电绝缘和绝缘产品的生产

摘要

本发明涉及用于制造中或高压设备的电绝缘体的方法(100)。该方法(100)包括步骤：推压该电绝缘体的绝缘材料的所有液体组分通过静止混合器(101)；添加至少一个填料给该组分(102)；推压该组分与该至少一个填料通过包括快速转向螺旋混合装置的管道从而将该组分与该至少一个填料混合成该绝缘材料的最终混合物(103)；将该最终混合物引导至例如热压机的模具，或用于真空铸造的模具，该模具位于真空腔中，该真空腔的入口连接到该混合装置的出口，其流通式连接到该模具(104a，104b)；通过至少部分固化该最终混合物形成电绝缘体(105)；以及模塑该电绝缘体(106)。该固化可以是模塑的一部分。

权利要求

1. 一种用于制造中或高压设备的电绝缘体的方法（100），所述方法（100）包括步骤：推压所述电绝缘体的绝缘材料的所有液体组分通过静止混合器（101）；

添加至少一个填料给所述组分（102）；

推压所述组分与所述至少一个填料通过包括快速转向螺旋混合装置的管道从而将所述组分与所述至少一个填料混合成所述绝缘材料的最终混合物（103）；

将所述最终混合物通过流通式连接到模具的所述混合装置的出口而引导至模具（104a）；

通过至少部分固化所述最终混合物形成电绝缘体（105）；以及模塑所述电绝缘体（106）。

2. 一种用于制造中或高压设备的电绝缘体的方法（100），所述方法（100）包括步骤：推压所述电绝缘体的绝缘材料的所有液体组分通过静止混合器（101）；

添加至少一个填料给所述组分（102）；

推压所述组分与所述至少一个填料通过包括快速转向螺旋混合装置的管道从而将所述组分与所述至少一个填料混合成所述绝缘材料的最终混合物（103）；

将所述最终混合物引导至用于真空铸造的模具，所述模具位于真空腔中，所述真空腔的入口连接到所述混合装置的出口，其流通式连接到所述模具（104b）；

通过至少部分固化所述最终混合物而形成电绝缘体（105）；以及模塑所述电绝缘体（106）。

3. 如权利要求1所述的方法（100），其中所述模具是真空腔的一部分。

4. 如权利要求1或2所述的方法（100），进一步包括步骤：通过除气单元将所述最终混合物除气（107）；

其中所述快速转向螺旋混合装置包括该除气单元。

5. 如权利要求1或2所述的方法（100），其中所述固化至少部分在所述模具中执行。

6. 如权利要求1或2所述的方法（100），其中所述固化完全在模具中执行。

7. 如权利要求1至3中任一项所述的方法（100），进一步包括步骤：在强制对流炉中在所述模具外至少部分地后固化所述最终混合物（108）。

8. 如权利要求1至3中任一项所述的方法（100），其中至少两个填料添加到所述组分；

并且

其中所述绝缘材料的填料的混合比例遵循Fuller筛分曲线，其具有Fuller分布：，

其中d是所述填料的颗粒尺寸，D是最大颗粒尺寸，P是小于或等于d的颗粒的比率，并且n是分级系数。

9. 如权利要求1至3中任一项所述的方法（100），其中推压所述混合物通过所述管道的步骤包括快速转向螺旋混合装置将所述组分与所述至少一个填料混合成最终混合物从而得到在2至40GPa的范围中的弯曲状态杨氏模量。

10. 如权利要求9所述的方法（100），其中所述弯曲状态杨氏模量在10至30GPa的范围中。

11. 如权利要求1至3中任一项所述的方法（100），其中所述至少两个填料的体积构成所述电绝缘体的绝缘材料的体积的至少49%。

12. 如权利要求8所述的方法（100），其中所述填料的比例根据0.5的分级系数n来确定。

13. 如权利要求8所述的方法（100），其中所述填料的比例根据0.37的分级系数n来确定。

14. 一种根据如权利要求1至13中任一项所述的方法（100）制造的用于中或高压设备的电绝缘体。

说明书

电绝缘和绝缘产品的生产

技术领域

[0001] 本发明一般而言涉及电绝缘产品并且特别涉及高或中压产品。本文件关注例如阻隔绝缘体等绝缘产品(insulated product)的制造工艺中的细节。

[0002] 本发明基于用于制造电绝缘体的方法和根据独立权利要求通过该方法制造的电绝缘体。

背景技术

[0003] 在电设备工业中，热固性绝缘材料用于例如生产干型配电变压器、中压(MV)嵌入式电极和其他绝缘。高度填充的绝缘材料的混合花费相当长的时间，常常高于1小时。标准工艺包括树脂与填料和硬化剂与填料分别在配备有叶轮式混合器中的两个罐中混合，以便防止过早反应。在两个组分(component)中达到良好的填料分散后，它们同时被推压通过所谓的静止混合器并且注入模具。

