BRPI0619897A2 - bucha para alta voltagem - Google Patents
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Abstract
BUCHA PARA ALTA VOLTAGEM. A bucha de alta voltagem (1) tem um conector (2) e um núcleo (3) que circunda o condutor (2), na qual o núcleo (3) compreende um espaçador como folha (4), cujo espaçador (4) é impregnado com um material matriz eletricamente isolante (6). O espaçador (4) é enrolado em forma espiral ao redor de um eixo (A), o eixo (A) sendo definido através da forma do condutor (2). Assim, uma multiplicidade de camadas vizinhas é formada, O núcleo (3) ainda compreende elementos de equalização (5) em distâncias radiais apropriadas até o eixo (A). Ela é caracterizada pelo fato de os elementos de equalização (5) compreenderem camadas eletricamente condutoras (51), cujas camadas (51) têm aberturas (9) através de cujas aberturas (9) o material matriz (6) pode penetrar, e por os elementos de equalização (5) serem aplicados ao núcleo (3) de forma separada do espaçador (4). Preferivelmente, as camadas eletricamente condutoras (51) são conformadas em rede, conformadas em grade, em malha ou perfuradas. As aberturas (9) podem ser preenchidas com um material matriz (6), preferivelmente uma resina enchida com partículas (6) pode ser utilizada.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "BUCHA PA- RA ALTA VOLTAGEM".
Descrição
Campo técnico
A invenção refere-se ao campo de tecnologia de alta voltagem. Ela se relaciona a uma bucha e um método para a produção de uma bucha e uma camada eletricamente condutora para uma bucha. Tais buchas en- contram aplicação, por exemplo, em aparelhos de alta voltagem como gera- dores ou transformadores, ou em instalações de alta voltagem como comu- tadores isolados a gás, ou buchas de teste.
Antecedentes da Técnica
Buchas são dispositivos que são usualmente utilizados para car- regar corrente em potenciais elevados através de uma barreira aterrada, por exemplo, um tanque de transformador. Para diminuir e controlar o campo elétrico junto da bucha, buchas condensadoras foram desenvolvidas, tam- bém conhecidas como buchas graduadas (finas). Buchas condensadoras facilitam controle de tensão elétrica por meio da inserção de placas equali- zadoras (eletrodos) flutuantes, que são incorporadas no núcleo da bucha. O núcleo condensador diminui o gradiente do campo e distribui o campo ao longo do comprimento do isolador o que fornece leituras de descarga parcial baixas bem acima de leituras de voltagem nominal.
O núcleo condensador de uma bucha é tipicamente enrolado de papel craft ou papel craft enrugado como um espaçador. As placas de equa- lização são construídas ou de insertos metálicos (tipicamente alumínio) ou remendos não metálicos (tinta, pasta de grafite). Estas placas são localiza- das de maneira coaxial de modo a conseguir um equilíbrio ótimo entre fais- cação externa e resistência interna à perfuração. O espaçador de papel as- segura uma posição definida das placas eletrodos e fornece estabilidade mecânica.
Os núcleos condensadores de buchas de hoje são impregnados ou com óleo (OIP, papel impregnado de óleo) ou com resina (RIP, papel im- pregnado de resina). Buchas RIP têm a vantagem que são buchas secas (livres de óleo). O núcleo deu uma bueha RIP é enrolado de papel com as placas eletrodos sendo inseridas em lugares apropriados entre enrolamentos de papel vizinhos. A resina é então introduzida durante um processo de a- quecimento e vácuo do núcleo.
Uma desvantagem de buchas de papel impregnado é que o pro- cesso de impregnar a pilha de papel pré-enrolada e filmes metálicos com óleo ou com uma resina é um processo lento. Seria desejável ser capaz de acelerar a produção de buchas para alta voltagem em que buchas, não obs- tante, deveriam ser livres de vazios e seguras em operação.
O documento DE 19 26 097 divulga uma bucha de alta voltagem que tem um condutor e um núcleo que circunda o condutor, na qual o núcleo 1,1 compreende espaçadores, cujos espaçadores são impregnados com um material matriz eletricamente isolante. Os espaçadores têm uma diversidade de furos que podem ser enchidos com o material matriz. Cada espaçador é formado de uma malha de fibras de vidro eletricamente isolantes, na forma de um tubo cilíndrico. Para cada tubo de fibra de vidro, fibras de vidro são formadas ao redor de um cilindro e são impregnadas com uma cola epóxi e, em seguida, endurecidas. Então os tubos espaçadores endurecidos são par- cialmente ou completamente revestidos. Um material metálico condutor ou semicondutor constitui as placas de equalização. A bucha compreende es- ses espaçadores na forma de tubos, os quais são arranjados de maneira concêntrica ao redor do núcleo. Para o processo de impregnação os tubos e espaçadores devem ser fixados em um molde para assegurar sua posição correta e para evitar que tubos vizinhos toquem um ao outro. Então, uma resina cheia de partículas, que é utilizada como um material matriz, é enchi- da no molde. Como diversos tubos de fibra de vidro de diferentes diâmetros devem ser produzidos para a produção de cada bucha, e como estes tubos devem ser colocados um no interior do outro com sua posição fixada, este método para a produção é bastante consumidor de tempo. Além disto, para cada tipo de bucha deve ser feito um molde específico.
