专利名称：固体绝缘子和制造固体绝缘子的方法
技术领域：
本发明涉及根据第一权利要求前序部分的固体绝缘体，还涉及根据独立方法权利要求前序部分的制造固体绝缘体的方法。
背景技术：
在加压气体绝缘开关设备站中，固体绝缘元件是圆盘形的，有一些复杂的子结构特征，包括中心金属插入物。
DE 33 11 218 A1公开了一种用于封闭高压设备的圆盘形绝缘体。该绝缘体包括一个浇注电极，该电极被分段并关于该圆盘的侧面共中心地向外围扩展。该浇注电极通过接触片被连接到接触电极；该接触电极安装在一个金属的安装环上。为了避免在浇注后圆盘形绝缘体收缩过程中损伤圆盘形绝缘体，接触片，或浇注电极，或在操作中因热应力造成的损伤，该浇注电极被分成多个电极段，该电极段在外围方向上一个挨着一个。
DE 40 15 929 A1公开了一种固体绝缘体，该绝缘体用于气体绝缘金属封装高压装置。该绝缘体拥有一个绝缘体主体，该绝缘体主体包含铸塑树脂，由该绝缘体主体支撑并用来携带高压的电极，可以安装在金属封装上的支承部件，和铸入该绝缘体主体并由导电塑料组成的电场控制元件。该绝缘体能可靠地防止对该绝缘体主体的机械损伤和/或因长期的电介质应力造成的不可恢复的损伤。
这种圆盘形绝缘元件由真空铸造，矿物充填(即SiO2，Al2O3或CaSiO3)，酐固化双酚A环氧树脂组成，维持现有的机械或电气负载。在气体绝缘开关设备站中，固体绝缘元件受到很强的电场和很高的机械负载，如液压和弯矩。
矿物微粒充填环氧树脂气体绝缘开关设备绝缘体的主要缺点是该元件的重量(如需要两到三个人来搬运最大的绝缘体，即超过30kg)，该材料有限的机械性能和相对脆性，导致机械装置突变失效。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种重量轻且具有高机械性能的固体绝缘体。
根据本发明，这可以通过第一权利要求的特征来取得。
可以看到本发明的优点，其中一个在于和常规的矿物微粒充填环氧树脂材料相比，重量可以减少高达70％，这使得更容易搬运，维护更加便宜，需要更少的人员。另一个优点在于更好的机械性能(即硬度和强度)，这可以导致更薄的结构，并因此允许更加紧凑的气体绝缘开关设备变电站的设计。在固体绝缘体设计中，这可以导致更大的灵活性，允许更加简单的设计形状，如平板圆盘形，对于气体绝缘开关设备固体绝缘体来说，这当然是最佳可能的绝缘体设计。另外，应用的领域将更大，因为对于很高冲击压力的固体绝缘体，和潜在的需要更高的工作压力无SF6绝缘技术，新材料可以满足一些特殊的局部调节的需要。没有突变失效的机械装置，意味着更高的可靠性和安全性。新的固体绝缘体技术所允许的更薄的绝缘体设计将避免在大多数情况下，如DE 33 11 218 A1和DE 40 15 929 A1中所描述的复杂的电场分级电极的苛刻的并因而昂贵的集成。在确实需要电场分级电极的场合中，导电纤维如碳素纤维的容易且简单的集成仍然是可能的。
由于带来更高的机械性能和更高的可靠性，纤维强化环氧材料的使用将导致气体绝缘体开关设备固体绝缘体整体价格下降。
从子权利要求中可以显现出本发明的其它有利的实施例。
通过参考以下具体描述，连同附图一起考虑，可以更容易获得本发明更完全的评价和其中许多附带的优点，并可以更好地了解这些，其中图1示出了一种径向环形定向纤维构造类型；图2示出了一种使用来自图1的径向环形定向纤维构造类型的典型薄片层堆栈序列；图3示出了一种二轴定向纤维构造类型；图4示出了一种使用来自图3的二轴定向纤维构造类型的典型薄片层堆栈序列；图5示出了一种单向定向纤维构造类型；图6示出了一种使用来自图5的单向定向纤维构造类型的典型薄片层堆栈序列；图7示出了一种三维直角纤维编织结构；图8示出了一种用于径向环形纤维定向的连续螺旋状预型件；图9示出了树脂传递模塑(RTM)技术所需要的设备；图10示出了树脂传递模塑(RTM)技术的步骤；图11示出了一种使用径向环形纤维定向的纤维强化环氧树脂气体绝缘开关设备固体绝缘体的平板圆盘形几何形状；图12示出了玻璃纤维强化环氧树脂EF和铝AL，钢ST，纯环氧NE，及矿物微粒填充环氧材料EM相比较的硬度对重量的比率rSN和强度对重量的比率rST。
