ИЗОЛЯЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИИ В ВЫСОКОВОЛЬТНОМ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2017 года по МПК B32B5/16 B32B5/26 B32B23/02 B32B23/04 B32B23/10 H01B13/08 H01B3/52 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к изоляционному элементу для электроизоляции электротехнического компонента в высоковольтном диапазоне, к трансформатору с таким изоляционным элементом, к способу изготовления такого изоляционного элемента, а также к применению изоляционного элемента для электроизоляции электротехнического компонента.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Изоляционные элементы в течение некоторого времени изготавливали из целлюлозосодержащих природных волокон, далее называемых «технической целлюлозой», и применяли для электроизоляции электротехнических конструктивных элементов. Эти целлюлозосодержащие природные волокна могут включать, например, бумагу, хлопчатобумажную ткань, хлопчатобумажную ленту, прессованную вату или древесину. В частности, целлюлозосодержащие изоляционные элементы, состоящие из технической целлюлозы, часто используются в трансформаторах, так как целлюлоза обладает превосходными диэлектрическими свойствами и достаточной электрической прочностью; к тому же, являясь возобновляемым растительным сырьем, она легкодоступна и, соответственно, дешева. Кроме того, изоляционные элементы, изготовленные из технической целлюлозы, обычно хорошо пропитываются трансформаторным маслом, используемым, в частности, в корпусах масляных трансформаторов для изоляции обмоток и для охлаждения.

Примером такого изоляционного элемента из технической целлюлозы является известный с давних пор трансформаторный картон «Transformerboard TIV», продаваемый компанией Weidman. Изоляционная система для применения в герметичных трансформаторах, основанная на использовании целлюлозы, а также электроизоляционной и охлаждающей жидкости, раскрыта в документе DE 199 11 579. В документе СН 579 812 также описаны изоляционные материалы из целлюлозы для применения в электронной промышленности.

К числу желательных свойств изоляционного элемента для высоковольтного диапазона, помимо низкой диэлектрической проницаемости и малой стоимости изготовления, относятся высокая термостойкость, предпочтительно до 120°С, достаточная пористость для маслопоглощения, малое набухание в трансформаторном масле, малое тепловое расширение, высокая механическая устойчивость и, в особенности, стойкость к частичным разрядам и электрическая прочность. Эти свойства изоляционного элемента, по возможности, не должны зависеть от времени его эксплуатации.

Для того чтобы создать на основе технической целлюлозы изоляционные элементы, они, начиная с определенной толщины, обычно изготавливаются многослойными. Для этого, согласно уровню техники, обычно два слоя трансформаторного картона одновременно соединяют друг с другом казеиновым клеем, или полиэфирной смолой, или эпоксидной смолой, или клеем на основе фенольной смолы.

Изоляция, состоящая из многослойной бумажной ленты, раскрыта, например, в документе DE 24 43 398. В документе DE 30 00 418 раскрыто изготовление изоляционного элемента, в котором для одновременного соединения двух слоев целлюлозы используют эпоксидную смолу. Другие многослойные изоляционные элементы на основе целлюлозы раскрыты в документах WO 2012/003166 и ЕР 1 150 313.

Недостатком таких многослойных изоляционных элементов, соответствующих уровню техники, является то, что материалы, служащие для соединения слоев, например, казеиновый клей или полиэфирная смола, не пропитываются или слабо пропитываются трансформаторным маслом и, кроме того, образуют барьер для проникновения масла. Поэтому в изоляционных элементах такого рода часто предусматривают скважины для пропитки и сушки, что представляет сложность и приводит к высокой степени износа сверл. Кроме того, барьерный эффект клея удлиняет время пропитки изоляционного элемента трансформаторным маслом, что затягивает и, тем самым, удорожает изготовление всего трансформатора. Это, в частности, относится и к ремонтам трансформатора, связанным со сливом масла. Кроме того, казеиновый клей и полиэфирная смола могут включать микропузырьки и полости, которые могут приводить к нежелательным частичным разрядам в изоляционном элементе. К тому же использование разнородных материалов ведет, вследствие необходимости их разделения, к трудоемкой и дорогой утилизации таких изоляционных элементов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, одна из задач настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить простой в изготовлении многослойный изоляционный элемент с хорошими электроизоляционными свойствами, который, по возможности, равномерно и быстро может быть пропитан текучим и электроизоляционным, особенно в высоковольтном диапазоне, материалом, таким, в частности, как трансформаторное масло. Кроме того, изоляционный элемент должен легко утилизироваться. Решение этой задачи достигается предложением изоляционного элемента по п. 1 формулы настоящего изобретения. Кроме того, в п. 14 предлагается трансформатор с таким изоляционным элементом, а в п. 15 - способ изготовления такого изоляционного элемента. В п. 18 предлагается, кроме того, применение такого изоляционного элемента для электроизоляции электротехнического компонента. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Таким образом, в настоящем изобретении предлагается изоляционный элемент, в частности, плоский изоляционный элемент для электроизоляции электротехнического компонента в высоковольтном диапазоне, включающий: первый слой, содержащий целлюлозу, второй слой, содержащий целлюлозу, и

расположенный между первым и вторым слоями промежуточный слой, содержащий микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу.

