CN103415894B - 带有壁状固体绝缘件的用于高压直流输电组件的绝缘装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压直流输电组件，例如变压器的绝缘装置。按本发明规定，固体绝缘件(26,27)由含有纤维素材料的复合物制成，该复合物相比未处理的纤维素材料具有更低的电阻率。因此有利地规定，固体绝缘件(26,27)的壁厚减小，使得例如高压直流输电组件中的各元件(22,23)之间的散射信道宽度(35)能减小。由此有利地形成扩大的结构间隙，该间隙尤其导致更紧凑的结构方式。本发明尤其可以使用在高压直流输电变压器和高压直流输电扼流阀中。

Description

带有壁状固体绝缘件的用于高压直流输电组件的绝缘装置

技术领域

本发明涉及一种用于高压直流输电组件，尤其是变压器或扼流阀的绝缘装置，其包括一系列壁状的、由纤维素材料制成的固体绝缘件，在这些固体绝缘件之间提供用于变压器油的间隙并且它们与变压器油一起形成绝缘段。

背景技术

开头所述类型的绝缘装置例如从EP285895中已知。高压直流输电组件例如是用于高压直流输电变压器的电连接的布线装置，该布线装置电绝缘并且必须屏蔽。在此，使用由压榨纸板构成的固体绝缘件，其中，该压榨纸板相对一般的压榨纸板具有更高的传导性。固体绝缘件形成多个相互间隔的、围绕布线装置的围板，以便在它们之间形成用于以变压器油填充的缝隙。一组以变压器油填充的缝隙和固体绝缘件形成用于布线装置的绝缘段。

由US4,521,450已知，将可浸渍的、由纤维素纤维构成的实心材料浸入水性的氧化剂，例如由三氯化铁(III)溶液、硫酸铈(IV)、铁(III)***或磷钼酸组成的弱酸性溶液中。然后，湿润的纤维素材料与液态或蒸汽态的吡咯化合物在室温下一直处理，直到吡咯与氧化剂的浓度有关地聚合为止。将这样浸渍过的纤维素材料在室温下干燥24小时。氧化剂一方面保证吡咯化合物的聚合，此外还保证增大导电性。因此，这种浸渍过的纤维素材料的电阻率ρ会受到吡咯的浓度和氧化剂的种类的影响。

此外已知，如果涉及形成电场的情况下，尤其是在电导体的绝缘层上减小峰值，纳米复合物也可以用作分级电场的材料。为此，按WO2004/038735A1也可以使用例如由聚合物组成的材料。在这种材料中分散有填料，其颗粒是纳米颗粒，也就是说具有最大100nm的平均直径。按US2007/0199729A1，对于这种纳米颗粒还可以使用半导体材料，其能带隙处于0eV到5eV的范围内。借助所使用的、例如由ZnO组成的纳米颗粒可以调节纳米复合物的电阻。若在混入纳米颗粒时超过一定的体积份额，该份额视纳米颗粒的大小而定地为10至20%体积百分比，则纳米复合物的电阻率明显减小，其中，纳米复合物的导电性可以以这种方式调节并且可以与所需条件匹配。尤其可以调节数量级10¹²Ωm的电阻率。因此，若通过纳米复合物达到电压降，该电压降导致电势更均匀的分布并因此也以适合的方式使所产生的电场梯度化。由此可以减小所产生的电场峰值，从而有利地提高了击穿强度。在需要具有交流电压的电导体时，同样存在电场梯度化效果，当然该电场梯度化效果依照另外的机制。纳米复合物削弱电场的效果在此与纳米复合物的电容率有关，其中，电容率ε是材料可透过电场的能力的一个度量。该电容率也称作介电常数，其中，下面应使用概念“电容率”。人们也将通过电容率ε_r=ε/ε₀表示的材料电容率ε与电场常数ε₀(真空电容率)所成的比率称作相对电容率。相对电容率越高，所使用的材料相比真空削弱电场的效果也就越大。下面仅涉及所使用材料的电容率。

