高耐熱電力用靜態設備的製作方法
2023-06-05 04:56:11
專利名稱：高耐熱電力用靜態設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及電力用靜態設備，特別是具有高耐熱性的變壓器、電 容器、電抗器等高耐熱電力用靜態設備。
背景技術：
從防火等安全性方面出發，要求不具有可動部的電力用設備中以 變壓器、電容器、電抗器等為代表的電力用靜態設備使用不可燃的材 料進行絕緣。但是，為了保護地球環境，需要控制以往使用的不可燃的絕緣油PCB(多氯聯苯)或不可燃的氣體SF6(六氟化硫)氣體等的使 用。因此，開始廣泛使用以不可燃的樹脂進行覆蓋(也稱模製)來絕緣的 模製電力用靜態設備。下面以典型的現有的模製變壓器作為模製電力用靜態設備的例子 進行說明。該現有模製變壓器是將6kV的高電壓轉換成210V的低電壓的額定 功率為750kW的3相變壓器，各相的線團包括低電壓的繞組(2次繞組) 和纏繞在低電壓繞組的外側的高電壓繞組(l次繞組)。各相的線團分別 用絕緣性材料環氧樹脂或矽樹脂進行了模製。2次繞組的中央部設置有 各自的鐵芯。設置有上部框體和下部框體以將鐵芯上下夾住，並且3 組鐵芯與線團被組裝成一體。對於這種模製變壓器來說，有時以該狀 態直接進行設置以進行自然空冷，而有時裝入拒或外殼中，採用用風 扇進行強制空冷的結構。專利文獻l:特開2003-158018號公報專利文獻2:特開2002-158118號公才艮專利文獻3:特開2002-324727號公才艮專利文獻4:特開2002-141247號公報非專利文獻1《電氣工學手冊(第6版)》(電氣學會發行)的第184 頁 192頁、699頁 701頁、706頁、732頁~739頁
發明內容
發明所要解決的技術問題
關於上述的現有例子那種以環氧樹脂進行了模製的模製變壓器，
從環氧樹脂的耐熱性出發，線團溫度的上限被設定在70 120TC，使用 中多用風扇進行冷卻以使不達到該上限溫度以上的溫度。如果使用中 在該模製變壓器中流過大的短路電流或閃電浪湧電流，則有時線圏溫 度超過上述的上限。環氧樹脂的耐熱性沒有高到如此程度，通常在180 1C以上的高溫發生老化，導致柔軟性不夠而變硬。因此，線團溫度從 高溫狀態恢復到室溫狀態時，多在環氧樹脂的內部產生大量的裂紋。 經模製的環氧樹脂如果產生裂紋，則不能耐受高電場，耐電壓特性變 差。
與環氧樹脂相比，矽橡膠的耐熱性好，雖然如此，其上限也不過 200TC左右。矽橡膠是合成高分子化合物，該合成高分子化合物包括具 有通過矽氧烷鍵(Si-O-Si鍵)形成的線狀結構的聚曱基苯基矽氧烷。對 於用矽橡膠模製(覆蓋)的線圏來說，線團的溫度達到200TC以上的高溫 時，聚曱基苯基矽氧烷的柔軟性變得不足，線圏在空氣中達到220TC以 上的溫度時，聚曱基苯基矽氧烷的表面發生玻璃化，徹底變硬。據推 測，這是因為聚甲基苯基矽氧烷側鏈的曱基或苯基分解而蒸發的原 因。因此，當線圏的溫度恢復到室溫時，包括聚甲基苯基矽氧烷的覆 蓋物的內部產生了大量的空隙和裂紋。如果產生空隙和裂紋，則模製 的聚曱基苯基矽氧烷不能耐受高電場且耐電壓特性變差。
環氧樹脂或矽橡膠的熱傳導率比較低，為0.1 ~ 1.0W/mK，以這些 物質進行模製的線圈中，線圏產生的熱不能充分散去。因此，與沒有 進行模製的情況比，必須設定比其小的額定容量。另外，因為散熱差， 所以較短時間的超過額定電流的短路電流將導致線圏的溫度升高。其 結果是，有時線團導體的絕緣材料和覆蓋材料以及設置在低電壓繞組 和高電壓繞組之間用於防止兩者接觸的防混觸板等發生熱損壞，損傷 耐電壓性。
如上所述，以環氧樹脂或矽橡膠等現有的高分子化合物進行模製 得到的模製變壓器、模製電容器、模製電抗器等模製電力用靜態設備 的耐熱性和散熱性不足，在高溫下不能耐受高電場，因此存在耐電壓 特性變差的問題。
本發明的目的在於提供一種耐熱性高且散熱性優異的高耐熱電力
用靜態設備。
用於解決技術問題的方法
技術領域：
本發明的高耐熱電力用靜態設備的特徵在於，電力用靜態設備中
所含的至少一個構成要素被合成高分子化合物A覆蓋。合成高分子化 合物A由多個第三有機矽聚合物相連接而構成，所述第三有機矽聚合 物是至少一種第一有機矽聚合物和至少一種第二有機矽聚合物相連接 而成的。第一有機矽聚合物具有通過矽氧烷鍵形成的交聯結構。第二 有機矽聚合物具有通過矽氧烷鍵形成的線狀連接結構。第三有機矽聚 合物由第一有機矽聚合物和第二有機矽聚合物通過矽氧烷鍵連接而構 成，並且具有2萬~80萬的分子量。於是，合成高分子化合物A通過 加成反應生成的共價鍵將多個第三有機矽聚合物連接而構成，具有三 維立體結構。 發明的效果
