TW201546830A - 用於如變壓器之電氣設備之電性絕緣材料及導體包覆材 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種物件，其包含完全水解聚乙烯醇纖維、無機填料、以及聚合物黏合劑。該物件可經形成為電性絕緣飽和不織布片並用於電氣設備，例如充液變壓器，該電性絕緣飽和不織布片可為實質上不含纖維素。
Description
本發明係關於適用於電性絕緣應用的電性絕緣材料，具體而言，本發明係關於適用於變壓器(例如充液變壓器)之電性絕緣導體包覆材(wrap)。
電氣設備如電動機、發電機及變壓器通常都需要某種型式的介電絕緣來隔離鄰近導體。
牛皮紙為一習用絕緣材料，其為基於纖維素材料，通常用於充液變壓器。然而纖維素紙有許多缺點，例如高吸濕性、分解後出水、以及有限的耐熱能力。目前充液變壓器之水分含量必須少於0.5wt%才足以使其於經設計之產品生命週期內能可靠地運作。充液變壓器所受到的水污染會透過電性減損以及放電活動的增加而造成性能的降低。因為纖維素材質對水的強親附性(吸濕性)，迫使充液變壓器製造商在將這些材料最後組裝至充液變壓器中之前需要耗費大量的時間以及能源來使這些材料乾燥。水分的存在會進一步加速纖維素分解且導致釋放出額外水成為分解產物。
纖維素紙的另一個主要缺點為其有限的熱穩定度。標準
牛皮紙的耐熱等級為105℃，耐熱能力升級後的牛皮紙則有120℃的耐熱等級。使用牛皮紙絕緣的充液變壓器之最高運作溫度受限於牛皮紙的耐熱能力。
某些電性絕緣應用需要具有低吸濕性以及高熱穩定度之材料，進而達到適用於電氣設備應用的性能。
本發明之材料適用於對變壓器、電動機、發電機、以及需要絕緣電氣元件之其他裝置中之電氣元件進行絕緣。具體而言，此材料特別適用於充液變壓器及其他充液電氣組件的絕緣導體包覆材。在一態樣中，此材料可用作充液變壓器的導體包覆材。
本發明之至少某些實施例提供一種具有低吸濕性之絕緣物件。本發明之至少某些實施例提供一種電性絕緣飽和不織布片材，其相較於習用的基於纖維素之牛皮紙具有所需的熱穩定度。
本發明之至少一實施例提供一種物件，其包含無機填料、完全水解聚乙烯醇纖維、以及聚合物黏合劑。在另一態樣中，該物件係經形成為經飽和不織布片。在另一態樣中，該物件可進一步包括耐熱油之黏結纖維(binder fibers)。例如，該物件可包括聚苯硫(polyphenylene sulfide,PPS)黏結纖維。
在另一態樣中，該無機填料包含下列之至少一者：高嶺土、滑石、雲母、碳酸鈣、二氧化矽、氧化鋁、三水合氧化鋁(alumina trihydrate)、蒙脫石、膨潤石、膨土、伊利石、綠泥石、海
泡石、綠坡縷石、多水高嶺土、蛭石、合成鋰皂石、累托石、珍珠岩、氮化鋁、碳化矽、氮化硼、以及其組合。
在另一態樣中，該無機填料包含高嶺土。在一進一步態
樣中，該高嶺土包含下列之至少一者：水洗高嶺土、剝層高嶺土、煅燒高嶺土、以及經表面處理高嶺土。
在另一態樣中，該聚合物黏合劑包含基於乳膠之材料。
在一進一步態樣中，其中該聚合物黏合劑包含丙烯酸、腈、以及苯乙烯丙烯酸乳膠之至少一者。
在另一態樣中，該物件包含大約20%至大約50%之完
全水解聚乙烯醇纖維。在一進一步態樣中，該物件包含大約40%至大約60%之高嶺土、以及大約5%至大約30%之聚合物黏合劑。在另一態樣中，該物件進一步包含大約0%至大約20%之PPS黏結纖維。該百分比係以重量計。
