НАРУЖНОЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С УЛУЧШЕННОЙ СИСТЕМОЙ ПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
EXTERNAL ELECTRIC DEVICE WITH IMPROVED POLYMERIC INSULATION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрическому устройству и более конкретно к наружному электротехническому устройству, имеющему конструкцию сухого типа с твердым изоляционным материалом.
Уровень техники
Наружное электротехническое устройство (такое как трансформатор), имеющее конструкцию сухого типа, содержит, по меньшей мере, один электротехнический компонент (такой как узел катушки с сердечником), герметизированный твердым изоляционным материалом, с целью изоляции и уплотнения электротехнического компонента от окружающей среды. Традиционно электротехнический компонент герметизируется в моноблочной отливке смолы, то есть рецептура разрабатывается для того, чтобы соответствовать всем электротехническим, химическим и термическим требованиям к изоляции электротехнического устройства в ходе эксплуатации. Кроме того, рецептура моноблочной отливки смолы разрабатывается для того, чтобы выдерживать жесткие условия окружающей среды с целью сохранения изоляционных свойств смолы и поддержания эстетического внешнего вида. Типичной смолой для моноблочной отливки является эпоксидная смола. Пример специально разработанной рецептуры эпоксидной смолы для использования в качестве смолы моноблочной отливки раскрыт в патенте США №5939472 (авторы Ito и др.), который включен в настоящее описание в качестве ссылки.
Поскольку требуется, чтобы моноблочная отливка смолы соответствовала многочисленным требованиям, производство моноблочной отливки обычно является дорогостоящим. Кроме того, смола для моноблочной отливки не обеспечивает наиболее оптимальной суммы характеристик. В прошлом в конструкции некоторых электротехнических устройств использовались многочисленные смолы. Примером электротехнического устройства с использованием многочисленных смол является встроенный вакуумный прерыватель, имеющий датчик тока, который производится на фирме ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH of Ratingen, в Германии. Для этого встроенного вакуумного прерывателя разработана система изоляции, обладающая пониженным частичным разрядом и имеющая внутренний слой, состоящий из жесткой эпоксидной смолы на основе бисфенола А, и внешний слой, состоящий из жесткой циклоалифатической эпоксидной смолы. Другой пример электротехнического устройства с использованием многочисленных смол раскрыт в патенте США №5656984 (выдан Paradis и др.). В патенте Paradis и др. описан трансформатор, в котором имеется листовой материал из силиконовой пенистой резины (герметичные ячейки), обернутый вокруг металлического сердечника. Обернутый сердечник и обмотка герметизированы в корпусе, состоящем из жесткой эпоксидной смолы Araldite CW229. Листовой материал из пенистой резины обеспечивает защиту сердечника, когда эпоксидная смола отверждается и дает усадку. Вокруг корпуса из эпоксидной смолы расположен наружный кожух, состоящий из стекловолокна.
Исходя из вышеизложенного, существует потребность в системе изоляции для электротехнического устройства, в котором система изоляции обладает улучшенными изоляционными свойствами и износостойкостью, и производство которой является рентабельным. Настоящее изобретение относится к электротехническому устройству, имеющему такую систему изоляции, и к способу получения такого устройства.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением разработано электротехническое устройство и способ его формования. Это электротехническое устройство содержит электротехнический элемент, герметизированный в пластмассовом корпусе. Этот корпус имеет внутренний слой и внешний слой. Толщина внутреннего слоя больше, чем толщина внешнего слоя, причем внутренний слой является более гибким, чем внешний слой. Внутренний слой содержит отвержденную композицию первой смолы, имеющей относительное удлинение при разрыве больше чем 5%, и внешний слой содержит отвержденную композицию второй смолы, имеющей относительное удлинение при разрыве меньше чем 5%.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - разрез трансформатора согласно настоящему изобретению, схематично;
фиг.2 - внутренний слой трансформатора, который формуется в пресс-форме, схематично.