根據本發明，通過用具有高耐熱性和高耐電壓性的合成高分子化 合物A覆蓋電力用靜態設備的構成要素，可得到具有高耐熱性和高耐 電壓性的電力用靜態設備。
本發明的高耐熱電力用靜態設備用合成高分子化合物A覆蓋設備 的主要構成要素。合成高分子化合物A是由多個大型有機矽聚合物通 過該聚合物之間的加成反應生成的共價鍵連接而成的，具有三維立體 結構。所述大型有機矽聚合物的分子量為2萬 80萬，是由例如第一有 機矽聚合物和其分子量比第一有機矽聚合物的分子量大的第二有機矽 聚合物通過矽氧烷鍵交替連接成線狀構成的。所述第一有機矽聚合物 以至少具有通過矽氧烷鍵(Si-O-Si鍵)形成的交聯結構的聚倍半矽氧烷 為主要成分。第二有機矽聚合物具有通過矽氧烷鍵形成的線狀連接結 構。該合成高分子化合物A具有高耐熱性，並且高溫下也具有高耐電 壓性。所以根據本發明可以得到具有高耐電壓性的高耐熱電力用靜態 設備。
另外，根據本發明，通過在該合成高分子化合物A中填充具有高 熱傳導率的絕緣性陶瓷微粒，可得到提高合成高分子化合物A的熱傳 導性的高熱傳導率合成高分子化合物A。用高熱傳導率合成高分子化 合物A進行了覆蓋的上述構成要素的散熱性(放熱性)提高，所以可得到 散熱性優異的高耐熱電力用靜態設備。由於散熱性優異，所以無需空
冷裝置等，裝置的結構被簡化而裝置體積小、價格低。另外，由於耐 熱性和放熱性出色，所以還可以通過提高電流密度來增大額定容量。 採用相同的額定容量的情況下，由於能夠小型化，所以可以得到輕質、 小型且價格低的高耐熱電力用靜態設備。該合成高分子化合物A對構成高耐熱電力用靜態設備的各種材料 的親和性極好，並且由於其牢固地貼合在設備的主要構成部件(例如線 圏等)或外殼等的表面，所以可以實現高耐溼性，同時可以實現高溫下 的可靠性特別高的高耐電壓性。
[圖1 ]為本發明第1實施例的模製變壓器的立體圖。[圖2]為本發明第3實施例的模製電容器的部分剖視立體圖。[圖3]為本發明的第4實施例的模製電容器的立體圖。符號說明10、 11、 12 模製線圈30模製電容器31a、 31b、 31C 電容器元件33 2次模製覆蓋物50模製電容器51電容器元件54覆蓋物具體實施方式
下面說明本發明的具體實施方式
。本發明的高耐熱電力用靜態設備的特徵在於，至少設備的主要構 成要素用新的合成高分子化合物A進行了覆蓋。設備例如是變壓器或 電抗器的情況下，所謂設備的主要的構成要素是線圏，設備是電容器(蓄 電器)的情況下，是包括電介質的電容器元件。這些構成要素是高耐熱 高耐電壓的構成要素。本發明的新的合成高分子化合物A含有第一有機矽聚合物和第二 有機矽聚合物。第一有機矽聚合物具有通過矽氧烷鍵(Si-O-Si鍵)形成
的交聯結構，是選自聚苯基倍半矽氧烷、聚甲基倍半矽氧烷、聚甲基 苯基倍半矽氧烷、聚乙基倍半矽氧烷和聚丙基倍半矽氧烷中至少一 種。第二有機矽聚合物具有通過矽氧烷鍵形成的線狀連接結構，是選 自聚二甲基矽氧烷、聚二乙基矽氧烷、聚二苯基矽氧烷和聚甲基苯基 矽氧烷中的至少一種。第一有機矽聚合物和第二有機矽聚合物通過矽 氧烷鍵交替連接成線狀，形成大型的笫三有機矽聚合物。合成高分子
化合物A是多個第三有機矽聚合物被加成反應生成的共價鍵立體連接 而構成的，其具有三維的立體結構。
合成高分子化合物A中可以混合(或稱填充)具有高傳熱性即高熱 傳導率的絕緣性陶瓷的微粒。具有高熱傳導率的絕緣性陶瓷的例子包 括氮化鋁(記作A1N)、氧化鈹(記作BeO)、氧化鋁(記作A1203)、多晶態 絕緣SiC等。通過在合成高分子化合物A中填充上述絕緣性陶資的內 至少一種陶瓷，可以得到高熱傳導率合成高分子化合物A。
為了提高耐熱溫度，並且固化後也保持有柔軟性，合成高分子化 合物A中，優選第一有機矽聚合物和第二有機矽聚合物通過矽氧烷鍵 交替連接成線狀，構成重均分子量(下面僅記作分子量)為2萬-80萬的 大型第三有機矽聚合物，並且多個第三有機矽聚合物通過亞烷基連 接。
具有通過矽氧烷鍵形成的交聯結構的笫 一有機矽聚合物的電絕緣 性和耐熱性優異，但由於其粘度過大，所以流動性和固化後的柔軟性 非常差。因此，不能厚覆蓋，不能提高耐電壓。根據本發明，將第一 有機矽聚合物介由具有通過矽氧烷鍵形成的線狀連接結構的第二有機 矽聚合物交替地連接成線狀。由此能夠得到一種合成高分子化合物A， 其不會喪失第二有機矽聚合物具備的流動性和柔軟性，並且保持有笫 一有機矽聚合物的優異的耐熱性，兼備高耐熱且高耐電壓這兩個特 性。為了進一步提高耐熱性，增大第一有機矽聚合物的分子量即可， 但是，這種情況下，粘度增高，柔軟性變差。另外，為了改善柔軟性， 提高第二有機矽聚合物的分子量即可，這種情況下，耐熱性降低。如
