变压器绝缘纸和其它不导电的变压器组件的制作方法
【专利摘要】公开了包含聚醚酰亚胺纤维的变压器绝缘纸，以及制备变压器绝缘纸和制品的方法。
【专利说明】变压器绝缘纸和其它不导电的变压器组件
【背景技术】
[0001] 本公开涉及变压器绝缘纸和其它不导电的变压器组件。电力装置和组件通常使用 绝缘纸来包围电导体并使电导体电绝缘。一种这样的电力装置是变压器，其具有至少两个 共用一个磁通量的电路，使得一个电路中的电压磁力诱导产生另一个电路中的电压。而且， 磁路可以由铁芯提供。电路和芯可以浸入外壳内的介电流体中。这些介电流体也称为变压 器油，包含它们的变压器称为充油变压器。通过绝缘纸使构成电路的导体彼此且与其它组 件（例如芯和外壳）分离且电绝缘。
[0002] 充油变压器中的非导电组件（隔板，油管，纸（多孔和无孔的，以及褶皱的），板，塑 料栓，绳索等）通常由纤维质材料和其它亲水性材料（即，纸，纸板，木材，棉花，尼龙等）制 备。这些材料的缺点是，当暴露于高温时它们会降解，并将作为它们分解副产物的水引入到 充油变压器中。充油变压器的水污染物是非常不期望的，因为这会通过放电行为和耗损使 变压器的性能劣化，使非导电组件进一步降解，并最终使变压器电失效。
[0003] 除了它们对使用寿命的不利影响之外，纤维质材料和其它亲水性材料迫使充油变 压器的生产周期延迟。由于纤维质材料和其它亲水性材料保持水分的倾向，这些不导电变 压器组件在组装到充油变压器中之前经历延长的干燥过程。也已经观察到，干燥过程可导 致这些组件变脆，这也可导致变压器的使用寿命降低。
[0004] 美国专利6, 980, 076涉及改善的纤维质绝缘纸，其包含合成增强纤维，该增强纤 维意图通过提供增强网状物来延长纤维纸当它们在使用寿命期间降解时的效用。但是，这 种改善的纤维纸当老化时仍会释放出水，导致充油变压器的水降解，因此本领域仍迫切需 要改善的电绝缘纸。
[0005] 因此期望的是，用不具有该缺点的相当的结构替代纤维质和亲水性不导电结构。 这样做可以得到下述变压器，其在较高温度、较高能量密度可使用较长的寿命-所有这些 对于更新电栅格（electricgrid)和减轻电动车辆对配电和电力变压器的冲击方面都是必 要的。此外，这样的变压器可以较快和较容易地制造，并且也导致较快、较低成本的修理。
【发明内容】
[0006] 本申请公开了变压器绝缘纸，其包括纤维组合物的固结产品，所述纤维组合物包 含，基于所述纤维组合物中纤维的总重量：35至70重量％的聚醚酰亚胺均聚物纤维、聚醚 酰亚胺共聚物纤维、或包括前述纤维中至少一种的组合；至少5重量％的粘结剂，其包含芳 族聚酰胺纤条体、芳族聚酰胺纤维、或包含前述中至少一种的组合；和5至30重量％的液晶 聚合物纤维，其中所述粘结剂包含小于10重量％的聚碳酸酯；所述聚酰亚胺在低于聚酰亚 胺的Tg的高温暴露于硅油、植物油或矿物油之后，保留了其分子量的至少90%。在一种实 施方式中，固结的产品具有以下性质：
[0007] 1)电阻率为至少 1000M0hm-cm;
[0008] 2)电击穿强度为至少177kV/cm;
[0009] 3)热容超过NEMA等级F(155°C)和NEMA等级H(180°C)的标准；
[0010] 4)在100%相对湿度由于水饱和引起的小于或等于5重量％的增加；
[0011] 5)测量为埃尔门多夫撕裂强度的撕裂强度为至少85mN，根据TAPPI-414om-04测 定；和
[0012] 6)厚度为大于0至小于100毫米。
[0013] 本申请也公开了形成变压器绝缘纸的方法，其通过：由包含悬浮溶剂和纤维组合 物的淤浆形成层：，该纤维组合物包含以下物质的组合：35至70wt. %的聚醚酰亚胺纤维； 至少5wt. %的芳族聚酰胺纤维；和5至30wt. %的液晶聚合物纤维，其中所述纤维的wt. % 基于所述纤维组合物中纤维的总重量；使所述层脱水；和使所述层固结以形成纤维性基 底。