Осуществление изобретения
Следует учесть, что в следующем ниже подробном описании идентичные компоненты имеют одинаковые номера ссылочных позиций независимо от того, что они показаны в различных вариантах выполнения настоящего изобретения. Кроме того, для ясного и краткого раскрытия настоящего изобретения необязательно, чтобы чертежи были выполнены в масштабе, причем некоторые признаки изобретения могут быть показаны до некоторой степени в схематичном виде.
На фиг.1 показан разрез электротехнического устройства 10 согласно настоящему изобретению. Это электротехническое устройство 10 выполнено в виде приборного трансформатора, предназначенного для внешнего применения. Более конкретно, электротехническое устройство представляет собой трансформатор тока. Приборные трансформаторы применяются для измерений и с целью защиты вместе с оборудованием, таким как измерители и реле. Приборный трансформатор "понижает" ток или напряжение в системе до заданного значения, что может быть использовано в объединенном оборудовании. Например, приборный трансформатор тока в диапазоне 10-2500 Ампер до тока в диапазоне от 1 до 5 Ампер, тогда как приборный трансформатор напряжения может понижать напряжение в диапазоне 12000-40000 Вольт до напряжения в диапазоне от 100 до 120 Вольт.
Обычно электротехническое устройство 10 содержит сердечник 12, первичную или высоковольтную обмотку 14, вторичную или низковольтную обмотку 16 и корпус 18, сформованный из нескольких смол, как более подробно будет описано ниже. Сердечник 12, высоковольтную обмотку 14 и низковольтную обмотку 16 заливают смолами с целью герметизации внутри корпуса 18.
Сердечник 12 имеет расширенное центральное отверстие и выполнен из ферромагнитного материала, такого как железо или сталь. Этот сердечник 12 может иметь прямоугольную форму (как показано), или тороидальную, или кольцевую форму. Сердечник 12 может быть сформирован из листовой стали (такой как кремниевая сталь с ориентированным зернением), которая намотана на оправку внутри обмотки. В качестве альтернативы сердечник 12 может состоять из пакета или пакетов прямоугольных пластин. Низковольтная обмотка 16 содержит длинную проволоку, такую как медная проволока, намотанную на сердечник 12 с образованием множества витков, которые расположены вокруг периферии сердечника 12. Концевые участки низковольтной обмотки 16 закрепляются на низковольтных выводах трансформатора (или образуют низковольтные выводы трансформатора), которые соединяются с контактной колодкой, смонтированной на наружной стороне корпуса 18. Высоковольтная обмотка 14 соединяется с высоковольтными выводами трансформатора (не показано). Комбинация сердечника 12 и низковольтной обмотки 16 в последующем называется блоком катушки с сердечником 20. Высоковольтная обмотка 14 может иметь прямоугольную, тороидальную или кольцевую форму и взаимосвязана с блоком катушки с сердечником 20. Высоковольтная обмотка выполнена из проводящего металла, такого как медь.
Корпус 18 содержит внутренний слой 24 или оболочку и внешний слой 26 или оболочку. Внешний слой 26 расположен поверх внутреннего слоя 24, причем оба слоя имеют одинаковое протяжение. В любой заданной точке корпуса 18 толщина внутреннего слоя 24 больше, чем толщина внешнего слоя 26. Более конкретно, внутренний слой 24 имеет толщину, которая, по меньшей мере на 25%, предпочтительно, по меньшей мере, на 50%, более предпочтительно, по меньшей мере, на 100% больше, чем толщина внешнего слоя 26. В одном варианте выполнения настоящего изобретения внутренний слой 24 имеет толщину, которая приблизительно на 300% больше, чем толщина внешнего слоя 26. Внутренний слой 24 является более гибким (мягче), чем внешний слой 26, причем внутренний слой 24 состоит из гибкой композиции первой смолы 30 (показана на фиг.2), тогда как внешний слой 26 состоит из жесткой композиции второй смолы. Композиция первой смолы 30 (при полном отверждении) является гибкой, имеет относительное удлинение при разрыве (измерено по стандарту ASTM D638) больше чем 5%, предпочтительно больше чем 10%, более предпочтительно больше чем 20%, наиболее предпочтительно в диапазоне приблизительно от 20% до 100%. Композиция второй смолы (при полном отверждении) является жесткой, имеет относительное удлинение при разрыве (измерено по стандарту ASTM D638) меньше чем 5%, конкретно, в диапазоне приблизительно от 1% до 5%.