A GB 690.022 descreve um isolante feito de papel enrolado em espiral. Camadas de papel com linhas de material condutor ou semicondutor que são espaçadas separadas uma da outra, são enroladas juntas com pa- pel não revestido, para conseguir uma bucha enrolada em espiral, a qual é então impregnada com um líquido isolante, tal como óleo.
Descrição da Invenção
Portanto, o objetivo da invenção é criar uma bucha para alta vol- tagem e um método para a produção de tal bucha, que não tenham as des- vantagens mencionadas acima. O processo de produção deve ser acelera- do, em particular o processo de impregnação deve ser encurtado.
O problema é solucionado pelos aparelhos e método com as características das reivindicações.
De acordo com a invenção, a bucha tem um condutor e um nú- cleo que circunda o condutor, na qual o núcleo compreende um espaçador como folha, cujo espaçador é impregnado com um material matriz eletrica- mente isolante. O espaçador é enrolado em forma espiral ao redor de um eixo, o eixo sendo definido por meio da forma do condutor. Assim, uma mul- tiplicidade de camadas vizinhas que são formadas. O núcleo ainda compre- ende elementos de equalização que são arranjados em distâncias radiais apropriadas até o eixo. Ela é caracterizada pelo fato de os elementos de e- qualização compreenderem camadas eletricamente condutoras, cujas ca- madas têm aberturas, através de cujas aberturas o material matriz pode pe- netrar e os elementos de equalização são aplicados ao núcleos separada- mente do espaçador.
O condutor tipicamente é uma haste ou um tubo ou um fio. O núcleo fornece isolamento elétrico do condutor e compreende elementos de equalização. Tipicamente, o núcleo é substancialmente simétrico em rotação e concêntrico com o condutor. O espaçador plano pode ser impregnado com um polímero resina ou com óleo, ou com algum outro material matriz. O es- paçador plano pode ser papel ou, preferivelmente, um material diferente, que é tipicamente enrolado em forma espiral, formando assim uma multiplicidade de camadas vizinhas.
Os elementos de equalização são inseridos no núcleo depois de certos números de enrolamentos, de modo que os elementos de equalização são arranjados em uma distância radial bem definida que pode ser prescrita até o eixo. Os elementos de equalização são entremeados de aberturas, o que facilita e acelera a penetração do núcleo enrolado com o material matriz.
Com filmes de metal sólido como no estado da técnica, o mate- rial matriz tem que escoar através da pilha de papel pré-enrolado e filmes metálicos a partir das laterais, isto é, ele deve escoar entre as camadas dos dois lados paralelos ao eixo A, uma vez que o material matriz não pode pe- netrar através dos filmes metálicos. Se os elementos de equalização com- preendem camadas com uma multiplicidade de aberturas, a troca de materi- al matriz na direção perpendicular ao eixo é tornada possível. Se as abertu- ras são grandes o suficiente e o enrolamento é feito de acordo, canais serão formados dentro do núcleo, os quais irão guiar rapidamente o material matriz através do núcleo durante impregnação nas direções perpendiculares ao eixo A.
Uma outra vantagem principal da utilização de elementos de e- qualização separados com uma multiplicidade de aberturas, é que isto per- mite a utilização de materiais alternativos. Independentemente do material do espaçador, o material dos elementos de equalização pode ser escolhido. Além disto, a dimensão, forma e/ou distribuição das aberturas nos elementos de equalização pode ser otimizada independentemente do material espaça- dor.
Em uma modalidade preferencial, os elementos de equalização são enrolados entre duas camadas espaçadoras, isto é, o espaçador como folha é enrolado e durante o processo de enrolamento, um elemento de equaliza- ção é inserido. O processo de enrolamento é continuado, de modo que o elemento de equalização na bucha fabricada se situa entre duas camadas de espaçador enrolado. Este método é muito fácil e permite um controle da espessura da pilha já pré-enrolada, de modo que a posição radial do ele- mento de equalização pode ser definida de maneira muito precisa.