[0014] 也公开了包括以下形式的变压器绝缘纸的变压器组件：多孔纸、无孔纸、褶皱纸、 粘性纸、隔板、纸板、和硬质结构。
[0015] 也公开了包括包含变压器绝缘纸的组件的变压器。
[0016] 上述的和其它特征由以下附图和【具体实施方式】例证。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是变压器的绝缘结构的截面侧视图。
[0018] 图2是矩形电线导体的截面前视图。
[0019] 图3是图2的导体的透视图。
[0020] 图4是三根电线的导体的截面前视图。
[0021] 图5是图4的导体的透视图。
【具体实施方式】
[0022] 发明人已经发现，包含由纤维质材料制备的非导电组件的充油变压器的这些缺点 可以通过提供非导电组件用于由聚醚酰亚胺和增强纤维组成的充油变压器来克服。
[0023] 纤维性基底可以用于制备各种类型的在变压器中使用的纸，例如多孔纸、无孔纸、 纸板、隔板和粘性纸，它们全部需要具有与变压器绝缘纸相当的湿撕裂强度。多孔纸：用于 缠绕转组（turngroups)的一些纸需要为多孔的，从而允许油渗入并移除所有气泡。捕集 的空气是非常不期望的。无孔纸：用于缠绕转组和引线的一些纸无需是多孔的。传统的膜 能够达到但是通常缺乏足够的纸的撕裂强度。纸必须具有与变压器绝缘纸相当的湿撕裂强 度。纸板和隔板：这样的结构需要为电导体提供物理避开隔离。传统上，这些材料稍微多 孔，由此消除气泡或空隙。其可以由实心结构替代，但是该结构必须是无空隙的。粘性纸用 于在较小的变压器中处理油管。粘性可以由固体聚醚酰亚胺产生，根据变压器设计，纸衬背 可以是膜或多孔纸（如果需要）。
[0024] 纤维组合物可以包含35至70wt. %的聚醚酰亚胺均聚物纤维、聚醚酰亚胺共聚物 纤维、或前述的组合，例如40至70wt. %、50至70wt. %、40至65wt. %、45至65wt. %、50 至65wt. %、50至70wt. %、60至70wt. %或65至70wt. %的聚醚酰亚胺均聚物纤维、聚醚 酰亚胺共聚物纤维、或前述的组合。
[0025] 纤维组合物可以包含至少5wt. %的芳族聚酰胺纤条体（fibrid)、芳族聚酰胺纤 维、或包含前述中至少一种的组合，例如5至30wt. %、5至25wt. %、5至20wt. %、5至 15wt. %、5 至 10wt. %、10 至 30wt. %、10 至 25wt. %、10 至 20wt. %、或 10 至 15wt. %的芳 族聚酰胺纤条体、芳族聚酰胺纤维、或包含前述中至少一种的组合。
[0026] 纤维组合物可以包含5至30wt. %的液晶聚合物纤维，例如5至25wt. %、5至 20wt. %、5 至 15wt. %、5 至 10wt. %、10 至 30wt. %、10 至 25wt. %、10 至 20wt. %、10 至 15wt. %、15 至 30wt. %、15 至 25wt. %、15 至 20wt. %、20 至 30wt. %、25 至 30wt. % 的液晶 聚合物纤维。
[0027]在本专利申请中公开了各种数值范围。因为这些范围是连续的，因此它们包括最 小值和最大值之间的每一个值。除非特别指出，本申请说明的各种数字的范围是近似值。表 示相同组分或性质的所有范围的端点包括端点并且可独立组合。
[0028] 术语"一个"和"一种"不表示数量限制，而仅仅表示存在至少一种所指要素。本 申请使用的"其组合"包括一个或多个所述要素，其任选与未陈述的同样要素一起使用。整 个说明书中提及的"一种实施方式"、"另一种实施方式"、"一些实施方式"等指的是参考该 实施方式描述的具体要素（如特征、结构、性能和/或特性）包含在本申请描述的至少一种 实施方式中，并且可能存在或可能不存在于其它实施方式中。此外，应该理解的是所描述的 要素可以在众多实施方式中以任何适宜的方式组合。
