制造瓷绝缘子结构的方法及将金属凸缘固定到瓷绝缘子的方法和组件

摘要

一种用于具有瓷体(20)和凸缘(34)的结构的制造方法，包括：将所述瓷体的端部(24)插入凸缘开口(40)中；在所述瓷体端部(24)与凸缘的金属表面(38)之间设置间隙(54)；用粘合剂填充间隙(54)以在表面(30,38)之间建立结合；将电活性子组件(60)装配在瓷体中；以及将所述结构放置在加热环境中，以同时干燥子组件并完全固化粘合剂以提供所述结合。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年1月13日提交的美国临时专利申请61/586171 的权益。

技术领域

本发明涉及用在中压至超高电压输电应用中的瓷绝缘子组件，更具体 地说，涉及具有接头那种类型的瓷绝缘子结构的设计和制造，在变化的室 外环境中受到的高负荷条件下，所述接头要求高水平的机械稳定性。

背景技术

常规地，具有在中压至超高电压(例如高达1.2MV或更高)范围内的额 定值的输电线路使用瓷绝缘子组件来机械地支撑和绝缘高架电压线。所述 组件可结合互感器部件。尽管瓷绝缘子用在低电压(1kV至100kV应用) 中，但是对于较高电压应用，部分地由于高电压绝缘子组件的大实体尺寸 和增加的质量，结构设计考虑明显不同。这些组件是大纵向结构(主要是 塔)，它们在地面上可延伸二十米或更多，要求确保机械完整性和稳定性的 结构设计。

在高电压环境中运行的瓷绝缘子组件是在许多设计中使用的相对又大 又重的结构，以执行各种功能。这些功能包括提供互感器或用于到电力变 压器的绝缘连接件的装置，电力变压器以数量级提升电压或降低电压。总 体上，这些组件是纵长的竖直安装结构，包括具有第一和第二开口端的中 空或实心的上釉瓷体。陶瓷体可具有长度尺寸，当陶瓷体竖立在地面上方 时，其在高度上沿长度尺寸延伸三米或更多，但是更普遍地，陶瓷体可具 有在两米范围内延伸的长度尺寸。多个瓷绝缘子体有时(端对端)互相连接， 以产生高度约15米或若干更高的更大结构。通常，绝缘子体安装在基座 上，基座的高度可为三米至七米。根据额定电压，更大的完整结构的重量 为约600kg或更重，单独的瓷绝缘子组件的重量为约100kg。通常，绝缘子 体与基座之间的紧固点是受到显著力矩的接头。在风力负荷情况下，受到 的力尤其大，这是因为风力负荷通常作为地面之上高度的函数而增加。不 可避免地，安装接头(将比较重的瓷体连接到另一个瓷体或安装基座)受到的 应力会发生微移动。

这些绝缘子组件的共同特征是提供金属附接凸缘作为充当从竖直取向 瓷体的端部到另一结构的过渡元件的接头。凸缘以金属系统接合陶瓷表 面，以给整个组件提供结构完整性。如本文中所使用的，术语凸缘指的是 能够附接到表面(比如金属板)、并具有一开口的轴环或环状结构，一构件可 插入穿过所述开口，并被附接，以将所述构件安装到可附接表面。在本发 明中，凸缘开口接收并固定瓷体的端部，凸缘牢固地连接到另一结构，比 如支撑基座或高压线。然而，附接凸缘可将瓷体的端部连接到另一瓷体， 或者连接到中间组件，比如容纳电活性部件的壳体，其中，壳体定位在瓷 体之间或者瓷体和基座之间。这种中间组件可以是低压件或提供连接到执 行监控功能的器材的电流连接件。在许多应用中，附接凸缘可以与安装板 一体地形成，安装板可以栓接到下层结构，比如容纳电活性部件的壳体。 总体上，凸缘充当从竖直取向瓷体的下端到结构构件(比如基座表面)的过渡 元件，以实现稳定性。类似地，充当过渡元件的另一附接凸缘可提供用于 固定竖直取向瓷体的上端的装置。当多个瓷绝缘子体互相连接起来时，各 体之间的连接还可由连接的凸缘对实现。由于这些绝缘子组件的尺寸和重 量，瓷体和金属凸缘之间的接头必须具有相当大的机械强度，尤其当结构 安装在室外环境中时，在室外环境中，其会经受天气条件的大波动，包括 风力负荷、冻融循环或大温度变化。

