用於充液變壓器的聚醯胺電絕緣體的製作方法

2023-07-24 07:54:16 1

專利名稱：用於充液變壓器的聚醯胺電絕緣體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包含脂肪族聚醯胺和/或一種或多種共聚物和/或其添加劑的熱塑性薄膜或者纖維材料、採用該材料絕緣的電氣元件以及製造該電氣元件的方法。本發明更具體地涉及一種在充液電變壓器的單個導體、導體組、以及層間進行電絕緣的脂肪族聚醯胺薄膜或者纖維材料，該材料具有改進的防潮性、溼度穩定性、熱穩定性、導熱性、減小的絕緣厚度、減小的收縮性和改進的絕緣彈性。
背景技術：
充液變壓器中現有的標準絕緣材料是具有各種厚度和密度的纖維素材料。基於纖維素的絕緣材料(通常稱為牛皮紙(Kraft papers))，自從二十世紀初期已廣泛應用於充油配電設備中。儘管纖維素有一些缺點，但是牛皮紙由於其低成本以及適宜的良好性能而實際上仍然作為所有充油變壓器的絕緣材料的選擇。遺憾的是，纖維素聚合物受到熱降解以及容易氧化和水解。
一般，基於纖維素的絕緣材料用於使變壓器內部結構的五個不同部分絕緣。這五個不同部分主要包括(1)電磁線的匝間的絕緣；(2)層間的絕緣；(3)低電壓線圈與地間的絕緣；(4)高電壓線圈與低電壓線圈間的絕緣；(5)高電壓線圈與地間的絕緣。
低電壓線圈與地間的絕緣以及高、低電壓線圈間的絕緣體通常由與充液空間結合的實心管組成。這些充液空間的用途在於通過介質對流對鐵芯和線圈結構進行散熱，並且也有助於提高絕緣強度。內匝絕緣體一般直接放置在矩形的電磁線上並且纏繞為紙帶。用於層間、線圈間以及線圈與地間絕緣而選擇的材料依據絕緣需求而定。這些材料可以不同於在較小變壓器中使用的牛皮紙，而由重纖維素壓板、纖維素紙或瓷片製成的相對厚的隔離件用於較高速率的變壓器。
以下區域重點描述現有技術。
水分 變壓器中存在的水分通過降低電氣強度和機械強度而惡化纖維素變壓器的絕緣性。通常，如果含水量每增加一倍則絕緣體的機械壽命會減少一半，並且所述紙的熱損壞率與其含水量成比例。從20世紀20年代開始，人們已經認識到紙和充油系統中水分存在的重要性。
纖維素材料的電特性在很大程度上取決於其含水量。對於多數應用來說，0. 5%的最大初始含水量被視為是可接受的。為了達到該含水量水平，纖維素材料在浸油之前需要在熱和真空條件下進行處理以去除水分。在不導致化學降解的情況下完全去除纖維素絕緣體中的水分實際上是不可能的。在不損壞其機械和電特性的情況下，確定纖維素為了脫水而能被安全加熱所達到的極限，仍然是變壓器設計者和製造者的主要難題。
纖維素在暴露於空氣中時會極快速地從空氣中吸收水分。如果不立即浸油，纖維素會在很短的時間內與空氣溼度達到平衡。纖維素在浸油之後，其吸水速度將變得非常慢。
纖維素絕緣材料在變壓器中浸油飽和之後，會進一步暴露於油中的水分，並將繼續吸收可得的水分。這部分地是由於來自周圍空氣中的水被吸收到油中。這種繼續吸收水分的結果會導致纖維素絕緣體出現一些問題，從而增加老化速度和降低電特性。纖維素具有很強的吸水性(吸溼性)，因此其不會與絕緣液體均分水分。纖維素絕緣體的這種吸溼特性，對於採用其進行絕緣的變壓器的製造和維護來說，造成了前所未有的難度。