上所述，通過調整第一有機矽聚合物和第二有機矽聚合物各自的分子 量，可以調整合成高分子化合物A的粘度和固化後的柔軟性到所需要 的值。第一有機矽聚合物的優選的分子量為200~7萬，笫二有機矽聚 合物的優選分子量為5千~20萬。優選使笫一有機矽聚合物的分子量
小於第二有機矽聚合物的分子量。
關於混合到合成高分子化合物A中的具有高熱傳導率的絕緣性陶 資微粒，為了避免局部電場的集中來實現高耐電壓，優選所述絕緣性 陶瓷微粒尖銳的前端少，具有接近圓形的形狀。另外，絕緣性陶瓷微 粒的混合比(下面稱填充率)小時，缺少增大熱傳導率的效果，所以合成 高分子化合物A中的絕緣性陶資微粒的填充率的體積比即體積填充率 優選在15體積％~85體積％的範圍內。絕緣性陶資微粒的粒徑過大 時，體積填充率降低，而粒徑過小時，粒子之間容易相互凝聚，體積 填充率仍然降低。因此，絕緣性陶瓷微粒的粒徑優選在0.01jim 50jim 的範圍。絕緣性陶瓷微粒具有上述範圍粒徑的情況下，絕緣性陶瓷粒 子有效地進入具有上述分子量的合成高分子化合物A的立體結構的間 隙。並且，將體積填充率設定在40體積％以上，因此絕緣性陶瓷微粒 之間相互接觸。因而，認為本發明可得到高填充率和高熱傳導率。
為了使體積填充率為50%以上，可以將粒徑不同的絕緣性陶瓷微 粒共混，其粒徑比優選在1:1/10~ 1:1/200的範圍。通過填充上述這種 絕緣性陶瓷微粒，可以實現2~120W/mK的高熱傳導率合成高分子化 合物A。具體地說，優選熱傳導率為3-80W/mK。所填充的絕緣性陶 資微粒對合成高分子化合物A的結合沒有影響，所以無損於耐熱性。 另外，所填充的絕緣性陶瓷微粒在上述的填充率和微粒形狀的範圍內 時，對耐電壓性和粘度的影響幾乎不會產生實用上的問題。
本發明中的合成高分子化合物A中，幾乎所有的鍵都具有矽氧烷 鍵，所以，本發明中的合成高分子化合物A具有上述那樣的高絕緣性 即高耐電壓性能。另外，合成高分子化合物A與構成線團和外殼等的 各種金屬(銅、鋁、不鏽鋼等)、線圏導體的絕緣材料和覆蓋材料(芳香 族聚醯胺(芳醯胺紙)或搪資等)、構成外殼等的各種樹脂(環氧樹脂、丙 烯酸樹脂、酚醛樹脂等)以及各種玻璃等的粘接性極好，可以牢固地附 著在這些上。因此，能夠實現無間隙的牢固貼合狀態，能夠得到高耐 溼性。其結果是，能夠得到具有高可靠性和高耐電壓性能的電力用靜 態設備。
例如，即使在絕緣覆蓋線圈導體的絕緣材料和覆蓋材料存在針孔 等缺陷而線圏導體的金屬處於露出的狀態的情況下，合成高分子化合 物A也可以直接保護線圈導體的金屬的表面。
本發明中的合成高分子化合物A的大部分具有矽氧烷鍵形成的結 構，所以對紫外線和可見光線的透光性高。因此，例如在線圏的覆蓋 步驟中，將線圈安裝在外殼或模具中後流入合成高分子化合物A時， 可以通過肉眼確認固化前的狀態下不存在氣泡和空隙等。因此，明顯 提高了生產效率。被填充到合成高分子化合物A的絕緣性陶資微粒對上述的透光 性、與構成半導體元件的材料的粘接性有一些影響，但在上述的填充 率和粒徑範圍內，基本不會產生實用上的問題。下面參照圖1~圖3對本發明的優選的實施例進行說明。為了容易理解各構成要素的構成，各附圖中給出的各構成要素的尺寸並不與實 際尺寸對應。 第1實施例參照圖1說明作為本發明的第1實施例的高耐熱電力用靜態設備 的模製變壓器。圖1中示出了一種3相模製變壓器，其中，使用本發明的合成高 分子化合物A作為絕緣材料進行了模製。該變壓器例如是內鐵型模製 變壓器，其一次側電壓為6kV、 二次側電壓為210V、額定容量為 750kVA。 一次側額定電流為65A、 二次側額定電流為2060A。三個模 制線圏IO、 11、 12是3相中的各相的線團，均被形成為剖面近橢圃的 柱狀。模製線圈10-12中設有貫穿圖中縱向的鐵芯15、 16、 l7。模製 線圈10~12均採取了二次側的低電壓線組位於內側，並且一次側的高 電壓線組位於外側的結構。3相中的3個低電壓線組分別連接低壓端子 25a、 25b、 25C，高電壓線組分別連接高壓端子26a、 26b、 26C。設有 夾住鐵芯15 ~ 17的上下端部分的上部框體18和下部框體19。下部框 體19的兩端部上介由防震橡膠22安裝了安裝板21。模製線圏10~12例如是高84cm、長徑50cm的橢圓柱，上下的端 面和側面由約4 5cm厚的合成高分子化合物A覆蓋。模製線圏10~ 12的製作步驟如下。由於模製線圏10~12具有相同的結構，所以下面對模製線團io進行說明。將由高耐熱和高耐電壓的聚醯亞胺樹脂覆蓋的銅線纏繞在用於形 成插入鐵芯15的孔的模框上。也就是說，將2次線組和1次線組依次 用現有的方法進行纏繞，製作線圏10。 1次線組和2次線組之間設置
