專利名稱：用于填充流體式變壓器的固體絕緣件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及電力變壓器中所包括的絕緣系統(tǒng)。本發(fā)明還總體涉及包括這種絕緣系統(tǒng)的電力變壓器的制造方法。
背景技術：
目前可得的填充流體式高壓電力變壓器采用了用介電流體浸漬的纖維素基絕緣材料。更具體而言，這種絕緣系統(tǒng)包括纖維素基材料，該材料被置于線匝之間、置于盤和段之間、置于層之間、置于卷繞材料之間，以及置于高壓部件與地電勢部件(例如，芯，結構件和槽)之間。為了運行，目前可得的變壓器典型地包含濕氣含量低于0. 5wt%的絕緣材料。然而，由于纖維素自然吸收3 6wt%的濕氣，在纖維素適合用于電力變壓器之前典型地進行相對昂貴的真空加熱過程。甚至在這樣的加熱/真空過程后，由于纖維素老化(即，它隨著時間而降解)，濕氣最終形成，還最終形成酸，這會加速老化過程。由于纖維素老化的速率取決于溫度，所以目前可得的電力變壓器的正常運行溫度為105°C以下?；谕瑯拥睦碛?，這種變壓器的最高運行溫度為120°C以下。傳輸?shù)墓β试酱?，由于更大的電流產(chǎn)生更高的溫度，損耗就越大。這樣，纖維素基的絕緣系統(tǒng)限制了電力變壓器的運行效率。

發(fā)明內(nèi)容
至少基于上述問題，較理想的是具有耐老化的填充流體式高壓電力變壓器。另外， 較理想的是具有更高的正常運行溫度和最高運行溫度的填充流體式高壓電力變壓器，因為這可降低存儲變壓器所需的物理空間。通過一個以上的本發(fā)明的實施例能很大程度上達到上述要求。根據(jù)一個這樣的實施例，提供了電力變壓器。所述電力變壓器包括第一電力變壓器部件、第二電力變壓器部件和設置在第一電力變壓器部件與第二變壓器部件之間的冷卻流體。在電力變壓器運行期間，所述流體被選擇以冷卻第一電力變壓器部件和第二變壓器部件。所述電力變壓器還包括設置在第一電力變壓器部件和第二變壓器部件之間的固體復合結構。特別是在電力變壓器運行期間，所述冷卻流體與復合結構接觸。所述復合結構本身包括具有第一外表面第一基體纖維和具有第二外表面的第二基體纖維。此外，所述復合結構還包括固體結合劑材料， 固體結合劑材料粘附到至少部分的第一外表面上和至少部分的第二外表面上，從而將所述第一基體纖維結合至所述第二基體纖維。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了制造電力變壓器的方法。所述方法包括將具有第一熔融溫度的結合劑材料置入第二基體纖維和具有第二熔融溫度的第一基體纖維之間。 所述方法還包括將所述結合劑材料、所述第一基體纖維和所述第二基體纖維壓緊在一起。 所述方法還包括在壓緊步驟中將結合劑材料、第一基體纖維和第二基體纖維加熱至第一熔融溫度之上且第二熔融溫度之下的溫度，因為形成復合結構。此外，所述方法還包括將所述復合結構設置在第一電力變壓器部件和第二電力變壓器部件之間。所述方法還包括在設置步驟之后用冷卻流體浸漬所述復合結構。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，提供了另一電力變壓器。該另一電力變壓器包括在電力變壓器內(nèi)用于執(zhí)行第一功能的裝置，在電力變壓器內(nèi)用于執(zhí)行第二功能的裝置和用于冷卻電力變壓器的裝置。在電力變壓器運行期間，所述用于冷卻的裝置典型地設置在用于執(zhí)行第一功能的裝置與用于執(zhí)行第二功能的裝置之間。此外，該另一變壓器還包括用于使電力變壓器絕緣的裝置，其中，所述用于絕緣的裝置被設置在用于執(zhí)行第一功能的裝置與用于執(zhí)行第二功能的裝置之間。典型地，用于冷卻的裝置與用于絕緣的裝置接觸。所述用于絕緣的裝置本身包括用于提供具有第一外表面的結構的第一裝置和用于提供具有第二外表面的結構的第二裝置。所述用于絕緣的裝置還包括固體裝置，固體裝置用于結合粘附到至少部分的第一外表面上和至少部分的第二外表面上，從而將所述用于提供結構的第一裝置結合至用于提供結構的第二裝置。因而在此已經(jīng)非常寬泛地概述了本發(fā)明的某些實施例，從而可以更好地理解本文中的更加詳細的描述，并且可以更好地理解本發(fā)明對于現(xiàn)有技術的貢獻。當然，下面將會描述本發(fā)明的其它的實施例，其將成為所附權利要求的主題。關于此方面，在詳細解釋本發(fā)明的至少一個實施例之前，應該理解的是本發(fā)明并不限于其應用于結構的細節(jié)和應用于在下面的描述或在附圖中所顯示的部件的排列。除了那些描述的實施例之外，本發(fā)明可以是以各種方式實踐和實施的實施例。