ЛЕНТА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕМ НА ОСНОВЕ ВАРИСТОРА
FIELD CONTROL TAPE BASED ON VARISTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области техники высоких и средних напряжений и, в частности, к электрическим материалам и приборам с нелинейными параметрами. Изобретение основано на лентах с нелинейными электрическими параметрами и на электрических устройствах, содержащих такие «нелинейные электрические» ленты, соответствующих ограничительной части независимых пунктов формулы изобретения.
Уровень техники
2
2
3
2
2
4
Аналог изобретения описан в патенте ЕР 1118086 В1. В нем раскрыта лента для защиты от тлеющего разряда или лента, экранирующая коронный разряд, с улучшенными электрическими свойствами, которая используется в намоточной изоляции электрической машины. Эта лента содержит тканеподобный несущий материал, который импрегнирован раствором реакционной смолы, содержащей частицы наполнителя, которые покрыты легированной сурьмой окисью олова (SnO). Необязательно может быть добавлен отверждающий агент и(или) ускоритель. Покрытые частицы наполнителя обеспечивают более надежное и лучше воспроизводимое нелинейное электрическое поведение по сравнению с традиционно используемым наполнителем из карбида кремния (SiC). Система покрытого наполнителя специально разработана для того, чтобы быть относительно легкой, чтобы избежать осаждения частиц во время смешивания при обеспечении достаточной нелинейности электрического сопротивления. Для этой цели выбраны неорганические материалы наполнителя с низкой плотностью, такие как АlО, SiO, TiO, BaSO, мел, тальк, каолин, слюда или титанаты, а электрическая нелинейность добавляется за счет нанесения на частицы наполнителя намного более тяжелого покрытия из легированной окиси олова. Это покрытие наносится на подложку или затравочные частицы посредством гидролиза или термического разложения органической пастообразной смеси. Очевидно, такая сложная система покрытого наполнителя трудна в изготовлении.
В заявке DE 2233204 раскрыта лента для защиты от тлеющего разряда из полупроводникового материала для использования в изолированной высоковольтной обмотке электрической машины. Эта лента может состоять из стеклоткани, импрегнированной частицами графита. Лента может быть заранее растянута, подвергнута теплообработке и сжата в продольном направлении. Лента наматывается вокруг стеклянно-слюдяной ленты, защищающей медную проводящую обмотку. Она разработана для замены несущей ленты, которая имеет поверхность, покрытую лаком, защищающим от тлеющего разряда.
В патенте США №4297250 раскрыт способ изготовления порошкового состава варистора из легированной окиси цинка. Порошок ZnO может быть диспергирован в смолистой среде, чтобы обеспечить ZnO лаковую композицию, выравнивающую давление. Лак можно наносить как краску на катушки или иные высоковольтные изолированные проводники. Порошок ZnO можно также обжигать на керамическом изделии, таком как вкладыш.
th
В статье R.Strümpler, P.Kluge-Weiss and F.Greuter, «Smart Varistor Composites», Proceedings of the 8 CIMTEC-World Ceramic Congress and Forum on New Materials, Symposium VI (Florence, June 29 - July 4, 1994), описан композит, содержащий легированный ZnO микроваристорный порошок, внедренный в полимерную матрицу.
В патенте ЕР 0875087 В1 управляющая электрическим напряжением композиция изготавливается из легированных окисью цинка (ZnO) частиц наполнителя, внедренных в полимерную матрицу. Композиция определяется так, что используются только круглые или гладкие сфероидальные частицы, и большинство этих частиц имеет максимальный размер между 5 мкм и 100 мкм. Состав может быть обработан для формирования различных управляющих напряжением продуктов, к примеру выравнивающих поле муфт в кабельных окончаниях и соединениях среднего напряжения.
Сущность изобретения
Основная цель изобретения состоит в создании нелинейной электрической ленты, проявляющей благоприятные нелинейные электрические свойства и являющейся легкой для изготовления, электрического компонента, содержащего такую нелинейную электрическую ленту, и средне- или высоковольтного устройства, содержащего такой компонент. Эта цель достигается согласно изобретению, охарактеризованному в независимых пунктах формулы изобретения.
В первом объекте изобретение представляет собой нелинейную электрическую ленту для электрических приборов, в частности для электрических высоковольтных устройств, содержащую подложку, которая пропитана связующим, содержащим частицы неорганического наполнителя, при этом частицы наполнителя представляют собой микроваристорные частицы, содержащие легированную окись цинка (ZnO). Нелинейная электрическая лента на основе микроваристоров из ZnO имеет несколько преимуществ над известными управляющими полем лентами. По сравнению с традиционными лентами с внедренными частицами SiC достигается более сильное и более надежное нелинейное электрическое сопротивление. По сравнению с лентами, содержащими частицы, покрытые легированной SnO, микроваристоры из ZnO гораздо проще изготавливать, они имеют заметно сниженную плотность и, следовательно, улучшенную обрабатываемость и имеют явно более заметную электрическую нелинейность.