В настоящем изобретении предлагается также применение изоляционного элемента для электроизоляции электротехнического компонента, причем изоляционный элемент включает: первый слой, содержащий целлюлозу, второй слой, содержащий целлюлозу, а также

расположенный между первым и вторым слоями промежуточный слой, содержащий микроразмерную целлюлозу и/или наноразмерную целлюлозу.

Путем использования в качестве промежуточного слоя микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы можно, в частности, добиться соединения первого и второго слоев, проницаемого для трансформаторного масла при пропитке изоляционного элемента. Наноразмерную целлюлозу можно, в частности, обозначать и как «наноцеллюлозу». Благодаря пористости микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы, промежуточный слой может быть пропитан трансформаторным маслом так же, как первый и второй слои, поэтому может быть обеспечено быстрое и надежное проведение операций заполнения трансформатора или слива масла из трансформатора. Использование микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы позволяет, кроме того, изготавливать промежуточный слой из экологичного, универсального, общедоступного и дешевого сырья. В частности, в изготовленной таким образом промежуточном слое изоляционного элемента не обязательно предусматривать скважины для пропитки и/или сушки. Кроме того, промежуточный слой изоляционного элемента, содержащий микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу, как правило, демонстрирует очень высокую стойкость к частичным разрядам, что позволяет создавать конструкции трансформатора оптимальных размеров.

Этот изоляционный элемент предпочтительно используют для электроизоляции в высоковольтном диапазоне. Тем не менее, он может применяться и для изоляции в диапазоне более низких напряжений. К высоковольтному диапазону обычно относят переменные напряжения с действующим значением по меньшей мере 1000 вольт, а также постоянные напряжения величиной по меньшей мере 1500 вольт. Но предпочтительно изоляционный элемент выполняется так, чтобы он обеспечивал электроизоляцию при любых напряжениях даже до 100 кВ, и особенно предпочтительно, до 1200 кВ.

Микроразмерная или наноразмерная целлюлоза может изготавливаться из произвольного целлюлозосодержащего материала. К примеру, микроразмерная или наноразмерная целлюлоза может изготавливаться из древесины, сахарной свеклы, картофеля, конопли, льна, хлопка, пшеничной соломы, целлюлозы из водорослей или бактериальной целлюлозы. Однако обычно микроразмерную или наноразмерную целлюлозу изготавливают из древесины. Производство микроразмерной и наноразмерной целлюлозы известно специалистам в данной области техники. В микроразмерной и наноразмерной целлюлозе присутствуют отдельные микроволокна, которые частично или полностью отделены друг от друга. Предпочтительно, отдельные микроволокна, которые частично или полностью отделены друг от друга, составляют в микроразмерной или наноразмерной целлюлозе, в частности в микро/наноцеллюлозе, применяемой в качестве промежуточного слоя по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 70%, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 90%. Обычно большая часть отдельных микроволокон наноразмерной целлюлозы имеют диаметр в диапазоне от всего лишь 1 нм до 20 нм. Обычно большая часть отдельных микроволокон микроразмерной целлюлозы имеют диаметр в диапазоне от всего лишь 10 нм до 100 нм.

Например, для изготовления микроразмерной или наноразмерной целлюлозы подготавливают техническую целлюлозу на основе целлюлозосодержащего материала. Затем техническую целлюлозу подвергают, например, воздействию механического давления с предварительной или последующей химической или ферментативной обработкой. В другом варианте микроразмерную или наноразмерную целлюлозу изготавливают, подвергая целлюлозосодержащий материал кислотному гидролизу с последующей ультразвуковой обработкой. В еще одном варианте микроразмерную или наноразмерную целлюлозу получают бактериальным синтезом.

Длины отдельных микроволокон микроразмерной целлюлозы в своем большинстве распределены в широком диапазоне от 500 нм до 1000 мкм, и вследствие такого широкого распределения по длинам встречаются даже микроволокна длиной до 2000 мкм. Однако предпочтительно по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, и еще предпочтительнее, по существу 100% отдельных микроволокон микроцеллюлозы имеют длину в диапазоне от 500 нм до 1000 мкм. Однако предпочтительнее по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, и еще предпочтительнее, по существу 100% отдельных микроволокон микроразмерной целлюлозы имеют длину в диапазоне от 500 нм до 800 мкм. Однако еще более предпочтительно по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, и еще предпочтительнее, по существу 100% отдельных микроволокон микроразмерной целлюлозы имеют длину в диапазоне от 500 нм до 600 мкм. И еще более предпочтительно по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, и еще предпочтительнее, по существу 100% отдельных микроволокон микроразмерной целлюлозы имеют длину в диапазоне от 500 нм до 400 мкм. Однако наиболее предпочтительно по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, и еще предпочтительнее, по существу 100% отдельных микроволокон микроразмерной целлюлозы имеют длину в диапазоне от 500 нм до 200 мкм. При использовании микроразмерной целлюлозы с такими размерами отдельных микроволокон изоляционный элемент демонстрирует особенно оптимальные свойства в отношении пропитываемости промежуточного слоя маслом и в отношении внутренней связности промежуточного слоя, а также связности промежуточного слоя с первым и вторым слоями.

Длины отдельных микроволокон наноразмерной целлюлозы, как правило, распределены в широком диапазоне от 5 нм до 500 нм. Однако предпочтительно по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90% и еще предпочтительнее по существу 100% отдельных микроволокон наноразмерной целлюлозы имеют длину в диапазоне от 5 нм до 500 нм. При использовании наноразмерной целлюлозы с такими размерами отдельных микроволокон изоляционный элемент демонстрирует особенно оптимальные свойства в отношении пропитываемости промежуточного слоя маслом и в отношении внутренней связности промежуточного слоя, а также связности промежуточного слоя с первым и вторым слоями.

