TWI650773B - 聚合物套管 - Google Patents

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Abstract

本發明的聚合物套管包括：棒狀的內部導體，配置於中心；硬質的絕緣筒，一體地形成於內部導體的外周；屏蔽金屬件，與內部導體呈同心狀地埋設於絕緣筒；聚合物被覆體，包括主體部與多個傘狀的褶部，所述主體部覆蓋絕緣筒的外周，所述多個傘狀的褶部於長度方向上相隔開地形成於主體部的外周；以及電場緩和層，包括氧化鋅層或高介電常數層，沿著絕緣筒與聚合物被覆體的界面而配置，且後端部連接於屏蔽金屬件。其特徵在於，主體部包括：第1主體部，具有均勻的壁厚；以及第2主體部，位於電場緩和層的前端部附近，壁厚較第1主體部更厚。

Description

聚合物套管
2015年1月28日提出申請的日本專利特願2015-014363的日本申請中所包含的說明書、圖式及摘要的揭示內容被全部引用於本申請中。
本發明是有關於一種聚合物(polymer)套管，尤其是有關於一種在包含環氧樹脂等的絕緣筒與包含矽酮橡膠等的聚合物被覆體的界面具備電場緩和層的聚合物套管。
近年來，就謀求套管的輕量化、纖細(slim)化、縮小化、套管種類的通用化以及作業步驟的簡略化等的觀點而言，將如下的固體絕緣構造(完全乾式)的聚合物套管實用化，即，於包含環氧樹脂等的絕緣筒的外周面直接模鑄(mould)成型包含矽酮橡膠等的聚合物被覆體而成(例如專利文獻1~專利文獻4)。
於聚合物套管中，若電場變高，則會於聚合物套管的外表面產生電暈(corona)放電。而且，於電暈放電長期間產生的情況下，有聚合物被覆體被化學侵蝕而劣化(erosion)的擔憂。為了防止電暈放電的產生，通常聚合物被覆體具有：主體部，覆蓋絕緣筒的外周；以及傘狀的褶部，於長度方向上相隔開地形成於 主體部的外周。
另外，為了使耐電暈特性進一步提高，於專利文獻1所記載的聚合物套管中，於絕緣筒(絕緣體)與聚合物被覆體的界面配置有電場緩和層。進而，電場緩和層具有以朝向前端側厚度變厚且內徑變小的方式傾斜的錐形部，且形成為圓弧面狀。尤其是於將電場集中的電場緩和層的前端部配置於與褶部的壁厚部相鄰的位置的情況下，對減少電暈放電非常有用。於專利文獻2所記載的有機複合絕緣管(聚合物套管)中，在內部電極(內部導體)的上部前端部附近(表面出現最大電場的部分)，外覆體(聚合物被覆體)的主體部及傘部(褶部)的外徑大於其他部位的外徑。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2012-75266號公報
[專利文獻2]日本專利特開2002-157932號公報
[專利文獻3]日本專利特開2007-188735號公報
[專利文獻4]日本專利特開2009-5514號公報
然而，於專利文獻1所記載的聚合物套管中，電場緩和層設於自聚合物套管的大徑部至小徑部的軸向上較長的區間，因此電場緩和層的材料費昂貴。另外，自電場緩和層的錐形部至前端部具有複雜的形狀，因此為了於聚合物被覆體的小徑部使絕緣 筒的外徑與電場緩和層的外徑一致，必需與複雜的形狀相應的模具或加工，而且為了將絕緣體加工成複雜的形狀，必需繁雜的作業。
另外，於專利文獻2所記載的有機複合絕緣管中，在大徑化的部分容易積存鹽分，因此有聚合物套管的耐污損性能下降的擔憂。
本發明的目的在於提供一種耐電暈特性提高且可謀求進一步的高電壓化的聚合物套管。
本發明的聚合物套管的特徵在於包括：棒狀的內部導體，配置於中心；硬質的絕緣筒，一體地形成於所述內部導體的外周；屏蔽金屬件，與所述內部導體呈同心狀地埋設於所述絕緣筒；聚合物被覆體，包括主體部與多個傘狀的褶部，所述主體部覆蓋所述絕緣筒的外周，所述多個傘狀的褶部於長度方向上相隔開地形成於所述主體部的外周；以及電場緩和層，包括氧化鋅層或高介電常數層，沿著所述絕緣筒與所述聚合物被覆體的界面而配置，且後端部連接於所述屏蔽金屬件，所述主體部包括：第1主體部，具有均勻的壁厚；以及第2 主體部，位於所述電場緩和層的前端部附近，壁厚較所述第1主體部更厚。