此外，WO2006/122736A1描述一种由纤维素纤维和纳米管，优选碳纳米管(下面称CNT)组成的***，其中，可以设定由6至75Ωm换算的电阻率。该纳米复合物例如应当用作电阻加热装置，其中，考虑材料从电能转换成热能的能力来设计传导性。为此，需要碳纳米管对纤维素纤维有足够的覆盖度。

WO2006/131011A1描述一种插槽，该插槽还可以由浸渍过的纸卷构成。除其他材料外，材料BN也用作浸渍的材料。该材料也可以以掺杂的形式使用。此外，应当使用具有在纤维素材料中的浓度低于渗滤阈值的颗粒，以便不会出现颗粒相互电接触。由于此原因，纳米复合物的电阻率基本上不被影响。

从本申请时刻之后公开的、申请号为DE102010041630.4的申请中已知一种具有半导体或非导体纳米颗粒的纳米复合物，这些纳米颗粒分散在纤维素材料，例如压榨纸板中，该纤维素材料在变压器中可以用作使电场梯度化的材料。分散在纤维素材料中的纳米颗粒的至少一部分具有由导电聚合物制成的***。例如可以使用纸、纸板或压榨纸板作为纤维素材料。该纤维素材料具有由纤维素纤维制成的结构，该结构在其整体上构成纤维素材料的连接。例如可以使用Si，SiC，ZnO，BN，GaN，A1N或C，尤其是氮化硼纳米管(下面称作BNNT)作为半导或非导性的纳米颗粒。可以使用在DE102007018540A1中提及的聚合物作为导电的聚合物。例如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚对苯撑、聚对苯撑乙烯和所述聚合物的衍生物用作导电的聚合物。PEDOT是这种聚合物特别的例子，该PEDOT的商品名为Baytron，由拜耳公司生产。PEDOT以其分类学名称也称作聚(3，4-乙烯二氧噻吩)。

按本申请时刻之前公开的申请号为DE102010041635.5的申请，也可以规定，浸渍物由聚合物组成，该聚合物由负电荷的离聚物，尤其是PSS和正电荷的离聚物交联而成。作为正电荷的离聚物可以优选使用PEDOT或PANI。已提及的聚(3，4-乙烯二氧噻吩)称作PEDOT。PANI是聚苯胺，PSS是聚磺苯乙烯。负电荷和正电荷的离聚物的使用能够有利地实现纤维素材料特别简单的制造。离聚物会很容易在水中溶解并因此输送给同样基于水的纤维素材料的制造过程。通过在制造纤维素材料之后交联离聚物，纤维素材料的电阻率下降。在此离聚物聚合并且在纤维素材料中形成导电网络，该导电网络负责减小电阻率。尤其也可以使用所述的离聚物，以便包封已提及的半导体或非导体的纳米颗粒。

按本申请的时刻之前公开的、申请号为DE102009033267.7的申请，纳米复合物也可以以半导体的纳米颗粒浸渍，该半导性的纳米颗粒至少部分由BNNT组成，并且分散在纤维素或聚合物中。提高至少一部分分散在绝缘材料中的BNNT的有效传导性规定，给BNNT掺杂适合的掺杂材料或在BNNT上以金属或掺杂的半导体涂层。BNNT的浓度可以选择为，使得纳米复合物具有数量级为10¹²Ωm的电阻率ρ。按该变型，可以不使用传导性的聚合物作为BNNT的***。

掺杂实现的方法是，BNNT通过添加适合的掺杂材料如下改性，使得掺杂材料原子形成电子态，该电子态使BNNT形成p导体(亦即，形成由价带边捕获电子的电子态)或形成n导体(亦即，达到由于热激励通过导带边发射电子的电子态)。考虑例如Be作为用于p掺杂的掺杂材料，Si作为用于n掺杂的掺杂材料。这种BNNT的掺杂可以在原位进行，其中，在BNNT生长时例如由气相或液相构成掺杂材料原子。还可行的是，掺杂可以在BNNT生长之后的其他步骤中执行，其中，掺杂材料一般在热处理BNNT的影响下添加。通过将掺杂材料加入BNNT，可以将电阻率降低为对于掺杂的半导体来说在0.1到1000Ωcm之间的典型值。