При использовании смеси микроразмерной целлюлозы и наноразмерной целлюлозы с вышеуказанными размерами отдельных микроволокон изоляционный элемент демонстрирует особенно оптимальные свойства в отношении пропитываемости промежуточного слоя маслом и внутренней связности промежуточного слоя, а также связности промежуточного слоя с первым и вторым слоями.

Преимущественно по меньшей мере 50%, предпочтительнее по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, и еще предпочтительнее, по существу 100% отдельных микроволокон микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы имеют длину в диапазоне от 50 нм до 80 мкм. Толщина большинства отдельных микроволокон обычно лежит в диапазоне от 15 нм до 25 нм, в частности, составляет около 20 нм. При использовании микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы с такими размерами отдельных микроволокон изоляционный элемент демонстрирует особенно оптимальные свойства в отношении пропитываемости промежуточного слоя маслом и внутренней связности промежуточного слоя, а также связности промежуточного слоя с первым и вторым слоями.

По существу для микроразмерной целлюлозы, как и для наноразмерной целлюлозы, справедливо следующее: чем меньше длина отдельных микроволокон, тем больше площадь поверхности отдельных микроволокон. Поэтому промежуточный слой из более коротких отдельных микроволокон вследствие их большей площади поверхности отдельных микроволокон может сильнее удерживать первый и второй слои, чем промежуточный слой из сравнительно более длинных отдельных микроволокон.

В одном особенно предпочтительном варианте осуществления промежуточный слой содержит наноразмерную целлюлозу. Наноразмерная целлюлоза, в сравнении с целлюлозой, например, микроразмерной целлюлозой, содержащей более длинные отдельные микроволокна, обладает большей площадью поверхности. Промежуточный слой, содержащий наноразмерную целлюлозу, может, вследствие ее большей площади поверхности, сравнительно сильнее удерживать первый и второй слои, чем целлюлоза, например, микроразмерная целлюлоза, содержащая более длинные отдельные микроволокна, чем наноразмерная целлюлоза.

Первый и второй слои могут, помимо целлюлозы, содержать и производные целлюлозы, например, метилцеллюлозу, ацетилцеллюлозу или нитроцеллюлозу. Кроме того, первый и второй слои также могут содержать микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу. Но, само собой разумеется, что в первом и втором слоях, равно как и в промежуточном слое, могут, кроме целлюлозы, в любом количестве содержаться и другие материалы. Так, например, в частности, первый и/или второй слой могут, кроме целлюлозы, содержать также полиолефины (в частности, полиэтилен), полисульфон, полиэфирную смолу, керамику, арамид, политетрафторэтилен, амилозу, амилопектин, крахмал, альгин, пектин, каррагенин, смолу плодоворожкового дерева, ксантан, гуаран, агар, фурцелларан, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) и/или экстракт тамаринда.

Изоляционный элемент может включать много дополнительных слоев, каждый из которых содержит целлюлозу и между каждой парой которых расположена промежуточный слой, содержащий микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу.