根據本發明的聚合物套管，可提供使於電場集中的電場緩和層的前端部附近的空氣中表面(褶部表面)的電場減少的聚合物套管。因此，聚合物套管的耐電暈特性提高，可謀求進一步的高電壓化，亦可應對例如額定電壓為154kV的高電壓。
1、2、3‧‧‧聚合物套管
10‧‧‧內部導體
11‧‧‧內部導體的前端部
12‧‧‧內部導體的後端部
20‧‧‧絕緣筒
21‧‧‧小徑部
22‧‧‧錐形部
23‧‧‧大徑部
30‧‧‧屏蔽金屬件
31‧‧‧圓筒部
32‧‧‧凸緣部
40‧‧‧聚合物被覆體
41‧‧‧主體部
42、42a、42b、421、422‧‧‧褶部
50‧‧‧電場緩和層
50a‧‧‧電場緩和層的前端部
411‧‧‧薄壁部
412、413‧‧‧厚壁部
413a‧‧‧傾斜部
H‧‧‧頭部
C‧‧‧殼體
圖1是表示第1實施方式的聚合物套管的整體構成的局部剖面圖。
圖2是將第1實施方式的電場緩和層的前端部放大表示的圖。
圖3是表示第2實施方式的聚合物套管的整體構成的局部剖面圖。
圖4是將第2實施方式的電場緩和層的前端部放大表示的圖。
圖5是表示變形例的聚合物套管的整體構成的局部剖面圖。
[第1實施方式]
以下，基於圖式對本發明的實施方式進行詳細說明。
圖1是表示本發明的第1實施方式的聚合物套管的整體構成 的局部剖面圖。以下，圖中將上側稱為前端側，將下側稱為後端側。圖1所示的聚合物套管1是於後端側具有配置在變壓器等電力設備內的頭(head)部H的設備用套管(bushing)。
如圖1所示，聚合物套管1具備：配置於中心的棒狀的內部導體10、設於內部導體10的外周的絕緣筒20、與絕緣筒20一體地形成的屏蔽金屬件30、設於絕緣筒20的外周的聚合物被覆體40、以及配置於絕緣筒20與聚合物被覆體40的界面的電場緩和層50等。
內部導體10、絕緣筒20、屏蔽金屬件30、聚合物被覆體40、以及電場緩和層50是藉由模鑄成型而一體地形成。具體而言，於將內部導體10與屏蔽金屬件30置於模具內的狀態下模鑄成型絕緣筒20。將模鑄成型後置於電場緩和層成型用模具內，如後述般於絕緣筒20的大徑部23的外周面模鑄成型電場緩和層50。進而，將模鑄成型電場緩和層50後置於聚合物被覆體用模具內，於絕緣筒20及電場緩和層50的外周面模鑄成型聚合物被覆體40。另外，聚合物套管1中，關於接電時的電位，內部導體10為高電位，屏蔽金屬件30為接地電位。
內部導體10由包含例如銅、鋁、銅合金或鋁合金等的適於通電的導電性材料構成。聚合物套管1中，內部導體10的兩端部(前端部11及後端部12)為自絕緣筒20露出的狀態。內部導體10的前端部11連接於架空線、引入線(省略圖示)等，內部導體10的後端部12連接於電力設備內的高電壓導體。另外， 圖1的實施方式中，內部導體10的後端部12為帶有電暈屏蔽(corona shield)的形狀，但亦可直接為棒狀。
絕緣筒20由機械強度高的硬質塑膠樹脂材料(例如環氧樹脂、纖維強化塑膠(Fiber Reinforced Plastics，FRP)等)構成。絕緣筒20具有：小徑部21，呈直筒狀地形成於前端側；錐形部22，直徑自小徑部21朝向後端側緩緩擴大；以及大徑部23，呈直筒狀地形成於錐形部22的後端側。而且，絕緣筒20的後端部(與大徑部23的後端側(較屏蔽金屬件30的凸緣(flange)部32靠後端側)連接設置的部分)構成配置於電力設備內的頭部H。
若使絕緣筒20整體大徑化，雖可容易降低聚合物套管1的表面電位，但聚合物套管1所要求的耐震性、耐彎曲負荷性下降。藉由將絕緣筒20設為包含小徑部21、錐形部22、大徑部23的構造，則可謀求兼具電性能與耐震性、彎曲負荷性。