此外，應該理解至IJ，在說明書以及摘要中使用的用語和術語是用于描述的目的，而不能理解成用于限制的目的。這樣，本領域的技術人員將會理解本公開所依據(jù)的概念可以容易地被用作設計那些實施本發(fā)明的一些目的的其它結構、方法和系統(tǒng)的基礎。因此，重要的是權利要求可被認為是包括這樣的等同結構，只要這些結構沒有偏離本發(fā)明的實質和范圍。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的填充流體式高壓電力變壓器的剖面的立體圖。圖2包括根據(jù)本發(fā)明的實施例的復合結構的立體圖，該復合結構可以用作示于圖 1中的變壓器的絕緣系統(tǒng)的一部分。圖3包括根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的復合結構的立體圖，該復合結構也可以用作示于圖1中的變壓器的絕緣系統(tǒng)的一部分。圖4包括根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的復合結構的立體圖，該復合結構也可以用作示于圖1中的變壓器的絕緣系統(tǒng)的一部分。圖5為示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的制造電力變壓器的方法的步驟的流程圖。
具體實施例方式參照附圖，現(xiàn)在將描述本發(fā)明的實施例，在附圖中，類似的附圖標記至始至終表示類似的部件。圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的填充流體式高壓電力變壓器10的剖面的立體圖。如圖1所示，變壓器10包括各種變壓器部件，所述變壓器部件都可以具有設置在它們間的絕緣件和/或圍繞它們的絕緣件。更具體而言，變壓器10包括電流變壓器(CT)支架12、支撐塊14、鎖條16、纏繞筒18、引線支架20、徑向墊片22和端部塊(end block) 24.(為了清楚的目的，絕緣件在圖1中沒有示出)。在運行時，冷卻流體(如電絕緣或介電絕緣流體，如，例如環(huán)烷礦物油，包括異鏈烷烴的石蠟基礦物油，合成酯和天然酯(如，F(xiàn)R3 ))在變壓器部件12、14、16、18、20、22、M 之間流動，并與上述絕緣件接觸，典型地也與流經(jīng)其中的至少一些流接觸。(再次地，基于清楚的目的，所述冷卻流體也沒有示于圖1中)。選擇冷卻流體從而不僅在變壓器的運行期間冷卻變壓器10內(nèi)的部件，而且物理承受在變壓器的運行期間變壓器10內(nèi)出現(xiàn)的條件(如， 溫度水平、電壓和電流水平等)。此外，冷卻流體被選擇為關于變壓器部件而且關于設置在這些部件之間的絕緣件是化學惰性的。圖2包括根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的復合結構沈的立體圖，該復合結構沈可以用作示于圖ι中的變壓器10的上述絕緣系統(tǒng)的一部分。示于圖2中的復合結構沈包括一對各自具有外表面32的基體纖維30，所述表面32具有由粘附到其上的固體結合劑材料34 形成的外套。結合劑材料34形成的兩個外套本身相互結合，因此將兩個基體纖維30結合
在一起。盡管更小或更大尺寸也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但是示于圖2中的各基體纖維30的尺寸典型為微米的級別，以及各基體纖維30的長度典型為毫米或厘米的級別。這樣，數(shù)千或甚至數(shù)百萬的這種基體纖維30結合在一起以形成上述絕緣系統(tǒng)。所述絕緣系統(tǒng)一旦形成則被設置在示于圖1的變壓器10的各部件之間。由于結合劑材料34沒有形成連續(xù)的基塊(matrix)，所以上述冷卻流體能夠浸漬復合結構26，以及至少在某種程度上能夠流經(jīng)復合結構26。圖3包括根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的復合結構觀的立體圖，所述復合結構觀還可以用作示于圖1中的變壓器10的絕緣系統(tǒng)的一部分。然而，示于圖2中的復合結構沈具有的結合劑材料34形成了圍繞并沿僅一個基體纖維30長度的外套，但示于圖3中的復合結構觀中的結合劑材料34形成了圍繞并沿多個基體纖維30長度的外套。示于圖2中的復合結構沈的一個優(yōu)點在于其典型地相對易于制造。然而，示于圖3中的復合結構觀典型地具有更高的機械強度。