Em uma modalidade preferencial, as camadas eletricamente condutoras que formam os elementos de equalização são conformadas em tela, conformadas em grade, em malha ou perfuradas. O projeto das cama- das em tela, conformadas em grade, malha ou camadas perfuradas e, con- seqüentemente, a dimensão e/ou distribuição das aberturas nestas cama- das, pode ser arranjado de maneira regular ou de maneira irregular. Tam- bém a forma das aberturas pode ser constante ou pode variar através de toda a camada ou de uma camada para a outra. Com estas variações, uma variação da densidade da área de abertura, definida como a relação da área de aberturas para a área total da camada eletricamente condutora em uma dada região da camada eletricamente condutora, pode ser conseguida. Em uma modalidade preferencial a densidade de abertura de área varia em uma direção perpendicular à direção de enrolamento e paralela ao eixo e, de tal maneira, que a densidade de abertura de área aumenta no sentido da parte central. Em uma bucha convencional leva muito mais (tempo) até a parte central da bucha ser impregnada com o material matriz do que as partes ex- ternas. Com tal variação da densidade da abertura de área o processo de impregnação é aprimorado na parte central.
Em uma outra modalidade preferencial da presente invenção, as camadas eletricamente condutoras compreendem uma multiplicidade de fi- bras, as quais são revestidas com um revestimento eletricamente condutor. Em particular, as camadas eletricamente condutoras podem consistir subs- tancialmente em fibras. Diversos materiais podem ser utilizados nas cama- das eletricamente condutoras em forma de fibras, por exemplo, fibras orgâ- nicas como polietileno e poliéster, ou fibras inorgânicas como alumina ou vidro, ou outras fibras como fibras de silicone. Fibras de diferentes materiais também podem ser utilizadas em combinação nas camadas eletricamente condutoras. Fibras isoladas ou feixes de fibras podem ser utilizadas como trama e urdidura de um tecido. É de grande vantagem utilizar fibras que têm uma baixa tomada de água de fuga, em particular uma tomada de água que é pequena comparada à tomada de água de fibras de celulose que são utili- zadas em buchas conhecidas do estado da técnica.
Uma vez que fibras não eletricamente condutoras devem ser utilizadas com revestimento eletricamente condutor, existem disponíveis fi- bras orgânicas e inorgânicas. Fibras orgânicas adequada são polietileno (PE), poliéster, poliamida, aramid, polibenzimidazol (PBI), polibenzobisoxa- zol (PBO), sulfeto de polifenileno (PPS), melamina, fenólico e poliimida. Fi- bras inorgânicas típicas são vidro, quartzo, basalto e alumina. Como fibras eletricamente condutoras carbono, boro, carbureto de silício, carbono metáli- co revestido e aramida são adequadas.
Em uma outra modalidade preferencial da presente invenção, as camadas eletricamente condutoras são feitas de material sólido condutor ou semicondutor. As camadas podem ser conformadas em tela, conformadas em grade, em malha ou perfuradas. Alternativamente, as camadas podem ser feitas de folhas de material sólido eletricamente condutor ou semicondu- tor, cujas folhas têm aberturas na forma de furos através das folhas. Alterna- M tivamente, também folhas de polímero com um revestimento condutor ou semicondutor, que compreende aberturas na forma de furos podem ser utili- zadas. Folhas de polímero com revestimentos condutores ou semiconduto- res podem ser vantajosas para a estabilidade da folha durante o processo de produção. A forma, dimensão, e/ou distribuição dos furos podem ser cons- tantes ou podem variar através de toda a camada. Com estas variações, uma variação da densidade da abertura de área definida como a relação da área de aberturas para a área total da camada eletricamente condutora em uma dada região da camada eletricamente condutora, pode ser conseguida. Em uma modalidade preferencial a densidade de abertura de área varia em uma direção perpendicular à direção de enrolamento e paralela ao eixo, de tal maneira que a densidade de abertura de área aumenta no sentido da par- te central.
Em uma outra modalidade vantajosa da presente invenção, as camadas eletricamente condutoras são revestidas e/ou tratadas na superfí- cie para dar uma adesão melhorada entre as camadas eletricamente condu- toras e o material matriz. Dependendo do material das camadas eletricamen- te condutoras pode ser vantajoso escovar, gravar, revestir ou tratar de outra maneira a superfície das camadas eletricamente condutoras, para conseguir uma interação melhorada entre as camadas eletricamente condutoras e o material matriz. Isto irá proporcionar uma estabilidade termomecânica apri- morada do núcleo.
Tipicamente, papel não perfurado é utilizado como material es- paçador juntamente com polímeros de baixa viscosidade não enchidos com o material matriz. Em uma outra modalidade preferencial, ao invés de utilizar papel não perfurado, o espaçador tem uma multiplicidade de aberturas. Uma bucha com tal espaçador que tem uma multiplicidade de aberturas está des- crita no Pedido de Patente Europeu EP 04405480.7 ainda não publicado. O conteúdo deste Pedido de Patente é expressamente o conteúdo deste Pedi- do de Patente. O espaçador pode ser conformado em tela, conformado em grade, em malha ou perfurado, como já foi divulgado acima para os elemen- tos de equalização. O espaçador pode compreender uma multiplicidade de fibras, como fibras de polímeros ou orgânicas ou inorgânicas. A combinação de elementos espaçadores e de equalização, ambos com as aberturas, per- mite uma penetração muito rápida do material matriz através da pilha de camadas espaçadoras e elementos de equalização. A penetração tem lugar principalmente na direção perpendicular ao eixo.