按本申请时刻之后公开的、申请号为DE102009033268.5的申请，由纤维素材料制成的纳米复合物还可以以半导体的纳米颗粒浸渍，其中，也为了提高至少一部分分散在绝缘材料中的纳米颗粒的有效传导性，规定给纳米颗粒掺杂一些掺杂材料。使用半导体的纳米颗粒，尤其是BNNT的优点是，在绝缘材料中小的填充度，最高5%体积百分比，优选甚至最高2%体积百分比足以导致纳米微粒的渗滤并因此提高纳米复合物的导电性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于高压直流输电组件的绝缘装置，该绝缘装置开辟一个比较大的结构上的间隙，尤其实现了节省空间的结构。

该技术问题通过开头所述的绝缘装置按本发明由此解决，固体绝缘件设计成由已处理的纤维素材料组成的复合物并且固体绝缘件的壁厚相比在代替复合物使用相关未处理的纤维素材料时所需的壁厚减小。按本发明处理纤维素材料的方法是，具有相比未处理的纤维素材料的电阻率ρ_p更小的电阻率的颗粒以高于渗滤阈值的浓度分散。作为补充或备选也可以规定，在纤维素材料中，具有相比未处理的纤维素材料的电阻率ρ_p更小的电阻的传导性聚合物的相互联结的网络穿过复合物。这种已处理的纤维素材料的制造开头已经阐述。

本发明的基本思想在于，已处理的纤维素材料的使用以上述的方式自动地减小电阻率ρ_comp。电阻率的减小有利地致使与变压器油的电阻率ρ_o相等,因此在要求具有直流电的绝缘装置时，在绝缘段上的电压有利地更均匀地下降。这意味着，在变压器油上更大部分的电压下降并且以这种方式减小了固体绝缘件的负荷。这种本身已知的效果现在按本发明也可以用于绝缘装置的几何形状的结构修改。这具体地通过固体绝缘件的壁厚的减小实现。固体绝缘件的壁厚现在即并非为了所要求的一定的机械稳定性设计，而是为了固体绝缘件的电负荷设计，该壁厚由于变压器油的电阻率与纤维素材料的电阻率不同所以在使用未处理的纤维素材料时为2至3数量级。因此，通常在高压直流输电组件中所使用的固体绝缘件的壁厚现在为3至6mm。

通过固体绝缘件按本发明设计具有按本发明的纤维素材料，壁厚可以减小，有利地减小至少25%。在此考虑，在固体绝缘件之间的缝隙保持其计算而得的缝隙宽度与使用处理的还是未处理的用于固体绝缘件的纤维素材料无关。由此可以有利地推导出，在使用具有减小的壁厚的固体绝缘件时绝缘装置的空间需求总的来说减小。可以特别有利地使用具有至少1mm,最大3mm壁厚的固体绝缘件。1mm的壁厚在此是固体绝缘件机械的设计极限，以便它在高压直流输电组件今后使用时还具有足够的稳定性。这意味着，若每个固体绝缘件迄今常用的壁厚为3至6mm，有利地至5mm，则可以节省结构空间。因此，在最有利的情况下，壁厚减小约83%。因为绝缘装置由多个壳(例如5-10个壳)组成，并且节省下来的材料落在各固体绝缘件上，所以通过按本发明的绝缘装置可以有利地提供明显节省空间的解决方案。这对于高压直流输电组件，例如变压器是有利的，因为存在的空间条件由于结构上的预先规定非常狭小。通过按本发明的绝缘装置例如可以更好地充分利用变压器线圈之间存在的空间。同时，对于绝缘装置来说，虽然结构空间减小但形成更高的击穿强度，这有利地改善相关的高压直流输电组件的工作安全性。