[0029] 使用标准命名法描述化合物。例如，没有被任何指定基团取代的任何位置理解为 其化合价由指定键或氢原子所填充。不是在两个字母或符号之间的破折号用来表示 取代基的连接点。例如，-CH0通过羰基基团的碳连接。术语"烷基"包括具有指定数目碳原 子的支化的和直链的不饱和脂族烃基团两者。烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、正 丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、仲戊基、正己基和仲己基、正庚基和仲庚基、 以及正辛基和仲辛基。术语"芳基"表示包含指定数目碳原子和任选的1至3个杂原子（例 如，0、S、P、N、或Si)的芳族部分，例如苯基、环庚三烯酮、茚满基、或萘基。
[0030] 除非另有指出，否则本申请的所有分子量是指重均分子量。所有这样提及的分子 量均以道尔顿表示。
[0031] 除非另有指出，否则所有的ASTM试验均基于ASTM标准的年刊书籍的2003版。
[0032]本申请使用的术语"纤维"包括多种结构，这些结构具有长径比（长度：直径）大 于2、特别是大于5、大于10、或大于100的单根细丝。术语纤维也包括纤维体（fibrets)(非 常短（长度小于1mm)、细（直径小于50ym)的原纤化纤维，其为高度支化和不规则的，得到 高的表面积），和原纤（纤维的微小线状要素）。纤维的直径由其纤维纤度表示，该纤维纤 度通常报告为dtex或dpf。报告为"dtex"的数值表示以克/10,000米纤维计的质量。数 值"dpf"表示旦数/纤维。在两个和单个细丝纤维上使用测量的纤度体系，dpf=总旦数/ 均匀细丝的量。一些常用的与旦数相关的计算如下：
[0033] 1 旦=1 克 /9, 〇〇〇 米=〇? 05 克 /450 米=0? 111 毫克 / 米。
[0034]在实践中，测量9, 000米比较麻烦，通常称重900米的样品，将结果乘以10,得到纤 度重量。
[0035]本申请使用的术语"纤条体"表示非常小的、非粒状的、纤维或膜状粒子，其三个尺 寸中的至少一个比最大尺寸的数量级小，使得它们实质上是二维粒子，通常其长度为大于〇 至小于〇? 3mm,宽度为大于0至小于0? 3mm，深度为大于0至小于0? 1mm。在一种示例性的实 施方式中，纤条体的尺寸数量级为1〇〇ymxlOOymxO. 1ym。
[0036] 纤条体通常通过使聚合物溶液流进不与溶液的溶剂溶混的液体的凝结浴制备。当 聚合物凝结时，使聚合物溶液的流经受剧烈的剪切力和湍流。本发明的纤条体材料可以是 间位芳纶、对位芳纶或其共混物。更特别地，纤条体是对位芳纶。这样的芳纶纤条体在干燥 之前可以湿润使用并且可以作为物理缠绕纸的絮状物组分周围的粘结剂沉积。
[0037] 聚醚酰亚胺包含多于1个、例如10至1，000或10至500个式（1)的结构单元：
[0038]
【权利要求】
1. 变压器绝缘纸，其包括纤维组合物的固结产品，所述纤维组合物包含，基于所述纤维 组合物中纤维的总重量： 35至70重量％的聚醚酰亚胺均聚物纤维、聚醚酰亚胺共聚物纤维、或前述的组合； 至少5重量％的粘结剂纤维，其包含芳族聚酰胺纤条体、芳族聚酰胺纤维、或包含前述 中至少一种的组合；和 5至30重量％的液晶聚合物纤维， 其中所述粘结剂纤维包含小于10重量％的聚碳酸酯。
2. 权利要求1的变压器绝缘纸，其中在150至200°C的温度暴露于硅油、植物油或矿物 油之后，所述聚酰亚胺保留其分子量的至少90%。