屏蔽金屬件30具有：圓筒部31，與內部導體10呈同心狀地埋設於絕緣筒20的大徑部23；以及凸緣部32，自圓筒部31的後端向徑向外側延伸出。圓筒部31具有電場緩和功能，緩和聚合物套管1的電場。於將凸緣部32載置於電力設備的殼體(case)C的狀態下利用螺栓(bolt)等連接構件(省略圖示)進行連接，藉此，聚合物套管1氣密地固定於電力設備。
聚合物被覆體40由電絕緣性能優異的材料(例如矽酮聚合物等高分子材料)構成。聚合物被覆體40以覆蓋絕緣筒20的除頭部H以外的部分(較屏蔽金屬件30的凸緣部32靠前端側 的部分)的外周的方式形成。聚合物被覆體40具有：主體部41，覆蓋絕緣筒的外周；以及多個傘狀的褶部42，於長度方向上相隔開地形成於主體部41的外周。圖1中，突出長度不同(有長有短)的多個傘狀的褶部42a、褶部42b於長度方向上相隔開地交替形成，但褶部42a、褶部42b的突出長度亦可相同。
電場緩和層50包含氧化鋅(ZnO)層或高介電常數層。具體而言，例如電場緩和層60包含在樹脂材料中填充有氧化鋅粉末的氧化鋅層、或填充有碳黑等導電性填料(filler)的橡膠等的相對介電常數為10以上的高介電常數層。電場緩和層50是藉由模鑄成型而與絕緣筒20一體地形成於絕緣筒20的大徑部23的外周面。即，電場緩和層50於聚合物套管1中，沿著絕緣筒20的大徑部23與聚合物被覆體40的界面而設置。
絕緣筒20的大徑部23的長度方向的長度較電場緩和層50更長，於本實施方式中為電場緩和層50的2倍左右的長度。即，電場緩和層50位於絕緣筒20的大徑部23。與專利文獻1所記載的聚合物套管相比，電場緩和層50的長度較短，因此可減少電場緩和層50的形成所需的材料費。
電場緩和層50的後端電性連接於屏蔽金屬件30。電場緩和層50形成於絕緣筒20的大徑部23的外周面，因此整體成為同一直徑。藉由在大徑部23形成電場緩和層50，可使電場分佈最佳化，因此聚合物套管1的電性能提高。
圖2是將聚合物套管1中的電場緩和層50的前端部(圖 1的一點鏈線所包圍的部分)放大表示的圖。如圖2所示，聚合物套管1中，聚合物被覆體40的主體部41被劃分為薄壁部411(第1主體部)與厚壁部412(第2主體部)。薄壁部411是佔據聚合物被覆體40的大部分且壁厚均勻的部分。厚壁部412是壁厚較薄壁部411更厚的部分。
厚壁部412位於電場緩和層50的前端部50a的附近。即，主體部41的至少位於電場緩和層50的前端部50a的部分為厚壁部412。
設於厚壁部412的主體部的外周的褶部422的外徑與設於和厚壁部412相鄰的薄壁部411的外周的褶部421的外徑相同。由於並非如專利文獻2般使電場集中的部分整體大徑化，故可確保所希望的耐污損性能。
進而，第1實施方式中，厚壁部412的外徑較與厚壁部412相鄰的薄壁部411的外徑更大，厚壁部412的內徑與和厚壁部412相鄰的薄壁部411的內徑相同。即，聚合物被覆體40的主體部41的一部分向徑向外側膨出，藉此形成有厚壁部412。藉此，可藉由所需最小限度的設計變更而形成厚壁部412。
厚壁部412的厚度較佳為薄壁部411的厚度的約2倍~3倍。藉此，可抑制漏洩距離變短，且可有效減少空氣中表面的電場。
如上所述，聚合物套管1具備：棒狀的內部導體10，配置於中心；硬質的絕緣筒20，一體地形成於內部導體10的外周； 屏蔽金屬件30，與內部導體10呈同心狀地埋設於絕緣筒20；聚合物被覆體40，具有主體部41與傘狀的褶部42，所述主體部41覆蓋絕緣筒20的外周，所述傘狀的褶部42於長度方向上相隔開地形成於主體部41的外周；以及電場緩和層50，包含氧化鋅層或高介電常數層，沿著絕緣筒20與聚合物被覆體40的界面而配置，且後端部連接於屏蔽金屬件30。聚合物被覆體40的主體部41具有：薄壁部411(第1主體部)，具有均勻的壁厚；以及厚壁部412(第2主體部)，位於電場緩和層50的前端部附近，壁厚較薄壁部411更厚。