圖4包括根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的復合結構36的立體圖，所述復合結構36還可以用作示于圖1中的變壓器10的絕緣系統(tǒng)的一部分。與示于圖2和3中的復合結構沈、 28中形成的外套不同的是，示于圖4中的復合結構36中的結合劑材料34為聯(lián)接至兩個或更多個基體纖維30的粒子的形式。盡管上述的所有的復合結構均允許變壓器冷卻流體基本充分地浸漬復合結構，但示于圖4中的復合結構36典型地具有最高的孔隙度。然而，其它兩個復合結構26J8典型地具有更高的機械強度。根據(jù)本發(fā)明的基體纖維30可以由本領域普通技術人員在實施本發(fā)明的一個或多個實施例時認為實用的任何材料制成。例如，示于圖2-4中的一些基體纖維30包括短纖維材料(例如天然材料，如，例如，原棉、羊毛、大麻或亞麻)。然而，示于圖2-4中的基體纖維30包括相對高熔點的熱塑性材料。例如，一些示意性的基體纖維包括以下中的一種或多種聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚醚砜(PES)。根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，基體纖維30由在變壓器10的最高運行溫度下機械和化學穩(wěn)定的材料/復合物/合金制成。此外，基于在用于制造根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的電力變壓器的方法的后續(xù)討論中顯而易見的原因，基體纖維30是由在結合劑材料34的熔融溫度下機械和化學穩(wěn)定的材料/復合物/合金制成的。與基體纖維30 —樣，結合劑材料34可以為本領域普通技術人員在實施本發(fā)明的一個或多個實施例時認為實用的任何材料。然而，示于圖2-4中的結合劑材料34包括當與上述冷卻流體接觸時機械和化學穩(wěn)定的無定型熱塑性材料和結晶熱塑性材料中的至少一種。例如，根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，固體結合劑材料34包括以下中的至少一種聚對苯二甲酸乙二醇酯的共聚物(CoPET)，聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和未拉伸型聚苯硫醚 (PPS)。對根據(jù)本發(fā)明的變壓器中的基體纖維30與結合劑材料34的相對重量百分比或相對體積百分比沒有特別限制。然而，根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，在充當用于示于圖1中的變壓器10的絕緣件的復合材料中的所有基體纖維30對所有固體結合劑材料34的重量比在大約8 1和大約1 1之間。此外，盡管其它密度也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但示于圖1中的變壓器10所包含的固體復合結構(例如，復合結構沈、28、36)具有在大約0. 5g/cm3和大約 1. lOg/cm3之間的密度。此外，根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，固體結合劑材料34和基體纖維30 中的材料被選擇成具有與變壓器10中使用的冷卻流體的介電性能基本類似的介電性能。圖5為圖示制造根據(jù)本發(fā)明的實施例的電力變壓器(例如變壓器10)的方法的步驟的流程圖38。如圖5所示，所述方法的第一步驟40提出將具有第一熔融溫度的結合劑材料(例如結合劑材料34)置入第二基體纖維(例如，示于圖2中的下面的基體纖維30) 與具有第二熔融溫度的第一基體纖維(例如，示于圖2中的上面的基體纖維30)之間。當實施該置入步驟40時，所述結合劑材料可以例如呈圍繞纖維的全外套或局部外套的形式， 或者呈纖維之間的粒子的形式。根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，通過共擠出所述結合劑材料和基體纖維來實施該置入步驟，從而形成了在基體纖維的一部分周圍的外套。此外，多根纖維可以與結合劑材料共擠出以形成例如示于圖3中的結構。示于圖5中流程圖38中的步驟42提出將結合劑材料、第一基體纖維和第二基體纖維壓緊在一起。然后，步驟44提出在壓緊和拉伸步驟中將結合劑材料、第一基體纖維和第二基體纖維加熱至第一熔融溫度(即，所述結合劑材料的熔融溫度)之上且第二熔融溫度(基體纖維的熔融溫度)之下的溫度，從而形成復合結構(例如，示于圖2-4中的任何復合結構沈、28、沈)。