Примерный вариант осуществления изобретения по п.2 формулы изобретения показывает предпочтительные свойства и применения выравнивающей поле ленты.
В примерных вариантах осуществления изобретения по пп.3-6 формулы изобретения определены благоприятные конструктивные параметры частиц микроваристоров из ZnO. Они охватывают средства для получения облегченных частиц и конкретные варианты распределений по размеру частиц и формы частиц для оптимизации нелинейных выравнивающих поле лент на основе микроваристоров с легированной ZnO.
В примерных вариантах осуществления изобретения по пп.7-11 формулы изобретения даются соответственно благоприятные варианты формы, материала и подготовки подложки и связующего.
В другом объекте изобретение представляет собой электрический компонент или прибор, использующий определенную выше нелинейную электрическую ленту для целей диэлектрической изоляции, защиты от перенапряжения и(или) управления полем.
Дальнейшие варианты осуществления, преимущества и применения изобретения станут понятны из пунктов или комбинации пунктов формулы изобретения с учетом нижеследующего подробного описания.
Подробное описание изобретения
Управление полем необходимо для катушек двигателя и генератора, кабелей, вводов и когда изолированный проводник проходит через заземленный концентрический экран. Для таких и других целей изобретение предлагает нелинейную электрическую ленту для электрических приборов, в частности для электрических высоковольтных устройств. Лента содержит подложку, которая пропитана связующим, к примеру эпоксидной смолой, содержащей частицы неорганического наполнителя, причем эти частицы наполнителя содержат микроваристорные частицы, содержащие легированную окись цинка (ZnO).
Лента, содержащая микроваристоры из ZnO, согласно изобретению имеет преимущества во многих отношениях по сравнению с традиционными лентами на основе внедренных частиц SiC или частиц, покрытых легированной SnO. Нелинейные свойства лент с SiC зависят от контакта между частицами SiC-SiC и, таким образом, сильно зависят от размеров частиц SiC, от условий обработки ленты и обращения с ней и от деградации ленты при перегрузке по напряжению. В противоположность этому нелинейность легированной ZnO является эффектом, обусловленным границами внедренных зерен, а следовательно, является внутренним свойством и, поэтому, устойчива в отношении условий обработки и эффектов старения. Частицы наполнителя из ZnO менее абразивны, чем частицы наполнителя из карбида кремния. Далее, материалы на основе ZnO имеют более высокие коэффициенты нелинейности α>10, чем материалы на основе SiC, имеющие α в диапазоне 3-5. Это означает, что диэлектрические потери можно снизить в нормальных рабочих условиях без потери защиты от перегрузки в импульсе или, альтернативно, диэлектрические потери можно поддерживать постоянными при нормальных рабочих условиях, а способность противостоять импульсам, в частности выдерживаемое импульсное напряжение, можно увеличить.
2
2
3
3
По сравнению с лентами, содержащими частицы, покрытые легированной SnO, микроваристоры из легированной ZnO очевидно проще в производстве, поскольку можно применять стандартные процессы легирования и спекания и не требуются сложные этапы, такие как покрытие затравочных частиц легированным и спеченным варисторным материалом. Далее, микроваристоры из ZnO имеют более низкую плотность материала, чем SnO, а именно 5,6 г/см вместо 7,0 г/см. Помимо этого частицы микроваристоров из ZnO можно получать более или менее пористыми, и, в частности, они могут быть по форме в виде полых сфер, так что их явная или средняя плотность, определенная как вес частиц, поделенный на их замкнутый объем, может быть далее значительно снижена. Это приводит к снижению опасности осаждения и расслоения смеси во время смешения наполнителя и связующего и во время пропитки ленты полученным связующим. Наконец, микроваристоры из ZnO имеют превосходную электрическую нелинейность. Сообщалось о коэффициенте α нелинейности в диапазоне от 3 до 34 для SnO по сравнению с 50-200 для ZnO. В целом, ленты с микроваристорами из ZnO проще в производстве и проявляют более благоприятные электрические свойства, чем до сих пор известные нелинейные ленты для управления полем.
Ниже обсуждаются примерные варианты осуществления изобретения.
Лента может быть гибкой лентой, предпочтительно с, по меньшей мере, одной поверхностью, являющейся самоклеящейся, для наложения ленты на электрические компоненты. Ленту можно предпочтительно накладывать на области электрических компонентов, где имеется поле с напряжением, и она обеспечивает нелинейное электрическое управление полем посредством внедренных микроваристорных частиц из легированной ZnO.
