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    • 专利摘要:
    Insbesondere bei Hochspannungsschaltanlagen werden bisher durchweg elektrische Isolationen aus Stickstoff (N¶2¶) oder Schwefelhexafluorid (SF¶6¶) verwendet. Gemäß der Erfindung wird als Mittel zur Isolierung ein Material (3) mit geeigneten dielektrischen Eigenschaften verwendet, wobei sich in diesem Material gasenthaltende Poren, die eine weitgehend monodisperse Verteilung haben, befinden. Das Material kann ein Polymer, insbesondere eine Polymerschaum, sein. Möglich sind aber auch Schüttungen von diskreten Materialhohlteilchen (40), deren innerer Hohlraum einer Pore entspricht.Especially in high voltage switchgear electrical insulation of nitrogen (N¶2¶) or sulfur hexafluoride (SF¶6¶) are used throughout. According to the invention, a material (3) with suitable dielectric properties is used as insulation means, in which material gas-containing pores having a largely monodisperse distribution are located. The material may be a polymer, in particular a polymer foam. But also possible beds of discrete hollow material particles (40) whose inner cavity corresponds to a pore.
    公开号:DE102004008751A1
    申请号:DE200410008751
    申请日:2004-02-23
    公开日:2005-09-15
    发明作者:Thomas Dr. Hammer；Werner Dr. Hartmann
    申请人:Siemens AG；
    IPC主号:H01B3-18
    专利说明:
    [0001] DieErfindung bezieht sich auf Mittel zur elektrischen Isolierung vonMittel- und Hochspannungskomponenten.TheThe invention relates to means for electrical insulation ofMedium and high voltage components.
    [0002] Schaltgeräte und Schaltanlagenim Mittel- und Hochspannungsbereich müssen zur Senkung der Baugröße und damitauch der Kosten mit speziellen Isoliermedien elektrisch isoliertwerden, da die Umgebungsluft fürdas Erzielen einer kompakten Bauweise eine nicht ausreichende Spannungsfestigkeitaufweist. Hierfürwird ein billiges, umweltverträgliches,schwer entflammbares Isoliermedium mit möglichst hoher dielektrischerFestigkeit benötigt. Umauch komplizierte Bauformen isolieren zu können, sollte das Isoliermediummöglichstin flüssiger oderGasform eingesetzt werden können.Die Dichte sollte aus Kosten- und Gewichtsgründen möglichst niedrig sein.Switchgear and switchgearin the medium and high voltage range must be to reduce the size and thusalso electrically insulated with special insulating media costsbe because the ambient air forAchieving a compact design an insufficient dielectric strengthhaving. Thereforwill be a cheap, environmentally sound,flame retardant insulating medium with the highest possible dielectricStrength needed. AroundTo be able to isolate even complicated designs, the insulating medium shouldpreferablyin liquid orGas form can be used.The density should be as low as possible for cost and weight reasons.
    [0003] Inden meisten Fällenwird bei Schaltgeräten undSchaltanlagen insbesondere zur Hochspannungsisolation eine Gasfüllung mitdem Isoliergas Schwefelhexafluorid (SF6)verwendet, mit dem eine gegenüberder Isolation mit Luft bzw. trockenem Stickstoff rund 3fach höhere Durchbruchfeldstärke erzieltwerden kann. Dadurch lässtsich eine erhebliche Verringerung der Baugröße und somit eine wesentlicheKostenersparnis gegenüberdem Einsatz von Stickstoff erzielen. SF6 hatnicht nur hervorragende elektrische Eigenschaften, sondern ist auch nicht-toxischund chemisch sehr stabil. Die letztgenannte Eigenschaft führt allerdingszusammen mit dem hohen Absorptionskoeffizienten im infraroten Spektralbereichzu einem extrem hohen Treibhauspotenzial von ca. 22.000 CO2-Äquivalenten.In most cases, in switching devices and switchgear in particular for high-voltage insulation, a gas filling with the insulating gas sulfur hexafluoride (SF 6 ) is used, with the about 3 times higher than the insulation with air or dry nitrogen breakthrough field strength can be achieved. As a result, a significant reduction in size and thus a significant cost savings compared to the use of nitrogen can be achieved. SF 6 not only has excellent electrical properties but is also non-toxic and chemically very stable. However, the latter characteristic, together with the high absorption coefficient in the infrared spectral range, leads to an extremely high global warming potential of approximately 22,000 CO 2 equivalents.
    [0004] DurchErhöhungdes Drucks lässtsich auch in Stickstoffisolierten Anlagen die Spannungsfestigkeitverbessern, jedoch führtder Aufwand fürdie Gewährleistungder Betriebssicherheit bei höherem Druckzu erheblichen Mehrkosten gegenüberdem Einsatz von SF6. Alternativen zu demals hochpotentem Treibhausgas gewerteten SF6 mitvergleichbaren elektrischen und chemischen Eigenschaften aber einemgeringeren Treibhauspotential und geringer Toxizität existierenbis heute nicht.By increasing the pressure, it is also possible to improve the dielectric strength in nitrogen-insulated systems, but the expenditure for ensuring the operational safety at higher pressure leads to considerable additional costs compared with the use of SF 6 . Alternatives to SF 6, a highly potent greenhouse gas with comparable electrical and chemical properties, but a lower global warming potential and low toxicity, are still lacking.