高压直流输电组件理解为这种组件，该组件用于传输高压直流电并且包含引流的元件。尤其在此需要变压器或扼流阀作为高压直流输电组件。当然，也需要不同的高压直流输电组件来电连接。其他的高压直流输电组件是在这些布线装置或绝缘套管中穿过壳体部件的分离点，在壳体部件中装有另外的高压直流输电组件。除了待导引的高压直流电外，交流电也例如出现在变压器和扼流线圈中。按本发明的高压直流输电组件应当适合用于传输至少100kV的高压直流电，优选适合用于传输多于500kV的高压直流电。

在复合物的电阻率ρ_comp最高为5×10¹³Ωm时，通过电压降更大程度地也发生在变压器油上，可以有利地很好地利用所描述的、对于本发明重要的去纤维素材料负荷的效果。为了利用该效果，人们也可以有利地将复合物的电阻率ρ_comp设定为变压器油的电阻率ρ_o的1至20倍。特别有利地可以规定，复合物的电阻率ρ_comp按数量级相当于变压器油的电阻率。按数量级意思是，复合物的电阻率ρ_comp最高与变压器油的电阻率相差一个数量级(也就是说最高相差10倍)。

电阻率ρ_o，ρ_p和ρ_comp与本发明有关地，应当分别在室温和现行参考场强1kV/mm下测量。在该条件下，电阻率ρ_o在10¹²到10¹³Ωm之间。但要注意，变压器油的电阻率ρ_o在按本发明提供的更强的负载下通过在变压器油上下降的电压更确切地说减小。因此，在下面还进一步描述的实施例中，变压器油中的电阻率ρ_o从10¹²Ωm起。

按本发明的另一种结构设计规定，绝缘段的相邻固体绝缘件的壁厚分级，其中，固体绝缘件在电场等势面相比绝缘段的其他区域相互间靠得最密的绝缘段区域内具有最大的壁厚。作为补充或备选同样可以有利地规定，绝缘段的相邻固体绝缘件的电阻率分级，其中，固体绝缘件在电场等势面相比绝缘段的其他区域相互间靠得最密的绝缘段区域内具有最小的电阻率。等势面相互间靠得最密的区域一般存在于靠近待绝缘的高压直流输电组件的绝缘段端部。若该组件是变压器线圈，则绝缘段以最内部的固体绝缘件起始，此处电场的等势面相互间也靠得最紧密。绝缘段还通过一组在变压器线圈的情况下同心内外嵌套的其他固体绝缘件限定。但该绝缘段也位于等势面之间的距离比较起来更大的区域内。

相邻固体绝缘件的壁厚或相邻固体绝缘件的电阻率的分级有利地考虑电场强度的分布，以便材料使用分别会在局部存在的场强上得以优化。以这种方式，可以有利地优化固体绝缘件在整个绝缘段上的壁厚，这有利于最大地节省结构空间。若附加地不同地设定固体绝缘件的电阻率，则例如可以节省用于固体绝缘件的浸渍材料，由此减小材料成本。

对于绝缘装置有利的使用可能性例如在于，设计成用于变压器线圈或扼流线圈的绕组绝缘装置。这些线圈在其外周面上通过例如由压榨纸板构成的圆柱体形式的固体绝缘件绝缘。在线圈的端面区域内设有同样设计成壁状固体绝缘件的角形环和盖板。所有这些部件得益于按本发明的具有相比未处理的纤维素材料减小的电阻率的结构设计，因此可以有利地减小所有这些单独的固体绝缘件的壁厚。

此外有利的是，用于高压直流输电组件的布线装置的分离点的绝缘装置包围布线装置本身或具有用于连接到高压直流输电组件的壳体内的电极的绝缘套管。在此也使用可以有利地构造有更薄壁厚的壁状的固体绝缘件。这简化了布线装置和与之连接的分离点以及绝缘套管的布置，因为在高压直流输电组件的壳体部件内的空间环境通常是狭小的。