仅示出了那些对于理解本发明是必需的要素。
具体实施例方式
纤维强化聚合体是一种特别类型的材料，该材料由利用无机或有机纤维强化的聚合体矩阵材料组成。该强化纤维是主要的负载载体，而矩阵部分只是将负载从纤维传送到纤维。在本说明书中，该聚合体矩阵由通常用于电绝缘体中的典型酐固化环氧树脂组成，而强化纤维的种类可以有不同的类型，只要它包括好的电绝缘特性。总的来说，对于该固体电绝缘应用而言，玻璃纤维当然是最合适的纤维，特别是E-RC玻璃纤维。可是，也可使用其它的无机纤维，如玄武岩和石英纤维，和有机纤维，如液晶聚合体，芬芳聚酰胺和聚乙烯(p-phenylene-2，6-benzobisoxazole)纤维。另外，可以通过不同的方式强化该聚合体矩阵。纤维可以是连续的，以织物或针织物或三维预型件的形式，也可以是不连续的，以垫子的形式。相对常规的真空铸造矿物微粒填充环氧材料而言，纤维强化环氧材料有显著的优势。强度对重量和硬度对重量的比率是使用纤维强化聚合体的主要原因。另外，玻璃纤维强化环氧材料的断裂韧度远优于矿物微粒填充环氧材料。因此，玻璃纤维强化和原材料极大地改变了在矿物微粒填充环氧材料中出现的突变失效机械装置。只可能发生薄片和环氧矩阵间的失效和分层。另外，通过适当的纤维定向，可以最大限度提高纤维强化聚合体材料的断裂韧度。
在加压SF6-气体绝缘开关设备站中的固体绝缘体组件主要是两个加压舱之间的圆形隔板。在此附上的DE 33 11 218 A1和DE 40 15 929A1中描述了该种气体绝缘开关设备站。该固体绝缘体要承受的主要负载是典型的等压负载类型。没有基本的平面负载方向。因此，在这种负载情况下需要类各向同性，即各个方向平面特性相同。类各向同性薄片特性主要可以通过使用三种不同的纤维构造结构获得，分别为径向环形纤维定向，使用层旋转的二轴纤维定向和使用层旋转的不定向(UD)纤维定位。这些不同的纤维构造结构也可以混合使用。
径向环形纤维定向如图1所示，径向环形纤维定向是最可选的纤维定向，因为根据定义，该纤维定向类型已经满足类各向同性的需要。如图2所示，这种纤维构造的不同层可以简单地堆叠，以形成该绝缘体的骨干。
使用层旋转的二轴纤维定向类各向同性薄片特性也可以通过使用二轴定向纤维构造类型来获得，如图3所示的二维织物，假定每个堆叠的织物层相对上一层旋转给定的角度(角度越小，各向同性越好)，如图4所示。在层堆叠序列中，理想地应取得360°总旋转。
使用层旋转的单向(UD)纤维定位如图5所示，对于单向(UD)纤维结构，可以使用类似旋转二轴纤维结构的方法。如图6所示，通过旋转不同的UD结构层，也可获得类各向同性薄片特性。同样的，旋转角度越小，各向同性性能越好。这里在层堆叠序列中，理想地应取得360°总旋转。
纤维强化骨干预成型在预型件中，上面提到的二维或UD纤维结构被组合在一起。预型件是指单件加强件，该加强件被预先裁剪成需制造零件的形状。在本说明书中，使用圆盘形预型件。二轴织物或UD结构被割断。对于径向环形定向纤维来说，这个过程是不必要的，因为它们已经被编织成圆盘形。然后该结构层被物理上结合起来，即缝合，或化学上结合起来，即使用树脂粉，以形成最终形状。因为避免了苛刻的层压操作，纤维预型件的使用导致了制造时间显著减少，质量显著提高。如图7所示，三维编织纤维结构也可用作预型件。不采用缝合或结合，而加入了第三个编织尺寸。因此，三维纤维结构的另一个优点是极大减轻了薄片间的失效，该失效表现了纤维强化聚合体材料中最关键的失效装置。如图8所示，在径向环形纤维定向案例中，对于缝合或结合二维织物预型件来说，连续的螺旋形预型件也是可选的方法。
