专利名称：用于高压装置中抑制电晕放电的导电半固化片的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用合成树脂浸渍的强化或模制材料(即半固化片材料)领域。尤其是，本发明涉及用于高压装置中抑制电晕放电的导电半固化片。
许多年以来，已经把半固化片材料用于在加上接地壁绝缘之前把内冷却通道先粘连到高压线圈。典型地，用热固化树脂处理DACRON绝缘垫材料制备出位于在内冷却通道和高压线圈的线圈条之间的半固化片。加热该组件，固化该半固化片材料并使组件粘连得足以允许对它进行操作。然后通常围绕组件缠绕多层云母带，给组件设置一接地壁绝缘罩。因为云母绝缘相当脆，所以在压力下用无溶剂浸渍剂浸渍。当固化时，浸渍剂提供所需的强度和稳定性以及在接地壁和线圈条之间的连接。
美国专利第3,960,803号，1976年7月1日公开的，题为“用于粘连高压装置中线圈的柔软不发粘的半固化片以及制造所述半固化片的方法”公开了一种用树脂处理过的纤维垫形的半固化片，它包括包含环氧酐树脂(epoxy—anhydride resin)的DACRON聚脂垫，它是与真空加压浸渍剂(即，一种苯乙烯—环氧—酐浸渍剂)工艺上相容。美国专利第4,112,183号，题为“含有机锡催化剂的柔软的富树脂环氧云母缠绕带绝缘”于1978年9月5日公开了一种上述类型的柔软云母缠绕带。这两个专利可被作为在半固化片材料和云母缠绕带上进一步的信息。
图1表示如公开在上述美国专利第3,960,803中的高压内冷半线圈组件。如在该专利中所公开的，内冷高压线圈10包括铜线圈条的第一行11。在进行组装之前，每个线圈条用玻璃纤维包覆，并可以包含绝缘漆成类似材料的附加涂层。在线圈行11之间设有第一半固化片层12，它由一种纤维垫组成，该纤维垫由对苯二甲酸—乙二醇聚脂(glycol ethylene ferephthalate polymeric ester)类纤维制成，上述纤维用环氧酐树脂处理。另外，内冷通道13和13毗邻线圈行11设置，在一行线圈条11和内冷通道13、14之间设有第二层环氧酐纤维垫形半固化片16、17，毗邻所示的内冷通道13和14设有第三层半固化层18、19。在第三半固化层18、19上设有线圈条行21和22，毗邻线圈条21和22设有第四层半固化片23、24，如所示。
803号专利进一步公开了线圈、通道和半固化层组合排列在烧结炉中加热，从而提供一体化连接、部分固化的组件。该组件接着用被缠绕在组合件上的云母接地壁26覆盖，给线圈提供所要求的绝缘和保护。然后把缠绕后的组件在压力下用苯乙烯环氧酐浸渍剂浸渍并加热。完全固化后的组件提供了连接成一体的内冷却高压线圈10，其中浸渍剂至少粘连到半固化片的一部分。
但是，尽管在浸渍剂和加树脂的绝缘垫之间有较高程度的工艺相容性，本发明人发现在云母/绝缘垫界面上形成“微孔”。这些微孔导致电晕和在高电压下不希望的损失角正切(Tanδ)。
因此，本发明的主要目的是提供用于抑制在象高压发电机线圈等这样的高压装置中的电晕放电的装置。本发明的进一步目的是提供装填适当树脂的导电垫，从而提供解决电晕放电问题的方案，该问题普通存在于制造实践之中。
通过提供一高压线圈组件达到本发明的目的，该组件包括用于抑制电晕放电的导电半固化片。最好，把半固化片设置在高电场作用的区域，如在高压线圈和绝缘缠绕带之间。例如，在旋转动力机械中所用Roebel换位处设置半固化片。该半固化片最好包括用树脂浸透的导电纤维垫，该导电纤维垫可由聚酯组成，如DACRON聚酯，用聚苯胺(包括它的烷基衍生物)或聚吡咯混合物涂覆。用NOMEX或KEVLAR纤维或玻璃制成的其它涂覆纤维也是合适的。聚苯撑硫、聚噻吩和聚乙炔是可用的其它导电聚合物。DACRON，NOMEX和KEVLAR是美国特拉华州，Wilmington的E.I.Dupont DeNemous and Company的商标。
