用于填充流体式变压器的固体绝缘件及其制造方法

摘要

一种用于填充流体式电力变压器的绝缘系统，其允许所述变压器在高温下运行并延缓老化。所述绝缘系统包括多个通过固体结合剂结合在一起的纤维。所述固体结合剂可以为例如围绕所述纤维的外套，或可以为将纤维相互结合的分散粒子的形式。此外，一种制造这种绝缘系统的方法。

说明书

技术领域

本发明总体涉及电力变压器中所包括的绝缘系统。本发明还总体涉及包括这种绝缘系统的电力变压器的制造方法。

背景技术

目前可得的填充流体式高压电力变压器采用了用介电流体浸渍的纤维素基绝缘材料。更具体而言，这种绝缘系统包括纤维素基材料，该材料被置于线匝之间、置于盘和段之间、置于层之间、置于卷绕材料之间，以及置于高压部件与地电势部件(例如，芯，结构件和槽)之间。

为了运行，目前可得的变压器典型地包含湿气含量低于0.5wt％的绝缘材料。然而，由于纤维素自然吸收3～6wt％的湿气，在纤维素适合用于电力变压器之前典型地进行相对昂贵的真空加热过程。甚至在这样的加热/真空过程后，由于纤维素老化(即，它随着时间而降解)，湿气最终形成，还最终形成酸，这会加速老化过程。

由于纤维素老化的速率取决于温度，所以目前可得的电力变压器的正常运行温度为105℃以下。基于同样的理由，这种变压器的最高运行温度为120℃以下。传输的功率越大，由于更大的电流产生更高的温度，损耗就越大。这样，纤维素基的绝缘系统限制了电力变压器的运行效率。

发明内容

至少基于上述问题，较理想的是具有耐老化的填充流体式高压电力变压器。另外，较理想的是具有更高的正常运行温度和最高运行温度的填充流体式高压电力变压器，因为这可降低存储变压器所需的物理空间。

通过一个以上的本发明的实施例能很大程度上达到上述要求。根据一个这样的实施例，提供了电力变压器。所述电力变压器包括第一电力变压器部件、第二电力变压器部件和设置在第一电力变压器部件与第二变压器部件之间的冷却流体。在电力变压器运行期间，所述流体被选择以冷却第一电力变压器部件和第二变压器部件。所述电力变压器还包括设置在第一电力变压器部件和第二变压器部件之间的固体复合结构。特别是在电力变压器运行期间，所述冷却流体与复合结构接触。所述复合结构本身包括：具有第一外表面第一基体纤维和具有第二外表面的第二基体纤维。此外，所述复合结构还包括固体结合剂材料，固体结合剂材料粘附到至少部分的第一外表面上和至少部分的第二外表面上，从而将所述第一基体纤维结合至所述第二基体纤维。

根据本发明的另一实施例，提供了制造电力变压器的方法。所述方法包括将具有第一熔融温度的结合剂材料置入第二基体纤维和具有第二熔融温度的第一基体纤维之间。所述方法还包括将所述结合剂材料、所述第一基体纤维和所述第二基体纤维压紧在一起。所述方法还包括在压紧步骤中将结合剂材料、第一基体纤维和第二基体纤维加热至第一熔融温度之上且第二熔融温度之下的温度，因为形成复合结构。此外，所述方法还包括将所述复合结构设置在第一电力变压器部件和第二电力变压器部件之间。所述方法还包括在设置步骤之后用冷却流体浸渍所述复合结构。

根据本发明的又一实施例，提供了另一电力变压器。该另一电力变压器包括：在电力变压器内用于执行第一功能的装置，在电力变压器内用于执行第二功能的装置和用于冷却电力变压器的装置。在电力变压器运行期间，所述用于冷却的装置典型地设置在用于执行第一功能的装置与用于执行第二功能的装置之间。此外，该另一变压器还包括用于使电力变压器绝缘的装置，其中，所述用于绝缘的装置被设置在用于执行第一功能的装置与用于执行第二功能的装置之间。典型地，用于冷却的装置与用于绝缘的装置接触。所述用于绝缘的装置本身包括用于提供具有第一外表面的结构的第一装置和用于提供具有第二外表面的结构的第二装置。所述用于绝缘的装置还包括固体装置，固体装置用于结合粘附到至少部分的第一外表面上和至少部分的第二外表面上，从而将所述用于提供结构的第一装置结合至用于提供结构的第二装置。