    [0005] BeiTransformatoren wird fürIsolationszwecke häufiggereinigtes Mineralöl,sog. Transformatorenöl,eingesetzt, was jedoch den Nachteil der Entflammbarkeit, der Umweltschädlichkeitbei Austreten von Isoliermittel und den Nachteil hohen Gewichts undhoher Kosten aufweist. Alternative flüssige Isoliermittel mit geringererEntflammbarkeit und besserer Umweltverträglichkeit wie z.B. Silikonöl sind sehr teuerund entfallen daher füreinen Großteilder Anwendungen.atTransformers is forIsolation purposes frequentlypurified mineral oil,so-called transformer oil,used, but with the disadvantage of flammability, environmental damagewhen leakage of insulating agent and the disadvantage of high weight andhigh cost. Alternative liquid insulation with lessFlammability and better environmental compatibility, such as Silicone oil is very expensiveand therefore account fora large partthe applications.
    [0006] DerEinsatz von isolierenden, aushärtbaren Vergussmassenwie Kunstharzen ist aufwendig, teuer und wegen des Schwundes beimAushärtenoft nicht oder nur sehr bedingt einsetzbar.Of theUse of insulating, hardenable casting compoundslike synthetic resins is elaborate, expensive and because of the fading atHardenoften not or only conditionally applicable.
    [0007] Diebei Kabeln eingesetzten Festkörperisolierstoffeauf Kunststoffbasis, wie z.B. vernetztes Polyethylen PE, sind inSchaltanlagen wegen der komplizierten Geometrie und dem Einsatzbewegter Teile sowie hoher Kosten ebenfalls bisher nicht im Einsatz.Thesolid state insulation materials used in cablesplastic-based, e.g. crosslinked polyethylene PE, are inSwitchgear because of the complicated geometry and the useMoving parts and high costs also not yet in use.
    [0008] Inder Fachliteratur wird auch bereits vorgeschlagen, als Mittel zurelektrischen Isolierung Kunststoffschäume zu verwenden, wozu insbesondereauf die US 2002/0094443 A1 verwiesen wird. Beispielsweise in „Transactionon Electrical Insulation",Vol. 24 (1989), pp. 239 werden Polymethanharzschäume als Isolierung vorgeschlagen,wobei die Struktur eines solchen Schaumes in „Proc, of Nordic Insulation", June 14–16 (1999),pp. 261–268speziell auf Seite 266 in 7 dargestelltund weiter unten als 1 wiedergegebenist.In the literature it is already proposed to use plastic foams as electrical insulation means, to which reference is made, in particular, to US 2002/0094443 A1. For example, in "Transaction on Electrical Insulation", Vol. 24 (1989), pp. 239, polymethane resin foams are proposed as insulation, the structure of such a foam being described in "Proc of Nordic Insulation", June 14-16 (1999), pp. 261-268 specifically on page 266 in 7 shown and below as 1 is reproduced.
    [0009] DerartigeSchäumehaben sich aber in der Praxis nicht bewährt, da es zu Entladungen kommen kann,welche die Wirksamkeit des Schaumes beeinträchtigen.suchfoamsbut have not proven in practice, since it can lead to discharges,which affect the effectiveness of the foam.
    [0010] Davonausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Mittelfür dieelektrische Isolierung insbesondere von Hochspannungsschaltern anzugebenund die diesbezüglicheIsolierung zu schaffen.From thatBased on the object of the invention, an improved agentfor thespecify electrical insulation in particular of high voltage switchesand the relatedTo create insulation.
    [0011] DieAufgabe ist erfindungsgemäß durchdie Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungensind in den Unteransprüchenangegeben. Insbesondere die Ansprüche 9 bis 11 beinhalten dabeidie Realisierung der Erfindung als sogenannten Mikroporen-Schaum,währenddie Ansprüche12 ff. als Alternative die Isolierung mittels einer Schüttung vonmikroporenhaltigen Materialteilchen beinhaltet.TheTask is inventively bythe features of claim 1 solved. Advantageous developmentsare in the subclaimsspecified. In particular, claims 9 to 11 includethe realization of the invention as so-called microporous foam,whilethe requirements12 ff as an alternative, the isolation by means of a bed ofIncludes microporous material particles.
    [0012] DieErfindung beruht auf dem Einsatz isolierender Werkstoffe, die eineVielzahl gasgefüllter, dünnwandiggeschlossener Hohlräumeenthalten, an denen ein substantieller Teil des an der Isolationanliegenden elektrischen Potentials abfällt. Erfindungsgemäß werdendabei deren Abmessungen längsdes durch die Anwendung bestimmten elektrischen Feldes einen vorgegebenenMaximalwert nicht überschreiten.Vorzugsweise liegen dabei die Hohlräume im Bereich zwischen 10und bis maximal 30 μmund werden als sogenannte Mikroporen bezeichnet.TheInvention is based on the use of insulating materials, the oneVariety of gas-filled, thin-walledclosed cavitieswhich contain a substantial part of the isolationapplied electrical potential drops. According to the inventionwhile their dimensions are longitudinalof the application determined by the electric field a predeterminedDo not exceed the maximum value.Preferably, the cavities are in the range between 10and up to a maximum of 30 μmand are referred to as so-called micropores.