3
Микроваристорные частицы из легированной ZnO являются, по меньшей мере частично, полыми частицами со средней плотностью ниже удельной плотности материала ZnO, которая составляет 5,6 г/см. Предпочтительно, микроваристорные частицы из легированной ZnO являются полыми частицами, которые производятся методами гранулирования, к примеру сушкой распылением со вспенивателем или без него, методом золь-гельной обработки, пиролизом напыляемого вещества, покрытием предварительно обработанного полимера или методом обработки в ожиженном слое. Производство таких гранулированных полых микроваристорных частиц из легированной ZnO раскрывается, к примеру, в вышеупомянутой статье R.Strümpler et al., содержание которой во всей его полноте включено в данную заявку. Согласно этой статье частицы, полученные сушкой распылением, имеют размеры до 300 мкм и просеиваются для получения размера частиц до 200 мкм.
В противоположность этому согласно изобретению должны производиться и использоваться особенно малоразмерные полые микроваристоры из ZnO так, чтобы гладкость и гибкость ленты не страдала. Предпочтительно микроваристорные частицы из легированной ZnO имеют распределение по размеру частиц с максимальными размерами меньше чем 90 мкм, предпочтительно меньше чем 80 мкм, более предпочтительно меньше чем 70 мкм, еще более предпочтительно меньше чем 60 мкм, наиболее предпочтительно меньше чем 50 мкм. В частности, микроваристорные частицы из легированной ZnO имеют распределение по размеру частиц с максимальными размерами меньше чем 40 мкм, предпочтительно меньше чем 30 мкм, более предпочтительно меньше чем 20 мкм.
Согласно изобретению производственные параметры гранулирования, к примеру распыления вращающимся диском, должны регулироваться до такой степени, чтобы вырабатывались малые полые частицы, предпочтительно с максимальными размерами ниже 40 мкм. Предполагается, что выход продукции будет уменьшаться для очень малых диаметров в диапазоне от 30 мкм до 10 мкм или ниже. Таким образом, учитывая уменьшение выхода порошкового продукта и улучшенную гладкость и гибкость ленты при уменьшении размера частиц, оптимальное распределение по размеру микроваристорных частиц из легированной ZnO для нелинейных выравнивающих поле лент должно быть в диапазоне от 10 мкм до 50 мкм, предпочтительно от 20 мкм до 40 мкм, в частности 30 мкм.
2
Преимущественно, в связующем, по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90% частиц неорганического наполнителя являются микроваристорными частицами из легированной ZnO. Микроваристорные частицы из легированной ZnO имеют гауссово или бимодальное распределение по размеру частиц. Такие гауссовы и бимодальные распределения по размеру частиц раскрываются в заявке ЕР 0992042 (WO 99/56290), содержание которой во всей полноте включено в данную заявку. В заявке ЕР 0992042 также раскрыто, что наполнитель может содержать электропроводные частицы, сплавленные с поверхностью частиц микроваристоров, при этом электропроводные частицы образуют прямые электрические контакты с низким сопротивлением между частицами микроваристоров. Кроме того, могут использоваться два компонента наполнителя с различными нелинейными характеристиками ток-напряжение, как раскрыто в заявке ЕР 1274102 А1, содержание которой во всей полноте включено в данную заявку. В настоящем изобретении по меньшей мере один из компонентов наполнителя должен быть микроваристорами из легированной ZnO, а предпочтительно все компоненты наполнителя должны быть основаны на частицах ZnO с различными добавками. Однако в противоположность заявке ЕР 1274102 А1 легированная SnO не должна добавляться в качестве компонента наполнителя из-за ее слишком большой плотности, вызывающей осаждение и расслоение во время приготовления смеси.
Порошок ZnO для приготовления связующего можно определить так, что он содержит по меньшей мере две фракции частиц ZnO. Первая фракция микроваристорных частиц из легированной ZnO может иметь гладкие, предпочтительно сферические формы. Частицы для первой фракции кальцинированы и затем разделены, в частности «шейки» сломаны, так что частицы сохраняют свою исходную преимущественно сферическую форму. Вторая фракция микроваристорных частиц из легированной ZnO может иметь неправильные, в частности, заостренные формы. Частицы для второй фракции получены кальцинированием или спеканием и затем измельчены либо получены таким путем, чтобы частицы имели правильные, в частности, заостренные формы. Такие многофракционные композиции микроваристорных частиц из легированной ZnO раскрыты в еще неопубликованной заявке ЕПВ №04405210.8, содержание которой во всей полноте включено в данную заявку.