因而在此已经非常宽泛地概述了本发明的某些实施例，从而可以更好地理解本文中的更加详细的描述，并且可以更好地理解本发明对于现有技术的贡献。当然，下面将会描述本发明的其它的实施例，其将成为所附权利要求的主题。

关于此方面，在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应该理解的是本发明并不限于其应用于结构的细节和应用于在下面的描述或在附图中所显示的部件的排列。除了那些描述的实施例之外，本发明可以是以各种方式实践和实施的实施例。此外，应该理解到，在说明书以及摘要中使用的用语和术语是用于描述的目的，而不能理解成用于限制的目的。

这样，本领域的技术人员将会理解本公开所依据的概念可以容易地被用作设计那些实施本发明的一些目的的其它结构、方法和系统的基础。因此，重要的是权利要求可被认为是包括这样的等同结构，只要这些结构没有偏离本发明的实质和范围。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的填充流体式高压电力变压器的剖面的立体图。

图2包括根据本发明的实施例的复合结构的立体图，该复合结构可以用作示于图1中的变压器的绝缘系统的一部分。

图3包括根据本发明的另一实施例的复合结构的立体图，该复合结构也可以用作示于图1中的变压器的绝缘系统的一部分。

图4包括根据本发明的又一实施例的复合结构的立体图，该复合结构也可以用作示于图1中的变压器的绝缘系统的一部分。

图5为示出根据本发明的实施例的制造电力变压器的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

参照附图，现在将描述本发明的实施例，在附图中，类似的附图标记至始至终表示类似的部件。图1为根据本发明的实施例的填充流体式高压电力变压器10的剖面的立体图。如图1所示，变压器10包括各种变压器部件，所述变压器部件都可以具有设置在它们间的绝缘件和/或围绕它们的绝缘件。更具体而言，变压器10包括电流变压器(CT)支架12、支撑块14、锁条16、缠绕筒18、引线支架20、径向垫片22和端部块(end block)24。(为了清楚的目的，绝缘件在图1中没有示出)。

在运行时，冷却流体(如电绝缘或介电绝缘流体，如，例如环烷矿物油，包括异链烷烃的石蜡基矿物油，合成酯和天然酯(如，FR3^TM))在变压器部件12、14、16、18、20、22、24之间流动，并与上述绝缘件接触，典型地也与流经其中的至少一些流接触。(再次地，基于清楚的目的，所述冷却流体也没有示于图1中)。选择冷却流体从而不仅在变压器的运行期间冷却变压器10内的部件，而且物理承受在变压器的运行期间变压器10内出现的条件(如，温度水平、电压和电流水平等)。此外，冷却流体被选择为关于变压器部件而且关于设置在这些部件之间的绝缘件是化学惰性的。

图2包括根据本发明的一个实施例的复合结构26的立体图，该复合结构26可以用作示于图1中的变压器10的上述绝缘系统的一部分。示于图2中的复合结构26包括一对各自具有外表面32的基体纤维30，所述表面32具有由粘附到其上的固体结合剂材料34形成的外套。结合剂材料34形成的两个外套本身相互结合，因此将两个基体纤维30结合在一起。

尽管更小或更大尺寸也落在本发明的范围内，但是示于图2中的各基体纤维30的尺寸典型为微米的级别，以及各基体纤维30的长度典型为毫米或厘米的级别。这样，数千或甚至数百万的这种基体纤维30结合在一起以形成上述绝缘系统。所述绝缘系统一旦形成则被设置在示于图1的变压器10的各部件之间。由于结合剂材料34没有形成连续的基块(matrix)，所以上述冷却流体能够浸渍复合结构26，以及至少在某种程度上能够流经复合结构26。