有聚醯亞胺樹脂等形成的防混觸板以保持兩者間的絕緣。接著，將線
團10插入具有近橢圓形的剖面的筒狀模具(省略了圖示)內。模具的尺 寸被設定為模具與線團IO之間出現4~5cm的間隙。將模具裝入真空 室內，抽出真空室內的空氣，形成低壓，然後將本發明的合成高分子 化合物A注入模具和線圈IO之間。接著，將模具和線圏IO加熱到60 匸左右的溫度，使合成高分子化合物A的粘度降低，保持規定的時間， 使合成高分子化合物A充分浸滲到線圈IO的間隙中。接著，將模具和 線團IO加熱到約2001C，保持規定的時間，使合成高分子化合物A固 化。合成高分子化合物A是透明的合成高分子化合物，含有聚曱基倍 半矽氧烷作為第一有機矽聚合物，並含有聚甲基苯基矽氧烷作為第二 有機矽聚合物。
通過適當調整合成高分子化合物A的粘度，能夠通過合成高分子 化合物A以約4-5cm的厚度覆蓋線圏整體，使之沒有氣泡、空隙或間 隙。如果合成高分子化合物A的粘度過高，則在進行模製時，不能使 合成高分子化合物A充分浸滲到線團10的間隙，有時線圏10的線組 間或者線團IO和合成高分子化合物之間出現間隙。相反，如果過度地 降低分子量來降低粘度，則耐熱性下降。為了能夠保持耐熱性高且固 化後在高溫下也具有適當的柔軟性，本實施例中，使用分子量約3000 的聚甲基倍半矽氧烷作為笫一有機矽聚合物，使用分子量約1萬的聚 甲基苯基矽氧烷作為第二有機矽聚合物，並且第一有機矽聚合物和第 二有機矽聚合物通過矽氧烷鍵交替連接成線狀，構成分子量約4萬的 大型第三有機矽聚合物。於是，將多個第三有機矽聚合物通過加成反 應生成的亞烷基連接，構成具有三維立體結構的合成高分子化合物A。 如此構成的合成高分子化合物A的粘度為約1萬cp左右。但是，粘度 非常依賴於溫度，所以本實施例中，在進行製作時，如上述那樣，暫 時將合成高分子化合物A加熱到60"C ，形成3000 ~ 5000cp左右的低粘 度，然後維持約3小時，使其充分浸滲到線圈之間，其後，將溫度升 高到2001C，使其固化。固化後，將線團從模具中取出，通過除去模框， 得到模製線團10~12。
圖1的模製變壓器使用了本實施例的模製線團10~12，下面說明 該模製變壓器與現有的變壓器在運行方面的不同的特點進行說明。與 用環氧樹脂模製的同 一規格的現有的模製變壓器相比，本實施例的模
制變壓器的額定電流和短路電流可以為其的約1.6倍。在這種狀態下進 行運行時，模製線圈10~12的溫度升高得相當大，但不會發生電機械 異常。這是因為，合成高分子化合物A的減少5重量％溫度高，為410 TC ，並且合成高分子化合物A在高溫下也可維持柔軟性。模製線圏10 ~ 12的溫度升高時，鐵芯15~17的溫度也升高，但由於鐵芯15~17的 鐵損隨溫度的增高而減少，所以還可以得到變壓器的變換效率增高的 效果。據推測在上述1.5倍短路電流的作用下，線團的溫度升高到近 3401C，但在這種溫度下，線圈周圍的合成高分子化合物A不會發生老 化，能夠維持高耐電壓。另外，合成高分子化合物A即使在接近340 "C的高溫下也能維持高柔軟性，所以能夠吸收在低壓線組和高壓線組 之間產生的電磁斥力，不會在合成高分子化合物A中產生裂紋。
本實施例的模製變壓器的效率是98.2%、電壓變動率是1.7%、無 負荷電流是3.5%、短路阻抗是4.5%，並且具有高的特性。另外，交流 耐電壓施加試驗、閃電脈衝試驗以及可靠性試驗等中，也得到了與現 有的模製變壓器相同或者優於現有的模製變壓器的效果。
如上所述，與用環氧樹脂模製的現有的模製變壓器相比，本實施 例的模製變壓器的耐熱性高，並且不損害其他特性，在基本相同的形 狀下，額定電流即額定容量可以增大到現有模製變壓器的約1.6倍。
本實施例中對模製變壓器進行了說明，但本發明還可以應用於僅l 個線圈的電抗器等。
第2實施例
為了提高第1實施例的合成高分子化合物A的熱傳導率，本發明 的笫2實施例中在合成高分子化合物A中混合(也稱填充)了絕緣性陶瓷 微粒。第2實施例涉及填充有絕緣性陶資微粒的高熱傳導率合成高分 子化合物A和使用該化合物A構成的模製變壓器。也就是說，第2實 施例中，第1實施例的模製變壓器的模製線圈10-12被高熱傳導率合 成高分子化合物A進行了模製。作為絕緣性陶瓷微粒，使用粒徑為約 2jrni的氮化鋁(A1N)微粒。以約48體積％的體積填充率填充絕緣性陶瓷 微粒，構成高熱傳導率合成高分子化合物A。通過填充絕緣性陶瓷微 粒，能夠在基本不損害合成高分子化合物A的耐熱性、耐電壓性和柔 軟性的情況下將熱傳導率從約0.3W/mK增大到約6/7W/mK。使用第2 實施例的合成高分子化合物A，與笫1實施例同樣操作，製作模製線