水分的存在將加速老化速度。含水量為的絕緣紙的老化速度比含水量只有 0.3%的絕緣紙快6倍。因此，幾十年來，試圖基本減少由於固態絕緣體中水分的存在導致的這種無法忍受的變化已經成為大量工程嘗試的動力。
而且，隨著纖維素的老化，分子中的葡萄糖環鏈會分解，並釋放一氧化碳、二氧化碳和水。水與油中的雜質附著，並降低油的質量，尤其是介電強度。少量甚至是微量的水分，都會加速纖維素絕緣體的惡化。研究表明，即使在沒有氧化作用的情況下，隨著水分的增加，纖維素的強度下降會越來越快。
收縮性 變壓器中的纖維素材料在浸油之前必須要在熱和真空條件下進行處理以去除水分。當水分去除後，纖維素材料會收縮。當受到壓力時，其也會壓縮。因此，在變壓器裝配過程中，在調整線圈到所需的尺寸之前需要乾燥以及預壓縮纖維素絕緣材料以使線圈尺寸穩定。
導熱性 如果整個系統不將多餘的熱量散發出去的話，由於電絕緣體的熱絕緣特性而在變壓器中存在的局部熱區(HST或者熱點溫度)將導致這些局部熱區周圍出現熱失控。必須適當地散熱來防止導致變壓器損壞的過量熱積聚。局部溫度的過度升高會引起絕緣體的快速熱降解以及隨後的電擊穿。
化學穩定性 氧化可以受控制但是不能被消除。氧氣來自大氣中，或者是由於受熱而從纖維素釋放的。由於某些被稱為極性化合物的油腐蝕性產物，比如酸、過氧化物和水的存在，纖維素的氧化會加速。第一腐蝕性產物，過氧化物、溶於水且高揮發性的酸，會迅速被纖維素吸收到飽和水平。當存在氧氣和水時，這些「破壞的種子」會對纖維素的結構產生強有力的破壞作用。低分子量的酸在初始階段被纖維素絕緣體劇烈吸收，然後，該吸收過程的速度會變慢。氧化反應會破壞纖維素分子的一個或者多個分子鍵。這種化學變化的最終結果是產生更多的極性基團，並且形成更多的水。最普通形式的氧化汙染會將酸基引入固態或液態絕緣體中。氧化所產生的酸性物質會使纖維素絕緣體的聚合物鏈(聚合在一起的小分子)分裂，並導致其抗張強度下降。其也會使得纖維素絕緣體變脆。
熱降解 很大百分率的纖維素變質最初是由熱引起的。升高的溫度會加速老化，從而導致機械和介電強度下降。其次的效應包括紙的分解(DP，或者解聚作用)，水、酸性物質和氣體的產生。如果任何水分保留在其產生的地方，其進一步加速老化過程。加熱導致纖維素(葡萄糖)分子中的鏈鍵斷裂，使得分子分解，使得形成水。所形成的水導致持續的新的分子分裂，並弱化紙漿纖維中分子鏈的氫鍵。
降低線圈緊密度 變壓器的熱另外地產生兩個問題纖維素材料的脆化和纖維素的收縮性。這樣導致變壓器結構鬆散，在衝擊力下或者故障時移動，從而導致損害其絕緣性。
導電絕緣體的彎曲承受力 當前使用的纖維素紙具有15% -20%的縱向伸長率，該纖維素紙導致導電絕緣體較輕地受到在線圈製造中的彎曲或纏繞的損害。但是當前的紙具有小於5%的橫向伸長率。 這對於變壓器製造者優化絕緣線的彎曲存在一些限制，並且可能不允許這些材料用作線性應用的絕緣體中。
希望具有一種改進的電絕緣材料，其能夠克服目前使用的纖維素電絕緣體的上述缺點。也希望具有一種不受水分不利地影響的絕緣材料，該絕緣材料在初始製造步驟中無需幹feo

發明內容