过去，在相当大的负荷条件下在金属和陶瓷表面之间提供机械稳定的 界面的需求已通过在匹配表面之间施加水泥浆而满足。总体上，水泥充当 锁定介质，以保持金属板的凸缘附接到瓷绝缘子。在一系列设计中，匹配 表面均具有比如表面粗糙度或机加工槽的特征，水泥浆延伸进表面特征 中，以提供确保瓷端在凸缘内的位置的锁定。因为水泥浆具有期望的机械 属性，但是不能结合到任一匹配表面，所以根据该锁定布置，限制每个表 面可相对于另一表面移动的程度。水泥浆通常填充表面之间界面内的所有 空隙，以使形成的接头的机械强度最大。

凸缘的尺寸、匹配表面之间间隙的厚度和所施加的水泥体积是接头的 所需机械强度的函数。用水泥浆将金属连接板的凸缘附接到瓷体端部的常 规方法通常包括以下步骤：

1、沿瓷体的面向金属表面并与金属表面匹配的部分形成砂带，并沿凸 缘的面向砂带的金属表面形成比较深的沟槽。

2、沿砂带施加涂层材料，以充当与水泥形成接触的垫圈以及补偿热膨 胀效应的衬垫。

3、沿金属表面施加涂层材料，以抑制腐蚀，并沿与水泥形成接触的表 面部分充当第二垫圈以及补偿热膨胀效应的衬垫。

4、以匹配的方式使各表面在一起，各表面之间留有间隙。

5、用水泥浆填充间隙以消除空隙。由水泥浆填充的空隙的宽度(沿金 属表面形成的沟槽之间)从6mm至25mm，或者深度(部分地基于沟槽深度) 从25mm至381mm。

该方法的关键特征是形成专门的混合浆，并限制聚集粒子的大小。另 外，所述浆不能有效地完全填充小空隙或间隙。已确定，所述浆的混合和 混杂过程中的小变化会导致得到的接头的机械强度明显变坏，由此导致过 早故障。实际上，当机械强度因混合物中包含太多水而受到损害时，当接 头经受冻融循环、地震事件、风力负荷、静态机械负荷或动态机械负荷 时，这种结构的接头会发生故障。另外，波特兰水泥产品需要持续很久的 固化过程，以确保浆接头的完整性。通常需要一周的周期来充分地部分固 化，之后，接头足够坚固以适度地承受，从而继续加工过程。需要约一月 的周期来确保完全固化。如果该组件过早地移动，或者如果部分固化的单 元暴露于过度干燥的环境，则水泥接头的机械强度会受到损害。类似地， 使用存储在不恰当环境中的浆或者在使用之前存储时间过长的浆也会导致 机械强度差。

附图说明

当结合附图阅读下面的描述时，会更地好理解本发明，在附图中，相 同的标号表示相同的元件，其中：

图1A和1B示出根据本发明构造的典型绝缘子组件；

图2是示出根据本发明的包括联接到示例性凸缘的示例性瓷绝缘子体 端部的组件的局部剖视图；

图3更完全地示出图2所示瓷绝缘子体；

图4示出图2所示凸缘的细节；以及

图5示出图4所示凸缘的表面特征。

在不同附图中，相同的标号指代相同或类似的部件。附图未必按比例 绘制，相反地，突出重点以说明本发明的原理。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于将中空或实心瓷绝缘子体 附接到金属凸缘的改进方法和组件。参见图1A，示出包括示例性绝缘子组 件10a的结构8A，绝缘子组件10a经由安装板14固定到支撑基座12a。在 该示例中，安装板14栓接到低压箱16的上表面，低压箱栓接到支撑基座 18的上部。低压箱提供连接件以给电子装置提供信号，用于保护、测量和/ 或通信。绝缘子组件10包括一系列中空瓷绝缘子体20。

图1B示出包括固定到支撑座12b的绝缘子组件10b的感应式电压互 感器8b，绝缘子组件具有上下瓷绝缘子体20b、20c。上绝缘子体20b是给 定位在上下瓷绝缘子体20b、20c之间的低压箱16b中的终端输送步降电压 的变压器。油补偿室22定位在上绝缘子体20b上方。

图2是图1A所示瓷绝缘子体20的下部的局部剖视图，为了描述本发 明，该瓷绝缘子体的下部可被认为等同于现在描述的绝缘子体20b和20c 的上部或下部。绝缘子体20包括柱状端部24。如图3进一步所示，端部 24具有沿端部24外表面30形成的常规砂带28。图1A所示安装板14包括 从其表面36延伸的金属凸缘34，以接收绝缘子体20的端部24(包括砂 带)。