Композиция первой смолы 30 внутреннего слоя 24 может быть гибкой эпоксидной композицией, гибкой ароматической полиуретановой композицией, бутилкаучуком или термопластичным каучуком.
Подходящая гибкая эпоксидная композиция, которая может быть использована для композиции первой смолы 30 внутреннего слоя 24, может быть составлена из эпоксидной смолы, одного или нескольких пластификаторов и одного или нескольких отвердителей (или сшивающих агентов).
Эпоксидная смола содержит полиядерный дигидроксифенол (бисфенол) и галоидгидрин. Бисфенолы, которые могут быть использованы, включают бисфенол А, бисфенол F, бисфенол S и 4,4'-дигидроксибисфенол. Установлено, что бисфенол А является особенно предпочтительным. Галоидгидрины содержат эпихлоргидрин, дихлоргидрин и 1,2-дихлор-3-гидроксипропан. Установлено, что эпихлоргидрин является особенно предпочтительным. Обычно эпихлоргидрин, взятый в избытке (по молярным эквивалентам), взаимодействует с бисфенолом А таким образом, что до двух молей эпихлоргидрина реагируют с бисфенолом А.
2
4
Пластификатор может взаимодействовать с эпоксидной смолой и становится частью сшитой структуры. Такие реакционноспособные пластификаторы могут быть простыми диглицидиловыми эфирами полиалкиленоксида или гликоля, которые могут быть получены из продукта реакции эпихлоргидрина и полиалкиленгликоля, такие как аддукты этилен- и пропиленоксида с полиолами C-C. Промышленно доступные реакционно-способные пластификаторы, которые могут быть использованы, включают D.E.R. 732, который поставляет фирма Dow Chemical Company of Midland, Michigan и который представляет собой продукт взаимодействия эпихлоргидрина с полипропиленгликолем.
Отвердитель может быть алифатическим полиамином или его аддуктом, ароматическим полиамином, ангидридом кислоты, полиамидом, фенольной смолой или отвердителем каталитического типа. Подходящие алифатические полиамины включают в себя диэтилентриамин (DETA), триэтилентетрамин (ТЕТА) и тетраэтиленпентамин (ТЕРА). Подходящие ароматические полиамины содержат мета-фенилендиамин, диаминодифенилсульфон и диэтилтолуолдиамин. Подходящие ангидриды кислот содержат додеценилянтарный ангидрид, гекеагидрофталевый ангидрид, метилгексагидрофталевый ангидрид, тримеллитовый ангидрид, фталевый ангидрид, тетрагидрофталевый ангидрид, метилтетрагидрофталевый ангидрид и ангидрид метилнадиковой кислоты.
Подходящая гибкая ароматическая полиуретановая композиция, которая может быть использована для композиции первой смолы 30 внутреннего слоя 24, образуется из полиола, полиизоцианата, удлинителя цепи и необязательно катализатора. Полиол представляет собой гидроксилсодержащую молекулу с небольшой молекулярной массой (400-10000) с двумя или более гидроксильными группами в цепи. Этот полиол может быть полиолом сложного полиэфира, поликапролактонным полиолом или полиолом простого полиэфира. Примеры полиолов сложного полиэфира содержат поли(этиленадипинат) и поли(1,4-бутиленадипинат). Примеры полиолов простого полиэфира включают в себя полиолы простого полипропиленового эфира и гликоли простого политетраметиленового эфира (PTMEG). Полиизоцианат может представлять собой 2,4- или 2,6-изомертолуолдиизоцианата (TDI), 4,4'-метилендифенилдиизоцианат (MDI), 1,5-нафталиндиизоцианат (NDI), толуидиндиизоцианат (TODI) или парафенилендиизоцианат (PPDI) или их комбинации. Удлинитель цепи может быть амином и/или полиолом с короткой цепочкой. Амин может быть бис(2-хлоранилин)метиленом (МСВА) или моно-треталкилтолуолдиамином, таким как моно-третбутилтолуолдиамин. Подходящие полиолы с короткой цепочкой содержат этиленгликоль, пропиленгликоль, бутандиол и глицерин. Катализатор может быть использован для ускорения реакции полиола, полиизоцианата и удлинителя цепи. Катализатор может быть металлоорганическим соединением или третичным амином, таким как триэтиламин.