根據聚合物套管1，至少位於電場容易集中的電場緩和層50的前端部50a的部分的聚合物被覆體40的主體部41的壁厚與其他部分相比較厚，故可使於電場緩和層50的前端部50a的附近的空氣中表面(褶部表面)的電場減少。因此，耐電暈特性提高，不進行所需以上的大徑化亦可應對如額定電壓為154kV的高電壓。另外，與專利文獻1所記載的聚合物套管相比，電場緩和層50的前端部50a的形狀並不複雜，因此可容易形成電場緩和層50。
另外，實施方式1的聚合物套管1中，由於使主體部41向徑向外側膨出而形成厚壁部413，故漏洩距離稍微變短，因此較佳為相應地使聚合物套管1的空氣中部分延長。
[第2實施方式]
圖3是表示第2實施方式的聚合物套管2的整體構成的局部 剖面圖。圖4是將聚合物套管2中的電場緩和層50的前端部放大表示的圖。聚合物套管2的基本構造與第1實施方式的聚合物套管1相同，電場緩和層50的前端部附近的構造與聚合物套管1不同。
如圖4所示，於聚合物套管2中，聚合物被覆體40的主體部41被劃分為薄壁部411(第1主體部)與厚壁部413(第2主體部)。薄壁部411是佔據聚合物被覆體40的大部分且壁厚均勻的部分。厚壁部413是壁厚較薄壁部411更厚的部分。
厚壁部413位於電場緩和層50的前端部50a的附近。即，主體部41的至少位於電場緩和層50的前端部50a的部分為厚壁部413。
設於厚壁部413的主體部的外周的褶部422的外徑與設於和厚壁部413相鄰的薄壁部411的外周的褶部421的外徑相同。由於並非如專利文獻2般使電場集中的部分整體大徑化，故可確保所希望的耐污損性能。
進而，第2實施方式中，厚壁部413的外徑與和厚壁部413相鄰的薄壁部411的外徑相同，厚壁部413的內徑較與厚壁部413相鄰的薄壁部411的內徑更小。即，聚合物被覆體40的主體部41的一部分向徑向內側膨出，藉此形成有厚壁部413。具體而言，厚壁部413具有傾斜部413a，該傾斜部413a的壁厚朝向與後端側相鄰的薄壁部411緩緩變薄。因此，可藉由所需最小限度的設計變更而形成厚壁部413。
厚壁部412的厚度較佳為薄壁部411的厚度的約2倍~3倍。藉此，可防止絕緣筒20變細而機械強度及絕緣特性下降的情況，且可有效減少空氣中表面的電場。
如上所述，聚合物套管2具備：棒狀的內部導體10，配置於中心；硬質的絕緣筒20，一體地形成於內部導體10的外周；屏蔽金屬件30，與內部導體10呈同心狀地埋設於絕緣筒20；聚合物被覆體40，具有主體部41與傘狀的褶部42，所述主體部41覆蓋絕緣筒20的外周，所述傘狀的褶部42於長度方向上相隔開地形成於主體部41的外周；以及電場緩和層50，包含氧化鋅層或高介電常數層，沿著絕緣筒20與聚合物被覆體40的界面而配置，且後端部連接於屏蔽金屬件30。聚合物被覆體40的主體部41具有：薄壁部411(第1主體部)，具有均勻的壁厚；以及厚壁部413(第2主體部)，位於電場緩和層50的前端部附近，壁厚較薄壁部411更厚。
根據聚合物套管2，至少位於電場容易集中的電場緩和層50的前端部50a的部分的聚合物被覆體40的主體部41的壁厚與其他部分相比較厚，故可使於電場緩和層50的前端部50a的附近的空氣中表面(褶部表面)的電場減少。因此，耐電暈特性提高，亦可應對如額定電壓為154kV的高電壓。另外，與專利文獻1所記載的聚合物套管相比，電場緩和層50的前端部50a的形狀並不複雜，因此可容易形成電場緩和層50。
另外，根據聚合物套管2，由於使主體部41向徑向內側 膨出而形成厚壁部413，故亦不會因設置厚壁部413而漏洩距離變短。
以上，基於實施方式對由本發明者所完成的發明進行了具體說明，但本發明並不限定於所述實施方式，可於不脫離其主旨的範圍內進行變更。
例如，亦可將第1實施方式及第2實施方式組合，使主體部41的一部分向徑向內側及外側膨出而形成厚壁部。另外，厚壁部412、厚壁部413的長度方向的長度只要為可估計到電暈特性的提高的程度，則並無特別限定，為了抑制聚合物被覆體40的材料費，較佳為儘可能短。