在另一態樣中，該物件為實質上不含纖維素。
在另一態樣中，該物件係為非吸濕性。
本發明之另一實施例提供用於電氣設備之絕緣導體包覆材，其中該絕緣導體包覆材包含上述之物件。該電氣設備包含變壓器、電動機、以及發電機之一者。在一態樣中，該電氣設備包含一充液變壓器。
本發明之另一實施例提供包含具有完全水解聚乙烯醇纖維之電性絕緣導體包覆材的充油變壓器。在另一態樣中，該電性絕緣導體包覆材進一步包含無機填料及聚合物黏合劑。在一進一步態樣
中，該充油變壓器包含大約20%至大約50%之完全水解聚乙烯醇纖維、大約40%至大約60%之高嶺土、以及大約5%至大約30%之聚合物黏合劑，其中該百分比係以重量計。在另一態樣中，該電性絕緣之經飽和不織布材料為實質上不含纖維素。
如此說明書中所用：
「實質上不含纖維素」代表含有少於10wt%之基於纖維素材料，較佳者為含有少於5wt%之基於纖維素材料，更佳者為僅含有微量的基於纖維素材料，及最佳者為不含基於纖維素材料。
「非吸濕性」意指在相對溼度50%下含水量少於5wt%，更佳者在相對溼度50%下含水量少於1.5wt%，且甚至更佳者在相對溼度50%下含水量少於1wt%。
以上本發明之概述並非意欲說明本發明各個揭露的實施例或是每一個實施方案。以下之詳細說明可更具體地說明本發明之實施例。
100‧‧‧包覆導體
110‧‧‧矩形導體
120‧‧‧片材
以下將部分參照本發明中的非限制性實例並參照圖式來描述本發明，其中：圖1為一示意圖，繪示根據本發明之一態樣之具有導體包覆材的包覆導體，該導體包覆材包含經飽和不織布片材。
雖然本發明可具有各種修改與替代形式，但已在圖式中以舉例方式顯示其中細節且將詳細描述。不過，應瞭解，並未意圖將本發明限制於所描述的具體實施例。相反地，本發明應涵蓋所有落於
如隨附申請專利範圍所定義的本發明之範疇內之修改例、均等例與替代例。
在以下敘述中，應瞭解在不脫離本發明精神和範圍下可思考出及做出其他實施例。因此，不以一限制觀點看待以下之實施方式。
除非另有所指，本說明書和申請專利範圍中所使用的所有表示特徵之尺寸、量和物理性質之數字，在所有例項中均應理解成以「約」一詞進行修飾。因此，除非有相反的說明，本說明書及所附申請專利範圍中所列出的該等數值參數均為近似值，其可取決於利用本文所揭露教示之此項技術領域中具有通常知識者尋求獲得之該等期望性質而變。以端點表述的數值範圍包括範圍內所有數值(例如，1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。
本發明之至少一實施例提供包含完全水解聚乙烯醇纖維、無機填料及聚合物黏合劑之物件。該物件可經形成為用於例如變壓器、電動機、以及發電器等電氣設備之絕緣飽和不織布片材。電氣設備有時充滿絕緣(介電)液體或流體。用於充液電氣設備的典型流體可包括礦物油、天然酯油、合成酯油、矽油、以及類似者。該物件可經形成為用於例如充液變壓器、充液電纜、充液開關設備等充液電氣設備之絕緣飽和不織布片材。因此，該充液電氣設備可為實質上不含纖維素。
相較於習用的基於纖維素之牛皮紙，本發明之至少某些實施例提供具有較低吸濕性、較高熱穩定度及較高導熱度之電性絕緣導體包覆材。
本發明之至少某些實施例提供一種絕緣材料，其可由分梳程序(carding process)形成，並以塗料飽和。如此一來，該絕緣飽和片可具有適用於電氣設備應用之厚薄度、強度、柔軟度及延展性。
