CN101663712A - 具有改进的树脂绝缘***的室外电气装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种电气设备，其具有封装在塑性罩壳内的电气装置。该罩壳包括内壳和外壳。该内壳厚度大于该外壳且该内壳比该外壳更具柔性。该内壳由在固化时断裂拉伸伸长大于5％的第一树脂组合物形成，该外壳由在固化时断裂拉伸伸长小于5％的第二树脂组合物形成。

Description

具有改进的树脂绝缘***的室外电气装置
技术领域
本发明涉及一种电气装置，并且更具体而言涉及一种具有带固体绝缘的干式构造的室外电气装置。
背景技术
具有干式构造的室外电气装置(例如变压器)包括至少一个电气部件(例如铁心/线圈组件)，其封装在固体绝缘材料内以将电气部件与外部环境绝缘和密封。传统上，电气部件封装在单浇注树脂内，该单浇注树脂制定成满足用于在电气装置操作器件绝缘该电气装置的所有电气、化学和热学要求。此外，此单浇注树脂制定成耐受恶劣的室外环境条件以保持其绝缘属性并维持具有美感的外观。通常，单浇注树脂为环氧树脂。特别制定用作单浇注树脂的环氧树脂的示例公开于授权给Ito等人的美国专利No.5,939,472，其通过引用结合于此。
由于单浇注树脂需要满足许多不同要求，单浇注树脂的制作通常非常昂贵。此外，单浇注树脂并未提供最优的总体特性。在过去，少量电气装置已经在其构造内使用多种树脂。使用多种树脂的电气装置的示例为由德国拉丁根的ABB Calor Emag MittelspannungGmbH制造的具有电流传感器的嵌入式真空断续器。此嵌入式真空断续器内的绝缘***被发展以减少局部放电，且具有由刚性双酚A基环氧树脂构成的内层以及由刚性脂环族环氧树脂构成的外层。在授权给Paradis等人的美国专利No.5,656,984中，公开使用多种树脂的电气装置的另一示例。Paradis等人的专利公开了一种变压器，其具有包裹围绕金属铁心的硅酮发泡橡胶(闭孔)板材料。被包裹的铁心以及线圈被密封在由Araldite CW229构成的主体内，Araldite CW229为刚性环氧树脂。在环氧树脂固化和收缩时，发泡橡胶板材料帮助保护铁心。由玻璃纤维构成的外壳体布置在环氧树脂主体的周围。
基于前述内容，需要一种用于电气装置的绝缘***，其中该绝缘***具有改进的绝缘和磨损属性，且在制作上成本有效。本发明针对具有此类绝缘***的电气装置以及这种装置的制作方法。
发明内容
根据本发明，提供了一种电气设备及其形成方法。该电气设备包括封装在塑性罩壳内的电气装置。该罩壳具有内壳和外壳。内壳的厚度大于外壳，且内壳比外壳更具柔性。内壳包括断裂拉伸伸长大于5％的固化的第一树脂组合物，外壳包括断裂拉伸伸长小于5％的固化的第二树脂组合物。
附图说明
结合下述描述、所附权利要求以及附图，将更好地理解本发明的特征、方面和优点，其中：
图1为根据本发明实施的变压器的示意截面图；以及
图2为正在模具内形成的变压器的内壳的示意图。
具体实施方式
应注意，在下文的详细描述中，相同部件使用相同参考符号，而与其是否在本发明不同实施例中示出无关。还应注意，为了清楚简要公开本发明，附图不一定是按比例的，且本发明的特定特征可以以稍微示意性形式来示出。
现在参考图1，示出根据本发明来构造的电气装置10的示意截面图。电气装置10为适于户外使用的仪用变压器。更具体而言，该电气装置为电流互感器。仪表变压器，与例如计量器和继电器的设备一起，适用于测量和保护应用。仪用变压器将***的电流或电压″降低″到相关设备可以处理的标准值。例如，电流仪用变压器可以将10安培至2500安培范围内的电流降低到1安培至5安培范围内的电流，而电压仪用变压器可以将12000伏特至40,000伏特范围内的电压降低到100伏特至120伏特范围内的电压。
电气装置10大体上包括铁心12、初级或高压绕组14、次级或低压绕组16以及罩壳18，该罩壳18由多种树脂形成，这将在下文更全面描述。铁心12、高压绕组14和低压绕组16浇注在树脂内，从而被封装在罩壳18内。