    [0013] DerErfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass die Einhaltung einerObergrenze bei der Größenverteilungder Poren entscheidend ist. Nur so kann das Auftreten von Entladungenin ansonsten zwar in geringer Wahrscheinlichkeit, aber statistisch durchausvorhandenen großenPoren verhindert werden, beispielsweise bei Poren > 100 μm, wodurch beimStand der Technik eine allmählicheVerschlechterung der Isolationseigenschaften erklärbar ist.Bei der Erfindung kann auch eine weitgehend monodisperse Verteilungmit definierter Porengröße < 30 μm vorliegen.Of theInvention was based on the finding that compliance with aUpper limit in the size distributionthe pore is crucial. Only so can the occurrence of dischargesin otherwise low probability, but statistically wellexisting largePores are prevented, for example, in pores> 100 microns, whereby thePrior art a gradualDegradation of the insulation properties is explainable.In the invention, a largely monodisperse distributionwith defined pore size <30 microns.
    [0014] WeitereVorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgendenFigurenbeschreibung von Ausführungsbeispielenanhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Eszeigen in schematischer DarstellungFurtherAdvantages and details of the invention will become apparent from the followingDescription of the figures of exemplary embodimentswith reference to the drawing in conjunction with the claims. Itshow in a schematic representation
    [0015] 1 eineSchaumstruktur gemäß dem Standder Technik, 1 a foam structure according to the prior art,
    [0016] 2 einegraphische Darstellung der Porengrößenverteilung beim als Isolationsmittelverwendeten Schaum gemäß 1, 2 a graphical representation of the pore size distribution in the foam used as insulation according to 1 .
    [0017] 3 denAufbau der neuen geschlossenporigen Isolation im Schnitt, 3 the structure of the new closed-cell insulation on average,
    [0018] 4 einemikroskopische Hohlkugel zum Aufbau einer zu 3 gleichwirkendenIsolation, und 4 a microscopic hollow sphere to build up a 3 equivalent insulation, and
    [0019] 5 einegraphische Darstellung zum Vergleich der Erfindung mit nach demStand der Technik als Isolationsmittel üblicherweise verwendeten Stickstoffoder SF6. 5 a graphical representation for comparison of the invention with commonly used in the art as insulation means nitrogen or SF. 6
    [0020] BeiHochspannungsschaltern kommen isolierende Werkstoffe zum Einsatz.Solche Werkstoffe könnenderart realisiert werden, dass sie das gefüllte, dünnwandig geschlossene Hohlräume miteiner LängeDPore enthalten. Dabei bestimmt die Abmessung längs desdurch die Anwendung bestimmten elektrischen Feldes einen MaximalwertDmax, der nicht überschritten werden darf.High-voltage switches use insulating materials. Such materials can be realized in such a way that they contain the filled, thin-walled closed cavities with a length D pore . The dimension along the determined by the application of the electric field determines a maximum value D max , which must not be exceeded.
    [0021] Schäume sindvom Stand der Technik insbesondere für die Wärmedämmung bekannt. Teilweise werdensie auch fürelektrische Isolationszwecke vorgeschlagen.Foams areknown from the prior art, in particular for thermal insulation. Become partialshe also forproposed electrical isolation purposes.
    [0022] BeimStand der Technik mit Schaumporen 11 der Durchschnittsgröße d = 100 μm entsprechend 1 ergibtsich gemäß 2 einetypische Gauß'sche Normalverteilung.Aufgetragen ist dort der relative Größenanteil in % als Funktionder absoluten Porengröße d, wobeigemäß Kennlinie 21 das Maximumder Verteilung bei 100 μmliegt. Dies bedeutet aber, dass statistisch auch einzelne größere Poren,beispielsweise von 150 μm,vorhanden sein können.Wenn es dort zu einer einzelnen Entladung kommt, wird die Schaumwandzerstörtund es entsteht ein größerer Hohlraum.Auf diese Weise verschlechtern sich die Isolationseigenschaftenund es kann übereinen Lawineneffekt plötzlichzu einem Spannungsdurchbruch kommen.In the prior art with foam pores 11 the average size d = 100 microns accordingly 1 results according to 2 a typical Gaussian normal distribution. Plotted there is the relative size fraction in% as a function of the absolute pore size d, where according to characteristic curve 21 the maximum of the distribution is 100 μm. However, this means that statistically, individual larger pores, for example of 150 microns, may be present. When it comes to a single discharge, the foam wall is destroyed and creates a larger cavity. In this way, the insulation properties deteriorate and it can suddenly come to an overvoltage through an avalanche effect.
    [0023] DieKennlinie 22 beschreibt eine Verteilung mit einem Maximum,das zwischen 10 und 20 μm liegt.Insbesondere sind hier keine Porengrößen > 30 μmvorhanden. Bei den anhand der 3 und 4 beschriebenenAusführungsbeispielenliegen genau definierte Porengrößen vor.Typischerweise liegt der Wert dPore im Bereichvon 10 μmbis maximal 30 μm.The characteristic 22 describes a distribution with a maximum that is between 10 and 20 microns. In particular, no pore sizes> 30 microns are present here. In the case of the 3 and 4 described embodiments are well defined pore sizes. Typically, the value d pore is in the range of 10 microns to a maximum of 30 microns.