全部或者部分由脂肪族聚醯胺、和/或一種或多種共聚物、和/或其添加劑製成的電絕緣材料可以以薄膜形式或者纖維形式在充液變壓器中用作絕緣體。該薄膜或纖維中包含比如在專利號為2705227，3519595以及4172069的美國專利中大量描述的熱/化學穩定劑。術語「聚醯胺」指的是一族聚合物，其特徵在於包含醯胺基。
很多技術上使用的合成聚醯胺來自於包含6-12個碳原子的單體；最常用的是PA6 和PA66。大多數的半晶質聚醯胺中的醯胺基能夠在-NH單元和-CO單元之間形成強靜電力 (氫鍵)，從而產生高熔點、異常的強度和硬度、高防護特性和良好的耐化學性。而且，醯胺單元還與水形成很強的相互作用，使得聚醯胺吸水。這些水分子被插入到氫鍵中，減弱分子間的吸引力，並成為塑化劑，導致異常的韌性和彈性。
水分 本發明提供的電絕緣體暴露在水分中時表現出韌性和伸長率的增加。長期暴露於水分不會產生負面的老化效應。本發明提供的材料會吸收水分，並將其從周圍的油中去除， 這可能是有益效果。
收縮性以及降低的繞組緊密度 因為本發明提供的材料使用前不需要乾燥，因此也就不存在現有技術的初始收縮的問題。進一步，暴露於高的變壓器溫度和溼度下也不會導致脆化。變壓器也就不會面臨繞組緊密度降低的問題。此外，由於該材料的高抗張強度以及伸長的彈性復原性，因此匝絕緣體能夠保持緊緊纏繞在導電線上。此外，本發明的薄膜實施例中應力引發的結晶度將提供長期的改進的尺寸穩定性。
導熱性 本發明的材料薄膜實施例具有的K係數(熱導率的單位為W/(m*K))為0. 25。浸油的纖維素材料的K係數大約是0. 10(基於50%的油飽和率)。而且，本發明的材料的介電強度大約是相同厚度的油浸纖維素絕緣體的介電強度的兩倍，因而只需大約一半厚度的絕緣體即可產生相同的電絕緣特性。這使得匝間的導熱性最少會提高4倍，因而整個系統的導熱性會顯著提高。採用本發明的薄膜實施例將對在過載狀況下繞組的熱點區域中的絕緣紙的「最差情形」的熱應力的設計降低要求。
熱降解和抗氧化性 本發明的脂肪族聚醯胺絕緣材料將包含一種或多種熱/化學穩定劑，例如但不限於，滷化銅、溴化銅、碘化亞銅、醋酸銅、溴化鈣、溴化鋰、溴化鋅、溴化鎂、溴化鉀、碘化鉀，僅列出一些。這些化合物提供良好的熱/化學穩定性，超出當前變壓器設計的長久需求，如將在下文中更詳細地描述的。它們可以使設計者在更高的溫度下運行變壓器，並且比當前採用的纖維素絕緣體提供更長的操作壽命。這些添加劑的選定的混合物以約0. 1到約10% (優選為約2% )的範圍的重量比存在於聚合物混合物中。
導電絕緣體的彎曲承受力 本發明的脂肪族聚醯胺薄膜絕緣材料，如果製造時在縱向上具有應力引起的結晶，則對於匝(導體)絕緣來說具有理想的機械特性，例如，非常高的縱向抗張強度，非常高的縱向伸長率和彈性復原性，以及非常高等級的橫向伸長率(超過100% )，該橫向伸長率將為線性或者螺旋纏繞型絕緣體提供更多用途。這些特徵使得高速導體以合適的覆蓋率纏繞電磁線，無論後續怎樣彎曲和扭轉電磁線均保持緊密。通過伸展和伸長脂肪族聚合物薄膜合成體的片，絕緣材料的薄膜形式縱向上可能受到應力引發的結晶。