A combinação de elemento os espaçadores e de equalização, ambos com aberturas, permitem uma grande variedade de materiais matriz. Em particular, polímeros enchidos com partículas podem ser utilizados como materiais matrizes, o que resulta em diversas vantagens termomecânicas e uma capacidade de produção de bucha melhorada (acelerada). Isto pode resultar em uma redução considerável do tempo necessário para curar o material matriz.
Em uma modalidade particularmente preferencial o material ma- triz compreende partículas de enchimento. Preferivelmente, ele compreende um termopolímero com partículas de enchimento. O polímero pode, por e- xemplo, ser uma resina epóxi, uma resina poliéster, uma resina poliuretano ou um outro polímero eletricamente isolante. Preferivelmente, as partículas de enchimento são eletricamente isolantes ou semicondutoras. As partículas de enchimento podem, por exemplo, ser partículas de SiO2, Al2O3, BN, Aln, BeO, TiB2, TiO2, SiC, Si3N4, B4C ou similares, ou misturas deles. Também é possível ter uma mistura de diversas tais partículas no polímero. Preferível- mente o estado físico das partículas é sólido.
Comparado com um núcleo com epóxi não enchido como o ma- terial matriz, haverá menos epóxi no núcleo se um material matriz com um enchimento é utilizado. Conseqüentemente, o tempo necessário para curar o epóxi pode ser consideravelmente reduzido, o que reduz o tempo neces- sário para fabricar a bucha.
É vantajoso se condutividade térmica das partículas de enchi- mento for maior do que a condutividade térmica do polímero. Uma condutivi- dade térmica mais elevada do núcleo através da utilização de um material matriz com um enchimento irá permitir uma classificação de corrente aumen- tada da bucha ou um peso e dimensão reduzidos da bucha para a mesma 1,1 classificação de corrente. Também a distribuição de calor dentro da bucha sob condições operacionais é mais uniforme quando são utilizadas partícu- las de enchimento de condutividade térmica elevada.
É também vantajoso se o coeficiente de expansão térmica (CTE) das partículas de enchimento for menor do que o CTE do polímero. Se o material de enchimento é escolhido de acordo, as propriedades termomecâ- nicas da bucha são consideravelmente aprimoradas. Um CTE mais baixo do núcleo devido à utilização de um material matriz com um enchimento, irá conduzir a um encolhimento químico total reduzido durante a cura. Isto pos- sibilita a produção de buchas de forma extrema quase livre de usinagem e, portanto, reduz consideravelmente o tempo de produção. Em adição, o de- sencontro de CTE entre núcleo e condutor (ou mandril) pode ser reduzido.
Além disso, devido a um enchimento no material matriz, a toma- da de água do núcleo pode ser amplamente reduzida e uma rigidez à fratura aumentada (resistência à rachadura mais elevada) pode ser conseguida (re- sistência elevada à rachadura). Utilizar um enchimento pode reduzir de ma- neira significativa a fragilidade do núcleo (rigidez mais elevada à fratura) possibilitando assim aprimorar as propriedades termomecânicas do núcleo (temperatura de transição de vidro mais elevada).
Tal bucha é uma bucha graduada ou finamente graduada (de graduação fina). Tipicamente, uma camada isolada do material espaçador é enrolada ao redor do condutor ou ao redor de um mandril de modo a formar uma espiral de material espaçador. Em particular, no caso de buchas muito longas duas ou mais tiras deslocadas axialmente de material espaçador po- dem ser enroladas em paralelo. Também é possível enrolar uma espiral de camada dupla ou mesmo material espaçador mais espesso; tal camada du- pla ou tripla poderia então, não obstante, ser considerada como a camada de material espaçador cujo material espaçador, neste caso aconteceria ser de camada dupla ou tripla.
Outras modalidades preferenciais e vantagens emergem das reivindicações dependentes e das Figuras.
Breve Descrição de Desenhos
Abaixo a invenção está ilustrada em mais detalhe por meio de modalidades possíveis que estão mostradas nos desenhos incluídos. As Fi- guras mostram de maneira esquemática:
Figura 1: uma seção transversal de uma bucha inovadora gra- duada fina, em vista parcial;
Figura 1 A: um detalhe ampliado da Figura 1;
Figura 2: vista parcial de um elemento de equalização na forma de uma rede de fibras;
Figura 3: vista parcial de um elemento de equalização; Figura 4: seção transversal de uma outra modalidade de uma bucha inovadora graduada fina, em vista parcial; e Figura 4A: detalhe ampliado da Figura 4.
Os símbolos de referência utilizados nas Figuras e seu significa- do estão resumidos na lista de símbolos de referência. Geralmente partes iguais e de igual funcionamento recebem os mesmos símbolos de referên- cia. As modalidades descritas são tidas como exemplos e não devem limitar a invenção.