制造过程使用树脂传递模塑(RTM)加工技术制造纤维强化环氧树脂气体绝缘开关设备绝缘体。如图9和10所示，RTM型注入工艺是多阶段过程，包含将纤维预型件1放入相配的模具2中，并闭合模具，然后在低压下，典型地为1-4巴，将足够量的环氧树脂混液注入闭合的模具内，使之渗透预型件1的纤维包。如图9所示，容器3中存储的环氧树脂和容器4中存储的以酐为基础的硬化剂和催化剂通过计量泵5被传输到混合设备6，在该设备中将树脂和硬化剂混合，之后将形成的环氧树脂混液注入模具。一旦环氧树脂混液固化，打开模具2并取走该零件。RTM型注入工艺最有名的是其提供极好的表面光洁度，几乎不需要修整的近成品和通常可以和真空包装或高压合成物相比的集成性能，即非常低的无用内容的能力。此外，在RTM工艺中可以使用聚合凝胶涂层，以便进一步提高最终零件的表面质量，这在电的应用上是非常重要的。另外，也可裁剪低电容率凝胶涂层，以减小绝缘体表面在侵略性气体环境中的微粒敏感度。RTM型工艺分成两类，一类是使用外界压力将树脂推进洞里(RTM型)，另一类是利用真空处理将树脂吸入(VARTM型)。该固体绝缘体类型未决的是，可以利用真空代替外界压力或和外界压力混合使用，以便保证零件中的无用内容非常低/接近零，这在高压绝缘应用中绝对是先决条件。
图11示出了一种经过处理的使用径向环形纤维定向的纤维强化环氧树脂气体绝缘开关设备固体绝缘体的平板圆盘形几何形状。使用了包含径向环形纤维定向的不同堆叠层的预型件，如图1和2所示。
图12示出了不同材料的强度对重量和硬度对重量的比率。对于使用玻璃纤维强化的环氧树脂来说，这两个比率明显比使用矿物微粒填充的环氧树脂要好很多。
当然，本发明不限于上面示出和描述的范例。
显然，根据上面所教的，可以对本发明进行许多修改和变更。因此，应当理解在所附权利要求的范围内，可以以别的方式实施本发明，而不同于这里具体描述的那样。
权利要求
1.用于气体绝缘封装高压装置的固体绝缘体，该绝缘体拥有一个绝缘体主体，该绝缘体主体支撑至少一个导体，该导体用于携带高压并被放置在外壳中，其中所述绝缘体主体包含纤维强化聚合体。
2.如权利要求1所述的固体绝缘体，其中所述绝缘体主体包含纤维强化环氧材料。
3.如权利要求1或2所述的固体绝缘体，其中所述绝缘体主体包含不导电的有机纤维和/或不导电的无机纤维。
4.如权利要求1，2或3所述的固体绝缘体，其中所述绝缘体主体包含用于电场分级的导电纤维。
5.如上述权利要求所述的固体绝缘体，其中在该绝缘体主体中的纤维如此定向，使得获得该绝缘体主体的类各向同性机械特性。
6.如权利要求5所述的固体绝缘体，其中在该绝缘体主体中的纤维定向是径向环形方向的，并且纤维结构被置于不同层内。
7.如权利要求5或6所述的固体绝缘体，其中在该绝缘体主体中的纤维定向是二轴的，并且纤维结构被置于不同层内；该堆叠各层被旋转一给定的角度。
8.如权利要求5，6或7所述的固体绝缘体，其中在该绝缘体主体中的纤维定向是单向的，并且纤维结构被置于不同层内；该堆叠各层被旋转一给定的角度。
9.如权利要求5-8所述的固体绝缘体，其中该绝缘体主体的纤维骨干包含一预型件，该预型件中包含径向环形，二轴或单向纤维的堆叠层，其中这些层在物理上或化学上被结合。
10.如权利要求5-8所述的固体绝缘体，其中该绝缘体主体的纤维骨干包含一预型件，该预型件包含连续的径向环形螺旋状纤维层。
11.如权利要求5-8所述的固体绝缘体，其中该绝缘体主体的纤维骨干包含一预型件，该预型件包含三维织物纤维结构。
12.用来制造用于气体绝缘封装高压装置的固体绝缘体的方法，该固体绝缘体具有一绝缘体主体，该绝缘体主体支撑至少一个中心导体，该导体用于携带高压并置于外壳中，该方法包括步骤在模具中放置纤维，闭合模具并通过使用低压和/或真空将聚合体矩阵注入模具内，在模具中固化该聚合体矩阵，从模具中取出绝缘体主体。
13.如权利要求12所述的制造固体绝缘体的方法，其中纤维以预型件的形式被放入模具。
全文摘要
用于气体绝缘封装高压装置的固体绝缘体，该绝缘体拥有一绝缘体主体，该绝缘体主体支撑至少一个中心导体，该导体用以携带高压并被置于外壳中。该绝缘体主体包含纤维强化聚合体。
文档编号H01H33/56GK1479322SQ0315252
公开日2004年3月3日 申请日期2003年8月1日 优先权日2002年8月2日
发明者S·帕格, G·迈尔, S·弗尔斯特, S 帕格, 固 申请人:Abb研究有限公司