Гибкая ароматическая полиуретановая композиция может быть получена в одностадийном способе или в двухстадийном процессе преполимеризации. Одностадийный способ протекает как однократный процесс, в котором полиол, полиизоцианат, удлинитель цепи и любой катализатор смешиваются вместе в распределяющей форсунке и сразу же впрыскиваются в пресс-форму. В двухстадийном процессе преполимеризации имеется первая стадия, на которой избыточное количество полиизоцианата взаимодействует с полиолом, образуя предшественник или преполимер с изоцианатной концевой группой. Типичный преполимер имеет содержание изоцианата (NCO) приблизительно от 0,5 до 30% по массе. На второй стадии преполимер реагирует с удлинителем цепи и любым катализатором. Кроме того, на этой второй стадии может быть использовано дополнительное количество полиизоцианата. Затем смесь со второй стадии вводят в пресс-форму и дают время для отверждения.
3
2
В одном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения гибкая ароматическая полиуретановая композиция содержит полиуретановую систему, обозначенную как NB2858-91, которая производится на фирме Loctite Corporation. NB2858-91 представляет собой 100% твердую, двухкомпонентную полиуретановую систему. После отверждения NB2858-91 имеет (при 23°С) плотность в отвержденном виде, равную 1,62 г/см, начальную твердость по Шору D 70-75 и, спустя 10 секунд, твердость по Шору D равна 55-60, относительное удлинение 90%, удельная теплопроводность 18,1 (кал·см)/(с·см·°С) и диэлектрическая прочность (при толщине 20 мил (0,5 см), 1200 Вольт/мил.
Термопластичный каучук, который может быть использован для композиции первой смолы 30 внутреннего слоя 24, может представлять собой этилен-пропиленовый сополимерный эластомер или эластомер тройного полимера, который смешивается с полиэтиленом или полипропиленом. Другим подходящим термопластичным каучуком может быть блочный сополимер, имеющий блоки полистирола и блоки полибутадиена или полиизопрена.
Композиция второй смолы во внешнем слое 26 представляет собой циклоалифатическую эпоксидную композицию, которая содержит циклоалифатическую эпоксидную смолу, отвердитель, ускоритель, необязательно наполнитель, такой как силанизированный кварцевый порошок, порошок плавленого кварца или силанизированный порошок плавленого кварца.
Циклоалифатическая эпоксидная смола может представлять собой полиглицидиловый простой эфир или поли(β-метилглицидиловый) простой эфир, полученный путем взаимодействия эпихлоргидрина или β-метилэпихлоргидрина с соединением, содержащим две или более свободных спиртовых и/или фенольных гидроксильных групп в молекуле. Примеры подходящих циклоалифатических эпоксидных смол включают в себя: бис(4-гидроксициклогексил)метандиглицидиловый простой эфир, 2,2-бис(4-гидроксициклогексил)пропандиглицидиловый простой эфир, диглицидиловый эфир тетрагидрофталевой кислоты, диглицидиловый эфир 4-метилтетрагидрофталевой кислоты, диглицидиловый эфир 4-метилгексагидрофталевой кислоты, диглицидиловый эфир гексагидрофталевой кислоты и 3,4-эпоксициклогексилметил-3',4'-эпоксициклогексанкарбоксилат, который является промышленно доступным на фирме The Dow Chemical Company, торговый знак ERL-4221.