    [0024] Inder 3 bedeuten 1 ein spannungsführenderLeiter, 2 ein geerdeter Leiter, 3 eine geschlossenporigeIsolation zwischen den Leitern 2 und 3. Die geschlossenporigeIsolation 3 hat gasgefüllteHohlräume 4,wobei 5 die Ausdehnung des Hohlraumes 4 längs deselektrischen Feldes und 6 die Ausdehnung des Hohlraumes 4 senkrechtzum elektrischen Feld bedeuten. Die Richtung des elektrischen. Feldesist durch den Doppelpfeil 7 und der Abstand zwischen dengegeneinander zu isolierenden Leitern 1 und 2 durchden Doppelpfeil 8 verdeutlicht. Durch die Abmaße 5 und 6 wirdalso ein Porendurchmesser dPore definiert,der insbesondere bei Verwendung eines Schaumes eine Streubreitegemäß der Gaußverteilung 22 gemäß 2 hat.In the 3 mean 1 a live conductor, 2 a grounded conductor, 3 a closed-cell insulation between the ladders 2 and 3 , The closed-pore isolation 3 has gas filled cavities 4 , in which 5 the extent of the cavity 4 along the electric field and 6 the extent of the cavity 4 mean perpendicular to the electric field. The direction of the electric. Feldes is by the double arrow 7 and the distance between the conductors to be insulated from each other 1 and 2 through the double arrow 8th clarified. By the dimensions 5 and 6 Thus, a pore diameter d Pore is defined which, in particular when using a foam, a scattering width according to the Gaussian distribution 22 according to 2 Has.
    [0025] DieLänge einerPore aus 3 kann mit dem PorendurchmesserdPore gleichgesetzt werden, ohne dass damiteine kugelförmigeGeometrie der Hohlräumezwingend impliziert wird. Vielmehr sind auch Hohlräume vorstellbar,deren Abmessungen längsdes elektrischen Feldes in Richtung des Doppelpfeiles kleiner sindals senkrecht dazu. Wie bereits erwähnt, genügen die Porendurchmesser vorteilhafterweiseeiner Größenverteilungf(d) mit einem Maximum bei 10–20 μm, wobeidie Verteilungskurve 23 oberhalb von dmax =30 μm denWert 0 annimmt.The length of a pore 3 can be equated with the pore diameter d pore without necessarily implying a spherical geometry of the cavities. Rather, cavities are also conceivable whose dimensions along the electric field in the direction of the double arrow are smaller than perpendicular to it. As already mentioned, the pore diameters advantageously satisfy a size distribution f (d) with a maximum at 10-20 μm, the distribution curve 23 above d max = 30 microns assumes the value of the 0th
    [0026] EineEinschränkungauf kleine Porengrößen mitWerten < 150 μm ist ausder Literatur aus der JP 11-9437 A1 bekannt, allerdings nur in Bezugauf wärmedämmende Schäume mitAnforderungen hinsichtlich mechanischer Stabilität. Bei Schäumen für elektrische Isolationszwecke,wie z.B. in der US 2002/94443 A1 beschrieben, ist eine Einschränkung aufsehr kleine Poren < 50 μm bishernicht bekannt. Schäumemit mittleren Porengrößen von50 μm bzw. 100 μm und einerweit darüberhinaus reichenden Porengrößenverteilungsfunktionsind in den eingangs zitierten Veröffentlichungen beschrieben,wobei hier die herausragenden Eigenschaften von Mikroporen im Bereich10 bis 30 μmnicht erkannt werden. Wie nachfolgend im Detail und quantitativbeschrieben, stellen aber gerade Werkstoffe mit Porengrößen < 30 μm eine besondersvorteilhafte Stoffklasse mit überraschendenEigenschaften in Bezug auf die Durchschlagfestigkeit dar.A restriction to small pore sizes with values of <150 μm is known from the literature of JP 11-9437 A1, but only with regard to heat-insulating foams with requirements for mechanical stability. In foams for electrical insulation purposes, as described for example in US 2002/94443 A1, a restriction to very small pores <50 microns is not known. Foams with average pore sizes of 50 .mu.m or 100 .mu.m and a far beyond reaching pore size distribution function are described in the publications cited above, in which case the outstanding properties of micropores in the range 10 to 30 microns are not recognized. As follows in detail and quantitatively be wrote, but just materials with pore sizes <30 microns is a particularly advantageous class of substances with surprising properties in terms of dielectric strength.
    [0027] Wennals Pore ein einzelner Hohlraum 4 aus dem Schaum 3 der 3 betrachtetwird, so realisiert diese Pore im Prinzip eine mikroskopische Hohlkugel.Dies ist anhand 4 im Einzelnen verdeutlicht:Es bedeuten hier 40 die Hohlkugel mit einem gasgefüllten Hohlraum 41.Die aus einem Isolator 42 bestehenden Hohlkugel 40 hateinen Porendurchmesser dPore und eine Wandstärke dWand. Wegen der mikroskopischen Ausbildungwird nachfolgend auch von „Hohlkügelchen" oder „Microballons" gesprochen. EineVielzahl von Hohlkügelchen 40 sindin ein Isolationsmaterial 43, insbesondere Gas, eingebettet.If as a pore a single cavity 4 from the foam 3 of the 3 is considered, this pore realized in principle a microscopic hollow sphere. This is based 4 in detail, it means: It means here 40 the hollow sphere with a gas-filled cavity 41 , The from an insulator 42 existing hollow sphere 40 has a pore diameter d pore and a wall thickness d wall . Because of the microscopic training is also referred to below as "hollow spheres" or "microballoons". A variety of hollow spheres 40 are in an insulation material 43 , in particular gas, embedded.