Содержащаяся в промежуточном слое микроразмерная и/или наноразмерная целлюлоза может служить различным целям. Она, например, может служить для поглощения материалов, например, смолы, вводимых при изготовлении изоляционного элемента между каждыми двумя целлюлозосодержащими слоями, чтобы, в частности, избежать образования слоя чистой смолы. Однако предпочтительно содержащаяся в промежуточном слое микроразмерная и/или наноразмерная целлюлоза служит для удержания вместе первого и второго слоев. \ При этом особенно предпочтительно, чтобы связность слоев базировалось преимущественно на водородных связях и/или ван-дер-ваальсовых силах, возникающих в области связывания между промежуточным слоем и первым и/или вторым слоем. Тем не менее, связность слоев может, в основном, основываться и на механической блокировке слоев друг с другом. Благодаря тому, что микроразмерная и/или наноразмерная целлюлоза служит для удержания вместе первого и второго слоев, появляется возможность изготовить многослойный изоляционный элемент без применения клея, например, казеинового клея или полиэфирной смолы. Само собой разумеется, что, помимо микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы, в промежуточном слое может, в принципе, содержаться и клей, в частности, казеиновый клей, или полиэфирная смола, или клей на основе эпоксидной смолы, или клей на основе фенольной смолы. Однако преимущественно промежуточный слой не содержит какого-либо клея.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения промежуточный слой содержит по меньшей мере 20 вес. % (весовых процентов) микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы, предпочтительно по меньшей мере 50 вес. % или даже по меньшей мере 60 вес. %, еще предпочтительнее по меньшей мере 70 вес. % или даже по меньшей мере 80 вес. %, и наиболее предпочтительно даже 100 вес. %, отнесенных к общему весу промежуточного слоя в сухом состоянии, то есть, исключая масло и воду. Большое содержание микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы в промежуточном слое, соответствующее вышеуказанным количествам, обеспечивает, в частности, хорошую пропитываемость промежуточного слоя трансформаторным маслом, а также хорошую внутреннюю связность промежуточного слоя и ее хорошую связность с первым и вторым слоями. Преимущественно промежуточный слой содержит менее 1% гемицеллюлозы и/или менее 1% лигнина, отнесенных к общему весу промежуточного слоя в сухом состоянии. Еще предпочтительнее промежуточный слой вообще не содержит ни гемицеллюлозы, ни лигнина.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения первый слой содержит по меньшей мере 50 вес. %, предпочтительно по меньшей мере 75 вес. %, и особенно предпочтительно по меньшей мере 90 вес. % целлюлозы, отнесенных к общему весу первого слоя в сухом состоянии. Кроме того, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения и второй слой содержит по меньшей мере 50 вес. %, предпочтительно по меньшей мере 75 вес. %, и особенно предпочтительно по меньшей мере 90 вес. % целлюлозы, отнесенных к общему весу второго слоя в сухом состоянии. Наиболее предпочтительно, чтобы и первый, и второй слои содержали исключительно чистую целлюлозу без примеси каких-либо других материалов.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения первый и/или второй слои изготавливают с использованием технической целлюлозы, или древесной массы, или макулатуры. Предпочтительно первый и/или второй слои содержат техническую целлюлозу, или древесную массу, или макулатуру. Получение технической целлюлозы и древесной массы из целлюлозосодержащих материалов известно специалистам в данной области техники. Если древесную массу получают из древесины, то техническую целлюлозу можно получить из любого произвольного целлюлозосодержащего материала. Предпочтительно техническую целлюлозу получают из древесины или однолетних растений, например, хлопка.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения первый слой содержит по меньшей мере 50 вес. %, предпочтительно по меньшей мере 75 вес. %, и особенно предпочтительно по меньшей мере даже 90 вес. % технической целлюлозы, отнесенных к общему весу первого слоя в сухом состоянии. В одном из вариантов осуществления и второй слой дополнительно содержит по меньшей мере 50 вес. %, предпочтительно по меньшей мере 75 вес. %, и особенно предпочтительно по меньшей мере даже 90 вес. % технической целлюлозы, отнесенных к общему весу второго слоя в сухом состоянии. Наиболее предпочтительно, чтобы и первый, и второй слои содержали 100 вес. % технической целлюлозы без примеси каких-либо других веществ.

Следовательно, перед пропиткой маслом первый слой, второй слой и промежуточный слой, преимущественно содержат исключительно техническую целлюлозу, наиболее преимущественно каждый содержит исключительно целлюлозу. Особенно преимущественно весь изоляционный элемент перед пропиткой маслом состоит по существу исключительно из целлюлозы, еще преимущественнее, исключительно из целлюлозы. Преимуществом выполненного таким образом изоляционного элемента является, в частности, очень простая утилизация элемента, поскольку перед его утилизацией не требуется разделения материалов. Кроме того, при однородной, по возможности, структуре изоляционного элемента его можно пространственно конструировать произвольным образом, так как в этом случае слоевую структуру изоляционного элемента относительно электрических силовых линий можно учитывать в меньшей степени или вообще не учитывать. В этом случае изоляционные свойства изоляционного элемента могут не зависеть, в частности, от того, под каким углом относительно слоев проходят силовые линии.

Предпочтительно первый слой и/или второй слой выполнены в виде прессованных пластин.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения первый слой, второй слой и промежуточный слой имеют общую среднюю плотность, равную по меньшей мере 0,8 г/см³ (грамм на куб. см), предпочтительнее по меньшей мере 1,0 г/см³, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 1,2 г/см³ или даже 1,3 г/см³. Однако обычно общая средняя плотность трех упомянутых слоев составляет не более 1,4 г/см³. При этом, в частности, плотность определяется в соответствии с международным стандартом IEC 60763-2-10, 2-е издание от 15 февраля 2007 года. При слишком малой плотности ухудшаются электрическая и механическая прочность изоляционного элемента, тогда как избыточно высокая плотность приводит к слишком малому объему пор и к соответственно плохой пропитываемости изоляционного элемента трансформаторным маслом. Кроме того, достаточно высокая плотность изоляционного элемента важна для возможности выполнения изоляционного элемента в виде самонесущего компонента.

Предпочтительно первый слой, второй слой и промежуточный слой в совокупности имеют средний объем пор от 5% до 40%, в частности от 10% до 20%, причем измерение объема пор производят по поглощению масла в соответствии с международным стандартом IEC 60763-2-13, 2-е издание от 15 февраля 2007 года. Такой объем пор обеспечивает хорошую пропитываемость и, в то же время, достаточную механическую устойчивость изоляционного элемента.

Как правило, материал и структура по меньшей мере трех слоев изоляционного элемента должны выбираться так, чтобы все три слоя могли быть пропитаны текучим электроизоляционным материалом, в частности материалом, обладающим электроизоляционными свойствами в высоковольтном диапазоне, что позволяет, по возможности, получить оптимальный, насколько это возможно, электроизоляционный эффект изоляционного элемента, в частности в высоковольтном диапазоне.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения толщина изоляционного элемента, измеренная перпендикулярно сквозь первый и второй слои, а также промежуточный слой, составляет по меньшей мере 1 мм, предпочтительнее по меньшей мере 6 мм и наиболее предпочтительно по меньшей мере 8 мм.

Промежуточный слой изоляционного элемента преимущественно имеет среднюю толщину слоя не более 2 мм, еще предпочтительнее, не более 1 мм и наиболее предпочтительно не более 400 мкм. Кроме того, эта средняя толщина слоя составляет не менее 50 мкм.