3. 权利要求1的变压器绝缘纸，其中在180°C的温度暴露于硅油、植物油或矿物油之 后，所述聚酰亚胺保留其分子量的至少90%。
4. 前述权利要求任一项的变压器绝缘纸，其中所述固结的产品具有以下性质： 电阻率为至少1000M0hm-cm ; 电击穿强度为至少177kV/cm ; 热容超过NEM等级F(155°C )和NEM等级H(180°C )的标准； 测量为埃尔门多夫撕裂强度的撕裂强度为至少85mN ;和 厚度为大于〇至小于100毫米。
5. 前述权利要求任一项的变压器绝缘纸，其中所述固结产品的孔隙率足以使变压器油 循环通过所述固结产品并从所述固结产品中驱除气体。
6. 前述权利要求任一项的变压器绝缘纸，其中所述孔隙率为10至90体积％。
7. 前述权利要求任一项的变压器绝缘纸，其中所述聚醚酰亚胺包含具有下式的结构单 元： 其中在以上式中，
η大于1， R是具有6至20个碳原子的芳族烃基团，其卤化衍生物，具有2至10个碳原子的直链 或支链亚烷基，具有3至20个碳原子的环亚烷基，或下式的二价基团
其中Q1是键，_〇_，_S_，-C (0)-，-S02-，-S0-，和-CyH2y-及其齒化衍生物，其中y是1至 5 ;且 Z1各自独立地为任选取代有1至6个Cp8烷基、1至8个卤素原子、或包含前述中至少 一种的组合的芳族C6_24单环或多环部分。
8. 权利要求7的变压器绝缘纸，其中Z1是下式的二价基团：
其中Qa各自独立地为单键，-〇-，-S-，-C (O) -，-S02-，-S〇-，和-CyH2y-及其齒化衍生物， 其中y为1至5的整数，且 R是下式的二价基团：
以及包含前述中至少一种的组合，其中Q1是单键，-〇_，-S-，-C (0) -，-S02-，-SO-，-CyH2y-或其卤化衍生物，其中y为1至5的整数。
9. 权利要求7的变压器绝缘纸，其中Z是2, 2-(4-亚苯基）异丙叉，R是间亚苯基、 对-亚苯基二芳基砜，或包含前述中至少一种的组合。
10. 前述权利要求任一项的变压器绝缘纸，其中所述芳族聚酰胺是聚（对苯二甲酰对 苯二胺），聚（对-亚苯基对苯二甲酰亚胺-共聚-3' 4' -氧二亚苯基对苯二甲酰亚胺）， 或包含前述芳族聚酰胺中至少一种的组合。
11. 前述权利要求任一项的变压器绝缘纸，其中所述液晶聚合物是聚（4-羟基苯甲 酸-共聚-6-羟基-2-萘甲酸）。
12. 形成权利要求1的变压器绝缘纸的方法，包括： 由包含以下组分的淤浆形成层： 悬浮溶剂；和 纤维组合物，其包含以下物质的组合： 35至70wt. %的聚醚酰亚胺纤维； 至少5wt. %的芳族聚酰胺纤维；和 5至30wt. %的液晶聚合物纤维， 其中所述纤维的wt. %基于所述纤维组合物中纤维的总重量； 使所述层脱水；和 使所述层固结以形成纤维性基底。
13. 权利要求12的方法，其中所述固结在静态压机中进行。
14. 权利要求12的方法，其中在所述方法的至少一部分过程中使所述层暴露于低于大 气压的压力。
15. 权利要求12的方法，其中所述固结在连续辊式压机中进行。
16. 包括前述权利要求任一项的变压器绝缘纸的变压器组件。
17. 权利要求16的变压器组件，其中所述组件是多孔纸、无孔纸、褶皱纸、粘性纸、隔 板、纸板、或硬质结构。
18. 权利要求16的变压器组件，其孔隙率为大于0至774秒/米空气柱。
【文档编号】H05K1/03GK104246044SQ201380017574
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年3月28日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】J.R.克兰, E.O.图奇 申请人:沙伯基础创新塑料知识产权有限公司