    [0028] Für einenWerkstoff mit einer relativen Permittivität εr genügt die Stärke derdie HohlräumeumschließendenWand dWand erfindungsgemäß einer Minimalbedingung für erhöhte Spannungsfestigkeitder Isolierung dWand/εr << dPore. (Gl. 1) For a material with a relative permittivity ε r , the thickness of the wall d wall enclosing the cavities satisfies a minimum condition for increased dielectric strength of the insulation according to the invention d wall / ε r << d pore , (Equation 1)
    [0029] Vorzugsweiseist die Wandstärkekleiner als der Porenradius dWand < dPore/2, (Gl. 2) und weitereVorteile ergeben sich, wenn die Wandstärke bei typisch 20 % des halbenPorendurchmessers, also des Porenradius liegt.Preferably, the wall thickness is smaller than the pore radius d wall <d pore / 2, (equation 2) and further advantages arise when the wall thickness is typically 20% of half the pore diameter, ie the pore radius.
    [0030] Beidieser Betrachtung wurde davon ausgegangen, dass das Isolationsmaterial 13,in das die Mikroporen eingebettet sind, hinsichtlich der elektrischwirksamen Dicke dinter/εinter mitdem mittleren Abstand dinter (Wand-zu-Wand)zwischen zwei Hohlkugeln und der relativen Permittivität εinter derEinbettung im Vergleich zur Wand der Hohlkugeln vernachlässigt werdenkann. Ist das nicht der Fall, so ist die in Gleichung (1) genannteBedingung folgendermaßenzu modifizieren: dWand/εr + dinter/εinter << dPore (Gl. 1a) In this consideration, it was assumed that the insulation material 13 , in which the micropores are embedded, are neglected with respect to the electrically effective thickness d inter / ε inter with the mean distance d inter (wall-to-wall) between two hollow spheres and the relative permittivity ε inter embedding compared to the wall of the hollow spheres can. If this is not the case, then the condition mentioned in equation (1) is to be modified as follows: d wall / ε r + d inter / ε inter << d pore (Equation 1a)
    [0031] DieseBedingung hängtunmittelbar damit zusammen, dass an den gasgefüllten Poren ein substantiellerAnteil des am Isolator anliegenden elektrischen Potentials abfällt. Dadie Wandstärkeder Poren, deren Durchmesser und deren Abstand zueinander die Volumenverhältnissezueinander bestimmen, kann daraus auch eine entsprechende Bedingungfür dieVolumenverhältnisseabgeleitet werden.TheseCondition dependsdirectly related to the fact that at the gas-filled pores a substantialProportion of the electrical potential applied to the insulator drops. Therethe wall thicknessthe pores, their diameter and their distance from each other, the volume ratiosTo determine each other, it can also be a corresponding conditionfor thevolume ratiosbe derived.
    [0032] Dasvorstehend beschriebene Isolationsmaterial kann den zu isolierendenHohlraum als geschlossenporiger Schaum ausfüllen oder in Form einer Schüttung vorliegen.Es kann je nach Anwendung aus einem Kunststoff, Glas oder einemanderen glasartigen Material wie Glaskeramik bestehen: Kunststoffehaben gegenüberglasartigen Materialien den Vorteil der Gewichtsersparnis, aberbei Temperaturen über100°C schnellabnehmende mechanische Stabilitätund dielektrische Festigkeit. Verfahren zur Herstellung entsprechendergeschlossenporiger Schaumstoffe entsprechen dem Stand der Technik undsind beispielhaft in den beiden oben erwähnten Anmeldungen beschrieben.TheInsulation material described above can be isolatedFill cavity as closed-cell foam or be in the form of a bed.It can be made of a plastic, glass or one depending on the applicationother glassy material such as glass ceramic consist of: plasticshave oppositeglassy materials have the advantage of weight saving, thoughat temperatures above100 ° C fastdecreasing mechanical stabilityand dielectric strength. Process for producing correspondingClosed-cell foams correspond to the prior art andare described by way of example in the two applications mentioned above.
    [0033] BeiKunststoffen könnenverschiedenste Kriterien fürdie Auswahl ausschlaggebend sein: Aus Gründen der Umweltverträglichkeitund der Sicherheit im Brandfall kann die Isolation bevorzugt auseinem Kunststoff gefertigt werden, der weder Halogene noch Schwefeloder Stickstoff enthält.Für besonders hohedielektrische Festigkeit hingegen kann ein halogenhaltiger Kunststoffoder ein Polyimid ausgewählt werden.Als Beispiel dafüreignet sich ein fürWärmeisolationszweckeneu entwickelter Werkstoff auf Polyimidbasis (SOLREX®) inForm mikroskopischer Hohlkugeln; in dieser Form lässt sichder Werkstoff wie eine Flüssigkeitgießenund fülltsomit alle zugänglichenHohlräumeanalog zu flüssigenoder gasförmigenIsolierstoffen. Bei Bedarf lässtsich der Werkstoff durch moderate Hitzeeinwirkung aushärten, sodass ein formschlüssiger,geschlossenporiger, schaumstoffartiger Isolierkörper mit geringer Dichte von < 0,1 g/cm3 entsteht. Ähnliche Werkstoffe werden u.a.von Akzonobel z.B. unter dem Namen Expancel® angeboten.In the case of plastics, a wide variety of criteria can be decisive for the selection: For reasons of environmental compatibility and safety in the event of fire, the insulation can preferably be made of a plastic which contains neither halogens nor sulfur or nitrogen. For particularly high dielectric strength, however, a halogen-containing plastic or a polyimide can be selected. An example of this is a newly developed material for thermal insulation based on polyimide (SOLREX ® ) in the form of microscopic hollow spheres; In this form, the material can be poured like a liquid and thus fills all accessible cavities analogous to liquid or gaseous insulating materials. If necessary, the material can be cured by moderate heat, so that a positive, closed-cell, foam-like insulating body with a low density of <0.1 g / cm 3 is formed. Similar materials are offered by Akzonobel eg under the name Expancel ® .