雖然基於纖維素之牛皮紙已在充液變壓器產業被使用了許多年，但是其已知缺點為高吸濕性、易受水解、以及有限的抗高溫能力。透過免除該物件內之纖維素並且改用完全水解聚乙烯醇纖維，更具體為使用無機填料(例如高嶺土)以及完全水解聚乙烯醇纖維之組合，即可呈現電性絕緣飽和不織布片材，其相較於標準牛皮紙具有低吸濕性、高熱穩定度、以及高導熱度。
本說明書所敘述之物件及電性絕緣材料可讓變壓器製造商節省耗時又費力的乾燥週期，該等乾燥通常在進入浸油程序之前進行，以乾燥使用傳統牛皮紙絕緣的變壓器單元。取決於單元的設計和大小，乾燥週期可持續12小時乃至數日。進一步地，牛皮纖維素紙不只具有吸濕性，纖維素的老化以及實際的分解會產生水成為副產品，該水分會進一步降低變壓器油的絕緣品質。
如上所述，電性絕緣飽和不織布材料包含聚乙烯醇(PVOH)纖維。在一實例中，電性絕緣飽和不織布材料以重量計包含大約20%至大約50%的完全水解聚乙烯醇纖維。完全水解係意指纖維含有少於5%未水解之乙酸乙烯酯且因此至少有95%的水解程度。完全
水解聚乙烯醇的熔點通常在230℃至245℃範圍內。較佳者，完全水解纖維具有高韌度(>6克/丹尼)。完全水解、高韌度的聚乙烯醇纖維通常無法於室溫下溶於水。相對地，低水解聚乙烯醇纖維的熔點通常介於180℃至190℃範圍內，並可於室溫下溶於水。這些部份水解PVOH纖維通常被使用為黏結纖維。
此外，該電性絕緣飽和不織布片包含無機填料。在一態樣中，適合之無機填料包括但不限於高嶺土、滑石、雲母、碳酸鈣、二氧化矽、氧化鋁、三水合氧化鋁(alumina trihydrate)、蒙脫石、膨潤石、膨土、伊利石、綠泥石、海泡石、綠坡縷石、多水高嶺土、蛭石、合成鋰皂石、累托石、珍珠岩、氮化鋁、碳化矽、氮化硼、以及其組合。該無機填料亦可能經過表面處理。適合的高嶺土種類包括但不限於水洗高嶺土、剝層高嶺土、煅燒高嶺土、及經表面處理高嶺土。在一實例中，該電性絕緣材料以重量計包含大約0%至大約60%的高嶺土。較佳者，該電性絕緣材料以重量計包含大約40%至大約60%的高嶺土。
此外，該電性絕緣飽和不織布片包含聚合物黏合劑。適合之聚合物黏合劑可包含基於乳膠之材料。在另一態樣中，適合之聚合物黏合劑可包括但不限於丙烯酸乳膠、腈乳膠、苯乙烯丙烯酸乳膠及天然橡膠乳膠。在一實例中，該電性絕緣材料以重量計包含大約5%至大約30%之聚合物黏合劑。在某些較佳的實施例中，該電性絕緣材料以重量計包含大約5%至大約20%之聚合物黏合劑。
可選擇地，該電性絕緣材料可進一步包含額外纖維。在某些實施例中，該額外纖維包含無定形、未拉伸纖維。在一實例中，該額外纖維包含耐熱油之黏結纖維。在某些實施例中，該電性絕緣材料包含聚苯硫(PPS)纖維。在一進一步態樣中，該電性絕緣材料包含雙組分纖維，例如PPS/聚對苯二甲酸乙二酯(PET)雙組分纖維。在一實例中，該電性絕緣材料以重量計包含大約0%至大約30%之PPS纖維。在其他實施例中，該電性絕緣材料以重量計包含大約0%至大約20%之PPS纖維。