Modos de Realizar a Invenção
A Figura 1 mostra, de maneira esquemática, uma vista parcial de uma seção transversal de uma bucha graduada fina 1. A bucha é substanci- almente simétrica em rotação com um eixo de simetria A. No centro da bu- cha 1 existe um condutor metálico sólido 2 que também poderia ser um tubo ou um fio. O condutor 2 é parcialmente circundado por um núcleo 3 que é também substancialmente simétrico em rotação com o eixo de simetria A. O núcleo 3 compreende um espaçador 10 que é enrolado ao redor do núcleo 3 e é impregnado com um epóxi curável como um material matriz 6. Em dis- tâncias prescritas a partir do eixo A camadas eletricamente condutoras 51 são inseridas entre enrolamentos vizinhos do espaçador 4, de modo a fun- cionar como elementos de equalização 5. Do lado de fora do núcleo 3 um flange 10 é fornecido, o qual permite fixar a bucha 1 a uma carcaça aterrada de um transformador ou comutador, ou similar. Sob condições de operação o condutor 2 estará em potencial elevado e o núcleo 3 fornece o isolamento 1,1 elétrico entre o condutor 2 e o flange 10 em potencial de terra. Daquele lado da bucha 2 que usualmente está localizado fora da carcaça, uma envoltória isolante 11 circunda o núcleo 3. A envoltória 11 pode ser um composto oco feito de, por exemplo, porcelana, silicone ou um é epóxi. A envoltória 11 po- de ser dotada de telhados ou, como mostrado na Figura 1, compreender te- lhados. A envoltória 11 deve proteger o núcleo 3 de envelhecimento (por radiação ultravioleta, clima) e manter boas propriedades de isolamento elé- trico durante toda a vida da bucha 1. A forma dos telhados é projetada de tal modo que ela tem uma superfície autolimpante quando é exposta à chuva. Isto evita a acumulação de poeira ou poluição sobre a superfície do telhado, o que poderia afetar as propriedades isolantes e conduzir a faiscamento elé- trico.
No caso de existir um espaço intermediário entre o núcleo 3 e a envoltória 11, um meio isolante 12, por exemplo, um líquido isolante 12 co- mo gel de silicone ou gel de poliuretano, pode ser fornecido para encher a- quele espaço intermediário.
A vista parcial ampliada Figura 1A da Figura 1 mostra a estrutura do núcleo 3 em maior detalhe. Um elemento de equalização 5 é cercado por duas camadas do espaçador 4. Os elementos de equalização 5 são inseri- dos em certas distâncias a partir do eixo A entre enrolamentos espaçadores vizinhos. Usualmente, existem diversas camadas de espaçador 4 entre dois elementos de equalização vizinhos 5, na Figura 1 existem seis camadas de espaçador 4 entre elementos de equalização vizinhos 5. Por meio do núme- ro de enrolamentos espaçadores entre elementos de equalização vizinhos 5 a distância (radial) entre elementos de equalização vizinhos 5 pode ser esco- lhida. A distância radial entre elementos de equalização vizinhos 5 pode ser variada de um elemento de equalização para o próximo. O elemento de e- qualização 5 na Figura 1A é formado como uma camada eletricamente con- dutora 51 com uma multiplicidade de aberturas 9, as quais podem ser enchi- das com material matriz 6. Por exemplo, na Figura 1A a camada eletrica- mente condutora 51 é feita de uma folha sólida com aberturas 9 na forma de furos.
Em uma modalidade preferencial da presente invenção, as aberturas 9 nas placas de equalização têm uma extensão lateral na faixa de 50 nm até 5 cm em particular, 1 mícron até 1 cm. A espessura das placas de equaliza- ção 4 pode estar na faixa de 1 mícron até 2 mm e a largura das pontes 8, tipicamente está na faixa de 1 mm até 10 cm, em particular 5 mm até 5 cm. A área consumida pelas aberturas 9 pode ser maior do que a área consumi- da pelas pontes 8. Tipicamente, no plano das placas de equalização, a área consumida pelas aberturas 9 está entre 1% e 90% da área total da camada eletricamente condutora 51 em uma dada região da camada eletricamente condutora, em particular 5% até 75% da área total da camada eletricamente condutora.
A Figura 2 mostra de maneira esquemática uma vista superior de uma camada eletricamente condutora 51. Feixes 7 de fibras formam pon- tes ou peças transversais 8 através das quais as aberturas 9 são definidas. Em uma seção transversal através de tal rede, quando enrolada para uma espiral, feixes de fibra e aberturas 9 entre estas são visíveis, como mostrado na Figura 1A. As fibras são interligadas em uma maneira conformada em rede, conformada em grade, em malha ou manier perfurado, mais generica- mente em um manier, no qual um tecido é fabricado com uma textura, no qual aberturas 9 são criadas pelo arranjo dos feixes de fibra 7. Ao invés de feixes de fibras 7, as camadas eletricamente condutoras 5 conformadas em rede, conformadas em grade, em malha ou perfuradas, também podem ser formadas de fibras isoladas (não mostrado).