图1描述了根据现有技术的完全组装为及固化后的内冷却高压线圈的截面视图。
图2描述了根据本发明的对图1中所描绘类型的改进组件。
图3描述了怎样利用导电垫抑制线圈接地壁绝缘中的电晕放电。
图4是下述例3的数据曲线图。实际上这个曲线图表示分别对于导电和不导电DACRON聚酯试品的所测损失角正切和倾斜对试验电压的函数。
图5A至5D是用于研讨例4中所述的数据曲线图。
根据本发明的一个最佳实施例，由导电纤维垫材料(如，DACRON聚酯)构成的新颖的电晕抑制材料用原先固化态的热固性树脂(如环氧酐树脂)浸渍，它是与用来粘结在高压线圈接地壁绝缘中的云母层的真空加压浸渍树脂工艺上相容。图2表示这种导电半固化片材料是怎么用于高压线圈结构中的。正如所示的，导电半固化片30被放在高电场作用区，即在云母带和导体之间。根据线圈的结构和几何尺寸，导电半固化片可以放在其它位置。
图3描述了半导体垫(DACRON聚酯)30′是如何抑制线圈接地壁绝缘26′(云母带)中的电晕放电的。在该垫的位置上的微孔32由导电通路包围，这将有效地使电晕放电短路，还示出了VPI树脂34和绝缘的DACRON聚酯36(任选的)的层。
根据本发明当前的最佳实施例，以二个步骤进行纤维的制备(1)用导电聚合物包覆，随后(2)用合适的热固性树脂浸透。可用采用U.S专利第4,803,096号公开的方法进行导电聚合物的包覆，该专利公开在1989年2月7日，题为”导电纺织材料及其制造方法”。在4,803,096号专利中所述的包覆纤维工艺对于本发明中所用绝缘垫材料来讲，可以通过低温下使用聚化以及在聚吡咯情况，利用增添掺杂剂来加以改进。这种改进生产出低阻绝缘垫材料以及在垫上不会捕捉到大块的聚合物。在以下实例中，垫的电阻由反应时间来确定。
例1聚苯胺制备反应混合物并保持在10—12℃，该混合物由1M HCl1500ml，1.5ml苯胺和3.75g(NH4)2S2O8组成。把裸DACRON聚酯条试品悬置在溶液中，在不同时间之后撤出，用1M HCl冲洗试品，随后使它在空气中干燥。结果综合在表1中。这些材料的电阻是50,000—60,000Ω。由双探头电阻测量(0.8cm电极间距)来确定。通过在0℃进行反应已获得2,000Ω的电阻。
表1—DACRON/聚苯胺特性试品号 包覆后的重量 在反应混合物中的时间 电阻变化(g) (h) (Ω)1 0.031.5 50,0002 0.032.2550,0003 0.013.0 60,0004 0.033.7550,0005 0.034.5 60,000把这种导电溶液滚压到纤维垫上也是可适用的。
例2聚吡咯制备反应混合物并保持在10—12℃，该混合物由1500ml水，1.0ml吡咯，5.1g FeCl3，2.9克的P—甲苯碘酸构成。把DACRON聚酯垫条悬置在溶液之中，不同时间后取出。用水冲洗试品，并在空气中干燥。结果综合在表2中，以两探头电阻测量(0.8cm电极距离)确定的话，这些材料的电阻的范围是4,000到100,000Ω，通过在0℃进行该反应已获得低到1,000Ω的电阻。
表2—DACRON聚酯/聚吡咯特性试品号包覆后的重量在反应混合物中的时间电阻变化(g) (h) (Ω)1 0.001.0 100,0002 0.002.0 40,0003 0.013.0 5,0004 0.014.0 5,0005 0.035.0 4,000
在第二步中，把干燥、包覆后的绝缘垫浸入适当的热固性树脂溶液中，在这些例子中，使用“MB—1”它由138g DE—661,22gECA—100,22g HHPA，和111g MEK和111g甲苯组成。挤压该垫排去多余的树脂，在135℃干燥2分钟，或在室温干燥一夜除去溶剂。