圈10~12。使用第2實施例的合成高分子化合物A時，模製線圈10~12的散 熱更好，所以即使額定電流和短路電流設定在使用環氧樹脂的現有模 制線圏中的額定電流和短路電流的約2.1倍，也不會發生特別的電機械 異常。笫2實施例的模製變壓器的效率、無負荷電流、短路阻抗等電 學性能與現有的模製變壓器基本相同，並且可靠性優於現有的模製變 壓器。如上所述，與第1實施例的模製變壓器相比，第2實施例的模 制變壓器散熱性好，即使基本相同的形狀尺寸下，也可以進一步增大 額定電流即額定容量。第3實施例下面參照圖2說明作為本發明的笫3實施例的高耐熱電力用靜態 設備的模製電容器。圖2是使用本發明的高熱傳導率合成高分子化合物A作為模製用 絕緣材料的模製電容器30的部分剖視立體圖。模製電容器30例如額 定電壓為235V、額定電流為95A、額定容量為1800nF，並且寬為約 45cm、高為約50cm、深度為約20cm。模製電容器30具有並列連接的例如10個電容器元件31a、 31b、 31C…(圖2中可見到3個)。模製電容器30的兩個端子連接於通過各自 的套管34、 35引出的外部連接端子36、 37。各電容器元件具有公知的 結構。電容器元件採取例如下述的結構在作為電介質的厚3jim的聚 苯硫醚膜的兩面，以約20納米的厚度蒸鍍作為電極的鋁膜，製成片材， 將該片材巻成扁平形狀，由此構成電容器元件。在電容器元件31a、 31b、 31C各自的上端面32a、 32b、 32C熔射鋅合金，形成引出電極， 該引出電極上通過高溫焊料連接引線(省略圖示)。圖2中，僅能看到電 容器元件的上端面，但下端面也採取同樣的結構，並連接引線。下面說明模製電容器30的製作步驟。首先，將電容器元件31a、 31b、 31C…分別用第2實施例的高熱傳導率合成高分子化合物A進行覆蓋(l次模製)。接著，將經一次模製的各電容器元件的各引線並聯後 連接到具有套管34、 35的連接端子36、 37。接著，將各電容器元件如 圖2所示那樣排列，與套管34、 35 —同裝入容器狀模具(省略圖示)。 接著，將模具裝入真空室，使室內為低氣壓狀態，將高熱傳導率合成 高分子化合物A注入各電容器元件和模具之間，加熱使其固化，進行
二次模製。其結果是，全部的電容器元件如圖2所示，由厚2 3cm的 二次模製覆蓋物33所覆蓋。將安裝夾具40預先設置在模具的下部， 由此安裝夾具40也被二次模製覆蓋物33固定。普通的聚苯硫酸的分 子量為5萬以下，而本實施例中，為了提高耐熱性，將聚苯硫醚的分 子量增大到6萬~65萬左右，並且優選增大到10萬-30萬左右。其結 果是，電容器元件的耐熱溫度為200TC。
本實施例使用的高熱傳導率合成高分子化合物A如果其粘度過 高，則模製時在模具與各電容器元件之間不產生間隙或空隙是困難 的。相反，如果為了降低粘度而過度地減小分子量，則耐熱性下降。 為了使高熱傳導率合成高分子化合物A的粘度合適，本實施例中，使 用分子量約1500的聚乙基倍半矽氧烷作為第一有機矽聚合物，使用分 子量約6萬的聚甲基矽氧烷作為第二有機矽聚合物，並且第一有機矽 聚合物和第二有機矽聚合物經矽氧烷鍵交替連接成線狀，構成分子量 約20萬的大型第三有機矽聚合物。然後，以加成反應產生的亞烷基將 多個第三有機矽聚合物連接，構成具有三維立體結構的合成高分子化 合物A。將絕緣性陶資微粒填充到該合成高分子化合物A中，使合成 高分子化合物A具有所需的高熱傳導率。具體地說，將粒徑約3jim的 A1N微粒和粒徑約O.lfim的A1N超微粒以6:4的體積比填充到合成高 分子A中，使體積填充率達到約49體積％。其結果是，不損害耐電壓 性能即可得到具有約9.5W/mK的高熱傳導率合成高分子化合物A。
上述一次模製和二次模製中，為了使合成高分子化合物A充分浸 滲到電容器元件之間等，利用了合成高分子化合物A的粘度與溫度有 很強的依賴關係這一性質。即，固化前，在65TC的溫度對合成高分子 化合物A進行加熱，使其形成4000 6000cp左右的低粘度，並維持3 小時，然後在2001C使其固化。