铁心12具有扩大的中心开口且由例如铁或钢的铁磁材料组成。铁心12可具有矩形形状(如所示)，或者环形或环状形状。铁心12可包括钢条(例如晶粒取向硅钢)，该钢条缠绕在线圈内的心轴上。备选地，铁心12可由矩形板的一或多个堆叠形成。低压绕组16包括一段长度的导线，例如铜导线，该导线包裹围绕铁心12以形成多匝，这些匝布置围绕铁心12的周边。低压绕组16的端部部分紧固到低压变压器引线(或形成低压变压器引线)，低压变压器引线连接到安装在罩壳18外部的接线板。高压绕组14连接到高压变压器引线(未示出)。铁心12与低压绕组16的组合在下文中称为铁心/线圈组件20。高压绕组14可以是矩形、环形或环状的形状，且与铁心/线圈组件20互连。该高压绕组由例如铜的导电金属构成。
罩壳18包括内层或壳24和外层或壳26。外壳26布置在内壳24之上且与外壳24是同延的。在罩壳18上任何给定点，内壳24的厚度大于外壳26的厚度。更具体地，内壳24的厚度比外壳26的厚度大至少25％，更特别地大至少50％，甚至更特别地大至少100％。在本发明一个实施例中，内壳24的厚度比外壳26的厚度大约大300％。内壳24比外壳26更具柔性(更柔软)，内壳24包括柔性第一树脂组合物30(示于图2)，而外壳26包括刚性第二树脂组合物。第一树脂组合物30(当完全固化时)是柔性的，断裂拉伸伸长(由ASTMD638测量)大于5％，更特别地大于10％，进一步特别地大于20％，甚至更加特别地在约20％至约100％的范围内。第二树脂组合物(当完全固化时)是刚性的，断裂拉伸伸长(由ASTM D638测量)小于5％，更特别地在约1％至约5％的范围内。
内壳24的第一树脂组合物30可以是柔性环氧组合物、柔性芳香族聚氨酯组合物、丁基橡胶或热塑性橡胶。
可用于内壳24的第一树脂组合物30的合适柔性环氧组合物可由环氧树脂、一种或多种增韧剂和一种或多种固化剂(或交联剂)形成。
环氧树脂包括多核二羟基苯酚(一种双酚)和卤代醇。可以使用的双酚包括双酚A、双酚F、双酚S和4，4′-二羟基双酚。已经发现双酚A尤为合适。卤代醇包括环氧氯丙烷、二氯丙醇和1，2-二氯3-羟基丙烷。已经发现环氧氯丙烷尤为合适。通常，过量摩尔当量的环氧氯丙烷与双酚A反应，使得多达两摩尔的环氧氯丙烷与一摩尔的双酚A反应。
增韧剂可与环氧树脂反应而成为交联结构的部分。此反应性增韧剂可以是聚亚烷基氧化物或聚烷撑二醇的二缩水甘油醚，该二缩水甘油醚可由环氧氯丙烷和聚烷撑二醇的反应产物，例如C2至C4多元醇的环氧乙烷和环氧丙烷加合物来形成。可从商业上获得的可使用的反应性增韧剂包括D.E.R.732，其由密歇根、米德兰的DowChemical Company销售且其为环氧氯丙烷和聚丙二醇的反应产物。
固化剂可以是脂肪族多胺或其加合物、芳香族多胺、酸酐、聚酰胺、酚醛树脂或催化型固化剂。合适的脂肪族多胺包括二亚乙基三胺(DETA)、三亚乙基四胺(TETA)和四亚乙基五胺(TEPA)。合适的芳香族多胺包括间苯二胺、二氨基二苯砜和二乙基甲苯二胺。合适的酸酐包括十二烯基琥珀酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、偏苯三酸酐、邻苯二甲酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐和甲基纳迪克酸酐。
可用于内壳24的第一树脂组合物30的合适柔性芳香族聚氨酯组合物是由多元醇、聚异氰酸酯、扩链剂以及可选的催化剂形成。多元醇为低分子量(400至10000)的含羟基分子，每个链具有两个或更多个羟基基团。该多元醇可以是聚酯多元醇、聚己内酯多元醇或聚醚多元醇。聚酯多元醇的示例包括聚(亚乙基己二酸酯)和聚(1，4-亚丁基己二酸酯)。聚醚多元醇的示例包括聚亚丙基醚多元醇和聚四亚甲基醚二醇(PTMEG)。聚异氰酸酯可以是甲苯二异氰酸酯(TDI)的2，4或2，6异构体、4，4′-亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)、1，5-萘二异氰酸酯(NDI)、联甲苯胺二异氰酸酯(TODI)、或对苯基二异氰酸酯(PPDI)，或其组合。扩链剂可以是胺和/或短链多元醇。胺可以是亚甲基双(2-氯苯胺)(MCBA)，或者例如单叔丁基甲苯二胺的单叔烷基甲苯二胺。合适的短链多元醇包括乙二醇、丙二醇、丁二醇和丙三醇。催化剂可用于加速多元醇、聚异氰酸酯和扩链剂的反应。催化剂可以是有机金属化合物或者例如三乙胺的叔胺。