Отвердитель может быть ангидридом, таким как линейный алифатический полимерный ангидрид или циклический ангидрид карбоновой кислоты. Подходящие циклические ангидриды карбоновых кислот включают в себя: янтарный ангидрид, цитраконовый ангидрид, итаконовый ангидрид, малеиновый ангидрид, трикарбаллиловый ангидрид, метилтетрагидрофталевый ангидрид, тетрагидрофталевый ангидрид, гексагидрофталевый ангидрид и метилгексагидрофталевый ангидрид.
Ускоритель может быть амином, кислотным катализатором (таким как октоат олова (II)), имидазолом, или гидроксидом, или галогенидом четвертичного аммония. Особенно подходящими ускорителями являются третичные амины, такие как: N,N-диметилбензиламин, триэтиламин, N,N-диметиланилин, N-метилморфолин, N-этилморфолин, имидазол тетрахлорметилэтиленамин, тетраметилгуанидин, триизопропиламин, пиридин, пиперазин, триэтиламин, трибутиламин, диметилбензиламин, трифениламин, трициклогексиламин, хинолин, триэтиламин, трифениламин, три(2,3-диметилциклогексил)амин, бензилдиметиламин, 1,3-тетраметилбутандиамин, трис(диметиламинометил)фенол и триэтилендиамин.
С целью улучшения устойчивости внешнего слоя 26 против атмосферных воздействий, циклоалифатическая эпоксидная композиция дополнительно может содержать один или несколько полисилоксанов с гидроксильной концевой группой, циклический полисилоксан и неионогенный, фторалифатический поверхностно-активный реагент, такой, что описан в патенте США №6764616 (выдан Beisele и др.), который включен в настоящее описание в качестве ссылки.
В одном конкретном варианте выполнения настоящего изобретения циклоалифатическая эпоксидная композиция содержит компоненты, которые промышленно доступны на фирме Huntsman Corporation of The Woodlands, Texas, a именно, смола ARALDITECY 5622, отвердитель ARADURHY 1235 и ускоритель DY 062. Смола ARALDITECY 5622 представляет собой сложный диглицидиловый эфир, ARADURHY 1235 является ангидридом и DY 062 означает третичный амин.
Корпус 18 формируется поверх узла катушки с сердечником 20 с использованием первого и второго процесса заливки. В первом процессе заливки внутренний слой 24 образуется из композиции первой смолы 30 в пресс-форме. Сначала компоненты композиции первой смолы 30 подогревают приблизительно до температуры 40-60°С и смешивают вместе вручную или мешалкой, чтобы получить однородную смесь, которую затем распределяют внутри пресс-формы. Если композиция первой смолы 30 является гибкой эпоксидной композицией, то первый процесс заливки может быть автоматизированным процессом гелеобразования под давлением (APG) или процессом вакуумной заливки. Если композиция первой смолы 30 представляет собой гибкую ароматическую полиуретановую композицию, то первый процесс заливки может быть процессом заливки в открытой системе или процессом вакуумной заливки, каждый из которых проводится при температуре приблизительно от 40 до 85°С.
На фиг.2 показана система APG, которая может быть использована для формирования внутреннего слоя 24. Композицию первой смолы 30 (в жидкой или полужидкой форме) дегазируют под вакуумом в емкости 34, в которой поддерживают температуру приблизительно от 40 до 60°С. Узел катушки с сердечником 20 и высоковольтную обмотку 14 размещают в полости 36 пресс-формы 40, которую нагревают до температуры приблизительно от 120 до 160°С. Высоковольтный и низковольтный выводы трансформатора вытягиваются из полости 36 таким образом, чтобы они выступали из корпуса 18 после процесса заливки. Затем дегазированную и подогретую композицию первой смолы 30 вводят под небольшим давлением в полость 36, содержащую узел катушки с сердечником 20 и высоковольтную обмотку 14. Внутри полости 36 композиция первой смолы 30 начинает быстро превращаться в гель. Однако композиция первой смолы 30 в полости 36 остается в контакте с композицией первой смолы 30 под давлением, которая вводится из емкости 34. Таким образом, компенсируется усадка желатинизированной композиции первой смолы 30 в полости 36 за счет последующего добавления дегазированной и подогретой композиции первой смолы 30, поступающей в полость 36 под давлением.