第3實施例的模製電容器30具有如下所示的特性。200TC的高溫下 的耐電壓為約380V以上。該耐電壓(最大允許電壓)是用環氧樹脂進行 模製的現有的模製電容器在溫度120TC下的耐電壓的約1.6倍。同樣 地，最大允許電流也是其約1.5倍。絕緣電阻方面，在20TC施加DC 100V 時，絕緣電阻足夠高，為2000MQ以上。也就是說，即使在高溫下也 可以得到足夠實用的絕緣性。靜電容量對溫度依賴性也良好。也就是 說，在1301C以內，基本沒有溫度依賴，而U01C以上時，靜電容量增
加的很少，並且即使在2001C，其增加的部分也在5%以下，這種增加 程度在實用上沒有問題。電介質的介電損失的主因即損失率也良好， 在溫度20TC、 lkHz頻率下，損失率為0.13%以下。也就是說，在高溫 下也可確保滿足實用的損失率。並且可以承受高頻或浪湧的產熱。也 就是說，與現有的環氧樹脂模製電容器相比，即使在約1.4倍大的高頻 電壓或浪湧電壓下，其也能承受。施加額定電壓的1.5倍的電壓，實施 3000小時的長期連續加壓試驗，在靜電容量、損失率等各種特性方面 沒有見到大的變化。還在溫度80TC、溼度95%長時間進行了 1000小時 以上的耐溼試驗，但沒有特殊的異常。另外，在30TC 1卯1C的範圍改 變溫度，實施100回溫度循環試驗後，實施與上述相同的耐溼試驗， 但沒有異常現象。這些均是由本實施例的模製電容器30的耐熱性和散 熱性提高了的結果導致的。經長期連續加壓試驗和耐溼試驗後，目視 檢查本實施例的高熱傳導率合成高分子化合物A，在外周和內部沒有 發現混濁或裂紋的產生。另外，將本實施例的模製電容器30分解檢查 進行調查，結果表明，各電容器元件與高熱傳導率合成高分子化合物A 的貼合性良好，在高熱傳導率合成高分子化合物A上沒有發現裂紋或 空隙等的產生。
如上所述，與用環氧樹脂進行模製的現有的模製電容器相比，本 實施例的模製電容器30能夠大幅地提高耐熱性，同時與形狀基本相同 的現有的模製電容器相比，本實施例的模製電容器30可以將最大允許 電壓、最大允許電流、對高頻電壓的耐電壓以及對浪湧電壓的耐電壓 增大約1.4 ~ 1.5倍。
第4實施例
下面參照圖3說明本發明的第4實施例的高耐熱電力用靜態設備
即塑料模製膜電容器。
圖3是使用了本發明的高熱傳導率合成高分子化合物A作為模製
用絕緣材料的模製電容器50。模製電容器50的額定電壓為IOOOV、額 定電流為5A、額定容量為10jiF。
電容器元件51具有公知的構成。電容器元件51使用厚約6jim的 聚四氟乙烯膜作為電介質，在其兩面蒸鍍厚約30nm(納米)的鋁金屬電 極後，將其摺疊成長方形狀，由此構成電容器元件51。電容器元件51 的兩端通過熔點250以上的高溫焊料安裝了引腳52、 53。模製電容器
50採取了電容器元件51用由高熱傳導率合成高分子化合物A構成的覆 蓋物54模製的結構。模製電容器50的外形尺寸如下寬32mm、厚 16mm、引腳52、 53方向的高度為26mm。
由於使用了熔點和耐電壓高的聚四氟乙烯作為電介質，所以能夠 提高電容器元件51的耐熱溫度。通常的聚四氟乙烯的分子量為5萬以 下，但本實施例中，為了提高耐熱性，將聚四氟乙烯的分子量增大到6 萬~70萬左右，優選增大到10萬~50萬左右。更優選將聚四氟乙烯 的分子量增大到20萬~35萬。其結果是電容器元件的耐熱溫度變為 230匸。
高熱傳導率合成高分子化合物A的粘度過高時，模製時難以不產 生間隙或空隙。相反，如果為了降低粘度而過度地減小分子量，則耐 熱性下降。為了使高熱傳導率合成高分子化合物A達到所需粘度，本 實施例中，使用分子量約1萬的聚苯基倍半矽氧烷作為第一有機矽聚 合物，使用分子量約9萬的聚二曱基矽氧烷作為第二有機矽聚合物， 並且笫一有機矽聚合物和第二有機矽聚合物經矽氧烷鍵交替連接成線 狀，構成分子量約30萬的大型第三有機矽聚合物。然後，以加成反應 產生的亞烷基將多個笫三有機矽聚合物連接，構成具有三維立體結構 的合成高分子化合物A。將絕緣性陶瓷微粒填充到該合成高分子化合 物A中，使合成高分子化合物A具有所需的高熱傳導率。具體地說， 將粒徑約2.5jim的A1N微粒和粒徑約0.07fim的A1N超微粒以6:4的體 積比填充到合成高分子A中，使體積填充率達到約63體積％。其結果 是，不損害耐電壓性能即可實現約21W/mK的高熱傳導率。
將電容器元件51放入裝有高熱傳導率合成高分子化合物A的槽 內，進行浸泡模製時，為了使高熱傳導率合成高分子化合物A充分浸 滲到電容器元件之間，使溫度為約701C，形成3500 5000cp左右的低 粘度，並將電容器元件51在其中浸泡約30分鐘。其後，將電容器元 件51從槽中取出，在2201C的惰性氣體中加熱，使高熱傳導率合成高 分子化合物A固化。