[0004] 模塑(moulding)原理是传统的真空铸造(vacuum casting)或自动压力凝胶化(也可以真空辅助的工艺)。

[0005] 用于生产该可浇注复合物(compound)的若干可靠的混合系统在商业上是可获得的，例如从Hedrich Vacuum Systems和Huebers Verfahrenstechnik是可获得的。

发明内容

[0006] 提供用于生产电绝缘体的改进和高效方法可看作本发明的目的。

[0007] 该目的通过采用用于处理绝缘材料的不同混合工艺加速生产过程而实现。代替使用包含配备有叶轮式混合器的用于树脂和硬化剂的分开容器的常规系统，该发明性系统基于快速旋转螺旋输送机。

[0008] 根据本发明的实施例，提供用于制造中或高压设备的电绝缘体的方法，该方法包括以下步骤：推压电绝缘体的绝缘材料的所有液体组分通过静止混合器，添加至少一个填料给该组分，推压该组分与该至少一个填料通过包括快速转向螺旋混合装置的管道从而将该组分与该至少一个填料混合成绝缘材料的最终混合物，将该最终混合物通过该混合装置的出口(流通式连接到模具)引导至模具，通过至少部分固化(curing)该最终混合物而形成电绝缘体，以及模塑该电绝缘体。

[0009] 根据本发明的另一个实施例，提供用于制造中或高压设备的电绝缘体的方法，该方法包括以下步骤：推压电绝缘体的绝缘材料的所有液体组分通过静止混合器，添加至少一个填料给该组分，推压该组分与该至少一个填料通过包括快速转向螺旋混合装置的管道从而将该组分与该至少一个填料混合成绝缘材料的最终混合物，将该最终混合物引导至用于真空铸造的模具(该模具位于真空腔中，该真空腔的入口连接到混合装置的出口，其流通式连接到模具)，通过至少部分固化该最终混合物来形成电绝缘体，以及模塑该电绝缘体。

[0010] 上文描述的固化可是模塑的一部分。

[0011] 根据另一个示范性实施例，提供根据上下文提到的实施例的方法，其中至少两个填料添加到组分，并且其中绝缘材料的填料的混合比例遵循Fuller筛分曲线，其具有Fuller分布：

[0012]

[0013] 其中d是填料的颗粒尺寸，D是最大颗粒尺寸，例如是300μm，P是小于或等于d的颗粒的比率，并且n是分级系数，可能是0.37或0.5。

[0014] Fuller筛分曲线描述混合物的优化填料复合材料，其提供混合物的优化特性，例如混合物的优化的强度和孔隙率或空洞等。

[0015] 通过根据上文提到的Fuller分布优化两个填料的组成，可优化制造的绝缘体的致密性(compactness)，从而提供填料和组分/基体之间的理想关系。

[0016] 组分可包括硬化剂和树脂。

[0017] 代替使用分批混合器，使用具有非常高剪切力的连续混合器。高剪切力与常规叶轮式混合器相比相当大地减少混合时间，该常规叶轮式混合器典型地用低剪切力混合填料在树脂和硬化剂中的分散从而导致相当长的程序。

[0018] 绝缘材料可是标准填充环氧树脂(例如具有一个填料尺寸)，典型地是二氧化硅，具有大约65％重量百分比(对应于大约44％体积百分比)的填料含量。该绝缘材料可包括聚合物混凝土(polymer concrete)。

[0019] 根据本发明的另一个实施例，可使用至少两个填料，其中填料含量在70％和96％重量百分比之间(对应于大约49％至91％体积百分比)，并且典型地在83％和85％重量百分比之间(对应于大约60％至70％体积百分比)。聚合物混凝土可用于填料中的每个。

[0020] 通过施加更高的剪切力混合填料在树脂和硬化剂中的分散需要的时间与现有技术装置(例如叶轮式混合器等)相比可减少到至少十分之一，因为混合效率显著增加。填料、树脂和硬化剂可看作电绝缘体的绝缘材料的组分。