在許多實施例中，該電性絕緣材料係經形成為飽和不織布片或墊(mat)。在一態樣中，經分梳程序之基於聚乙烯醇纖維之不織布材料隨後經漿體塗料飽和，該漿體塗料包括無機填料及乳膠黏合劑。在另一態樣中，經分梳程序之不織布墊隨後經漿體塗料飽和，該不織布墊包含聚乙烯醇纖維與PPS纖維之組合，該漿體塗料包含無機填料及乳膠黏合劑。分梳/飽和程序可使所得片材變薄(例如少於5密耳(0.13毫米)，在某些態樣中為大約2至3密耳(0.05至0.08毫米))。該等分梳及塗布步驟可以習用程序進行。在一實例程序中，切碎之聚乙烯醇纖維經送入鼓風機，接著再送入一梳棉機將纖維梳成不織布墊或纖維層(batting)。該墊接著經加熱壓延(例如使用熱接合)以加強其強度。也可使用其他習用的不織布製成程序。在進一步實例中，接著將包含無機黏土聚合物乳膠之漿料以習用塗布方法(例如線桿拉塗(wire-wound rod)(如梅耶杆(Meyer rod))或簾幕式塗布)塗上該不織布墊。
在一替代態樣中，非吸濕性之不織布絕緣材料可包含無機填料、完全水解聚乙烯醇纖維、聚合物黏合劑、以及額外的高表面積纖維。此材料可使用如美國專利申請公開案第61/931,792號所敘述之濕式佈層(wet-laid)程序製備，其全文以引用方式併入本文中。
成品為適用於電氣設備之非吸濕性不織布絕緣材料。在某些態樣中，該非吸濕性不織布絕緣材料可用於包覆充液變壓器內之導體。該電性絕緣材料可抵抗高溫流體，包括高溫油。
例如，圖1顯示本發明之另一態樣，即適用於如充液變壓器等電氣設備之絕緣導體包覆材。在一例示性態樣中，該變壓器包含一充油變壓器。
在圖1中，包覆導體100包括一導體，例如由片材120所包覆之矩形導體110。導體110可包含任何習用的導體材料。片材120包覆該導體110使該導體110與鄰近導體電性隔離。片材120可包含上述之該飽和不織布片。該包覆導體100之後可用於充液(例如油)配線或電力變壓器。進一步地，一個或多個額外變壓器元件也可由本說明書所敘述之電性絕緣材料形成，如所屬技術領域中具有通常知識者在閱讀本說明書後所可理解。
透過使用本說明書所敘述之電性絕緣材料，變壓器可通過更高運作等級認證，並可經設計達到標準，例如IEEE Std.C57.154-2012。
如以下實例所示，移除纖維素及基於纖維素變壓器元件可大幅縮短乾燥時間。此外，該等變壓器本身也可較不受水影響而劣化。
以下之實例及比較例係用於幫助理解本發明而不應理解為對本發明的範圍限制。除非另有陳述，所有份量和百分比皆以重量計。利用以下測試方法和標準評價以下示範性實例及比較例。
使用以下領域內已知方法製作例示性電性絕緣飽和不織布材料：用於製備實例1至實例10的該等經分梳不織布墊所使用之纖維混合物如表1所示。每一片墊的組成物以重量百分比(wt%)計算並列於表2。該等纖維混合物通過一梳棉機以製成纖維層，其基重如表2所示。每一不織布纖維層接著經過一鋼製棉夾具(steel cotton nip)壓延，其線速為32英尺/分鐘(9.8m/min)，鋼輥則加熱至約300℉(149℃)且其夾持壓力約為800pli(143kg/cm)。實例10經過兩個鋼製棉夾具壓延，其線速為75英尺/分鐘(22.9m/min)，鋼輥則加熱至約410℉(210℃)且其夾持壓力約為800pli(143kg/cm)。
經分梳不織布纖維層(實例1至實例9)約在表2所列之溫度下經過一鋼製棉夾具進一步壓延，且其夾持壓力約為1000pli(179
kg/cm)，以製成部分黏結不織布材料，其接著以散佈於聚合物乳膠黏合劑中之黏土漿料飽和。使用丁二烯丙烯腈(BAN)乳膠(Emerald Performance Materials,USA)或丙烯酸乳膠(HYCAR 26362,Lubrizol Corp)作為該黏合劑，而使用剝層高嶺土(HYDRAPRINT from KaMin,LLC,USA)作為該黏土，如表2所示。各實例的最終厚度(紙厚(caliper))和基重列於表3。