    [0034] DaPartikel mit Durchmessern von typischerweise 10 μm lungengängig sind, ist es vorteilhaft,bei Einsatz der Mikromnikrokügelchenbzw. „Mikroballons" diese mit einemflüssigenBindemittel zeitweise, d.h. währendder Verarbeitung, oder permanent zu binden. Zur temporären Bindungsind Wasser und niedrigsiedende organische Verbindungen wie z.B. Alkoholegeeignet, die nachträglichdurch Verdampfen wieder beseitigt werden. Zur permanenten Bindungsind flüssigeIsoliermittel wie z.B. Transformatoren- oder Silikonöle geeignet,aber auch aushärtbare Flüssigkeitenwie z.B. Kunstharze oder Silikonkautschuk.ThereParticles with diameters of typically 10 μm are respirable, it is advantageouswhen using the micro-microsphereor "microballoons" with oneliquidBinder temporarily, i. whileprocessing, or permanently binding. For temporary bindingare water and low boiling organic compounds such as e.g. alcoholssuitable, the laterbe removed by evaporation again. For permanent bondingare liquidInsulating means such as e.g. Transformer or silicone oils suitable,but also curable liquidssuch as. Synthetic resins or silicone rubber.
    [0035] Für die Gasfüllung derPoren bzw. „Mikroballons" kann vorteilhafterweisetrockene Luft, Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Gemisch von Kohlendioxidund einem der vorstehenden Gase eingesetzt werden. Auch wenn durchdie vorliegende Erfindung ein Isolationssystem beschrieben wird,durch das der Einsatz von SF6 oder halogenierten Kohlenwasserstoffenvermieden wer den kann, soll der Einsatz von SF6 oder ähnlichenIsoliergasen als Füllungder geschlossenen Hohlräumenicht ausgeschlossen werden, da dadurch eine weitere Erhöhung derSpannungsfestigkeit bei gleichem Bauvolumen oder aber eine Verringerungder Isoliergasmenge bei gegebenem Isolationspotential erreicht werdenkann.For the gas filling of the pores or "microballoons", dry air, nitrogen, carbon dioxide or a mixture of carbon dioxide and one of the above gases can advantageously be used, even though the present invention describes an insulation system by which the use of SF6 or halogenated Hydrocarbons avoided who can, the use of SF 6 or similar insulating gases as filling of the closed cavities should not be excluded, as this further increase the span tion strength at the same volume or a reduction in the amount of insulating gas can be achieved for a given insulation potential.
    [0036] Wennmit dSpalt der Abstand der gegeneinanderzu isolierenden Leiter bezeichnet wird und die elektrische Potentialdifferenzzwischen den Leitern mit ΔV,dann ergibt sich die mittlere Feldstärke im Δ-Bereich zwischen den Leiternzu Eaν = ΔV/dSpalt Nachfolgend wird aufgezeigt, welcherVorteil in der Isolationsfestigkeit sich durch die Verwendung eines Mikroschaumesstatt einer Gasisolation oder eines grobporigen Schaumes ergibt:Mit einer Stickstofffüllungder Hohlräumewird eine zur reinen SF6-Gasisolation vergleichbareSpannungsfestigkeit des Isolierkörperserreicht, wenn man die Porengröße auf Wertevon typisch 10 μmsenkt. Damit kann auch bei Atmosphärendruck Stickstoff als Isoliermediumeingesetzt werden, ohne auf eine kompakte Bauweise verzichten zumüssen.Im Vergleich zu herkömmlichen Schaumwerkstoffenmit Porengrößen vontypisch 50 μmbis zu 1 mm steigt die Durchbruchfeldstärke bei dieser sehr kleinenPorengröße um denFaktor 4–10 an,da die zum Einsatz von Teilentladungen notwendige Feldstärke mitabnehmender Porengröße wächst. Durchdie Möglichkeit,auf SF6 zu verzichten, ergibt sich sofortein großesPotential fürumweltverträglicheelektrische Isolationssysteme.If d gap is the distance of the conductors to be insulated against each other and the electrical potential difference between the conductors is ΔV, then the mean field strength in the Δ range between the conductors is E av = ΔV / d gap in the insulation resistance results from the use of a microfoam instead of a gas insulation or a coarse-pored foam: With a nitrogen filling of the cavities a pure SF 6 -Gasolation comparable dielectric strength of the insulator is achieved by lowering the pore size to values of typically 10 microns. Thus, nitrogen can be used as insulating medium even at atmospheric pressure, without having to do without a compact design. Compared to conventional foam materials with pore sizes of typically 50 .mu.m up to 1 mm, the breakdown field strength increases by a factor of 4-10 in the case of this very small pore size, since the field strength required for the use of partial discharges increases with decreasing pore size. The possibility to do without SF 6 results immediately in a great potential for environmentally friendly electrical insulation systems.