Способ получения наполнителя из ZnO поясняется более подробно в данной заявке. Гранулированный порошок получают, как правило, сушкой распылением пастообразной смеси, содержащей ZnO и легирующие добавки. Этот этап приводит к получению сплошных или полых гранул или частиц с преимущественно сферической формой. Сырые гранулы подвергают термообработке для получения микроваристорных частиц с нелинейными электрическими свойствами. Термин кальцинирование относится к обработке нагреванием слоя свободных гранул, которые более или менее спечены друг с другом, как правило, путем образования «шеек», связывающих частицы перемычками. Альтернативно, гранулы могут кальцинироваться во вращающейся обжиговой печи, что снижает образование шеек. Кальцинированный агломерат и, в частности, шейки могут быть разломаны с помощью лишь малого усилия. Это предохраняет исходную сферическую форму частиц. В противоположность этому термин спекание относится к сжатому и обработанному нагреванием полностью уплотненному керамическому блоку. Этот блок должен быть измельчен для получения раздробленных неправильной формы частиц. Эти неправильные частицы можно также получить из кальцинированного порошка путем подачи сферических частиц порошка микроваристоров, например, через двойную дисковую мельницу со щелью меньше, чем наименьший размер целых частиц. Предпочтительные размеры частиц выбираются, как правило, методами классификации, к примеру просеиванием или пневмосортировкой. Процесс смешивания микроваристорного порошка в связующее называется компаундированием. К этому связующему может быть добавлен растворитель, и(или) отверждающий агент, и(или) ускоритель.
Итак, можно производить порошок микроваристоров из ZnO путем гранулирования и, в частности, распыления сушкой, как обсуждено выше, последующим кальцинированием и затем раздроблением и размельчением. Можно также производить частицы размельчением спеченных керамических варисторных блоков из ZnO либо, альтернативно, разрушением кальцинированной или спеченной ленты (пленочного литья). Частицы должны быть сплошными сферами или предпочтительно полыми сферами, могут содержать смесь из сферических и заостренных частиц или из частиц с различными нелинейными характеристиками ток-напряжение и иметь гранулометрию от приблизительно 10 мкм до менее 90 мкм.
Что касается ленты, то подложка может быть в виде листа, а предпочтительно - полосы. Подложка должна быть гибкой и может быть в виде пленки, перфорированной пленки, тканого материала или ворса. Как правило, подложка выбирается электрически изолирующей. Она может содержать стекло и(или) полимер, предпочтительно полиэфир. В полезном варианте осуществления подложка делается из полимера и является термоусадочной.
Связующее может быть из группы эпоксидов и силиконов. Оно может быть термопластиком или дюромером. Связующее в ленте может быть в предварительно отвержденной В-стадии или в полностью отвержденной С-стадии. Связующее, находящееся в С-стадии, облегчает обращение с лентой для дальнейшей обработки. На последующем этапе лента накладывается на электрический компонент. Этот компонент далее обрабатывается, к примеру, путем дальнейшей пропитки и термообработки. Примерами являются обработка обогащением смолой и пропитка в вакууме под давлением. Если лента имеет связующее в В-стадии, необходим этап предварительного отверждения, чтобы предотвратить потерю частиц микроваристоров в ходе дальнейшей пропитки электрического компонента.
Изобретение относится также к электрическому компоненту или прибору, в частности к средне- или высоковольтному компоненту или прибору, такому как устройство для электрической изоляции, устройству от электрического перенапряжения или прибору для управления электрическим полем, который содержит нелинейную электрическую ленту, в частности ленту управления полем, как раскрыто выше. Примерами таких электрических компонентов являются проводящая шина, к примеру шина двигателя или шина генератора, либо кабельное окончание, изоляция двигателя, изоляция трансформатора, опорный изолятор, ввод или средство управления полем. Примерами таких электрических приборов являются средне- или высоковольтные устройства, к примеру прерыватель, размыкатель цепи, трансформатор, конденсатор, индуктор, измерительный трансформатор, кабель или электрическая машина.
Такой компонент или прибор согласно изобретению содержит нелинейную ленту для управления полем, которая содержит подложку, пропитанную связующим, содержащим частицы неорганического наполнителя, который содержит микроваристорные частицы из легированной окиси цинка (ZnO).
В предпочтительном варианте осуществления лента является гибкой лентой с, по меньшей мере, одной поверхностью, являющейся самоклеящейся, для наложения ленты в области напряжения поля электрического компонента или прибора и выполняет там нелинейное управление электрическим полем посредством своих внедренных микроваристорных частиц из легированной ZnO; и(или) микроваристорные частицы из легированной ZnO являются полыми частицами, имеющими распределение по размеру частиц с максимальными размерами меньше чем 70 мкм, предпочтительно меньше чем 50 мкм, более предпочтительно меньше чем 30 мкм.