實施方式中，對將本發明的聚合物套管應用於設備用套管的情況進行了說明，但本發明的聚合物套管亦可應用於壁貫穿套管(參照專利文獻3)、於絕緣筒20的後端側具有纜線(cable)端的連接部(應力錐(stress cone)、壓縮裝置等)的纜線終端連接部(參照專利文獻4及圖5)。
將表示使本發明應用於纜線終端連接部(空氣中終端連接部)的聚合物套管3的整體構成的局部剖面圖示於圖5。圖5的聚合物套管3的空氣中側的構造(具有聚合物被覆體40的部分)與第1實施方式的聚合物套管1或第2實施方式的聚合物套管2的空氣中側的構造(具有聚合物被覆體40的部分)相同，因此省略詳細說明。
另外，作為纜線終端連接部，有將應力錐收容至絕緣筒 20內的所謂內錐類型(inner cone type)、以及藉由如橡膠塊接頭(Rubber Block Joint，RBJ)的絕緣方式般將橡膠塊覆蓋於絕緣體的外周而將聚合物套管與纜線端連接的所謂外錐類型(outer cone type)，本發明均可應用。
應認為本次揭示的實施方式於所有方面均為例示，並非限制性。本發明的範圍由申請專利範圍所表示而非所述說明，且意圖包含與申請專利範圍均等的含義及範圍內的所有變更。

Claims (7)

  1. 一種聚合物套管，其特徵在於包括：棒狀的內部導體，配置於中心；硬質的絕緣筒，一體地形成於所述內部導體的外周；屏蔽金屬件，與所述內部導體呈同心狀地埋設於所述絕緣筒；聚合物被覆體，包括主體部與多個傘狀的褶部，所述主體部覆蓋所述絕緣筒的外周，所述多個傘狀的褶部於長度方向上相隔開地形成於所述主體部的外周；以及電場緩和層，包括氧化鋅層或相對介電常數為10以上的高介電常數層，沿著所述絕緣筒與所述聚合物被覆體的界面而配置，且所述電場緩和層的後端部連接於所述屏蔽金屬件，所述主體部包括：第1主體部，具有均勻的壁厚，相對於所述電場緩和層的前端部的位置而分別配置在所述聚合物套管的前端側及後端側；以及第2主體部，至少包含所述電場緩和層的前端部的外周的位置，配置在從所述聚合物套管的前端側的所述第1主體部的後端部至所述聚合物套管的後端側的所述第1主體部的前端部，且壁厚較所述第1主體部更厚，其中設於所述第2主體部的外周的所述褶部的外徑與設於和所述第2主體部相鄰的所述第1主體部的外周的所述褶部的外徑相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的聚合物套管，其中所述第2主體部的外徑較與所述第2主體部相鄰的所述第1主體部的外徑更大。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的聚合物套管，其中所述第2主體部的內徑與和所述第2主體部相鄰的所述第1主體部的內徑相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的聚合物套管，其中所述第2主體部的內徑較與所述第2主體部相鄰的所述第1主體部的內徑更小。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的聚合物套管，其中所述第2主體部的外徑與和所述第2主體部相鄰的所述第1主體部的外徑相同。
  6. 如申請專利範圍第4項或第5項所述的聚合物套管，其中所述第2主體部包括傾斜部，所述傾斜部的壁厚朝向與所述第2主體部的後端側相鄰的所述第1主體部緩緩變薄。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的聚合物套管，其中所述絕緣筒包括：小徑部，呈直筒狀地形成；錐形部，直徑自所述小徑部朝向所述錐形部的後端側緩緩擴大；以及大徑部，呈直筒狀地形成於所述錐形部的後端側，所述電場緩和層的前端部位於所述大徑部。
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