柔性芳香族聚氨酯组合物可以在一次工艺或两步预聚物工艺内形成。该一次工艺为单步骤的工艺，其中多元醇、聚异氰酸酯、扩链剂和任意催化剂在分配喷嘴内混合在一起且立即注射到模具内。该两步预聚物工艺包括第一步骤，其中过量的聚异氰酸酯与该多元醇反应以形成异氰酸酯封端的前体或预聚物。预聚物典型地具有以重量计含量在约0.5％至约30％之间的异氰酸酯(NCO)。在第二步骤，预聚物与扩链剂及任何催化剂反应。也可在第二步骤添加附加量的聚异氰酸酯。来自第二步骤的混合物随后添加到模具并允许固化。
在本发明一个特定实施例中，柔性芳香族聚氨酯组合物包括由Loctite Corporation生产的名为NB2858-91的聚氨酯***。NB2858-91为100％固体的双组分(two-part)聚氨酯***。当固化时，NB2858-91(在23℃)固化密度为1.62gm/cc，初始肖氏D硬度为70-75以及在10秒后，肖氏D硬度为55-60，伸长为90％，热导率(cal×cm)/(sec×cm2×℃)为18.1，且介电强度(在20密耳厚度，伏特/密耳(mil))为1200。
可用于内壳24的第一树脂组合物30的合适热塑性橡胶可以是乙烯-丙烯共聚物弹性体或者混合有聚乙烯或聚丙烯的三元共聚物弹性体。另一合适的热塑性橡胶可以是具有聚苯乙烯的嵌段和聚丁二烯或聚异戊二烯的嵌段的嵌段共聚物。
外壳26的第二树脂组合物为脂环族环氧组合物，其包括脂环族环氧树脂、固化剂、促进剂以及可选的填充剂，例如硅烷化石英粉末、熔融石英粉末、或者硅烷化熔融石英粉末。
脂环族环氧树脂可以是通过环氧氯丙烷或β-甲基环氧氯丙烷与每个分子含有两个或更多个自由醇羟基和/或酚羟基基团的化合物反应形成的多缩水甘油醚或聚(β-甲基缩水甘油)醚。合适的脂环族环氧树脂的示例包括：二(4-羟基环己基)甲烷二缩水甘油醚、2，2-二(4-羟基环己基)丙烷二缩水甘油醚、四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯、4-甲基四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯、4-甲基六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯、六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，以及3，4-环氧环己基甲基3′，4′-环氧环己基甲酸酯，其可从Dow Chemical Company以商标名ERL-4221购得。
该固化剂可以是酸酐，例如线性脂肪族聚酸酐或环状羧酸酐。合适的环状羧酸酐包括：琥珀酸酐、柠康酸酐、衣康酸酐、马来酸酐、丙三羧酸酐(tricarballylic anhydride)、甲基四氢邻苯二甲酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐和甲基六氢邻苯二甲酸酐。
该促进剂可以是胺、酸性催化剂(例如辛酸亚锡)、咪唑或季铵氢氧化物或卤化物。尤为合适的促进剂为叔胺，例如：N，N-二甲基苄胺、三乙胺、N，N-二甲苯胺、N-甲基吗啉、N-乙基吗啉、咪唑和四氯甲基亚乙基胺、四甲基胍、三异丙胺、吡啶、哌嗪(piperrazine)、三乙胺(triethyamine)、三丁胺、二甲基苄胺、三苯基胺、三环己胺、喹啉、三乙胺类(triethylamines)、三苯胺、三(2，3二甲基环己基)胺、苄基二甲胺、1，3-四甲基丁二胺、三(二甲氨基甲基)苯酚和三亚乙基二胺。
为了改善外壳26的耐气候性，脂环族环氧组合物可进一步包括OH封端聚硅氧烷、环状聚硅氧烷和非离子型氟脂肪族表面活性剂中的一种或多种，如授权给Beisele等人的美国专利No.6,764,616所公开的，该专利通过引用结合于此。
