无机电绝缘材料的制作方法

本公开涉及一种用于电气设备的固体绝缘材料。

背景技术：

传统上，充油变压器使用矿物油作为介电液体以用于绝缘和冷却双重目的，并且使用纤维素或芳族聚酰胺纸作为用于导体、层和主绝缘的固体绝缘。纤维素基材料成本低，并且变压器行业长期以来对纤维素油绝缘系统有很好的经验。相比之下，芳族聚酰胺绝缘是昂贵的，但它们更适合在高温下使用。

纤维素绝缘材料用于变压器绝缘目的具有一些固有的缺点，例如相对较低的介电强度、亲水性、热降解性能差和高收缩性。对于具有纤维素材料的变压器绝缘设计，这些差的特性必须通过具有低介电应力的介电设计标准和/或通过使用过量的纤维素绝缘材料来补偿。变压器中过量的纤维素材料增加了绝缘的干燥时间，增加了变压器的整体尺寸，并对绝缘系统的介电完整性产生了负面影响。此外，一些纤维素特性如热降解特性和亲水性也限制了变压器在较高温度下(例如在过载条件下)的连续操作。

在电变压器的不同部分中，使用绝缘材料来避免闪络等。这种绝缘材料通常是基于纤维素的，因为这种纸或压板材料便宜并且易于处理，同时提供充分的绝缘。充油变压器中绝缘体的实例是：

-间隔件，其位于绕组的匝/盘之间，允许油在其间循环。

-位于绕组和芯之间或不同绕组之间的轴向棒。

-筒体，其位于绕组周围，绕组和其芯之间或不同绕组之间。

-绕组台，其定位在多个绕组的上方和下方，支撑绕组。

-变压器绕组的导体的导体绝缘。

为了改善绝缘材料的电气特性，已经尝试在固体绝缘材料中使用无机纳米颗粒作为填充材料，例如上述基于纤维素的材料。

us2014/022039公开了在充油变压器中的绝缘线圈的脂肪族聚酰胺绝缘材料中使用纳米填料。纳米填料可以是二氧化钛(tio2)、二氧化硅(sio2)或三氧化二铝(al2o3)或这些材料的混合物。

us2010/148903公开了一种具有包括聚双环戊二烯的固体绝缘材料的电压变压器。该绝缘材料可以包括纳米尺寸的无机填料，例如硅质材料、含碳材料、金属水合物、金属氧化物、金属硼化物、金属氮化物以及上述材料中的两种或更多种的混合物。

wo2011/003635公开了一种纳米复合绝缘材料，其包括半导体纳米颗粒，该半导体纳米颗粒特别地由氮化硼纳米管(bnnt)构成并且分布在诸如纤维素纤维的电绝缘绝缘体中。

然而，使用少量的填充材料仅对电气特性带来了有限的改进，而使用较大的量的填充材料显著地恶化了绝缘材料的机械性能，例如使其易碎。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于电气设备的改进的绝缘材料，其具有改进的电绝缘性能。

根据本发明的一个方面，提供了一种电绝缘无机片材，其包含至少90％的重量百分比的无机颗粒以及将颗粒粘合在一起以形成所述片材的粘合剂。因此，粘合剂占无机片材的重量百分比(wt％)在10％以下。该无机片材适合用作电气设备(例如充油电力变压器)中的固体绝缘，并且可以例如形成绝缘层压体中的层。

根据本发明的另一方面，提供了一种电气设备，其包括作为电气设备中的固体绝缘的本公开的电绝缘无机片材的实施例。

根据本发明的另一方面，提供了一种层压体，其包含层压到另一个电绝缘层的电绝缘无机层，其中所述电绝缘无机层包含至少90％的重量百分比的无机颗粒以及将所述颗粒粘合在一起的粘合剂。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造用作电气设备中的固体绝缘的电绝缘无机片材的方法。该方法包括从至少90％的重量百分比的无机颗粒与将颗粒粘合在一起的粘合剂的混合物形成无机片材。

本发明提出一种绝缘系统，例如，用于配电变压器(dtr)的绝缘系统，该绝缘系统包括无机片材。无机片材材料可以用作绝缘系统中的单一材料，或者可以与其他绝缘材料一起用作复合材料(层压体)，这些绝缘材料通常用于变压器或其他电气设备，例如纤维素基纸/压板或芳族聚酰胺纸/压板。无机片材的使用赋予固体绝缘更高的介电强度，这又可以减少电气设备中的材料的使用，从而减小其尺寸，并降低闪络的风险。

