：

-基于纤维素的材料

-聚合材料

-由环氧树脂浸渍的材料

-橡胶材料。

基于纤维素的材料的示例是低密度压制板、波浪形压制板、牛皮纸、绉纸。

关于用于表面层的聚合材料，它可以选自于：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为PTFE-聚四氟乙烯、PEP氟化乙烯丙烯、PEA全氟乙烯。

根据本发明还限定一种电气设备，该设备包括一个或者多个电导体和布置于一个导体周围或者多个导体之间的电绝缘材料，并且该绝缘材料浸渍有电绝缘液体，其特征在于它包括如限定电绝缘材料的任一权利要求所述的电绝缘材料。

根据一个具体实施例，电气设备为高压电气装置。

本发明也涉及一种变压器，其特征在于根据与电绝缘材料有关的任一权利要求所述的电绝缘材料在电应力高的区域之间用作绝缘屏障。电应力高通常意味着在10⁵V/m以上。

附图说明

现在将参照以下附图更具体描述本发明，其中：

图1图示了在有和无d＝10cm的压制板表面时在过电压处的平均击穿速度，

图2图示了流注沿着固体表面如压制板P的传播；上图示出了如在Lundgaard等人的引用文献中说明的用于流注的模型，而下图示出了在压制板表面上观测的实际轨道，并且

图3示出了仅作为示例给出的形式为压制板的本发明一个实施例的示意图。

具体实施方式

作为示例现在将描述适合于高压变压器的压制板屏障这一形式的本发明的实施例。

图3图示了根据本发明的电绝缘材料1的示例。在这一实施例中，绝缘材料是适合于在以矿物油作为绝缘液体的高压变压器中使用的压制板屏障。绝缘材料包括由高密度压制板制成的主层2。通常，在浸渍之前的密度可以在1.0-1.5g/cm³之间。介电常数对于浸渍有绝缘液体如矿物油的高密度压制板而言通常为ε＝4.0-4.5、甚至4.1-4.3。

压制板屏障中的绝缘材料的表面层3由典型密度为0.5-1.0g/cm³的低密度压制板制成。这一表面层的介电常数比对于主层而言更低、通常在区间ε＝2.1-4.0、甚至2.1-3.0中。矿物油中的低密度压制板的典型介电常数约为3.0。作为一种替代，如果使用绉纸，则介电常数将约为2.8，而如果使用牛皮纸，则介电常数将为3.4-3.7。

表面层的厚度应当至少有范围为10-1000μm的与预计的流注相同的厚度。在本情况下，更可能为10-40μm或者20-40μm。

假如获得厚度充分的层，则通过涂覆工艺、将两个压制板层粘在一起或者以任何其它适当方法来生产表面层。无需层为不同分离层，只要有所需低介电常数的充分厚的表面层。

如上文提到的那样，这一类分层材料将抑制沿着表面的流注传播而不明显改变良好的击穿阻止性质。在上文引用的Lundgaard等人的论文中用如下电极进行测试，其中电极之间的间隙范围仅为100mm。如图2中可见，平均击穿电压Vb然后将在比对于快速事件而言低得多的电压出现。这将表明击穿电压将是主要考虑。然而，本发明的一个发明方面在于当与Lundgaard进行的测试比较时必须实现变压器在高压导体与接地部分之间具有长得多的距离。当将这些测试的发现应用于变压器技术时，可以预计击穿电压将比对于小规模测试明显更高。甚至预计击穿电压在快速事件出现时更高。因而应当减少本发明的绝缘屏障系统的击穿和击穿风险。

本发明不限于仅作为示例给出的所述实施例而是可以在所附专利权利要求书中限定的范围内由本领域技术人员以各种方式加以修改。例如，本发明也可应用于线缆、发电机、电容器或者HV套管。