在比如图1A所示连接的绝缘子体20b的端部24之间的位置，利用一 对背对背连接的凸缘来实现连接，即，每个凸缘沿相反方向从类似于板14 的共用安装板延伸。参见图1B，在比如电压箱16和端部24之间的位置， 或者比如端部24和支撑座12b或膨胀室22之间的位置，接头包括固定到 另一邻接部件(例如座12b)以用于稳定作用的凸缘。

如图4所示，沿凸缘34的开口40的内柱形表面38具有形成在其中的 一系列沟槽41和提供纹理结构的机加工图案44，如图4的插图所示。端部 24的外表面30和凸缘34的内柱形表面38是彼此结合的匹配表面。砂带 28、沟槽42和由机加工图案44提供的纹理结构提供期望水平的表面粗糙 度，其增强粘合剂到每个表面的结合程度。这些特征便于在负荷条件下稳 定结合的表面。

有利地，结构8a和8b均采用粘合剂50，粘合剂既提供不同表面之间 的结合，又提供瓷表面和金属表面之间的锁定机构，以保持瓷表面固定在 金属凸缘内，即没有任何间隙。对于给定结构，例如8a或8b，并入粘合部 件来代替水泥浆会导致凸缘34的整体尺寸减小约15％。另外，相对于仅用 锁定机构固定匹配表面30和38的常规设计所需的水泥浆体积，粘合部件 的体积减小。

在示例性方法中，砂带或其它纹理特征沿瓷体24的面向并匹配金属表 面38的表面30形成。沟槽或其它纹理特征沿凸缘的面向砂带的金属表面 38形成。沟槽不必像产生利用水泥浆所需的锁定机构或介质的相当深沟槽 那样深。该特征有助于减小凸缘34的尺寸，并减小实现结合和锁定机构所 需的粘合剂量。因此，图2所示，匹配表面之间的间隙54可以减小。图2 提及匹配表面之间的间隙54以及填充间隙54的粘合剂50。瓷体的匹配表 面和金属凸缘可以用薄粘合剂50层涂覆，然后组装起来以使表面30和38 彼此结合。

在另一实施例中，所述表面组装起来，匹配表面之间的间隙54经由例 如自动分配过程用粘合剂填充。经由图2所示端口58注射粘合剂会用粘合 剂50填充间隙54，使得确保完全填充所有间隙区域，所以在匹配表面之间 没有残存空气。有利地，施加二元粘合剂(例如环氧树脂)使得可以根据成分 的期望比例按需分配粘合剂。根据期望结果可控制聚合作用的开始。

为了实现自动注射粘合剂，填充端口58沿凸缘底表面或靠近凸缘底表 面形成，经由端口58注射粘合剂，使得粘合剂从凸缘底表面附近向上流 动，便于从匹配表面之间的间隙54中去除所有空气。混杂并分配粘合剂50 的自动过程提高了整体效率，沿界面施加一致的机械强度，消除了因操作 者误差引起的潜在缺点。与利用水泥浆的现有系统相比，这样的系统可提 供出众的性能特性。

使用水泥浆的缺点在经受冻融循环、地震事件、风力负荷或机械负荷 的系统中是特别明显的。通常，用在这种应用中的水泥浆不会结合到瓷或 金属表面。接头的强度主要取决于机械锁定机构。为了确保满足机械属性 的规格，接头的大小(即，间隙的大小和至少匹配瓷端区域的凸缘的大小)相 应地制定。

相对于水泥浆所需的固化周期，粘合剂50可配制成快速固化。在一个 实施例中，粘合剂固化周期在室温下可以是几小时。可以在升高的温度下 执行粘合剂50的快速固化以形成结合，从而增强结合布置的机械强度。总 体上，提供具有减小的固化周期的粘合剂使得更快速的制造方法成为可 能。而且，在通过引入粘合剂材料实现的结合特性情况下，可用不太明显 的纹理或例如通过机加工形成在瓷表面中的一系列沟槽来代替通常沿瓷表 面定位的砂带，从而减少制造成本、加工时间和填充间隙54所需的粘合剂 量。

本发明的实施例包括将金属连接板的凸缘附接到瓷体端部的方法，其 中，匹配表面不要求施加不同于粘合剂材料的涂层材料。即，在因热膨胀 引起的力的情况下，不需要单独的涂层提供垫圈或补偿衬垫功能。

本发明的特征是具有独特机械属性的粘合剂材料的配制，所述机械属 性可代替比较厚的常规水泥浆层。过去，为了用浆在上述瓷金属接头中提 供必要的机械完整性，接头的金属和瓷表面之间的界面需要比较大的间 隙，以容纳比较厚的水泥浆层。代替依靠比较厚的水泥浆层来确保提供最 小的机械强度，粘合剂配制成提供具有必要机械强度的比较薄的材料层。 而且，因为粘合剂能够在瓷和金属的不同表面之间确立结合，所以附接系 统不需要专门依靠由表面特征提供的机械锁定机构，即，沿瓷表面的砂带 和沿金属表面的一系列沟槽。