此外，干燥时间也可以降低，因为常规固体绝缘材料的量可以减少。无机片材也可以具有较高的导热率。

所提出的材料解决方案也可以在其他变压器类型中实现，例如其他充液变压器或干式变压器。然而，这些变压器的一些优点可能来自不同于dtr的情况的领域(例如允许更高的工作温度的导体绝缘)。

应当注意，任何方面的任何特征都可以在任何适当的情况下适用于任何其他方面。同样地，任何方面的任何优点都可以适用于任何其他方面。所附实施例的其他目的、特征和优点将从以下的详细公开内容、从所附的从属权利要求以及从附图中显而易见。

通常，权利要求书中使用的所有术语都将根据其在技术领域的普通含义进行解释，除非本文另有明确定义。所有对“一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等”的引用都将被理解为开放地意指元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另有明确说明。本文公开的任何方法的步骤都不必以所公开的确切顺序来执行，除非另有明确说明。对本公开的不同特征/部件的“第一”、“第二”等的使用仅旨在将特征/部件与其他类似特征/部件区分开来，而不是赋予特征/部件任何顺序或层级。

附图说明

将通过示例的方式参照附图来描述实施例，其中：

图1是根据本发明的具有固体绝缘的变压器的实施例的示意性截面图。

图2是根据本发明的无机片材的实施例的示意图。

图3是根据本发明的多个无机片材的层压体的实施例的示意图。

图4是根据本发明的包括至少一个无机片材的多个不同层的层压体的实施例的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图来更全面地描述实施例，在附图中示出了某些实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其他实施例是可能的。相反，通过示例的方式提供以下实施例，使得本公开透彻而完整，并且将向本领域技术人员充分地传达本公开的范围。相同的数字在整个说明书中指代相同的元件。

根据本发明，电绝缘无机片材包含至少90％的重量百分比的无机颗粒，因此包含小于10％的重量百分比的粘合剂。正是因为大量的无机材料颗粒，因而在本文中将片材称为无机片材。然而，粘合剂不必是无机的。相反，粘合剂可以是用于将无机颗粒彼此粘合的任何合适的粘合剂，例如可固化的粘合剂，如环氧树脂或聚酯、或酚醛树脂。

此外，无机片材可以是多孔的，例如，能够允许气体和/或液体浸渍无机片材和/或透过无机片材。这在例如液体填充的电气装置中是有利的，其中绝缘液体优选地浸渍固体绝缘材料以减少由于绝缘材料中的气泡或凹穴而引起的闪络风险。然而，在其他实施例中，无机片材可以是无孔和/或不可浸渍的(不允许气体和/或液体浸渍无机片材和/或透过无机片材)。

图1示意性地示出了电气设备100的实施例，这里为电力变压器的形式，其至少部分地是液体填充的，例如被矿物油或酯液体填充(由图中所示的波浪形油-空气界面示意性地示出)。使用变压器作为示例，但是本发明的无机片材也可用于其他干式或液体填充的电气设备，例如电机或开关/断路器。图1中的变压器是单相变压器，但是讨论在与任何类型的变压器(例如三相变压器，如具有带三个或五个腿的芯)相关的适用部分中进行的。注意，该图仅仅是示意性的并且提供是为了特别地图示可以包括本发明的无机片材的一些不同种类的固体绝缘体。

示出了两个相邻的绕组101(101a、101b)，每个绕组均包括围绕芯103(103a、103b)(例如金属芯)的电导体102(102a、102b)的线圈。芯103a和103b通过顶部和底部磁轭104彼此连接和固定。因此，这是变压器的一个示例性设置，但是可以替代地，使用任何其他变压器设置都可以与本发明使用，如本领域技术人员所理解的。