对经树脂处理后的绝缘垫进行一般的“焙化”周期(135℃进行45分钟)而没有导电聚合物的分解。所测表面电阻因为其高树脂成份而在焙化之后相当高。一般，所测两探头电阻是2—10MΩ。可推测，绝缘垫本身的电阻无明显变化。
例3包覆聚吡咯的DACRON聚酯如下制备两个包覆聚吡咯的DACRON聚酯条通过在室温下搅动把2.0ml的吡咯溶解在1.860ml的去离子水中。另外单独地，在140ml去离子水中溶解10.24g FeCl3和5.7g P—甲苯磺酸水化合物。当溶解吡咯时，添入FeCl3溶液，然后把两个38英寸乘2英寸(96cm×5cm)的条放入烧杯。允许反应进行18小时，当反应完成时，取出条子，用新鲜的去离子水冲洗几次，在测量表面电阻之前，在空气中干燥条子24小时。这些聚酯条的表面电阻大约为15，000Ω/sg。随后用环氧树脂溶液浸渍这些条子，达到71—73％树脂的水平(在溶剂蒸发之后)。
使用导电的聚合物处理后的DACRON聚酸垫试品，在实验室中加工试验线圈，用48英寸(122cm)的经环氧树脂处理后的DACRON聚酯Roebel填充物和48英寸的导电聚合物制造一个96英寸(244cm)长的线圈段，两段一起加工并测量功率因数，结果示于图4中，曲线表示为试验电压函数的损失角正切(百分比)和倾斜(百分比)。定义为V4—V1的倾斜对于导电DACRON聚脂来讲为0.47％，对于非导电DACRON聚脂来讲为1.09％，在该试验中，导电填充物和铜不电连接。
例4聚吡咯/聚酯和聚苯胺/聚酯垫该研究显示出用部分导电的聚酯填充材料代替绝缘聚酯填充材料能在模拟发电机线圈的试棒上观测到降低随增压而损失角正切的增加(即倾斜)。包覆聚吡咯的聚酯比普通的绝缘材料和包覆聚苯胺的聚酯完成得好。
正如上述所讨论的，在高压装置中的功率因数和损失角正切倾斜在电压增加时增加。该现象归因于绝缘材料微孔中出现的局部放电，这些微孔是在固化时不完全的树脂浸透、收缩，或材料表面之间交界的脱合引起。这样微孔的很可能的地方是围绕Roebel交迭处的以及高压装置中层迭之间所用的聚合物填充材料，该例课题所研究的目的是决定使用部分导电的填充物是否将通过防止在可能有的任何微孔上的高电场积累来防止绝缘中的局部放电，所研究的材料是绝缘材料，用导电的聚合物包覆从而产生部分表面导电性。具体讲，在浸渍之前在绝缘的无纺聚酯垫上包覆聚吡咯(PPV)和聚苯胺(PAn)。使用标准的试棒来估计电性能，该试棒有用适当材料填充的切口。
如上所述，美国专利No.4,803,096号公开了用于在纤维衬底上淀积导电聚合物的工艺，该工艺完成之后，所完成后的材料具有导电的聚合物附在其表面上且是不能自由地移去的。这样的话，它对于加碳浆料来讲有优点，因为那里碳可能被转移到不是要它驻留的地方去。进一步讲，对于特定的需要可以一宽广的范围上改变导电聚合物的导电性。聚吡咯/聚脂垫商业上可得到的裸聚酯条是用聚吡咯包覆的。在0℃把绝缘条悬在水溶液中，该溶液包括0.042MFeCl3和0.02M的P—甲苯磺酸。反应开始添加吡咯到0.02M的最后浓度，在反应期间该溶液颜色逐渐变深直到它是黑的。1—5小时之后，取出绝缘条，用水冲洗，在空气中干燥。聚苯胺/聚脂垫也用聚苯胺包覆聚脂垫，在0℃把聚酯条悬挂在1M HCl和0.011M(NH4)2S2O8的溶液中，添加苯胺直到0.011M的最终浓度。经潜伏期之后，溶液的颜色逐渐变成深绿色。3—7小时后取出聚酯条，并用1M HCl冲洗，然后在空气中干燥。绝缘垫的浸渍用化学上类似于在制备商业上不导电填充材料所用的树脂(西屋公司型号41485BM)的混合羧基酸酐环氧树脂溶液浸渍两种垫材料，见上面引证的美国专利第3,960,803和4,105,984号。通过在树脂溶液中浸没来浸渍绝缘条并在玻璃棒之间拉伸，用这一工艺获得75％树脂(重量比)的最终成份。通过在135℃蒸发2分钟排去溶剂。