图3包括根据本发明的另一实施例的复合结构28的立体图，所述复合结构28还可以用作示于图1中的变压器10的绝缘系统的一部分。然而，示于图2中的复合结构26具有的结合剂材料34形成了围绕并沿仅一个基体纤维30长度的外套，但示于图3中的复合结构28中的结合剂材料34形成了围绕并沿多个基体纤维30长度的外套。示于图2中的复合结构26的一个优点在于其典型地相对易于制造。然而，示于图3中的复合结构28典型地具有更高的机械强度。

图4包括根据本发明的又一实施例的复合结构36的立体图，所述复合结构36还可以用作示于图1中的变压器10的绝缘系统的一部分。与示于图2和3中的复合结构26、28中形成的外套不同的是，示于图4中的复合结构36中的结合剂材料34为联接至两个或更多个基体纤维30的粒子的形式。尽管上述的所有的复合结构均允许变压器冷却流体基本充分地浸渍复合结构，但示于图4中的复合结构36典型地具有最高的孔隙度。然而，其它两个复合结构26、28典型地具有更高的机械强度。

根据本发明的基体纤维30可以由本领域普通技术人员在实施本发明的一个或多个实施例时认为实用的任何材料制成。例如，示于图2-4中的一些基体纤维30包括短纤维材料(例如天然材料，如，例如，原棉、羊毛、大麻或亚麻)。然而，示于图2-4中的基体纤维30包括相对高熔点的热塑性材料。例如，一些示意性的基体纤维包括以下中的一种或多种：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚醚砜(PES)。

根据本发明的某些实施例，基体纤维30由在变压器10的最高运行温度下机械和化学稳定的材料/复合物/合金制成。此外，基于在用于制造根据本发明的某些实施例的电力变压器的方法的后续讨论中显而易见的原因，基体纤维30是由在结合剂材料34的熔融温度下机械和化学稳定的材料/复合物/合金制成的。

与基体纤维30一样，结合剂材料34可以为本领域普通技术人员在实施本发明的一个或多个实施例时认为实用的任何材料。然而，示于图2-4中的结合剂材料34包括当与上述冷却流体接触时机械和化学稳定的无定型热塑性材料和结晶热塑性材料中的至少一种。例如，根据本发明的某些实施例，固体结合剂材料34包括以下中的至少一种：聚对苯二甲酸乙二醇酯的共聚物(CoPET)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和未拉伸型聚苯硫醚(PPS)。

对根据本发明的变压器中的基体纤维30与结合剂材料34的相对重量百分比或相对体积百分比没有特别限制。然而，根据本发明的某些实施例，在充当用于示于图1中的变压器10的绝缘件的复合材料中的所有基体纤维30对所有固体结合剂材料34的重量比在大约8∶1和大约1∶1之间。此外，尽管其它密度也在本发明的范围内，但示于图1中的变压器10所包含的固体复合结构(例如，复合结构26、28、36)具有在大约0.5g/cm³和大约1.10g/cm³之间的密度。此外，根据本发明的某些实施例，固体结合剂材料34和基体纤维30中的材料被选择成具有与变压器10中使用的冷却流体的介电性能基本类似的介电性能。

图5为图示制造根据本发明的实施例的电力变压器(例如变压器10)的方法的步骤的流程图38。如图5所示，所述方法的第一步骤40提出：将具有第一熔融温度的结合剂材料(例如结合剂材料34)置入第二基体纤维(例如，示于图2中的下面的基体纤维30)与具有第二熔融温度的第一基体纤维(例如，示于图2中的上面的基体纤维30)之间。当实施该置入步骤40时，所述结合剂材料可以例如呈围绕纤维的全外套或局部外套的形式，或者呈纤维之间的粒子的形式。根据本发明的某些实施例，通过共挤出所述结合剂材料和基体纤维来实施该置入步骤，从而形成了在基体纤维的一部分周围的外套。此外，多根纤维可以与结合剂材料共挤出以形成例如示于图3中的结构。