Первый слой и/или второй слой преимущественно имеют среднюю толщину слоя от 0,5 мм до 8 мм, в частности, от 3 мм до 6 мм.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения модуль упругости изоляционного элемента лежит в диапазоне от 5 до 9 ГПа, а прочность на изгиб - в диапазоне от 30 до 70 МПа (обе характеристики замеряются согласно международному стандарту IEC 60763-2-9, 2-е издание от 15 февраля 2007 года). При таких значениях возможно оптимальное применение изоляционного модуля, в частности, как самонесущего компонента.

Значение рН водного экстракта при измерении согласно международному стандарту IEC 60763-2-17, 2-е издание от 15 февраля 2007 года предпочтительно лежит в диапазоне от 5 до 10. Удельная проводимость водного экстракта при измерении всего изоляционного элемента согласно международному стандарту IEC 60763-2-16, 2-е издание от 15 февраля 2007 года предпочтительно составляет не более 15 мСм/м.

Упомянутый электротехнический компонент обычно представляет собой составную часть трансформатора. Однако он может представлять собой составную часть и другого электротехнического компонента, к примеру, компенсирующего реактора, конвертора напряжения или фазовращателя. Если он представляет собой составную часть трансформатора, последний может быть, в частности, сухим трансформатором (для постоянного или переменного тока) или трансформатором, заполненным текучим материалом, в частности, жидкостью, например, предпочтительно маслом (синтетические масла/ сложные эфиры/ минеральные масла/ натуральные масла для постоянного или переменного тока), при этом трансформатор может представлять собой, в частности, силовой трансформатор, распределительный трансформатор, сварочный трансформатор, клапанный или регулировочный трансформатор или автомобильный трансформатор.

Изоляционный элемент может представлять собой, например, прокладку, подпорку, стойку, блок, пластину, упорное кольцо, стержень, кольцо углового сечения, крышку, колпачок, секторный наконечник, фланцевую трубу, прижимную планку, складной мех, винт, гайку, резьбовую шпильку, отводящую линию, опорный блок, защитное кольцо или трубу. Упомянутые изоляционные элементы используются в трансформаторах.

Кроме того, предлагается способ изготовления изоляционного элемента, в частности, выполненного так, как раскрыто выше. Этот способ по меньшей мере включает шаг, на котором промежуточный слой помещают между первым слоем, содержащим целлюлозу и вторым слоем, содержащим целлюлозу. При этом используют промежуточный слой, содержащую микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу.

Микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу предпочтительно прерывисто наносят между первым и вторым слоями, используя воду и/или полярный растворитель, например, этанол, метанол и т.п. При этом первый и второй слои, каждый из которых может, в частности, представлять собой трансформаторный картон TIV, предпочтительно находятся, каждый, в сухом исходном состоянии. Промежуточный слой, как правило, не содержит ни гемицеллюлозы, ни лигнина. Предпочтительно промежуточный слой содержит менее 1% гемицеллюлозы и/или менее 1% лигнина, отнесенных к общему весу промежуточного слоя в сухом состоянии. Еще предпочтительнее промежуточный слой вообще не содержит ни гемицеллюлозы, ни лигнина.

Предпочтительно первый слой, промежуточный слой и второй слой спрессовываются друг с другом давлением сжатия от 10 Н/см² (Ньютон на квадратный сантиметр) до 600 Н/см², предпочтительнее от 10 Н/см² до 300 Н/см², еще предпочтительнее от 150 Н/см² до 250 Н/см². Это прессование проводят обычно при комнатной температуре и, как правило, без использования вакуума. Однако, как было обнаружено, особенно предпочтительно проводить прессование при температурах от 50°С до 120°С, в частности, при температуре около 90°С. Термическое прессование, т.е. прессование при температуре выше комнатной, в частности, при указанных температурах выше комнатной, улучшает размерную стабильность и/или прочность склеивания изоляционного элемента согласно настоящему изобретению. Прессование удаляет из изоляционного элемента воздух, слои изоляционного элемента входят во взаимный контакт и соединяются друг с другом.

После помещения промежуточного слоя между первым и вторым слоями предпочтительно проводят сушку первого слоя, второго слоя и промежуточного слоя. Эта сушка может, в частности, быть термической, обычно при температурах до 150°С, в частности до 120°С. При более высоких температурах может возникнуть, в зависимости от исполнения изоляционного элемента, угроза его повреждения. Но может использоваться и любой другой способ сушки, например, микроволновая сушка. Особенно предпочтительно проводить прессование и термическую сушку одновременно.

Эта последовательность вышеописанного термического прессования и последующей вышеописанной сушки обеспечивает то преимущество, что прочность на изгиб изоляционного элемента согласно настоящему изобретению может быть увеличена. Термическая сушка не обязательно должна следовать непосредственно за термическим прессованием, но может следовать и с некоторой временной задержкой.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения первый слой, промежуточный слой и второй слой термически спрессовываются друг с другом. Термическое прессование означает, что прессование проводят при температуре выше комнатной. Предпочтительно первый слой, промежуточный слой и второй слой термически спрессовывают друг с другом под давлением сжатия от 10 Н/см² до 600 Н/см², предпочтительнее от 10 Н/см² до 300 Н/см², еще предпочтительнее от 150 Н/см² до 250 Н/см². Термическое прессование предпочтительно проводят при температурах от 50°С до 120°С, предпочтительнее - около 90°С. Термическое прессование, в частности термическое прессование при указанных температурах повышает размерную стабильность и/или прочность склеивания изоляционного элемента согласно настоящему изобретению. Кроме того, термическое прессование позволяет исключить упомянутую предпочтительную сушку первого слоя, второго слоя и промежуточного слоя после помещения промежуточного слоя между первым и вторым слоями, если она необходима, что позволяет изготавливать изоляционный элемент согласно настоящему изобретению более экономично и с меньшими затратами энергии. Термическое прессование проводят, как правило, без использования вакуума. Но само собой разумеется, что термическое прессование можно проводить и с использованием вакуума.