將本發明的脂肪族聚醯胺絕緣材料和纖維素絕緣材料的抗張強度、伸長率、導熱性、熱傳遞係數特性對照，觀察到的對照結果如下
權利要求
1.一種變壓器組件，其包括導電線圈，所述組件採用脂肪族聚醯胺絕緣材料絕緣，所述材料包含穩定化合物，所述穩定化合物用於當所述變壓器組件在充油環境中使用時提供增強的熱穩定性和化學穩定性。
2.根據權利要求1所述的變壓器組件，其中所述穩定化合物選自於滷化銅、溴化銅、碘化亞銅、醋酸銅、溴化鈣、溴化鋰、溴化鋅、溴化鎂、溴化鉀、碘化鉀及其混合物。
3.根據權利要求2所述的變壓器組件，其中選定的所述穩定化合物的混合物在所述絕緣材料中的量為佔所述絕緣材料的重量的大約0. 到大約10. 0%。
4.根據權利要求1所述的變壓器組件，其中所述絕緣材料為脂肪族聚醯胺薄膜絕緣材料。
5.根據權利要求4所述的變壓器組件，其中所述薄膜絕緣材料至少部分由應力引發結晶化。
6.根據權利要求1所述的變壓器組件，其中所述絕緣材料為脂肪族聚醯胺纖維絕緣材料。
7.—種電磁線，所述電磁線採用脂肪族聚醯胺絕緣材料絕緣，所述材料包含化合物，該化合物用於在所述電磁線在充油變壓器中使用時提供增強的熱穩定性和化學穩定性。
8.根據權利要求7所述的電磁線，其中所述穩定化合物選自於滷化銅、溴化銅、碘化亞銅、醋酸銅、溴化鈣、溴化鋰、溴化鋅、溴化鎂、溴化鉀、碘化鉀及其混合物。
9.根據權利要求8所述的電磁線，其中選定的所述穩定化合物的混合物在所述絕緣材料中的量為佔所述絕緣材料的重量的大約0. 到大約10.0%。
10.根據權利要求7所述的電磁線，其中所述絕緣材料為脂肪族聚醯胺薄膜絕緣材料。
11.根據權利要求10所述的電磁線，其中所述薄膜絕緣材料至少部分由應力引發結晶化。
12.根據權利要求7所述的電磁線，其中所述絕緣材料為脂肪族聚醯胺纖維絕緣材料。
13.—種高溫液體變壓器電磁線圈，所述線圈採用脂肪族聚醯胺絕緣材料絕緣，所述材料包含用於當所述電磁線圈浸入充油變壓器中時提供增強的熱穩定性和化學穩定性的化合物。
14.根據權利要求13所述的電磁線圈，其中，所述穩定化合物選自於滷化銅、溴化銅、 碘化亞銅、醋酸銅、溴化鈣、溴化鋰、溴化鋅、溴化鎂、溴化鉀、碘化鉀及其混合物。
15.根據權利要求14所述的電磁線圈，其中選定的所述穩定化合物的混合物在所述絕緣材料中的量為佔所述絕緣材料的重量的大約0. 到大約10.0%。
16.根據權利要求13所述的電磁線圈，其中所述絕緣材料為脂肪族聚醯胺薄膜絕緣材料。
17.根據權利要求16所述的電磁線圈，其中所述薄膜絕緣材料至少部分由應力引發結晶化。
18.根據權利要求13所述的電磁線圈，其中所述絕緣材料為脂肪族聚醯胺纖維絕緣材料。
全文摘要
一種用於在充液變壓器的單獨的導體、導體組、電磁線、電磁線圈以及層間進行電絕緣的脂肪族聚醯胺薄膜或者纖維材料。該材料通過添加劑穩定，該添加劑有助於改善絕緣材料的防潮性、水穩定性、熱穩定性、導熱性，降低絕緣厚度、收縮性，改善絕緣彈性，進而為材料提供更長的使用壽命。
文檔編號H01B3/30GK102187404SQ200980141191
公開日2011年9月14日 申請日期2009年8月17日 優先權日2008年8月15日
發明者馬丁·溫伯格 申請人:馬丁·溫伯格