[0021] 根据本发明的实施例，提供用于制造中或高压设备的绝缘体的方法，其中推压材料通过管道，例如圆筒管道等，其内部具有引起高剪切力的快速转向的螺旋，从而导致填料在材料基体中的良好分散。组分在短于一分钟内通过混合螺旋，其包括薄膜除气单元。由该系统产生的高剪切力允许更高的填料含量，其可以通过应用多个填料达到。

[0022] 此外，该发明性方法有助于下列优势：

[0023] ·显著减少的混合时间和因此增加的生产吞吐量

[0024] ·减小的填料颗粒沉降风险和更好的分散

[0025] ·更高的填料含量和因此减小的成本(实验上证实高达85％重量百分比的二氧化硅，通过使用更大数量的不同填料和更大的最大填料粒度，更高的固体含量将是可能的)[0026] ·由于受限的混合通道的相对低体积引起的更低材料损耗

[0027] ·可能更少磨损：混合螺旋用特殊的耐磨损合金制造，因此例如氧化铝等磨损填料可以与它一起处理。

[0028] 本发明的另外的实施例、优势和应用将通过权利要求或权利要求组合，通过下列详细说明和附图变得明显。

附图说明

[0029] 本发明的主旨将在下列正文中参考示范性实施例(其在附图中图示)更详细地说明，附图在以下示意地示出：

[0030] 图1是采用常规叶轮式混合器混和的聚合物混凝土的第一个样品的光学显微照片；

[0031] 图2是采用常规叶轮式混合器混和的聚合物混凝土的第二个样品的光学显微照片；

[0032] 图3是根据本发明的示范性实施例、用连续螺旋混合器混和的发明性聚合物混凝土的样品的光学显微照片的概观(扫描电子显微照片)；

[0033] 图4是根据本发明的示范性实施例、在图3中示出的扫描电子显微照片的特写视图IV；

[0034] 图5是具有不同填料的示例的Fuller筛分曲线的示意图；

[0035] 图6A是根据本发明的示范性实施例、用于制造中或高压设备的电绝缘体的方法的流程图；以及

[0036] 图6B是根据本发明的另一个示范性实施例、用于制造中或高压设备的电绝缘体的方法的流程图。

具体实施方式

[0037] 当比较用根据本发明的方法生产的聚合物混凝土的显微照片和用采用叶轮式混合装置的常规生产方法生产的聚合物混凝土的显微照片时，本发明的技术效果的区别将变得清楚。

[0038] 当关注图1，其显示采用常规叶轮式混合器混和的聚合物混凝土的第一个样品的光学显微照片，基本可以识别三个可辨别的区域。标号1表示具有0.3mm的典型平均直径的大二氧化硅填料颗粒，而2表示空隙，并且3表示具有0.016mm的典型平均直径的小二氧化硅填料颗粒和环氧基体的区域。特别地，颗粒1和空隙2具有相当大的尺寸。

[0039] 如果绝缘材料受到高电场作用，大的空隙尺寸可能导致部分放电，其可能引起材料在绝缘产品的寿命期间退化。

[0040] 最常见地，绝缘配制物由环氧树脂、硬化剂、催化剂、填料和其他液体或固体添加剂组成。典型的填料含量可是65％重量百分比。

[0041] 同样地，在图2中的情况显示通过采用叶轮式混合装置的常规生产方法混和这些成分生产的聚合物混凝土的第二个样品的光学显微照片。第二个样品与在图1中示出的第一个样品相比的区别在于空隙含量可以通过应用真空除气和振动的组合而大大减少。再次，基本可以识别三个可辨别的区域。

[0042] 标号4表示具有非常低的填料含量的富树脂区域，而5表示大填料颗粒(与在图1中的标号1相当)并且6表示具有小二氧化硅填料颗粒和环氧基体的区域(与在图1中的标号3相当)。特别地，颗粒4和5具有相当大的尺寸。再次，如果受到高电场作用，非均质复合物可能经历长期退化。

[0043] 根据本发明用发明性生产方法混和的聚合物混凝土的第一个样品的扫描电子显微照片在图3中示出。尽管该显微照片的标尺是500μm(微米)，容易识别相对大的二氧化硅颗粒1(与在图1中的标号1相当)。标号3表示具有小二氧化硅填料颗粒和环氧基体的区域(与在图1中的标号3相当)。此外由箭头IV指出的区域包含在图3中。所述区域IV是标号3的特写并且将由图4说明。