В одном из дальнейших вариантов осуществления настоящего изобретения промежуточный слой расположен между первым слоем и вторым слоем, причем расположенная микроразмерная и/или наноразмерная целлюлоза имеет вес единицы поверхности 800 г/м² или менее, предпочтительно 20 г/м²-350 г/м², предпочтительнее 150 г/м²-300 г/м², еще предпочтительнее - около 240 г/м². При этом промежуточный слой предпочтительно состоит исключительно из микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы. Таким образом, можно повысить устойчивость изоляционного элемента согласно настоящему изобретению.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Ниже предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения раскрываются со ссылкой на чертежи, которые служат исключительно целям объяснения и не должны толковаться в ограничительном смысле. На чертежах в сильно схематизированном виде представлены:

на ФИГ. 1 - вид в аксонометрии многослойного изоляционного элемента, соответствующего уровню техники;

на ФИГ. 2 - вид в аксонометрии одного из вариантов осуществления многослойного изоляционного элемента согласно настоящему изобретению;

на ФИГ. 3 - сделанный с помощью оптического микроскопа снимок чистой микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы (ARBOCELL^®MF 40-10), и

на ФИГ. 4 - сделанный с помощью оптического микроскопа снимок обычной технической целлюлозы, смешанной с микроразмерной и/или наноразмерной

целлюлозой (ARBOCELL^®MF 40-10).

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На ФИГ. 1 представлен изоляционный элемент 1' для электроизоляции электротехнического компонента трансформатора, достаточно известный специалистам в данной области из уровня техники. Изоляционный элемент 1' имеет многослойную структуру, включающую первый слой 2, второй слой 3 и промежуточный слой 4, расположенный между первым слоем 2 и вторым слоем 3. Определенная последовательность слоев может повторяться в изоляционном элементе сколько угодно раз.

Первый слой 2 и второй слой 3, каждый, выполнены из древесностружечной плиты и состоят в данном случае исключительно из технической целлюлозы. В частности, эти слои 2 и 3 могут быть выполнены из трансформаторного картона «Transformerboard TIV», производимого в течение некоторого времени компанией Weidman. Структура этого материала и его изготовление, осуществляемое, помимо прочего, с помощью горячего прессования, известны специалистам.

Промежуточный слой 4, служащий для соединения первого слоя 2 и второго слоя 3, в данном примере осуществления изоляционного элемента, соответствующего уровню техники, содержит казеиновый клей или полиэфирную смолу. Поскольку при пропитке изоляционного элемента 1', как правило, и казеиновый клей, и сложный полиэфир непроницаемы для трансформаторного масла, в таких, соответствующих уровню техники, изоляционных элементах 1' обычно предусматривают скважины 6 для пропитки. Каждая из этих многочисленных скважин 6 для пропитки, которые равномерно распределены по всему изоляционному элементу 1', проходит перпендикулярно через первый слой 2, второй слой 3 и промежуточный слой 4. Благодаря наличию скважин 6 для пропитки в изоляционном элементе 1' может быть обеспечена достаточная пропитка изоляционного элемента 1' трансформаторным маслом. Однако сверловка скважин 6 для пропитки при изготовлении изоляционных элементов связана с высоким износом сверл. Кроме того, из-за необходимости проделывать скважины для пропитки изготовление изоляционного элемента 1' затягивается и поэтому обходится сравнительно дороже. К тому же недостатком является то, что казеиновый клей или полиэфирная смола могут включать микропузырьки и полости, которые могут приводить к нежелательным частичным разрядам в изоляционном элементе 1'. Кроме того, утилизация изоляционного элемента 1' связана с определенными затратами, так как при этом должны быть разделены разнородные материалы, т.е. материалы первого и второго слоев, соответственно, 2, 3, а также казеиновый клей или полиэфирная смола промежуточного слоя 4. Наконец, дефекты промежуточного слоя 4 могут отрицательно влиять на среднюю диэлектрическую прочность изоляционного элемента 1', что является существенным недостатком такого изоляционного элемента 1'. Изоляционный элемент 1', соответствующий уровню техники, обычно свободен от частичных разрядов максимум до 8 кВ/мм.

Пример осуществления согласно настоящему изобретению изоляционного элемента 1 для электроизоляции электротехнического компонента в высоковольтном диапазоне показан на ФИГ. 2. Представленный на ФИГ. 2 пример осуществления изоляционного элемента согласно настоящему изобретению отличается от показанного на ФИГ. 1 примера осуществления изоляционного элемента, соответствующего уровню техники, только тем, что изоляционный элемент 1 содержит промежуточный слой 5, образованный иначе, чем в изоляционном элементе 1'. Кроме того, в показанном на ФИГ. 2 изоляционном элементе 1 нет скважин 6 для пропитки. Идентичные или аналогично выполненные элементы на ФИГ. 1 и 2 обозначены одними и теми же номерами позиций.