通过在12英尺长，0.500英寸厚(365cm×1.3cm)的铝棒上铣制四个0.63英寸乘0.750英寸乘11.000英寸(1.6cm×1.9cm×28cm)的切口来模拟空腔和线圈，在棒的每一侧上铣两个这样的切口，使它们相互对着，清理这些切口之后，切下填充材料填满切口。压缩填充料，使之不超过0.500英寸(1.3cm)的总体的棒厚度，然后在85℃上局部地固化填充材料二个小时。然后用多层云母带缠绕棒体，并浸渍。电试验通过在以下部位围绕试棒缠绕铜箔电极进行电试验在每个切口的每个端部，在切口的中部，较远离切口部分的部位。以这种方法，能确定填充材料对电性能的影响。在60Hz和以下所加电压下完成损失角正切和电容的测量，即2.0、4.4、8.0、13.0、17.5、22.0和26.5KV。
除了用部分导电材料制造试棒以外，也可使用绝缘聚酯作棒体。在商用绝缘填充料中通常观测到的倾斜示于图5A中，它描绘出对填料(由空符号表示)和对实心棒(由实符号表示)的所做测量。在试验室中浸渍的绝缘填料显示出类似的结果，如图5B所示，它描绘了对填料(空符号)和对实心棒(实符号)上所做的测量。
用涂有聚苯胺的聚酯制成的棒不呈现明显地比绝缘聚脂低的损失角正切倾斜。这显示在图5C中，它描绘出对涂有聚苯胺的聚酯填充材料(空符号)和对实心棒(实符号)上所测的结果。另一方面，涂有聚吡咯的聚酯呈现出相当好的结果，这表示在图5D上，它描绘了在三个不同试棒上的涂聚吡咯聚酯填料的电性能测量结果。
已经研究出对于制备聚苯胺的改进的合成方法，见Y.Wer，X.Tang.Y.Sun.W.W.Focke，J.Roly.Scio A.的1989.27，2385—2392上。在该领域的未来工作中可使用这些改进方法。另外，在聚苯胺合成中替代HCl可使用更稳定的质子酸(proton acid)。
下面的表3和表4综合出该研究的结果。
表3反应时间电阻PPY电阻PAn(Ω/sq)(Ω/sq)1 66001.566002 25002.25 22003 1100 22004 7004.518005 500表4条样标记 电阻(kΩ/sq)PPY—117.9PPY—28.8PPY—318.1PPY—420.8PAn—137.2PAn—228.9PAn—336.6PAn—439.权利要求
1.一种高压线圈组件(10)，其特征在于在高压线圈和绝缘缠绕物之间设有用于抑制电晕放电的导电半固化片(30)。
2.根据权利要求1的一种高压线圈组件，其特征在于所述半固化片包括用树脂浸透的导电纤维垫。
3.根据权利要求2的一种高压线圈组件，其特征在于所述导电纤维垫包括聚酯。
4.根据权利要求1的一种高压线圈组件，其特征在于所述半固化片用聚苯胺组合物和聚吡咯组合物之一包覆的绝缘垫材料组成。
5.一种高压装置，包括一个第一导体(11)，紧毗邻所述导体的绝缘件(26)，其中当在所述第一导体和所述绝缘件之间出现高电压差时，出现高电场作用，其特征在于，在高电场作用区域上用于减小电晕放电的导电材料(30)。
6.根据权利要求5的高压装置，其特征在于所述导电材料由导电半固化片组成。
全文摘要
公开一种富树脂的导电垫材料(30)，能把所公开的导电垫用于抑制在高压发电机线圈中的电晕放电，通过用导电聚合物，象聚苯胺和聚吡咯处理制备导电垫，可获得电阻值范围4,000到100,000Ω。该处理后的垫能容易地用热固化树脂，象环氧树脂浸渍，从而为适合在汽轮发电机中所用的线圈粘连提供柔软的半固化片。
文档编号H02K3/30GK1119778SQ9510602
公开日1996年4月3日 申请日期1995年5月15日 优先权日1994年5月16日
发明者詹姆斯·D·B·斯密斯, 弗兰克林·T·埃米利, 小卡尔·F·斯科奇 申请人:西屋电气公司