根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，壓緊步驟42和加熱步驟44導致密度為大約0. 5g/cm3和大約1. 10g/cm3之間的復合結構。然而，可以改變這些步驟42、44使得其它的密度也落入在本發(fā)明的范圍內(nèi)。還應該注意的是，根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，除了提高所述復合結構的整體密度之外，壓緊步驟42還可以拉伸其中包含的一些纖維(例如，基體纖維30)。這種拉伸有時候導致提高復合結構中的結晶度，這在某些情況下是有益的。一旦已經(jīng)形成復合結構，如在流程表38中步驟46所提出，將所述復合結構設置在第一電力變壓器部件與第二變壓器部件之間。例如，在流程表38中提到的復合結構可以被設置在任何或所有的示于圖1中的電流變壓器(CT)支架12、支撐塊14、鎖條16、纏繞筒18、 引線支架20、徑向墊片22和/或端部塊M之間。這樣，根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，壓緊步驟42和加熱步驟44以如下的方式實施形成可以容易插入電力變壓器10和插入上面列舉的其部件之間的形狀。
在設置步驟46之后，步驟48提出用冷卻流體浸漬復合結構。如上所述，所述冷卻流體可以為例如電絕緣或介電絕緣流體。由于根據(jù)本發(fā)明的某些實施例(例如，示于圖 2和3中的復合結構沈、觀或示于圖4中的復合結構36)所述復合材料可以具有相對開放的結構，浸漬步驟48可以包括用冷卻流體基本充分浸漬所述復合結構。這提供了比其中冷卻流體不易到達部分絕緣系統(tǒng)的結構更好的介電特性。在流程圖38中的最終的步驟是步驟50，其指出選擇第一基體纖維中的材料和結合劑材料為具有與冷卻流體基本相似的介電性能。介電性相容材料的選擇使得根據(jù)本發(fā)明的電力變壓器更高效地運行。如本領域的普通的技術人員在實施本發(fā)明的一個或多個實施例時所理解的，上述討論的設備和方法提供了若干優(yōu)點。例如，上述討論的絕緣系統(tǒng)使得包含它們的電力變壓器在更高的溫度下運行。實際上，根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，可以實現(xiàn)155°C至180°C之間的運行溫度范圍，盡管這些溫度范圍不限制總體發(fā)明。由于更高的運行溫度降低了電力變壓器的尺寸需求，設計用于特殊用途的根據(jù)本發(fā)明的變壓器可以小于目前可得的變壓器， 因而需要更少的材料并降低形成/制造變壓器的總成本。由于根據(jù)本發(fā)明的某些電力變壓器提高的絕緣性和冷卻性，從具有比目前可得的變壓器更小的物理占用空間的變壓器可以提供更高的兆伏安(MVA) ( S卩，電力)。此外，由于上述絕緣系統(tǒng)中的部件的新型的組合，根據(jù)本發(fā)明的某些變壓器降低了由于熱過載使變壓器可靠性降低的可能性。此外，上述絕緣系統(tǒng)的新型結構使得它們比目前可得的系統(tǒng)更加能夠保持隨時間的可壓縮性(即，更少的爬電和無需再緊固)。從詳細的說明中本發(fā)明的許多特點和優(yōu)點是顯而易見的，因此，通過所附的權利要求旨在涵蓋落入本發(fā)明的實質和范圍內(nèi)的所有的這樣的特征和優(yōu)點。此外，由于對于本領域的技術人員而言容易做出多種修改和變化，并不期望將本發(fā)明限制到所示出和描述的實際的結構和操作，因此，所有合適的修改和等同替代都可以被認為是落入本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種電力變壓器，包括第一電力變壓器部件；第二電力變壓器部件；設置在所述第一電力變壓器部件與第二變壓器部件之間的冷卻流體，其中在所述電力變壓器運行期間，所述流體被選擇以冷卻所述第一電力變壓器部件和第二變壓器部件；和設置在所述第一電力變壓器部件和第二變壓器部件之間的固體復合結構，其中所述冷卻流體與所述復合結構接觸，以及其中所述復合結構包括具有第一外表面的第一基體纖維；具有第二外表面的第二基體纖維；和固體結合劑材料，其粘附到至少部分的第一外表面上和至少部分的第二外表面上，從而將所述第一基體纖維結合至所述第二基體纖維。
2.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述第一基體纖維包括高熔點熱塑性材料。
3.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述第一基體纖維包括以下中的至少一種聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚醚砜(PES)。