导体102通过变压器容纳的流体(例如油)彼此绝缘并与变压器100的其他部分绝缘。然而，还需要固体绝缘体来从结构上将变压器的导体和其他部分保持固定在其期望位置。当今，这种固相绝缘体通常由基于纤维素的压板或由绝缘流体浸渍的nomex^tm制成。相比之下，根据本发明，使用无机片材，该无机片材可能与例如基于纤维素或芳族聚酰胺的传统绝缘材料的片材层压。绝缘体可以例如呈间隔件105、轴向棒106、绕组台107以及导体102的绝缘涂层或包围绕组的形式，其中间隔件105将绕组101的匝或盘彼此分离，轴向棒106例如将导体105的绕组101与其芯103或另一绕组101分离，绕组台107将绕组与变压器100的其他部分分离(例如形成绕组、芯、磁轭等放置在其上的支撑件或台)。在图1中，为了清楚起见，仅示出了几个不同的示例性绝缘体。例如，在一些实施例中可以使用围绕绕组的、在绕组和其芯之间的、或者在不同绕组之间(例如，高压绕组与低压绕组之间)的用绝缘无机片材制成的筒体。当导体例如缠绕在这种筒体外/筒体上时，筒体可以为绕组提供机械稳定性，并且它可以打破两个绕组101(例如低压绕组和高压绕组)之间的大的油间隙，这改善了两个绕组之间的间隙的整体绝缘强度。在一些实施例中，芯周围的同心筒体可以用于将绕组的不同导体层彼此分离和绝缘。

电变压器100可以针对至少105℃、至少130℃或至少155℃的工作温度配置。如iec60076-14(表4)中所定义的，变压器使用高温级材料，因此可以与混合绝缘系统或半混合绝缘系统或混合绝缘系统或常规绝缘系统一起设计。因此，根据本发明的绝缘体可以例如处于从105℃开始(a级)、到130℃/从130℃(b级)、到155℃/从155℃(f级)或者到180℃/从180℃(h级)的固体绝缘材料的温度等级中。

如上所述，电变压器可以是流体填充的，以改善绝缘和/或热交换。流体可以例如是矿物油、硅油、合成酯或天然酯，或是气体(在干式变压器中)。对于高温应用，使用酯油可能是方便的，例如天然或合成酯油。优选地，绝缘材料和流体不应影响彼此的性质，并且不应彼此反应而例如溶解无机片材。

图2示出了根据本发明的无机片材1的实施例。片材1包括无机颗粒2和粘合剂3，无机颗粒2这里是纤维形式，但是可以例如是薄片或其他形式。为了清楚起见，该图可能给人以片材1的主要成分为粘合剂3的印象。然而，粘合剂小于片材1的10％的重量百分比，通常小于5％的重量百分比，或小于3％的重量百分比，或小于1％的重量百分比。因此，片材1的主要成分是构成片材1的至少90％的重量百分比的无机颗粒2，例如至少95％的重量百分比，例如97％的重量百分比或99％的重量百分比。

无机颗粒可以源自常用的矿物质的电绝缘材料，例如tio2(二氧化钛)、sio2(二氧化硅)、al2o3(三氧化二铝)、batio3(钛酸钡)、srtio3(钛酸锶)、zro2(二氧化锆)和/或bn(氮化硼)。

使用纤维形式的无机颗粒2可能是方便的，因为纤维容易产生并且易于与少量的粘合剂3粘合在一起。例如通过静电纺丝技术制备无机纤维。在一些实施例中，纤维可以具有在1毫米至1厘米之间的平均长度，但在其他实施例中，纤维平均可以短于1毫米，例如纳米纤维。纤维的平均直径可以在1纳米到200微米之间，通常在1微米到10微米之间。纤维可以具有在1:5至1:20(例如1:7至1:15)的范围内的纵横比(直径与长度比)。

在其他实施例中，厚度例如在1微米至100微米之间(例如在1微米至10微米之间)并且平均面积在1mm²至1cm²的范围内的薄片可能是优选的。

无机片材1并且因此层压体的层(如果片材用作层压体中的层的话)可以具有任何厚度，但是薄的无机片材是优选的，因为其可以具有更好的电气特性并且更好的可弯曲性。通常，无机片材1可以具有在从10纳米到100微米的范围内的厚度，例如在从0.1微米到10微米的范围内，例如在从0.5微米到5微米的范围内。可替代地，在一些实施例中，使用稍微较厚但与现有技术的绝缘片材相比仍相对较薄的片材，例如厚度为10微米至1500微米，例如10微米至900微米，例如10微米至500微米。