为了在高压瓷绝缘子组件的瓷涂覆体和金属凸缘板之间的接头中用粘 合剂代替水泥浆，需要将粘合剂配制成提供合适的耐压强度以及抗张强度 和切变强度。过去，将粘合剂与绝缘子产品一起使用通常仅限于那些要求 最小切变强度或特性抗张强度的应用中，但是现有应用通常不需要那种主 要为结构应用提供高水平耐压强度的配制剂。在高压瓷绝缘子组件中受到 力的情况下，使用粘合剂材料来形成稳定的耐用接头要求专门的粘合剂配 制剂具有独特的属性。合适的环氧树脂粘合剂易于获得，比如由Henkel  Corporation制造的产品PC9020Backing Compound。由 3M公司提供的3M^TMScotch-Weld^TM环氧树脂产品。还可使用其它类型的粘 合剂(例如聚亚安酯、聚酯或其它聚合物)来用于该应用。

根据本发明施加的粘合剂的特征在于至少60MPa的最小耐压强度。具 有高耐压强度在这样的应用中是重要的，其中，在高压瓷绝缘子组件中， 粘合剂代替水泥浆(i)以抑制固化的粘合剂在压力负荷下的裂纹；(ii)确保粘 合剂的尺寸稳定性；以及(iii)在热循环条件下抵抗故障。粘合剂的其它期望 特性包括至少17MPa的切变强度、在体积方面小于3.7％的收缩量(STM- 753)以及在多样环境条件(例如，冻融循环和从-50C至+70C的温度)下抵抗 恶化的能力。粘合剂结合应当具有30年的寿命，在该期间，其应当抵抗因 uv辐射引起的恶化，并不易于受到裂纹或粉化的影响。然而，可通过将uv 保护涂层施加到粘合剂的暴露表面来实现对uv损害的防护。在由合适金属 材料(例如，铝、铁、钢)形成的凸缘的情况下，粘合剂还应当设计成具有稳 定的热膨胀系数，即，在快速或极限温度周期期间，使粘合剂与凸缘金属 之间的不同膨胀率最小。在加工接头期间，粘合剂必须能够忍受约110C的 固化温度大约三天，以增强机械属性。

在具有这些属性以及低预固化粘性的粘合剂材料情况下，整个组装过 程(包括注射粘合剂和固化接头)适用于自动制造。在这方面，本发明的另一 特征是基于(i)比较短的粘合剂固化时间(与用水泥浆形成的接头所需的固化 时间相比)；以及(ii)选择与其它方法步骤相容的固化时间和固化温度，提供 了减少的制造时间。这使得可同时执行多个步骤，并可进行自动制造。与 这些能力相比，使用波特兰水泥浆限制了自动制造的能力。除了需要持续 很久的固化时间外，固化的浆产品的质量(例如，机械属性)对微小的成分变 化十分敏感。另一方面，用粘合剂代替水泥浆会使得提供恒定自动混杂及 使用自动分配机械相对简单和经济。而且，固化时间还可易于修改，以与 同时执行的另一方法步骤兼容。基于选择粘合剂、混合比率和固化温度， 可以减少固化时间。

所表明的优点在制造高压瓷绝缘子组件(比如电流变压器、电压变压器 或组合的变压器)时得以实现。这些变压器通常具有机械地固定在瓷绝缘子 体内的中空区域中的电活性子组件60。见图2，包括电活性部件的子组件 60是在将部件组装到瓷体中之前或之后干燥的烤炉或高压锅。随后，在用 绝缘流体填充空腔并密封空腔之前，将组件放置在烤炉干燥单元中，以干 燥电活性部件。可在对流加热烤箱中在升高的温度下或在高压锅中在100C 至140C的温度范围内执行环氧树脂固化过程。示例性条件是在110C下三 天固化周期。本发明的特征是提供粘合剂材料，其符合上面说明的规格， 并还具有至少100C的额定固化温度，以承受干燥过程，而不会损害粘合剂 属性。

在这些组合特征的情况下，可在升高的温度下执行干燥的时间周期期 间固化粘合剂材料。当未固化的粘合剂材料具有适于注射的低粘性时，例 如小于20000cPs，整个制造方法可自动化，相对于制造包括由水泥浆形成 的瓷金属接头的瓷绝缘子组件所需的时间，制造时间可大大减少。