Как показанный на ФИГ. 1 вариант осуществления изоляционного элемента 1', соответствующего уровню техники, так и показанный на ФИГ. 2 изоляционный элемент 1 согласно настоящему изобретению представляют собой, в частности, составную часть маслонаполненного трансформатора. Оба изоляционных элемента 1, 1' в представленных вариантах осуществления выполнены в виде плоских элементов.

Промежуточный слой 5 в показанном на ФИГ. 2 изоляционном элементе 1 изготовлен из микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы. Для этого в представленном примере осуществления использован продукт ARBOCELL^® MF 40-10 компании J. Rettenmaier & Söhne GmbH + Co. KG, 73494 Розенберг, Германия, с весовой долей твердого вещества 15%. При изготовлении изоляционного элемента 1 микроразмерную и/или наноразмерную целлюлоза вначале наносили на поверхность первого слоя 2. Затем на микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу накладывали второй слой 3. Далее первый слой 2, микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу и второй слой 3 спрессовывали друг с другом под давлением сжатия 200 Н/см². После этого - или одновременно - проводили термическую сушку изоляционного элемента 1 при температуре в диапазоне от 100°С до 150°С.

Изоляционный элемент 1 имеет среднюю плотность от 1,2 г/см³ до 1,3 г/см³ (замеренную по стандарту IEC 60763-2-10, 2-е издание от 15 февраля 2007 года), а также объем пор от 10% до 20%. Таким образом, маслопоглощение, отнесенное к сухой массе изоляционного элемента 1, составляет от 10 до 20 вес. % (при замере по стандарту IEC 60763-2-13, 2-е издание от 15 февраля 2007 года). Модуль упругости изоляционного элемента 1 лежит в диапазоне от 5 до 9 ГПа, в частности, составляет приблизительно 7 ГПа (замер по стандарту IEC 60763-2-9, 2-е издание от 15 февраля 2007 года). Результирующая прочность на изгиб изоляционного элемента 1 в представленном примере осуществления лежит в диапазоне от 30 до 70 МПа, при замере по стандарту IEC 60763-2-9, 2-е издание от 15 февраля 2007 года. Кроме того, изоляционный элемент 1 обладает термической устойчивостью до примерно 120°С, которая была замерена по следующим стандартам: IEC 60216-1, 5-е издание 2001 года от 1 июля 2001; IEC 60216-2, 4-е издание 2005 года от 11 августа 2005; IEC 60216-3, 2-е издание 2006 года с учетом COR 1 2009 от 18 декабря 2009 к IEC 60216-3, 2-е издание 2006 года; IEC 60216-4-1, 4-е издание 2006 года от 19 января 2006; IEC 60216-4-2, 1-е издание 2000 года от 1 июля 2000; IEC 60216-4-3, 1-е издание 2000 года от 1 апреля 2000; IEC 60216-5, 3-е издание 2008 года с учетом COR 1 2009 от 18.12 2009 к IEC 60216-5, 3-е издание 2008 года; IEC 60216-6, 2-е издание 2006 года от 29 мая 2006.

Первый слой 2 и второй слой 3, каждый, имеют среднюю толщину в диапазоне от 3 до 6 мм. Промежуточный слой 5 имеет толщину менее 400 мкм и состоит на 100% из микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы. При этом нанесенный слой микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы имеет вес единицы поверхности 800 г/м² или менее.

Значение рН водного экстракта при измерении согласно международному стандарту IEC 60763-2-17, 2-е издание от 15 февраля 2007 года лежит в диапазоне от 5 до 10. Удельная проводимость водного экстракта при измерении всего изоляционного элемента согласно международному стандарту IEC 60763-2-16, 2-е издание от 15 февраля 2007 года составляет не более 15 мСм/м. В диапазоне от 0 кВ/мм до 12 кВ/мм в изоляционном элементе 1 не происходит пробоев или частичных разрядов.

На ФИГ. 3 представлен сделанный с помощью оптического микроскопа снимок, на котором с большим увеличением показана использованная в промежуточном слое 5 микроразмерная и/или наноразмерная целлюлоза 8 (ARBOCELL^®MF 40-10). На этом изображении хорошо видно, что отдельные микроволокна по меньшей мере частично отделенные друг от друга, образуют множественные напоминающие клубки скопления.

На ФИГ. 4 представлен сделанный с помощью оптического микроскопа снимок, на котором с большим увеличением показана обычная техническая целлюлоза 7, смешанная с микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозой 8 (ARBOCELL^®MF 40-10). Ясно видно, что напоминающие клубки скопления отдельных микроволокон, отделенных друг от друга, из которых состоит микроразмерная и/или наноразмерная целлюлоза 8, прикреплены к волокнам технической целлюлозы 7, которые многократно крупнее.