比較例CE1和CE2為市面上可取得之經抗熱性加強之纖維素牛皮紙，依取得時的現況使用。CE1的厚度為10密耳(254微米[μm])，而CE2的厚度為3密耳(76μm)。抗熱性加強後之牛皮紙經化學修改以降低紙分解的速度。
根據ASTM D-828-97(2002),“Standard Test Method for Tensile Properties of Paper and Paperboard Using Constant-Rate-of-Elongation Apparatus”所闡明之方法測量機器方向(MD)抗拉強度
及MD延展性。先測量各樣本之試樣的初始抗拉性，接著讓該等試樣在170℃的礦物油內以不同長度的時間老化。再次測量其抗拉性，以老化前的初始測量數據之百分比計算仍保有之延展性及抗拉強度。
油的相容性之測量是透過將固體絕緣材料在100℃的礦物油中老化168小時，接著如ASTM D-924(2008),“Standard Test Method for Dissipation Factor(or Power Factor)and Relative Permittivity of Electrical Insulating Liquids”所敘述之方法測量礦物油的耗散因數。
根據以下程序使用修改後的ASTM D5470-06熱流計測量樣本的導熱度。直徑為2in.(5cm)且長度為約3in.(7.6cm)之熱與冷測定棒配備6個均勻間隔之熱電偶，該等熱電偶之第一者與該等棒之間的介面相距5.0mm。該等棒係由黃銅構成，參考導熱度為130W/m-K。測定棒之接觸面係平行於約5微米內，並且在試驗期間施加於樣本之力約為120N。在試驗期間藉由具有2微米標稱精度之數位式位移換能器測量樣本的厚度。
當測定棒達到平衡時，數位式位移換能器被歸零。該飽和不織布材料樣本完全浸入玻璃瓶內的絕緣油，接著於室溫(25℃)下在真空爐內在真空狀態下脫氣。自油中取出經油飽和的樣本，並且放到下方測定棒之上。該油充當消除接觸熱阻之介面流體。閉合測定棒，並且施加法向力。在測試期間內測量流過測定棒的熱流及樣本厚度，時間通常為30分鐘。一般大約在10分鐘內達到平衡。
接著以樣本厚度(L)、測定棒的導熱度(km)、測定棒內的溫度梯度(dT/dx)、以及樣本各處的外推溫差(Tu-Tl)計算樣本的導熱度k。
根據ASTM D 149-09“Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Breakdown Strength of Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies”測量介電強度。
表4至表6顯示依據在170℃下之礦物油內的老化時間，該電性絕緣飽和不織布材料與耐熱能力升級後之牛皮紙(CE1)保有的抗拉強度及延展性%。
儘管其薄度，實例1至實例10都展現夠高之抗拉強度，介於約24 lb/inch(4.2N/mm)的目標範圍內。如表4所顯示，在170℃的礦物油內老化12週後，實例1至實例3都展現保有超過50%的抗拉強度。測量實例10之礦物油在100℃下的耗散因數時獲取了令人滿意之油相容性的結果。相對地，CE1則在170℃的油內老化12週後幾乎失去其所有MD抗拉強度，只保有3%的未老化抗拉強度。此外，相較於用於實例1至實例3的油，用於將CE1老化12週的油很明顯地變暗且混濁，顯示牛皮紙分解產物的存在。