第4實施例的模製電容器50具有如下的特性。230"C的高溫下的耐 電壓為約1600V以上，與用環氧樹脂進行模製的現有的模製電容器相 比，笫4實施例的模製電容器50能夠實現約1.6倍高的最大允許電壓。 同樣地，最大允許電流也是其約1.8倍。絕緣電阻方面，在溫度20匸
施加DC500V時，絕緣電阻為3000MQ以上。即，比現有的模製電容 器高。靜電容量的溫度依賴性也良好。即，在180TC以內基本沒有溫度 依賴，在1801C 2301C範圍的變化為5%以下，這種水平在實用上沒有 問題。電介質的介電損失的主因即損失率也良好，在溫度201C、 lkHz 頻率下，損失率為0.13%以下。也就是說，在高溫下也可確保滿足實 用的損失率。並且能承受高頻或浪湧的產熱。也就是說，與現有的環 氧樹脂模製電容器相比，即使在1.8倍以上的大高頻電壓或浪湧電壓 下，其也能承受。施加額定電壓的1.5倍的電壓，實施3000小時的長 期連續加壓試驗，在靜電容量、損失率等各種特性方面沒有見到大的 變化。在溫度801C、溼度95%的耐溼試驗中，IOOO小時以上的長時間 內沒有特殊的異常。另外，在30TC-200TC的範圍改變溫度，實施IOO 回溫度循環試驗後，實施與上述相同的耐溼試驗，但沒有異常現象。 經長期連續加壓試驗和耐溼試驗後，目視檢查本實施例的高熱傳導率 合成高分子化合物A，在外周和內部沒有發現混濁或裂紋的產生。另 外，將本實施例的模製電容器51分解檢查，考查電容器元件51與覆 蓋物54的貼合性，結果為良好，沒有發現裂紋或空隙等的產生。
如上所述，本實施例的模製電容器50可提高耐熱性，而不會損害 其他特性，即使與現有的模製電容器的形狀基本相同，也能進一步增 大最大允許電壓、最大允許電流、和對高頻電壓的耐電壓以及對浪湧 電壓的耐電壓。
上面說明了四個實施例，但本發明還包括更多的應用範圍或派生 結構。下面進行說明。
例如，本發明還可用於內鐵型或外鐵型的變壓器。另外，本發明 還可用於單相或三相的變壓器。並且，本發明還可用於裝載金屬外殼 內的變壓器、模封在外殼內的變壓器、柱上變壓器或街道變壓器。另 外，在額定容量方面，本發明還可用於例如7萬~22萬V級的大容量 模製變壓器或10 100MW級的大容量模製變壓器。進而，本發明由於 適合小型化和輕量化，所以通過用於電力機車或電力汽車等的車輛用 變壓器或事故時應急用可攜式變壓器，可得到非常大的優點。
本發明還可用於使用了其他高耐熱膜作為電介質的電容器。例 如，可以使用分子量為5000~25萬左右、優選l萬~10萬左右的聚醯 亞胺膜等。另外，本發明還可用於陶瓷電容器、電雙層電容器等。
本發明還可用於使用了分散有電介質陶瓷微粒的電介質膜的電容 器。例如在有聚苯硫醚、聚四氟乙烯、或聚醯亞胺構成的膜中分散鈦 酸鋇、氧化鈦、鈦酸鍶等電介質陶瓷的微粒。電介質陶瓷微粒的優選
粒徑為0.01nm~5jim。據此可在進一步提高耐熱性的同時增大每單位 體積的靜電容量。
本發明還可用於大型高電壓用變壓器。另外，本發明還可用於芯 片型結構的電容器。另外，本發明還可用於裝在金屬外殼內的電容器 或模封的電容器。另外，本發明還可用於額定容量為3.3kV級或6.6kV 級的lkW~ IOMW的高電壓大容量模製型膜電容器。
本發明不僅可用於變壓器和電容器，還可用於其他電力用靜態設 備。其他電力用靜態設備的例子包括電抗器、互感器、電力用固體避 雷器、電力用保險絲等。電力用固體避雷器內部藏有電阻或以氧化鋅 元件等為代表的固體元件。
本發明還可用於大型電力用靜態設備的部件。例如，在33kV以上 的高耐壓大容量油浸變壓器等中廣泛使用的電容器套管中，可將本發 明的高耐熱電容器用於電容器部分。
本發明還可用於具有可動部的電力用設備的一部分中所用的靜態 設備部件。可動部的例子包括阻斷器、開關器、各種大型開關裝置、 各種馬達、發電機等。
構成合成高分子化合物A的第一有機矽聚合物，可以從聚苯基倍 半矽氧烷、聚曱基倍半矽氧烷、聚曱基苯基倍半矽氧烷、聚乙基倍半 矽氧烷以及聚丙基倍半矽氧烷中任意選擇使用。並且，可以使用這些 中的2種以上。
構成合成高分子化合物A的第二有機矽聚合物，可以從由聚二甲 基矽氧烷、聚二乙基矽氧烷、聚二苯基矽氧烷以及聚苯基甲基矽氧烷 中任意選擇使用。並且可以使用這些中的2種以上。
模製電力用靜態設備的封裝當然可以用耐熱性高的其他環氧樹脂 例如使用聚咪唑作為固化劑的環氧樹脂等形成。
作為絕緣性陶瓷，可以使用金剛石或氮化硼等熱傳導率高的絕緣 性陶資。
產業實用性
本發明可顯著提高電力用靜態設備的耐熱性，所以產業上的利用 價值大。
權利要求