为了制备无机片材1的层压，无机片材1在一些实施例中可以设置有多处表面粘合剂，以便于无机片材与另一电绝缘片材的粘合以形成层压体，或将无机片材粘合到金属表面(例如导体)。在一些实施例中，表面粘合剂可以与将无机颗粒粘合在一起的粘合剂3具有相同的材料，或者是任何其他合适的表面粘合剂。

包含电绝缘无机层1的层压体可以这样形成：将电绝缘无机片材1层压到另一个电绝缘片材上，或者将电绝缘无机片材1自身层压成卷，或者用粘合剂3涂覆所述另一个电绝缘片材并向其添加无机颗粒2，由此在所述另一个电绝缘片材上直接形成电绝缘无机片材/层1。

图3示出了由多层无机片材1形成的层压体10的实施例。无机片材1可能太薄而不能直接使用，因此可以方便地用作绝缘层压体10中的层。层压体10可以例如由彼此叠置并通过表面粘合剂(例如可固化表面粘合剂如环氧树脂等)粘合在一起的多个片材1形成。可替代地，层压体10可以通过卷绕在其自身上的片材1形成，以形成层压体卷，其中多个层由相同的原始片材1构成。这种层压体卷可以例如用来使导体102绝缘。在某些实施例中，层压体10可以具有0.1微米至1厘米的范围内的厚度，这取决于绝缘体的使用场合。通常，层压体10的厚度可以在10微米至15毫米的范围内，通常为50微米至5毫米。

图4示出了层压体10实施例，其由无机片材1的至少一个层和另一种绝缘材料(例如基于纤维素或芳族聚酰胺或基于另一种合成聚合物)的至少一个层5形成，从而形成复合材料。在一些实施例中，无机片材1可能太脆或对于在期望应用中的使用是不稳定，在这种情况下，无机片材1可以层压到另一绝缘片材5上，例如纤维素或芳族聚酰胺的电绝缘聚合物片材上，以形成层压体10。与图3的层压体一样，层压体10可以由交替地彼此叠置并且通过表面粘合剂(例如可固化表面粘合剂，如环氧树脂等)粘合在一起的多个片材1和5形成。可替代地，层压体10可以由片材1形成，其中片材1层压到聚合物片材5上或两个聚合物片材5之间，卷在自身上以形成层压体卷。这样的层压体卷可以例如用来使导体102绝缘。层压体10的两个面向外的层是聚合物片材5可能是方便的，由此通过聚合物片材5保护无机片材1免受层压体的周围环境影响。

在一些实施例中，绝缘体层压体10为以下形式中的至少一种：绕组101的匝或盘之间的间隔件105；绕组101的外部或内部的轴向棒106，例如在绕组和芯103之间；围绕绕组、在绕组与其芯之间或在绕组之间的筒体；位于线圈绕组的上方或下方的绕组台107；以及粘附并围绕绕组线圈的导体102的导体绝缘。电导体102可以例如是导电丝、导电线或导电条，其在某些实施例中可以通过被无机片材1或包含根据本发明的无机片材的层压体10缠绕或涂覆而被适当地绝缘。这些是可以有益地使用本公开的无机片材材料的变压器中的绝缘体的示例。

通过本发明的实施例，取决于使用无机片材1的应用，可以获得若干优点。

-与传统的纤维素或聚合物绝缘体相比，由于无机颗粒2具有较高的击穿强度(各个片材1以及层压体/复合材料10都是如此)，所以介电击穿强度显著提高。

-可以调节固体绝缘体的机械强度，因为无机颗粒2的机械性能可能影响层压体/复合材料10的整体机械强度。而且，如果使用无机纤维2，则机械强度可以通过纤维定向来调节。

-提高绝缘体的热等级的可能性。

-由于无机片材1的降解较慢导致绝缘体的使用寿命延长。

-增强的导热性，因为可以通过具有较高热导率的无机颗粒2增强绝缘体的导热性。

-由于固体绝缘子的较高的击穿强度，减少了变压器100中的材料使用。

在变压器100中使用较少的材料可能具有以下有益效果：

*更小的变压器尺寸。

*减少绕组装配时间。

*减少变压器的干燥时间。

*提高制造工艺的效率。

以上参照几个实施例主要描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，除了以上公开的实施例以外的其他实施例在所附权利要求限定的本公开的范围同样是可能的。