在本发明一个具体实施例中，脂环族环氧组合物包括可从德克萨斯伍德兰兹的Huntsman Corporation购得的组分，即CY 5622树脂、
Figure G2008800116265D00071
HY 1235硬化剂和DY 062促进剂。
Figure G2008800116265D00072
CY 5622树脂为二缩水甘油酯，
Figure G2008800116265D00073
HY 1235为酐且DY 062为叔胺。
罩壳18利用第一和第二浇注工艺形成于铁心/线圈组件20之上。在第一浇注工艺中，内壳24由第一树脂组合物30在模具内形成。第一树脂组合物30的组分首先预热到约40℃至约60℃，且通过手工或机器混合在一起，以形成均匀混合物，该均匀混合物随后分配到模具内。如果第一树脂组合物30为柔性环氧组合物，第一浇注工艺可以是自动压力凝胶化(APG)工艺或真空浇注工艺。如果第一树脂组合物30为柔性芳香族聚氨酯组合物，第一浇注工艺可以是开放浇注工艺或真空浇注工艺，每种工艺均在约40℃至约85℃的温度进行。
现在参考图2，示出可用于形成内壳24的APG***。第一树脂组合物30(呈液体或准液体形式)在容器34内在真空下除气，同时维持在约40℃至约60℃的温度。铁心/线圈组件20和高压绕组14放置于模具40的腔体36内，其被加热到约120℃至约160℃的温度。高压和低压变压器引线伸到腔体36外部，从而在浇注工艺之后从罩壳18突出。经除气和预加热的第一树脂组合物30随后在轻微压力下被引至包括铁心/线圈组件20和高压绕组14的腔体36内。在腔体36内部，第一树脂组合物30迅速开始凝胶化。然而，腔体36内的第一树脂组合物30保持与从容器34引入的受压力的第一树脂组合物30接触。按照这种方式，腔体36内凝胶化的第一树脂组合物30的收缩通过随后进一步添加在受压力下进入腔体36的经除气和预加热的第一树脂组合物30而得到补偿。
在开放浇注工艺中，第一树脂组合物30被简单地倾倒至包括铁心/线圈组件20和高压绕组14的开放模具内。模具被加热到约40℃至约85℃的温度(对于柔性芳香族聚氨酯组合物而言)。
在真空浇注中，铁心/线圈组件20和高压绕组14布置在模具内，该模具封在真空室或壳体内。第一树脂组合物30的组分在真空下混合在一起，并且也在真空下被引入到真空室内的模具内。对于柔性芳香族聚氨酯组合物而言，模具被加热到约40℃至约85℃的温度，或者对于柔性环氧组合物而言，模具被加热到约80℃至约100℃的温度。在树脂分配到模具内之后，真空室内的压力增大至大气压力。
在第一树脂组合物30(内壳24)固化一段时间以形成固体之后，将其中封入有铁心/线圈组件20和高压绕组14的内壳24从模具移除。此中间产物的内壳24被允许完全固化。在此中间产物的内壳24固化之后，内壳24被喷砂或者以其他粗糙化，从而在第二浇注工艺内促进第二树脂组合物的粘合。
第二浇注工艺为APG工艺(例如可通过APG***32来进行)，或真空浇注工艺。在第二浇注工艺中，将包括铁心/线圈组件20和高压绕组14的中间产物置于第二模具内。第二树脂组合物随后引入到第二模具内，对于APG工艺而言将该模具加热到从约130℃至约150℃的温度，或者对于真空浇注工艺而言将该模具加热到从约80℃至约100℃的温度。在第二树脂组合物(外壳26)固化一段时间形成固体之后，将其中封入有铁心/线圈组件20和高压绕组14的罩壳18从第二模具移除。外壳26随后被允许完全固化。
替代通过前述方式来形成罩壳18，罩壳18可以这样形成，即，先形成外壳26，随后使用外壳26作为模具用于将内壳24成型在铁心/线圈组件20和高压绕组14之上。更特别地，第二树脂组合物被成型以将外壳26形成为两件且未完全固化，即，第二树脂组合物仍是反应性的。随后将铁心/线圈组件20和高压绕组14置于反应性外壳26内，且随后将第一树脂组合物30注入到反应性外壳26内。将反应性外壳26加热到第一树脂组合物30的固化温度，如果第一树脂组合物30为柔性芳香族聚氨酯组合物，则此固化温度为约40℃至约85℃。此提升的固化温度还进一步促进第二树脂组合物的固化以及第一和第二树脂组合物之间的化学键合。