[0044] 关于生产该聚合物混凝土需要的成分，参考稍后详细论述的示例5。推压混合物通过包括快速转向螺旋混合装置的圆筒以产生最终混合物的步骤引起在大约20至大约30GPa的范围中的弯曲状态剪切模量(杨氏模量)和大约30至大约40GPa的压缩状态杨氏模量。

[0045] 在图4中示出的区域IV的特写证明区域3包括相对大量的在0.004mm直径范围中的小填料颗粒7处于在0.016mm直径范围中的较大颗粒8和在0.06mm直径的范围中的颗粒9的周围。在混合步骤期间施加于混合物的高剪切力引起颗粒的均匀分布。在该步骤期间，混合物被推压通过包括连续快速转向螺旋混合装置的圆筒以便产生最终混合物和引起具有非常低的空隙含量的材料的薄膜除气单元。图4的暗色部分10表示环氧基体。

[0046] 图5示意地示出Fuller筛分曲线。图5的Fuller筛分曲线描述用于获得密实填充的混凝土的不同尺寸的填料的比率如下：

[0047]

[0048] d是颗粒尺寸，D是最大颗粒尺寸，其根据图5是300μm，P是小于或等于d的颗粒的比率，并且n是分级系数。对于圆形颗粒，n通常设置到0.5，并且对于压碎的颗粒n设置到0.37(Fuller W.B.，Thompson S.E.，The laws of proportioning concrete，Transactions of the American Society of Civil Engineers，论 文 号1053、1907，pp67-143)。600EST、W12 EST和Sihelco 30是具有不同颗粒比率的不同填料。

[0049] Fuller筛分曲线描述混合物的优化填料复合材料，其提供混合物的优化特性，例如混合物的优化的强度和孔隙率或空洞等。

[0050] 图6A示出用于制造中或高压设备的电绝缘体的方法100的流程图，其包括步骤：推压电绝缘体的绝缘材料的所有液体组分通过静止混合器101，添加至少一个填料给该组分102，推压该组分与该至少一个填料通过包括快速转向螺旋混合装置的管道从而将该组分与该至少一个填料混合成绝缘材料的最终混合物103，将该最终混合物通过该混合装置的出口(流通式连接到模具)引导至模具104a，通过至少部分固化该最终混合物形成电绝缘体105，模塑该电绝缘体106，通过除气单元将该最终混合物除气107，以及在模具外至少部分地后固化该最终混合物108。

[0051] 图6B示出用于制造中或高压设备的电绝缘体的方法100的流程图，其包括步骤：推压电绝缘体的绝缘材料的所有液体组分通过静止混合器101，添加至少一个填料给该组分102，推压该组分与该至少一个填料通过包括快速转向螺旋混合装置的管道从而将该组分与该至少一个填料混合成绝缘材料的最终混合物103，将该最终混合物引导至用于真空铸造的模具(该模具位于真空腔中，该真空腔的入口连接到混合装置的出口，其流通式连接到模具)104b，通过至少部分固化该最终混合物形成电绝缘体105，铸造该电绝缘体106，通过除气单元将该最终混合物除气107，以及在模具外至少部分地后固化该最终混合物
108。

[0052] 用于执行本发明的方式

[0053] 本发明性方法的可能实施例的若干方式在下文中通过示例公开并且论述。

[0054] 示例1(芳香族环氧组成物(aromatic epoxy composition))

[0055] 环氧树脂组成物用如在表格1中给出的组分制成。该组分用不同的混合装置(2个不同的生产规格叶轮式混合器，和生产规格连续螺旋混合器)混合。记录混合时间，并且铸造大约4mm厚的方形板(150×150mm)，在大约80℃固化大约8小时并且在大约140℃后固化大约4小时。用于机械试验的样品从这些板用机器加工出并且根据在表格2中给出的标准测试。试验五个样品的每个列出的性质。

[0056] 生产规格叶轮式混合器包括配备有叶轮的两个分开混合容器(用于环氧树脂和酐硬化剂)。在这些容器中，填料分别分散进入树脂和硬化剂。这两个组分其后被推压通过静止混合器。

[0057] 在连续螺旋混合器中，环氧组成物通过液体组分通过静止混合器的体积剂量来制备。其后添加填料并且通过推压所有组分通过配备有快速转向螺旋的圆筒管道(其中还包含薄膜除气单元)来分散。

[0058] 表格1芳香族环氧组成物的原材料配制物(配方采用phr(每百份环氧树脂的份数)给出)