Em geral, os elementos de equalização 5 compreendem cama- das 51 com aberturas 9. Estas camadas 51 não têm necessariamente que ser igualmente projetadas em qualquer direção. Também a dimensão forma e/ou distribuição das aberturas 9 não têm necessariamente que ser igual- mente espaçadas em qualquer direção. Com estas variações, uma variação da densidade de abertura de área definida como a relação da área de aber- turas 9 para a área total da camada eletricamente condutora 51 em uma da- da região da camada eletricamente condutora pode ser conseguida. Em par- ticular, pode ser vantajoso variar a dimensão forma e/ou distribuição das a- 1,1 berturas 9 ao longo da direção axial e/ou perpendicular à direção axialmente, de tal modo que uma impregnação livre de vazios do núcleo 3 seja facilitada. Pode ser vantajoso, por exemplo, reduzir a densidade de aberturas de área nas margens dos elementos de equalização 5 perpendicular à direção de enrolamento e paralela ao eixo A para conseguir uma distribuição homogê- nea do material matriz 6, uma vez que nestas margens dos elementos de equalização 5 o material matriz 6 pode penetrar a partir de direções perpen- diculares ao eixo A, bem como a partir da direção paralela ao eixo A, portan- to a impregnação é mais rápida nestas áreas.
Em um núcleo 3 enrolado com elementos de equalização 5 sem aberturas, como eles são conhecidos do estado da arte, o material matriz 6 não pode atravessar os elementos de equalização 5 e, é portanto, o material matriz tem que impregnar o núcleo a partir dos lados, isto é, ele tem que es- coar entre as camadas 4 e/ou 51 a partir dos dois lados paralelos ao eixo A e em direção radial ao redor do eixo A entre duas camadas. Isto está mos- trado na Figura 1A por meio de setas finas 14. Dependendo do material es- paçador, o espaçador 4 também pode ser parcialmente permeável para o material matriz 6 delineado na Figura 1A pelas setas finas 14'. Com os ele- mentos de equalização inovadores 5 com aberturas 9 o material matriz 6 pode escoar através das aberturas 9 nos elementos de equalização 5 duran- te impregnação através de canais 13, delineados na Figura 1A por meio de setas espessas.
A Figura 4 mostra, de maneira esquemática, uma vista parcial de uma seção transversal de uma bucha graduada fina 1 de acordo com uma outra modalidade da bucha inovadora. A vista parcial ampliada na Figura 4A da Figura 4 mostra as estruturas do núcleo 3 em maior detalhe. Como mos- trado na Figura 4A o processo de impregnação pode ser aprimorado se os elementos de equalização 5 e o espaçador 4 compreenderem uma multipli- cidade de aberturas 9, 9' que formam canais 13, 13' através de cujos canais o material matriz 6 pode passar. Neste caso o material matriz 6 pode pene- trar rapidamente no espaçador 4 bem como nos elementos de equalização 5 a partir de direções perpendiculares ao eixo A para a direção do conduto 2 ou mandril, respectivamente, delineado pelas setas espessas 13, 13'. Em uma variante preferencial, as aberturas 9 de enrolamentos espaçadores vizi- nhos se superpõem de modo que canais 13, 13' são formados dentro de camadas espaçadoras vizinhas para o interior das quais e através das quais o material matriz 6 pode escoar durante impregnação. Em uma variante pre- ferencial particular, aberturas 9, 9' de todas as camadas vizinhas, isto é, do espaçador 4 e das camadas eletricamente condutoras 51 se superpõem, de modo que canais 13, 13' são formados através do núcleo 3 até o condutor 2 ou mandril, respectivamente. O espaçador 4, como mostrado na Figura 4A é conformado em rede, porém é também possível que o espaçador 4 seja con- formado em grade, em malha ou perfurado.
Tipicamente, existem entre duas e quinze camadas de enrola- mentos espaçadores entre elementos de equalização vizinhos 5, porém também é possível ter somente uma camada espaçadora entre elementos de equalização vizinhos 5, ou ter mais do que quinze camadas espaçadoras.
O elemento equalizador 5 pode também ser feito de uma peça sólida de material ao invés de fibras. A Figura 3 mostra um exemplo. Uma folha eletricamente condutora sólida ou uma folha de material semicondutor compreendem aberturas 9 na forma de furos que são separados um do outro por meio de pontes 8. Ao invés de utilizar uma folha sólida, é também possí- vel utilizar uma folha de polímero com uma metalização superficial ou com revestimento de material semicondutor. A forma dos furos pode ser quadra- da como mostrado na Figura 3, porém qualquer forma é possível, por exem- plo, retangular, ou redonda ou oval. Como sólido, material elétrico condutor uma quantidade de metais estão disponíveis como prata, cobre, ouro, alumí- nio, tungstênio, ferro, aço, platina, cromo, chumbo, níquel-cromo, constan- tan, estanho ou ligas metálicas. Alternativamente, a camada eletricamente condutora 51 pode também ser feita de carbono.