Само собой разумеется, что вышеизложенное изобретение не ограничивается показанным на ФИГ. 2 вариантом осуществления и допускает многочисленные изменения. Так, первый слой 2, второй слой 3 и промежуточный слой 5, кроме целлюлозы, могут содержать и любые другие материалы. В изоляционном элементе ФИГ. 2 согласно настоящему изобретению также могут быть предусмотрены скважины для пропитки и/или скважины для сушки. Изоляционный элемент может иметь дополнительные слои, которые могут содержать, в частности, целлюлозу и которые могут быть соединены друг с другом, в частности, с помощью промежуточных слоев, содержащих микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу. Изоляционный элемент не обязательно должен представлять собой составную часть трансформатора. Изоляционный элемент может использоваться и для изоляции других электротехнических компонентов, например, компенсирующих реакторов или фазовращателей. Кроме того, в случае применения в трансформаторе это не обязательно должен быть маслонаполненный трансформатор. Само собой разумеется, что изоляционный элемент согласно настоящему изобретению может использоваться и в сухих трансформаторах. Возможны и многочисленные другие изменения.

Перечень номеров позиций

1, 1' изоляционный элемент

2 слой на основе технической целлюлозы

3 слой на основе технической целлюлозы

4 промежуточный слой, содержащий казеиновый клей или полиэфирную смолу

5 промежуточный слой, содержащий из микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу

6 скважина для пропитки

7 волокна технической целлюлозы

8 микроразмерная и/или наноразмерная целлюлоза (ARBOCELL^®MF 40-10).

Изобретение относится к изоляционному элементу для электроизоляции электротехнического компонента в высоковольтном диапазоне, к трансформатору с таким изоляционным элементом, к способу изготовления такого изоляционного элемента, а также к применению изоляционного элемента для электроизоляции электротехнического компонента. Изоляционный элемент (1) для электроизоляции электротехнического компонента в высоковольтном диапазоне включает: первый слой (2), содержащий целлюлозу, второй слой (3), содержащий целлюлозу, и промежуточный слой (5), расположенный между первым слоем (2) и вторым слоем (3), при этом промежуточный слой (5) содержит микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Изоляционный элемент (1) для электроизоляции электротехнического компонента в высоковольтном диапазоне, включающий:

первый слой (2), содержащий целлюлозу,

второй слой (3), содержащий целлюлозу, и

промежуточный слой (5), расположенный между первым слоем (2) и вторым слоем (3),

отличающийся тем, что промежуточный слой (5) содержит микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу.

2. Изоляционный элемент (1) по п. 1, отличающийся тем, что микроразмерная и/или наноразмерная целлюлоза предназначена для соединения друг с другом первого слоя (2) и второго слоя (3).

3. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что промежуточный слой (5) в сухом состоянии содержит более 50 вес.%, в частности более 75 вес.% микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы.

4. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере 50%, в частности по меньшей мере 70% отдельных микроволокон микроразмерной и/или наноразмерной целлюлозы частично или полностью отделены друг от друга.

5. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый слой (2) и второй слой (3) в сухом состоянии содержат каждый более 50 вес.%, в частности более 75 вес.% целлюлозы.

6. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый слой (2) и/или второй слой (3) содержат техническую целлюлозу.

7. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый слой (2) и/или второй слой (3) выполнены в виде прессованных пластин.

8. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый слой (2), второй слой (3) и промежуточный слой (5) в сухом состоянии имеют общую среднюю плотность, равную по меньшей мере 0,8 г/см³, в частности по меньшей мере 1,2 г/см³.

9. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый слой (2), второй слой (3) и промежуточный слой (5) в совокупности имеют средний объем пор от 5% до 40%, в частности от 10% до 20%.

10. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что толщина изоляционного элемента (1), замеренная перпендикулярно через первый слой (2), второй слой (3) и промежуточный слой (5) составляет по меньшей мере 6 мм, в частности по меньшей мере 8 мм.

11. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что промежуточный слой (5) имеет среднюю толщину слоя не более 1 мм, в частности не более 400 мкм.

12. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый слой (2) и/или второй слой (3) имеет толщину слоя от 0,5 мм до 8 мм, в частности от 3 мм до 6 мм.

13. Изоляционный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что электротехнический компонент представляет собой деталь трансформатора.

14. Трансформатор, содержащий по меньшей мере один изоляционный элемент (1), выполненный по любому из предшествующих пунктов.

15. Способ изготовления изоляционного элемента (1) для электроизоляции электротехнического компонента в высоковольтном диапазоне, включающий шаг, на котором промежуточный слой (5) помещают между первым слоем (2), содержащим целлюлозу, и вторым слоем (3), содержащим целлюлозу, отличающийся тем, что промежуточный слой (5) содержит микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что первый слой (2), промежуточный слой (5) и второй слой (3) спрессовывают друг с другом под давлением сжатия от 10 Н/см² до 600 Н/см², предпочтительно от 10 Н/см² до 300 Н/см², предпочтительнее от 150 Н/см² до 250 Н/см².

17. Способ по п. 15 или 16, отличающийся тем, что после помещения промежуточного слоя (5) между первым слоем (2) и вторым слоем (3) проводят сушку первого слоя (2), второго слоя 3 и промежуточного слоя (5).

18. Применение изоляционного элемента (1) для электроизоляции электротехнического компонента, причем изоляционный элемент (1) включает:

первый слой (2), содержащий целлюлозу,

второй слой (3), содержащий целлюлозу, и

расположенный между первым слоем (2) и вторым слоем (3) промежуточный слой (5), содержащий микроразмерную и/или наноразмерную целлюлозу.

19. Применение изоляционного элемента (1) по п. 18 для электроизоляции электротехнического компонента в высоковольтном диапазоне.