    [0037] In 5 istin einer doppellogarithmischen Auftragung die Durchbruchfeldstärke bzw.Durchbruchspannung UD eines Schaums gemäß 1 in Abhängigkeitvon der Porengröße d dargestellt.Die Durchbruchspannung UD dieses Materialswird mit der Durchbruchfeldstärkevon Schwefelhexafluorid (SF6) und von Stickstoff(N2), die beide konstante Werte haben, verglichen.Die Kennlinien fürSF6 sind mit 31 und für N2 mit 32 bezeichnet, die beide abzissenparalleleGeraden bilden. Die mit 33 bezeichnete Kennlinie des Mikroschaumshat eine mit der Porengröße d abfallendeCharakteristik. Als Randbedingung dient ein 1 mm-Spalt einer Schaltanordnung.In 5 is in a double logarithmic plot the breakdown field strength or breakdown voltage U D of a foam according to 1 as a function of the pore size d. The breakdown voltage U D of this material is compared with the breakdown field strength of sulfur hexafluoride (SF 6 ) and of nitrogen (N 2 ), both of which have constant values. The characteristic curves for SF 6 are with 31 and for N 2 with 32 denotes both form abscissa parallel straight lines. With 33 designated characteristic of the microfoam has a decreasing with the pore size d characteristic. The boundary condition is a 1 mm gap of a switching arrangement.
    [0038] Ausder 5 ergibt sich von einem Wert d < 30 μm für den Schaumeine Verbesserung gegenüberbekannten Gasisolierungen und weiterhin bei Werten unterhalb von30 μm eineansteigende, deutlich verbesserte Durchbruchfeldstärke gegenüber denbisher verwendeten Mitteln. Dabei ist die Durchbruchspannung mitder Porengröße insoferngekoppelt, als dass das Produkt von Durchbruchfeldstärke undPorengröße konstantbleibt.From the 5 From a value d <30 μm for the foam, this results in an improvement over known gas insulation and, at values below 30 μm, an increasing, significantly improved breakdown field strength compared to the means previously used. The breakdown voltage is coupled with the pore size insofar as the product of breakdown field strength and pore size remains constant.
    [0039] Ausdem Vergleich der Kennlinien 31 bis 33 ergibtsich die vorteilhafte Verwertbarkeit des neuen Isolationsmittels,und zwar Schäumeoder Schüttungen,insbesondere als Ersatz fürSF6.From the comparison of the characteristics 31 to 33 This results in the advantageous usability of the new insulation means, namely foams or beds, in particular as a replacement for SF 6 .
    [0040] Zusammenfassendist festzustellen, dass die besonderen Vorteile vorliegender Erfindunginsbesondere in folgenden Eigenschaften liegen: – hohe Durchbruchfeldstärke, diemit sinkendem Porendurchmesser ansteigt und bei 30 μm bereits 3fachhöher alsdie des trockenen Stickstoffs und damit vergleichbar der von SF6 ist – Formschlüssigkeit – schaumstoffartigerIsolierkörpermit mikroskopischer geschlossenporiger Porenstruktur – geringeDichte/verringerte Kosten – guteUmweltverträglichkeit – einfacheVerarbeitbarkeit (Gießenund bei moderater Temperatur aushärten) – beiAuswahl geeigneter Isolationsmaterialien schwer entflammbar. In summary, it should be noted that the particular advantages of the present invention are in particular the following properties: - High breakdown field strength, which increases with decreasing pore diameter and at 30 microns already 3 times higher than that of dry nitrogen and thus comparable to that of SF 6 - Positive locking - Foam-like insulating body with microscopic closed-pore structure - low density / reduced costs - good environmental compatibility - easy processability (casting and curing at moderate temperature) - with the selection of suitable insulation materials flame retardant.
    权利要求:
    Claims (18)
    [1]
    Mittel zur elektrischen Isolierung von Mittel- undHochspannungskomponenten, Schaltgeräten und/oder -anlagen, oderandere hochspannungsführendeelektrische Betriebsmittel, gekennzeichnet durch ein Isolationsmaterialmit geeigneten dielektrischen Eigenschaften und durch im Materialbefindliche, Gas enthaltende Poren, wobei die Poren eine Größenverteilungmit vorgegebener Obergrenze haben und mindestens 10 % des Gesamtvolumensbeanspruchen.Means for electrical insulation of middle andHigh-voltage components, switching devices and / or systems, orother high voltage leadingelectrical equipment, characterized by an insulating materialwith suitable dielectric properties and through in the materiallocated, gas-containing pores, wherein the pores have a size distributionwith a predetermined upper limit and at least 10% of the total volumeclaim.
    [2]
    Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Durchmesser (dPore) der Poren (40)die vorgegebene Größenverteilung(f(d)) mit einem Maximum zwischen 10 μm und 20 μm hat und dass die Größenverteilungoberhalb von dmax = 30 μm den Wert 0 annimmt.Insulation according to claim 1, characterized in that the diameter (d pore ) of the pores ( 40 ) has the predetermined size distribution (f (d)) with a maximum between 10 .mu.m and 20 .mu.m, and that the size distribution assumes the value 0 above d max = 30 .mu.m.
    [3]
    Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Poren (40) eine weitgehend monodisperse Größenverteilunghaben.Insulation according to claim 1, characterized in that the pores ( 40 ) have a largely monodisperse size distribution.