O material matriz 6 no núcleo 3 na Figura 4 é preferivelmente um polímero enchido com partículas. Por exemplo, uma resina epóxi ou poliure- tano é enchida com partículas de AI203. Dimensões de partícula de enchi- mento típicas estão na faixa de 10 nm até 300 micra. O espaçador 4 e os M elementos de equalização 5 têm que ser conformados, isto é, têm que com- preender aberturas 9, 9' de uma tal dimensão que as partículas de enchi- mento podem se distribuir através de todo o núcleo 3 durante a impregna- ção. Em buchas convencionais com papel (livre de furo) como espaçador, o papel deveria funcionar como um filtro para tais partículas. Ele pode ser fa- cilmente fornecido para canais 13 que são grandes o suficiente para um es- coamento de um material matriz enchido com partículas 6 como mostrado na Figura 4A.
A condutividade térmica de um núcleo RIP padrão com resina pura (não enchido com partícula) é tipicamente cerca de 0,15 W/mK até 0,25 W/mK. Quando uma resina enchida com partícula é utilizada, valores de no mínimo 0,6 W/mK até 0,9 W/mK ou mesmo acima 1,2 W/mK ou 1,3 W/mK para a condutividade térmica do núcleo da bucha podem facilmente ser con- seguidos.
Em adição, o coeficiente de expansão térmica (CTE) pode ser muito menor quando um material matriz enchido com partículas 6 é utilizado ao invés de um material matriz sem partículas de enchimento. Isto resulta em menos tensão termomecânica no núcleo da bucha.
O processo de produção de uma bucha 1 como descrito em con- junto com a Figura 1 ou Figura 4, compreende tipicamente as etapas de en- rolar o espaçador 4 em uma ou mais tiras com pedaços sobre o condutor 2, aplicar os elementos de equalização 5 durante enrolamento, aplicar um vá- cuo e aplicar o material matriz 6 a um núcleo evacuado 3 até que o núcleo 3 esteja completamente impregnado. A impregnação sob vácuo tem lugar em temperaturas tipicamente entre 25°C e 130°C. Então o material matriz epóxi 6 é curado (endurecido) a uma temperatura tipicamente entre 60°C e 150°C e eventualmente pós-curado para alcançar as propriedades termomecânicas desejadas. Então o núcleo 3 é resfriado e eventualmente usinado, e o flange 10, a envoltória isolante 11 e outras partes são aplicadas. Ao invés de enro- lar o espaçador 4 sobre o condutor 2, também é possível enrolar o espaça- dor 4 sobre um mandril que é removido depois de acabar um processo de produção. Mais tarde um condutor 2 pode ser inserido no furo no núcleo 3 que é deixado no lugar no qual o mandril estava posicionado. Neste caso o condutor 2 pode ser circundado por algum material isolante como um líquido isolante para evitar espaços de ar entre o condutor 2 e o núcleo 3.
Os elementos de equalização 5 podem ser aplicados ao núcleo 3 enrolando-os entre duas camadas espaçadoras, isto é, o espaçador como folha 4é enrolado e durante o processo de enrolamento um elemento de e- qualização 5 é inserido. O processo de enrolamento é continuado, de modo que o elemento de equalização 5 na bucha fabricada se situa entre duas camadas de espaçador enrolado 4. Este método é muito fácil e permite um controle da espessura da pilha já pré-enrolada, de modo que a posição radi- al do elemento de equalização pode ser definida de maneira muito precisa.
Uma outra possibilidade é fixar um elemento de equalização 5 ao espaçador 4 antes ou durante o enrolamento. Isto pode ser feito, por e- xemplo, colando o elemento de equalização 5 sobre o espaçador ou fixando- os juntos por meio de um processo de aquecimento no qual o espaçador 4 e o elemento de equalização 5 são depositados um acima do outro e calor é aplicado, por meio do que, no mínimo um dos materiais, isto é, um material do espaçador 4 e/ou o elemento de equalização 5 no mínimo parcialmente derrete ou amolece, e com isto formam uma conexão com o outro material. No mínimo um dos materiais, isto é, o espaçador 4 e/ou o elemento de equa- lização 5 poderiam também ter um revestimento que tem um ponto de fusão baixo e que facilita este processo. Uma outra possibilidade para fixar o ele- mento de equalização 5 sobre o espaçador 4 é revestir o espaçador 4 jun- tamente com o elemento de equalização 5 com um revestimento de fixação. Alternativamente, é possível fixar um elemento de equalização 5 de maneira mecânica, por exemplo, utilizando um tipo de grampo ou por meio de uma fibra que conecta o espaçador 4 com o elemento de equalização 5. É mes- mo possível utilizar um elemento de equalização 5 e um espaçador 4 com uma tal estrutura de superfície que eles podem ser interligados como uma conexão de fixador de gancho e alça. Ao invés de utilizar uma camada ele- tricamente condutora 51 como um elemento de equalização 5, é possível utilizar no mínimo duas camadas eletricamente condutoras 51 como um e- 1,1 Iemento de equalização 5.