В процессе заливки в открытой системе композицию первой смолы 30 просто выливают в открытую пресс-форму, содержащую узел катушки с сердечником 20 и высоковольтную обмотку 14. Пресс-форму подогревают до температуры приблизительно от 40 до 85°С (для гибкой ароматической полиуретановой композиции).
При вакуумной заливке узел катушки с сердечником 20 и высоковольтную обмотку 14 размещают в пресс-форме, заключенной в вакуумной камере или корпусе. Компоненты композиции первой смолы 30 смешивают вместе в вакууме и вводят в пресс-форму в вакуумной камере, которая также находится под вакуумом. Пресс-форму нагревают до температуры приблизительно от 40 до 85°С для гибкой ароматической полиуретановой композиции, или приблизительно от 80 до 100°С для гибкой эпоксидной композиции. После того как смола распределяется внутри пресс-формы, давление в вакуумной камере повышают до атмосферного давления.
После отверждения композиции первой смолы 30 (внутренний слой 24) в течение времени, необходимого для образования твердого состояния, внутренний слой 24 с узлом катушки с сердечником 20 и содержащаяся в нем высоковольтная обмотка 14 удаляются из пресс-формы. Затем внутреннему слою 24 этого промежуточного продукта дают время для полного отверждения. После отверждения внутреннего слоя 24 промежуточного продукта внутренний слой 24 подвергают пескоструйной обработке или придают шероховатость иным образом для того, чтобы облегчить адгезию композиции второй смолы во втором процессе заливки.
Второй процесс заливки представляет собой процесс APG (такой, который может быть осуществлен с использованием системы APG 32) или процесс вакуумной заливки. Во втором процессе заливки промежуточный продукт, содержащий узел катушки с сердечником 20 и высоковольтную обмотку 14, помещают во вторую пресс-форму. Затем композицию второй смолы вводят во вторую пресс-форму, которую нагревают до температуры приблизительно от 130 до 150°С для процесса APG или приблизительно от 80 до 100°С для процесса вакуумной заливки. После отверждения композиции второй смолы (внешний слой 26) в течение времени, необходимого для образования твердого состояния, корпус 18 с узлом катушки с сердечником 20 и содержащаяся в нем высоковольтная обмотка 14 удаляются из второй пресс-формы. Затем внешнему слою 26 дают полностью затвердеть.
Вместо формирования корпуса 18 указанным выше образом, корпус 18 может быть получен путем первоначального формования внешнего слоя 26 с последующим использованием внешнего слоя 26 в качестве пресс-формы для прессования внутреннего слоя 24 поверх узла катушки с сердечником 20 и высоковольтной обмотки 14. Более конкретно, композицию второй смолы прессуют с образованием двух частей внешнего слоя 26 и полностью не отверждают, то есть композиция второй смолы остается реакционно-способной. Затем узел катушки с сердечником 20 и высоковольтную обмотку 14 помещают внутрь реакционно-способного внешнего слоя 26, и после этого композицию первой смолы 30 вводят внутрь реакционно-способного внешнего слоя 26. Этот реакционно-способный внешний слой 26 нагревают до температуры отверждения композиции первой смолы 30, которая приблизительно равна 40-85°С, если композиция первой смолы 30 представляет собой гибкую ароматическую полиуретановую композицию. Кроме того, такая повышенная температура отверждения дополнительно способствует отверждению композиции второй смолы и образованию химической связи между первой и второй композицией смолы.
Следует учесть, что описанные выше предпочтительные варианты выполнения представлены лишь с целью иллюстрации, но не исчерпывают настоящее изобретение. Средний специалист в этой области техники сможет осуществить определенные добавления, исключения и/или модификации вариантов выполнения раскрытого предмета изобретения, без отклонения от замысла или объема изобретения, как это определено в прилагаемой формуле изобретения.