附图说明

下列根据附图描述本发明的其他细节。相同或相应的附图元件分别以相同的附图标记标示并因此仅多次阐述各附图之前的区别。附图中：

图1简略示出通过绝缘段的横截面，其通过作为按本发明的绝缘装置的实施例的一组交替顺序的变压器油和固体绝缘件构成，以及

图2是用于按本发明的绝缘装置的装入高压直流输电变压器中的另一个实施例的剖面。

具体实施方式

按图1的电绝缘段18一般由多个纤维素材料19的层组成，在这些层之间存在油层20。纤维素材料19也用油浸湿，这在图1中未详细示出。为此，在图1中，在纤维素材料的内部可见浸渍物11。按图2所示的绝缘装置例如在变压器中包围此处使用的绕组，该绕组必须向外并且相互电绝缘。

当存在交流电压时，变压器的电绝缘必须在工作情况下防止电击穿。在这种情况下，绝缘层的绝缘特性与绝缘层的组分的电容率有关。对于油，电容率ε_o约为2，纤维素材料的电容率ε_p为4。因此，在要求交流电压下绝缘时，为各个绝缘组分的负载获得在油上的电压U_o约是纤维素材料上的电压U_p的两倍。若使用纳米复合物，其中，纤维素材料19按本发明浸渍，则浸渍物11不影响在按本发明的绝缘材料中的电压分布，因为电容率ε_BNNT同样约为4并因此浸渍过的纤维素材料的电容率ε_comp也约为4。因此，即使在按本发明绝缘时，作用在油上的电压U_o也约为形成于纳米复合物(纤维素材料)上的电压U_comp的两倍。

同时，当存在直流电压时，在高压直流输电组件中，绝缘材料的击穿强度是重要的。因此，当然在各个绝缘组分上存在的电压分布不与电容率有关，而与各个组分的电阻率有关。油的电阻率ρ_o在10¹³到10¹²Ωm之间。要考虑到的是，按本发明进行更大部分的电压降以便减轻油中的纤维素材料的载荷并且油的电阻率在存在电压时减小，更确切地说，如图1所示，电阻率ρ_o从10¹²Ωm起。与之相应地，纤维素材料的ρ_p高出三个数量级并且为10¹⁵Ωm。这导致，当存在直流电压时，油上的电压U_o为纤维素材料上的电压U_p的千分之一(假设ρ_o=10¹³Ωm时是至少百分之一至五百分之一)。这种不平衡隐藏的危险是，在给绝缘材料施加直流电压时导致纤维素材料中的击穿并且电绝缘失灵。

按本发明引入纤维素材料19的浸渍物11例如可以由BNNT组成并且通过适合的由PEDOT:PSS构成的BNNT料层并且可能时通过附加地给BNNT掺杂具有其电阻率(在0.1和1000Ωm之间)的掺杂材料这样地调节，使得纤维素材料ρ_p的电阻率降低。这也通过唯一使用PEDOT:PSS或唯一使用BNNT实现。因此，可以将按本发明的复合物的电阻率ρ_comp调节为接近电阻率ρ_o并且在理想情况下约等于该电阻率ρ_o。当电阻率ρ_comp最高为5×10¹³Ωm时，形成于油上的电压U_o按数量级在形成于复合物上的电压U_comp的范围内，以便调节绝缘材料中的补偿的电压分布。由此有利地改善绝缘材料的击穿强度，因为纤维素材料的载荷明显降低。

在图2中可见高压直流输电变压器。它安装在也称作油箱21的壳体中。此外，示出了高压线圈和低压线圈，它们的绕组22,23在图2中可见。为了视线清晰，变压器芯14仅简略示出。

对于绕组22来说，通过场线33示出电场，该场线在电场的等势面上延伸。该电场受到绝缘装置的不同元件的影响，这些元件还具有作为元件的分段绝缘环24,25、由压榨纸板构成的圆柱形固体绝缘件26和同样由压榨纸板构成的角形环27。屏蔽环24,25具有带有金属表面29的芯28和纸卷30。此外，内部空间31填充有变压器油，因此变压器油也流入绝缘装置的各个元件之间的缝隙32中并且填满该缝隙32。此外，电场线33还穿过由台纸板(Blockspan)制成的止推环34。因此，通过纤维素材料的电阻率按本发明的下降，也可以改变止推环34，以便在该区域内影响形成的电场。止推环34与未示出的、同样由台纸板制成并且支承绕组22,23的绕组台一起共同地保证所有部件机械地接合在一起(包括固体绝缘件)。在本发明的范围内，止推环34和未示出的绕组台也可以理解为绝缘段的元件。