示于图5中流程图38中的步骤42提出：将结合剂材料、第一基体纤维和第二基体纤维压紧在一起。然后，步骤44提出：在压紧和拉伸步骤中将结合剂材料、第一基体纤维和第二基体纤维加热至第一熔融温度(即，所述结合剂材料的熔融温度)之上且第二熔融温度(基体纤维的熔融温度)之下的温度，从而形成复合结构(例如，示于图2-4中的任何复合结构26、28、26)。根据本发明的某些实施例，压紧步骤42和加热步骤44导致密度为大约0.5g/cm³和大约1.10g/cm³之间的复合结构。然而，可以改变这些步骤42、44使得其它的密度也落入在本发明的范围内。还应该注意的是，根据本发明的某些实施例，除了提高所述复合结构的整体密度之外，压紧步骤42还可以拉伸其中包含的一些纤维(例如，基体纤维30)。这种拉伸有时候导致提高复合结构中的结晶度，这在某些情况下是有益的。

一旦已经形成复合结构，如在流程表38中步骤46所提出，将所述复合结构设置在第一电力变压器部件与第二变压器部件之间。例如，在流程表38中提到的复合结构可以被设置在任何或所有的示于图1中的电流变压器(CT)支架12、支撑块14、锁条16、缠绕筒18、引线支架20、径向垫片22和/或端部块24之间。这样，根据本发明的某些实施例，压紧步骤42和加热步骤44以如下的方式实施：形成可以容易插入电力变压器10和插入上面列举的其部件之间的形状。

在设置步骤46之后，步骤48提出：用冷却流体浸渍复合结构。如上所述，所述冷却流体可以为例如电绝缘或介电绝缘流体。由于根据本发明的某些实施例(例如，示于图2和3中的复合结构26、28或示于图4中的复合结构36)所述复合材料可以具有相对开放的结构，浸渍步骤48可以包括用冷却流体基本充分浸渍所述复合结构。这提供了比其中冷却流体不易到达部分绝缘系统的结构更好的介电特性。

在流程图38中的最终的步骤是步骤50，其指出：选择第一基体纤维中的材料和结合剂材料为具有与冷却流体基本相似的介电性能。介电性相容材料的选择使得根据本发明的电力变压器更高效地运行。

如本领域的普通的技术人员在实施本发明的一个或多个实施例时所理解的，上述讨论的设备和方法提供了若干优点。例如，上述讨论的绝缘系统使得包含它们的电力变压器在更高的温度下运行。实际上，根据本发明的某些实施例，可以实现155℃至180℃之间的运行温度范围，尽管这些温度范围不限制总体发明。由于更高的运行温度降低了电力变压器的尺寸需求，设计用于特殊用途的根据本发明的变压器可以小于目前可得的变压器，因而需要更少的材料并降低形成/制造变压器的总成本。

由于根据本发明的某些电力变压器提高的绝缘性和冷却性，从具有比目前可得的变压器更小的物理占用空间的变压器可以提供更高的兆伏安(MVA)(即，电力)。此外，由于上述绝缘系统中的部件的新型的组合，根据本发明的某些变压器降低了由于热过载使变压器可靠性降低的可能性。此外，上述绝缘系统的新型结构使得它们比目前可得的系统更加能够保持随时间的可压缩性(即，更少的爬电和无需再紧固)。

从详细的说明中本发明的许多特点和优点是显而易见的，因此，通过所附的权利要求旨在涵盖落入本发明的实质和范围内的所有的这样的特征和优点。此外，由于对于本领域的技术人员而言容易做出多种修改和变化，并不期望将本发明限制到所示出和描述的实际的结构和操作，因此，所有合适的修改和等同替代都可以被认为是落入本发明的范围。