1、一種高耐熱電力用靜態設備，其特徵在於，其至少一個構成要素由合成高分子化合物A覆蓋，合成高分子化合物A由多個第三有機矽聚合物相連接而構成，所述第三有機矽聚合物是至少一種第一有機矽聚合物和至少一種第二有機矽聚合物相連接而成的，第一有機矽聚合物具有通過矽氧烷鍵形成的交聯結構，第二有機矽聚合物具有通過矽氧烷鍵形成的線狀連接結構，第三有機矽聚合物由第一有機矽聚合物和第二有機矽聚合物通過矽氧烷鍵連接而構成，並且具有2萬～80萬的分子量，合成高分子化合物A通過加成反應生成的共價鍵將多個第三有機矽聚合物連接而構成，具有三維立體結構。
2、 根據權利要求l所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，第一有 機矽聚合物是選自聚苯基倍半矽氧烷、聚曱基倍半矽氧烷、聚甲基苯 基倍半矽氧烷、聚乙基倍半矽氧烷以及聚丙基倍半矽氧烷中的至少一 種，第二有機矽聚合物是選自聚二甲基矽氧烷、聚二乙基矽氧烷、聚二苯基矽氧烷以及聚苯基曱基矽氧烷中的至少 一種。
3、 根據權利要求l所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，第一有 機矽聚合物的分子量為200 ~ 70000，第二有機矽聚合物的分子量為 5000 ~ 200000，並且第一有機矽聚合物的分子量比第二有機矽聚合物 的分子量小。
4、 根據權利要求l所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，合成高 分子化合物A含有具有高熱傳導率的絕緣性陶瓷的微粒。
5、 根據權利要求l所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，作為所述構成要素的具有電介質和導電體的電容器元件由合成高分子化合物 A所覆蓋。
6、 根據權利要求l所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，作為所 述構成要素的線圈由合成高分子化合物A所覆蓋。
7、 根據權利要求4所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，所述絕 緣性陶瓷是選自由氮化鋁、氧化鈹、氧化鋁以及多晶態絕緣性碳化矽 中的至少一種。
8、 根據權利要求4所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，所述絕 緣性陶資微粒的粒徑為0.01fim~50nm。
9、 根據權利要求4所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，所述絕 緣性陶資微粒向合成高分子化合物A的體積填充率為15體積％~80 體積％。
10、 根據權利要求4所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，所述 絕緣性陶瓷微粒包括粒徑不同的多個粒徑的微粒，並且粒徑比在 1:1/10 ~ 1:1/200的範圍。
11、 根據權利要求5所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，所述 電容器元件在膜的兩面形成導電體膜而構成，所述膜由選自聚苯硫 醚、聚四氟乙烯以及聚醯亞胺中的至少一種聚合物形成。
12、 根據權利要求5所述的高耐熱電力用靜態設備，其中，所述 電容器元件在膜的兩面形成導電體膜而構成，所述膜由選自分子量10 萬~30萬的聚苯硫醚、分子量10萬~50萬的聚四氟乙烯以及分子量 10萬~ 50萬的聚醯亞胺中的至少一種聚合物形成，並且所述膜中分散 有選自鈦酸鋇、氧化鈦以及鈦酸鍶中的至少一種電介質陶瓷微粒。
全文摘要
電力用靜態設備的至少一個構成要素被合成高分子化合物A覆蓋。合成高分子化合物A由多個第三有機矽聚合物相連接而構成，所述第三有機矽聚合物是至少一種第一有機矽聚合物和至少一種第二有機矽聚合物相連接而成的。第一有機矽聚合物具有通過矽氧烷鍵形成的交聯結構。第二有機矽聚合物具有通過矽氧烷鍵形成的線狀連接結構。第三有機矽聚合物由第一有機矽聚合物和第二有機矽聚合物通過矽氧烷鍵連接而構成，並且具有2萬～80萬的分子量。合成高分子化合物A通過加成反應生成的共價鍵將多個第三有機矽聚合物連接而構成，具有三維立體結構。
文檔編號H01F27/32GK101107684SQ200680003248
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月20日 優先權日2005年1月27日
發明者菅原良孝 申請人:關西電力株式會社