各个组件机械的接合在一起在图2中未详细示出。此外，代替所使用的角形环27，也以未示出的方式使用环形的盖板，该盖板在背对绕组22,23的一侧上包围屏蔽环24,25。

按本发明，圆柱形固体绝缘件26以及角形环27的厚度减小。由此，可以节省结构空间，因为缝隙32的宽度保持不变并因此可以减小散射信道35的宽度。由此，为按本发明的变压器在结构上的设计增大了间隙。尤其变压器可以设计得节省空间。这对于现在呈现的趋势，设计用于越来越高的电压范围，尤其是超过1000kV的高压直流输电组件是特别重要的，其中，绝缘装置越来越耗空间。另一方面，存在用于高压直流输电组件的最大尺寸的预先规定，该高压直流输电组件优选还应当借助轨道输送。

Claims (10)

1.一种用于高压直流输电组件的绝缘装置，其包括一系列壁状的、由纤维素材料制成的固体绝缘件(26,27)，在这些固体绝缘件之间提供用于填充变压器油的间隙(32)并且它们与变压器油一起形成绝缘段，其特征在于，所述固体绝缘件(26,27)设计成由已处理的纤维素材料(19)构成的复合物，

-在所述纤维素材料中，具有相比未处理的纤维素材料(19)的电阻率ρ_p更小的电阻率的颗粒(11)以高于渗滤阈值的浓度分散，和/或

-在所述纤维素材料中，具有相比未处理的纤维素材料(19)的电阻率ρ_p更小的电阻率的传导性聚合物的相互联结的网络穿过所述复合物，

并且固体绝缘件(26,27)的壁厚相比在代替复合物使用相关未处理的纤维素材料时所需的壁厚减小，其中，在固体绝缘件(26,27)之间的间隙(32)的间隙宽度保持与使用未处理的纤维素材料时所需的间隙宽度一样大，而绝缘装置的空间需求总的来说则减小，其中，所述固体绝缘件(26,27)的壁厚相比在代替所述复合物使用相关未处理的纤维素材料时所需要的壁厚减小至少25％。

2.按权利要求1所述的绝缘装置，其特征在于，所述复合物的电阻率ρ_comp最高为5×10¹³Ωm。

3.按权利要求2所述的绝缘装置，其特征在于，所述复合物的电阻率ρ_comp为所述变压器油的电阻率ρ₀的1至20倍。

4.按权利要求2所述的绝缘装置，其特征在于，所述复合物的电阻率ρ_comp按数量级相当于变压器油的电阻率。

5.按权利要求1至4之一所述的绝缘装置，所述固体绝缘件(26,27)的壁厚为至少1mm和最大3mm。

6.按权利要求1至4之一所述的绝缘装置，其特征在于，所述绝缘段的相邻固体绝缘件(26,27)的壁厚分级，其中，所述固体绝缘件在电场等势面相比绝缘段的其他区域相互间靠得最密的绝缘段区域内具有最大的壁厚。

7.按权利要求1至4之一所述的绝缘装置，其特征在于，所述绝缘段的相邻固体绝缘件(26,27)的电阻率分级，其中，所述固体绝缘件在所述绝缘段的电场等势面相比绝缘段的其他区域靠得最密的区域内具有最小的电阻率。

8.按权利要求1至4之一所述的绝缘装置，其特征在于，所述绝缘装置设计成用于变压器线圈(22,23)或扼流线圈的绕组绝缘装置。

9.按权利要求1至4之一所述的绝缘装置，其特征在于，所述绝缘装置包围用于高压直流输电组件的布线装置的分离点。

10.按权利要求1至4之一所述的绝缘装置，其特征在于，所述绝缘装置包围具有用于连接到高压直流输电组件的壳体内的导线上的电极的绝缘套管。