应理解，前述示例性实施例的描述旨在仅仅是本发明的阐述而非穷举。本领域技术人员将会在不背离由所附权利要求定义的本发明精神或其范围的情况下对所公开主题的实施例进行特定添加、删除和/或改进。

Claims (18)

1.一种电气设备，包括：
电气装置；以及
封装所述电气装置的塑性罩壳，所述罩壳包括内壳和外壳，所述内壳厚度大于所述外壳，且所述内壳比所述外壳更具柔性，所述内壳包括断裂拉伸伸长大于5％的固化的第一树脂组合物，以及所述外壳包括断裂拉伸伸长小于5％的固化的第二树脂组合物。
2.如权利要求1所述的电气设备，其中所述固化的第一树脂组合物的断裂拉伸伸长大于10％。
3.如权利要求2所述的电气设备，其中所述电气设备为变压器以及所述电气装置包括铁心/线圈组件。
4.如权利要求2所述的电气设备，其中所述固化的第一树脂组合物选自由聚氨酯树脂组合物、环氧树脂组合物、热塑性橡胶和丁基橡胶组成的群组。
5.如权利要求4所述的电气设备，其中所述固化的第二树脂组合物为环氧树脂组合物。
6.如权利要求5所述的电气设备，其中所述固化的第一树脂组合物为芳香族环氧树脂组合物，以及所述固化的第二树脂组合物为脂环族树脂组合物。
7.如权利要求5所述的电气设备，其中所述固化的第一树脂组合物为芳香族聚氨酯组合物，以及所述固化的第二树脂组合物为脂环族环氧树脂组合物。
8.如权利要求7所述的电气设备，其中所述内壳的厚度比所述外壳的厚度大至少50％。
9.如权利要求8所述的电气设备，其中所述电气设备为变压器，以及所述电气装置包括铁心/线圈组件。
10.一种形成电气设备的方法，包括：
提供电气装置；以及
将所述电气装置封装在包括内壳和外壳的塑性罩壳内，所述内壳厚度大于所述外壳，且所述内壳比所述外壳更具柔性，所述内壳包括断裂拉伸伸长大于5％的固化的第一树脂组合物以及所述外壳包括断裂拉伸伸长小于5％的固化的第二树脂组合物。
11.如权利要求10所述的方法，其中封装所述电气装置的步骤包括：
将所述电气装置置于模具内；
将所述第一树脂组合物分配到所述模具内，从而封装所述电气装置；
至少部分固化所述第一树脂组合物；以及
从所述模具移除封装在至少部分固化的第一树脂组合物内的所述电气装置。
12.如权利要求11所述的方法，其中封装所述电气装置的步骤还包括：
固化所述模具外部的所述第一树脂组合物，由此形成所述内壳；
粗糙化所述内壳的外表面；
将具有所述粗糙化外表面的所述内壳置于第二模具内；
将所述第二树脂组合物分配到所述第二模具内，从而封装其中布置有所述电气装置的所述内壳；
至少部分固化所述第二树脂组合物；以及
从所述第二模具移除封装在所述内壳以及所述至少部分固化的第二树脂组合物内的所述电气装置。
13.如权利要求11所述的方法，其中封装所述电气装置的步骤还包括：
分配所述第二树脂组合物到第一模具内；
部分固化所述第二树脂组合物；以及
从所述第一模具移除所述部分固化的第二树脂组合物，所述部分固化的第二树脂组合物包括所述第一树脂组合物分配于其中的所述模具。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述电气设备为变压器，以及所述电气装置包括铁心/线圈组件。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述固化的第一树脂组合物的断裂拉伸伸长大于10％。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述固化的第一树脂组合物为芳香族聚氨酯组合物，以及所述固化的第二树脂组合物为脂环族环氧树脂组合物。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述固化的第一树脂组合物为芳香族环氧树脂组合物，以及所述固化的第二树脂组合物为脂环族树脂组合物。
18.如权利要求10所述的方法，其中封装所述电气装置的步骤被执行为使得所述内壳的厚度比所述外壳的厚度大至少50％。
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