    [4]
    Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass das Isolationsmaterial (42, 43) ein Polymerist.Insulation according to one of claims 1 to 3, characterized in that the insulating material ( 42 . 43 ) is a polymer.
    [5]
    Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass das Isolationsmaterial (42, 43) Glas oderKeramik ist.Insulation according to one of claims 1 to 3, characterized in that the insulating material ( 42 . 43 ) Is glass or ceramic.
    [6]
    Isolation nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass das Porenfüllgasaus einem Schwefelhexafluorid-freien (SF6)Gas oder Gasgemisch besteht.Insulation according to claim 1 to 4, characterized in that the pore filling gas consists of a sulfur hexafluoride-free (SF 6 ) gas or gas mixture.
    [7]
    Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass das Porenfüllgasaus trockenem Stickstoff (N2) oder trockenerLuft besteht.Insulation according to one of claims 1 to 5, characterized in that the pore filling gas consists of dry nitrogen (N 2 ) or dry air.
    [8]
    Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass das Porenfüllgasaus einem niedrigsiedenden Kohlenwasserstoff besteht.Isolation according to one of claims 1 to 5, characterizedthat the pore filling gasconsists of a low-boiling hydrocarbon.
    [9]
    Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass als Isolationsmaterial ein geschlossenporiger Mikroporen-Schaum(3) verwendet wird mit einem maximalen Porendurchmesservon 30 μm.Insulation according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the insulating material used is a closed-pore microporous foam ( 3 ) is used with a maximum pore diameter of 30 microns.
    [10]
    Isolierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass bei gegebenen Porenabmessungen (dPore)ein elektrisches Feld vorgegebener Größe nicht überschritten wird.Insulation according to claim 9, characterized in that given the pore dimensions (d pore ) an electric field of predetermined size is not exceeded.
    [11]
    Isolierung nach Anspruch 9 oder 10 7, dadurch gekennzeichnet,dass der Schaum ein geschlossenporiger Polymerschaum (3)ist.Insulation according to Claim 9 or 10 7, characterized in that the foam is a closed-cell polymer foam ( 3 ).
    [12]
    Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass eine Schüttungvon diskreten, porenhaltigen Materialteilchen (40) verwendetwird.Insulation according to one of claims 1 to 8, characterized in that a bed of discrete, porous material particles ( 40 ) is used.
    [13]
    Isolierung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass die Schüttungaus monodispersen geschlossenen Materialhohlkörpern („Mikrokugeln") besteht, wobeideren Innenvolumen einer Pore (40) entspricht.Insulation according to claim 12, characterized in that the bed of monodisperse closed material hollow bodies ("microspheres"), wherein the internal volume of a pore ( 40 ) corresponds.
    [14]
    Isolierung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurchgekennzeichnet, dass die Ausdehnung der einzelnen Materialhohlkörper (40)aus Porendurchmesser (dPore) und beidseitigerWandstärke (2∙dwand) höchstens30 μm ist.Insulation according to Claim 9 or Claim 10, characterized in that the expansion of the individual hollow material bodies ( 40 ) of pore diameter (d pore ) and wall thickness on both sides (2 ∙ d wall ) is not more than 30 microns.
    [15]
    Isolierung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass fürdie Wandstärkeder Hohlkörper(40) gilt: dWand/εr << dPore. (Gl. 1), wobei εr dierelative elektrische Permittivitätdes Materials, dPore der innere (Poren-)Durchmesserdes Hohlkörpers(40) und dWand die Wandstärke desHohlkörpers(40) bedeuten.Insulation according to claim 14, characterized in that for the wall thickness of the hollow body ( 40 ) applies: d wall / ε r << d pore , (Equation 1), where ε r the relative electrical permittivity of the material, d pore the inner (pore) diameter of the hollow body ( 40 ) and d wall the wall thickness of the hollow body ( 40 ) mean.
    [16]
    Isolierung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,dass die Wandstärkekleiner als der (Poren-)Radius 1/2dpon desHohlkörpersist, vorzugsweise bei etwa 10 % (dWand =1/10 rPore) liegt.Insulation according to claim 15, characterized in that the wall thickness is smaller than the (pore) radius 1 / 2d pon of the hollow body, preferably at about 10% (d wall = 1/10 r Pore ).
    [17]
    Isolierung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet,dass das Schüttmaterialder Hohlkörper(40) aus Kunststoff, Glas oder einem glasartigen Material,wie insbesondere Glaskeramik, besteht.Insulation according to one of claims 12 to 16, characterized in that the bulk material of the hollow body ( 40 ) made of plastic, glass or a glassy material, in particular glass ceramic.
    [18]
    Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Durchbruchspannung mit der Porengröße (dpore+2dwand) gekoppeltist.Insulation according to one of the preceding claims, characterized in that the breakdown voltage is coupled to the pore size (d pore + 2d wall ).
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004008751B4|2008-04-24|
    EP1575061A2|2005-09-14|
    EP1575061A3|2009-07-01|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    CH572269A5|1972-07-20|1976-01-30|Bbc Brown Boveri & Cie||
    US4273806A|1978-04-03|1981-06-16|Stechler Bernard G|Method of forming electrical insulation by extruding polymeric compositions containing hollow microspheres|
    US5468314A|1993-02-26|1995-11-21|W. L. Gore & Associates, Inc.|Process for making an electrical cable with expandable insulation|
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