[0059]类型 商品名称 生产者 phr
环氧树脂 Epikote EPR845 Hexion(DE) 100
酐硬化剂 Epikure EPH05389 Hexion(DE) 84
二氧化硅填料 W12 Quarzwerke(DE) 320

[0060] 比较叶轮式混合器A和B，观察到叶轮式混合器A在大约240min混合后，与叶轮式混合器B在大约480min混合后相比，产生更好的结果。对于叶轮式混合器B，观察到机械性质随混合时间的微小增加。

[0061] 如在表格2中看见的，连续螺旋混合器与两个叶轮式混合器相比引起较好的机械性质。甚至用大约480min的非常长的混合时间，不能达到连续螺旋混合器的机械性质。机械性质是填料在基体材料中的分散的函数，其进而取决于混合效率。该混合效率取决于混合时间和混合几何两者。连续螺旋混合器与叶轮式混合器相比形成非常高的剪切力，并且因此即使在大约1分钟范围中的非常短的混合时间也引起良好的分散。

[0062] 表格2用不同混合装置处理的芳香族环氧的机械试验结果

[0063]

[0064] 示例2至4(绝缘体用填充的环脂肪族环氧和聚合物混凝土的制造)[0065] 环氧树脂组成物(表格3)用如在表格4中给出的组分制造。

[0066] 环氧组成物通过液体组分通过静止混合器的体积剂量来制备。其后添加填料并且通过推压所有组分通过包含快速转向螺旋的圆筒管道(其中还包含薄膜除气单元)来分散。材料在螺旋中的静止时间在数分钟的范围内，典型地低于1分钟。混合管道的出口由软管直接连接到安装在热压机上的被加热的钢模。该钢模用于中压室外绝缘体。在热压机上的模具处于125℃的温度。在注入和另外的两个小时固化后，将该部件脱模。

[0067] 表格3示例组成物(配方采用phr(每百份环氧树脂的份数)给出)

[0068]配方 示例2 示例3 示例4
Araldite CY184 100 100 100
Aradur HY1235 90 90 90
DY062 0.54 0.54 0.54
Silbond W12EST 354 354 354
Sihelco 30 576 726
填料含量(wt.％) 65 83 85

[0069] 表格4环脂肪族环氧组成物的原材料

[0070]类型 商品名称 生产者
环脂肪族环氧树脂 Araldite CY184 Huntsman Advanced Materials(CH)
酐硬化剂 Aradur HY1235 Huntsman Advanced Materials(CH)
加速剂 DY062 Huntsman Advanced Materials(CH)
硅粉 Silbond W12EST Quarzwerke(DE)
硅砂 Sihelco 30 Sihelco(CH)

[0071] 示例5(高度填充的聚合物混凝土的均匀混合)

[0072] 聚合物混凝土组成物(表格5)用如在表格6中给出的组分制造。不同尺寸的四个二氧化硅填料遵循Fuller筛分曲线选择以获得密实填料填充。这引起改进的机械性质，减小的沉淀风险，减小的材料成本和增加的导热率。

[0073] 该示例评估两个分散方法的填料分散：实验室规模的叶轮式混合器和生产规格的连续螺旋混合器。对于实验室规模叶轮式混合器，混合组分直到获得均匀混合物(典型地30-60min)。该混合其后在5mbar除气并且在提供6mm厚板的板模具中铸造。该板在90℃固化2小时并且在140℃固化10小时。连续螺旋混合器的混合过程在示例2-4中描述。小样品从板切下并且准备显微镜观察。样品用光学和扫描电子显微镜表征。

[0074] 表格5示例组成物(配方采用phr(每百份环氧树脂的份数)给出)

[0075]配方 示例5
Araldite CY184 100
Aradur HY1102 90
DY070 0.3
Silbond 600EST 66
Silbond W12EST 131
Millisil W3 312
Sihelco 30 569
填料含量(wt.％) 65

[0076] 表格6环脂肪族环氧组成物的原材料

[0077]类型 商品名称 生产者
环脂肪族环氧树脂 Araldite CY184 Huntsman Advanced Materials(CH)
酐硬化剂 Aradur HY1135 Huntsman Advanced Materials(CH)
加速剂 DY070 Huntsman Advanced Materials(CH)
硅粉 Millisil W3 Quarzwerke(DE)
硅粉 Silbond W12EST Quarzwerke(DE)
硅粉 600EST Quarzwerke(DE)
硅砂 Sihelco 30 Sihelco(CH)