一种形成瓷绝缘子结构(包含适用于将铝表面结合到瓷的粘合剂材料) 的制造方法可包括以下步骤：

1、加工具有端区域的中空或实心瓷体，端区域具有构造成插入形成在 安装板上的凸缘连接部分内的外表面。

2、提供安装板，安装板具有沿凸缘连接部分的内表面形成的沟槽，以 便于凸缘内表面与沿瓷体端区域的外表面之间的机械锁定。

3、提供单个或多个注射端口，所述注射端口从凸缘连接部分的外表面 延伸穿过凸缘，到达凸缘内表面，适用于通过该注射端口注射粘合剂材 料。

4、将中空或实心瓷体的端区域插入凸缘连接部分中，以邻近凸缘的内 表面放置瓷体端区域的外表面，瓷体端区域的外表面的一部分与凸缘的内 表面之间有间隙。

5、经由所述端口注射粘合剂以用粘合剂填充间隙，并填充瓷与金属表 面之间的所有空隙。

6、在瓷体的中空区域内提供电活性部件的子组件。

7、在粘合剂完全固化之前，将子组件机械地固定在瓷绝缘子体的中空 区域中。

8、在粘合剂部分地固化以充分地稳定用于结构的移动的接头之后，将 结构放置在加热环境中，以同时干燥电活性部件，并完全固化粘合剂材 料。

9、通过提供介电材料将子组件完全装配在中空区域中，并密封中空区 域免受周围环境影响。

已描述了形成瓷绝缘子结构的制造方法、在瓷绝缘子结构与金属结构 之间形成结构接头的方法以及具有位于瓷绝缘子体与金属结构之间的结构 接头类型的高压绝缘子结构。

用于形成瓷绝缘子结构的制造方法包括提供中空或实心瓷体，其具有 构造成通过插入凸缘内而连接到凸缘的端区域。金属凸缘具有开口，所述 开口用于沿内金属表面接收进入所述凸缘中的瓷体端区域。将瓷体的端区 域插入凸缘开口中，以邻近凸缘的内表面放置瓷体端区域的外表面，瓷体 端区域的外表面的至少一部分与凸缘的内表面之间有间隙。将粘合剂放入 间隙中，粘合剂填充空隙，以在瓷和金属表面之间建立结合。将电活性子 组件定位在瓷中空体的中空区域中。将电活性子组件固定在瓷绝缘子体的 中空区域中。在部分地固化粘合剂以充分地稳定用于所述结构的移动的接 头之后，将结构放置在加热环境中，以同时干燥电活性部件，并完全固化 粘合剂以提供所述结合。

用于形成瓷绝缘子结构与金属结构之间的结构接头的方法包括提供用 在高压输电应用中的那种类型的瓷体，所述瓷体具有通过插入凸缘内而连 接到所述凸缘的端区域。提供金属凸缘，金属凸缘具有用于接收所述瓷体 端区域的开口，所述凸缘包括内金属表面，所述端区域沿所述内金属表面 被接收。将所述瓷体的端区域插入凸缘开口中，以邻近所述凸缘的内表面 放置所述瓷体端区域的外瓷表面，所述瓷体端区域的外表面的一部分与所 述凸缘的内金属表面之间有间隙。在所述瓷体端区域的外表面与所述凸缘 的内表面之间通过将粘合剂放置在所述间隙中而形成结合来产生结构接 头，所述粘合剂的特征在于至少60MPa的耐压强度，以给所述结合提供结 构完整性。

具有位于瓷绝缘子体和金属结构之间的结构接头类型的高压绝缘子结 构包括用在高压输电应用中那种类型的瓷体。所述瓷体具有构造成通过插 入凸缘内而连接到所述凸缘的端区域。金属凸缘具有用于接收所述瓷体的 端区域的开口，包括内金属表面，所述瓷体端区域沿所述内金属表面定 位，从而在所述瓷体与所述凸缘之间提供接头。所述瓷体端区域的外瓷表 面邻近所述凸缘的内金属表面，所述瓷体端区域的外表面的一部分与所述 凸缘的内金属表面之间有间隙。粘合剂定位在所述间隙中，并在所述瓷体 端区域的外表面与所述凸缘的内表面之间延伸，以在所述瓷体端区域与所 述凸缘之间形成结合，其中，所述粘合剂的特征在于至少60MPa的耐压强 度，以给所述结合提供结构完整性。

尽管本文中显示和描述了本发明的许多实施例，但是这些实施例仅仅 以示例的形式提供。在不脱离本发明的情况下，可以进行许多修改、改变 和替代。相应地，本发明仅由所附权利要求书的精神和范围限定。