4.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述第一基體纖維在所述變壓器的最高運行溫度下和在所述結合劑材料的熔融溫度下是穩(wěn)定的。
5.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述結合劑材料形成圍繞所述第一基體纖維的長度的外套。
6.根據(jù)權利要求2所述的電力變壓器，其進一步包括第三基體纖維，所述第三基體纖維具有也包含在外套內(nèi)的長度。
7.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述固體復合結構具有在大約0.5g/cm3 至大約1. lOg/cm3之間的密度。
8.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述第一基體纖維包括短纖維材料。
9.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述固體結合劑材料包括當與所述冷卻流體接觸時保持穩(wěn)定的無定型熱塑性材料和結晶熱塑性材料中的至少一種。
10.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，所述固體結合劑材料包括以下中的至少一種 聚對苯二甲酸乙二醇酯的共聚物(CoPET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和未拉伸型聚苯硫醚(PPS)。
11.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述第一基體纖維中的材料和所述固體結合劑材料具有與冷卻流體基本相似的介電性能。
12.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述固體結合劑材料形成了聯(lián)接至所述第一基體纖維和聯(lián)接至所述第二基體纖維的粒子。
13.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，所述固體復合結構基本充分地被所述冷卻流體浸漬。
14.根據(jù)權利要求1所述的電力變壓器，其中，在所述復合結構中的所有基體纖維與所有固體結合劑材料的重量比在大約81至大約11之間。
15.一種制造電力變壓器的方法，該方法包括將具有第一熔融溫度的結合劑材料置入第二基體纖維和具有第二熔融溫度的第一基體纖維之間；將所述結合劑材料、所述第一基體纖維和所述第二基體纖維壓緊在一起；在壓緊步驟期間，將所述結合劑材料、所述第一基體纖維和所述第二基體纖維加熱至第一熔融溫度之上且第二熔融溫度之下的溫度，從而形成復合結構；將所述復合結構設置在第一電力變壓器部件和第二電力變壓器部件之間；和在設置步驟之后，用冷卻流體浸漬所述復合結構。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，所述置入步驟包括共擠出所述結合劑材料和第一基體纖維，從而形成了在第一基體纖維的一部分周圍的外套。
17.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，所述壓緊和加熱步驟導致所述復合結構具有在大約0. 5g/cm3和大約1. 10g/cm3之間的密度。
18.根據(jù)權利要求15所述的方法，所述浸漬步驟包括用冷卻流體基本充分地浸漬所述復合結構。
19.根據(jù)權利要求15所述的方法，其進一步包括選擇所述第一基體纖維中的材料和所述結合劑材料為具有與所述冷卻流體基本相似的介電性能。
全文摘要
一種用于填充流體式電力變壓器的絕緣系統(tǒng)，其允許所述變壓器在高溫下運行并延緩老化。所述絕緣系統(tǒng)包括多個通過固體結合劑結合在一起的纖維。所述固體結合劑可以為例如圍繞所述纖維的外套，或可以為將纖維相互結合的分散粒子的形式。此外，一種制造這種絕緣系統(tǒng)的方法。
文檔編號H01F27/32GK102473509SQ201080036071
公開日2012年5月23日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權日2009年8月13日
發(fā)明者帕德馬·P·瓦拉納西, 托馬斯·M·戈爾納, 杰弗里·J·內(nèi)梅茨, 舍瑞什·P·梅赫塔 申請人:沃克沙電力設備有限公司