Classificações de voltagem típicas para buchas de alta voltagem estão entre cerca de 50 kV até 800 kV em correntes classificadas de 1 kA até 50 kA.
Lista de símbolos de referência
1. bucha, bucha condensadora
2. condutor
3. núcleo
4. espaçador como folha
5. elemento de equalização 51. camada
6. material matriz
7. feixe de fibras
8. peça transversal/ponte
9. abertura
10. fIange
11. envoltória isolante (com telhados) composto núcleo oco
12. meio isolante, gel
13. canal
A. eixo
Claims (15)
1. Bucha (1) com um condutor (2) e um núcleo (3) que circunda o condutor (2), o núcleo (3) compreendendo um espaçador como folha (4) cujo espaçador (4) é impregnado com um material matriz eletricamente iso- lante (6) e cujo espaçador (4) é enrolado em forma espiral ao redor de um eixo (A), formando assim uma multiplicidade de camadas vizinhas, o eixo (A) sendo definido através da forma do condutor (2), o núcleo (3) ainda compre- endendo elementos de equalização (5) em distâncias radiais apropriadas até eixo (A), caracterizada pelo fato de os elementos de equalização (5) com- preenderem camadas eletricamente condutoras ou semicondutoras (51), cujas camadas (51) têm aberturas (9) através de cujas aberturas (9) o mate- rial matriz (6) pode penetrar e os elementos de equalização (5) são aplica- dos ao núcleo (3) de forma separada do espaçador (4).
2. Bucha (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de os elementos de equalização (5) serem enrolados de forma separada do espaçador (4).
3. Bucha (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de as camadas eletricamente condutoras (51) compreenderem um material metálico semicondutor ou carbono.
4. Bucha (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de as camadas eletricamente condutora (51) compreenderem uma multiplicidade de fibras (7).
5. Bucha (1) de acordo com as reivindicações precedentes, ca- racterizada pelo fato de as camadas eletricamente condutoras (51) serem conformadas em rede conformadas em grade, em malha ou perfuradas.
6. Bucha (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de as camadas eletricamente condutoras (51) serem feitas de fo- lhas sólidas, em particular feitas de metal, liga metálica, ou carbono, com aberturas (9) na forma de furos.
7. Bucha (1.) de acordo com uma das reivindicações preceden- tes, caracterizada pelo fato de as camadas eletricamente condutoras (51) serem revestidas e/ou tratadas na superfície para uma adesão melhorada entre as camadas eletricamente condutoras (51) e o material matriz (6).
8. Bucha (1) de acordo com uma das reivindicações preceden- tes, caracterizada pelo fato de a dimensão e/ou número das aberturas (9) nas camadas eletricamente condutoras (51) variar ao longo da direção para- leia ao eixo (A).
9. Bucha (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o espaçador como folha (4) compre- ender uma camada eletricamente isolante, cuja camada tem aberturas (9') através de cujas aberturas (9') o material matriz (6) pode penetrar.
10. Bucha (1) de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de o material matriz (6) compreender partículas de enchimento.
11. Bucha (1) de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de as partículas de enchimento serem eletricamente isolantes ou semicondutoras.
12. Bucha (1) de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracte- rizada pelo fato de a condutividade térmica das partículas de enchimento ser mais elevada do que a condutividade térmica do polímero e/ou o coeficiente de expansão térmica das partículas de enchimento ser menor do que o coe- ficiente de expansão térmica do polímero.
13. Método para a produção de uma bucha (1) como definida na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um espaçador como folha (4) ser enrolado em forma espiral ao redor de um condutor (2) ou ao redor de um mandril, a forma do condutor (2) ou do mandril definindo um eixo (A), o es- paçador é enrolado como folha (4) formando assim uma multiplicidade de camadas vizinhas, e então o espaçador como folha (4) é impregnado com um material matriz eletricamente isolante (6), caracterizado pelo fato de ele- mentos de equalização (5) que compreendem camadas eletricamente con- dutoras (51) com aberturas (9) serem aplicados ao núcleo (3) de forma sepa- rada do espaçador (4) em distâncias radiais apropriadas até o eixo (A).
14. Camada eletricamente condutora para uma bucha como de- finida em qualquer uma das reivindicações 1 até 12, caracterizada pelo fato de a camada eletricamente condutora (51) que tem uma multiplicidade de aberturas (9) formar um elemento de equalização individual (5).
15. Aparelho de alta voltagem, em particular um gerador ou um transformador, ou uma instalação de alta voltagem, em particular um comu- tador que compreende uma bucha (1) como definida em uma das reivindica- ções 1 até 12.
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