實例1至實例10皆顯示大於5%的延展性，其為導體包覆應用的典型最低要求。(參考表5至表6。)CE1顯示的延展性僅2.3%。應注意的是如欲將延展性增加至約5%，通常須將水分加入牛皮紙。
在50%及95%相對濕度(RH)的環境下，相較於CE1及CE2，實例10具有較低的吸濕性，此結論很明顯地顯示於表7。
如表8所示，相較於CE1及CE2，案例10具有較高的導熱度，且案例10的介電強度在空氣與礦物油方面均較CE1高。
雖然本說明書已對本發明的較佳實施例進行了圖示與描述，但應理解，所屬技術領域中具有通常知識者均可在不脫離本發明的精神和權利要求的範圍情況下設計出本發明的各種變化。本專利申請旨在涵蓋本文所討論的優選實施例的任何調整形式或變化形式。因此，本發明僅受本發明專利申請書及其等同物的限制。
100‧‧‧包覆導體
110‧‧‧矩形導體
120‧‧‧片材
Claims (20)
- 一種物件，其包含：完全水解聚乙烯醇纖維；無機填料；以及聚合物黏合劑。
- 如請求項1之物件，其經形成為不織布片。
- 如請求項1之物件，其中該無機填料包含下列之至少一者：高嶺土、滑石、雲母、碳酸鈣、二氧化矽、氧化鋁、三水合氧化鋁(alumina trihydrate)、蒙脫石、膨潤石、膨土、伊利石、綠泥石、海泡石、綠坡縷石、多水高嶺土、蛭石、合成鋰皂石、累托石、珍珠岩、氮化鋁、碳化矽、氮化硼、以及其組合。
- 如請求項3之物件，其中無機填料包含高嶺土。
- 如請求項4之物件，其中該高嶺土包含下列之至少一者：水洗高嶺土、剝層高嶺土、煅燒高嶺土、以及經表面處理高嶺土。
- 如請求項1之物件，其中該聚合物黏合劑包含基於乳膠之材料。
- 如請求項1之物件，其中該聚合物黏合劑包含丙烯酸、腈、以及苯乙烯丙烯酸乳膠之至少一者。
- 如請求項1之物件，其進一步包含耐熱油之黏結纖維。
- 如請求項9之物件，其中該黏結纖維包含PPS纖維。
- 如請求項1之物件，其包含大約20%至大約50%之完全水解聚乙烯醇纖維，其中該百分比係以重量計。
- 如請求項10之物件，其包含：大約40%至大約60%之高嶺土；大約5%至大約20%之聚合物黏合劑；以及大約0%至大約20%之PPS纖維，其中該百分比係以重量計。
- 如請求項1之物件，其中該物件為實質上不含纖維素。
- 如請求項1之物件，其中該物件係為非吸濕性。
- 一種電氣設備，其包含由如請求項1之物件所包覆之導體。
- 如請求項14之電氣設備，其包含變壓器、電動機、以及發電機之一者。
- 如請求項15之電氣設備，其包含充液變壓器。
- 一種充油變壓器，其包含電性絕緣材料，該電性絕緣材料包含完全水解聚乙烯醇纖維。
- 如請求項17之充油變壓器，其中該電性絕緣材料進一步包含無機填料及聚合物黏合劑。
- 如請求項18之充油變壓器，其中該電性絕緣材料進一步包含大約20%至大約50%之完全水解聚乙烯醇纖維、大約40%至大約60%之高嶺土、大約5%至大約20%之聚合物黏合劑、以及大約0%至大約20%之PPS纖維，其中該百分比係以重量計。
- 如請求項17之充油變壓器，其中該電性絕緣材料為實質上不含纖維素。
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