专利名称：绝缘组合物和具有该绝缘组合物的装置的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及绝缘组合物，尤其涉及用于高压装置的绝缘组合物。
背景技术：
用于诸如马达和发电机的产品的常规绝缘典型地包括多个构件，诸如搪瓷、胶带 和树脂。因此，常规绝缘倾向于为复杂系统。另外，组成构件中的每一个预期展示不同的电 性质、热性质和机械性质，使得总绝缘性能难以预测。所监视的主要性能参数之一是局部放电量值。局部放电主要倾向于发生在结构缺 陷处，诸如绝缘中的空隙(void)、分层和裂纹。在这些缺陷中的局部放电是在缺陷处由于空 气存在所致的比周围固体绝缘材料的介电常数更低的介电常数造成。更低的介电常数在局 部缺陷区域中导致更高的阻抗和电压，并且因此导致局部放电。这种局部放电的结果包括 绝缘的由于氧化或碳化所致的化学变化和随后成树枝状(treeing)、开裂和最终灾难性失 效。
发明内容
在一方面，提供一种组合物，其包括介电基质材料，例如，热塑性材料、热固性材料 或弹性体，其限定多个空隙(例如，大致球形空隙、大致类似球形的空隙、大致卵形空隙和/ 或大致蛋形空隙)，这些空隙具有大致均勻的相应尺寸并构造为大致均勻的阵列(例如，基 于森下(Morishita)指数，均勻度至少为一)。空隙可构造成使得当该组合物浸没于均勻外 部电场中时在至少某些空隙的表面上积聚的电荷与在至少其它空隙的表面上积聚的电荷 相互作用，以使相应电荷在具有垂直于电场的分量的方向上移动。相邻空隙的间距可小于 或等于空隙的平均直径，该平均直径可为大约100 μ m或更小。在某些实施例中，中空粒子可布置于由基质材料限定的空隙阵列的相应空隙内。 例如，中空粒子可为玻璃、聚合物、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛和/或氧化锌的中空球。在 其它实施例中，诸如陶瓷、可变电阻(varistor)(例如，掺杂ZnO或掺杂TiO2)和/或无机 介电粒子的粒子可合并于基质材料内。对于基质材料具有可变电阻粒子的组合物，可变电阻粒子的浓度可构造成使得当 组合物浸没于增加强度的均勻外部电场中时，通过基质材料的电场在横跨任一空隙的电场 到达足以引起横跨空隙的放电的强度之前到达可变电阻粒子的转变场强度。可变电阻粒子 可以以一定浓度合并于基质材料内，该浓度小于或等于所述可变电阻粒子和所述基质材料 的大约五个重量百分数。在另一方面，提供诸如高压装置(例如，发电机或马达)的装置。该装置可包括第 一传导构件和第二传导构件(例如，分别为相导体和接地导体或相导体)，其构造成维持在 不同电位。绝缘层可布置于所述第一传导构件与第二传导构件之间。该绝缘层可包括限定 多个空隙的介电基质材料，这些空隙具有大致均勻的相应尺寸并构造为大致均勻的阵列。 装置空隙可构造为具有相对于电场倾斜的密堆积方向(close-packed direction)的大致均勻的阵列，电场由第一传导构件和第二传导构件建立并在第一传导构件与第二传导构件 之间延伸。在某些实施例中，中空粒子可布置于由基质材料限定的空隙阵列的相应空隙内。 在其它实施例中，诸如陶瓷、可变电阻和/或无机介电粒子的粒子可合并于基质材料内。
当参考附图来阅读下文的具体实施方式
时，本发明的这些和其它特征、方面和优 点将会变得更好理解，在所有附图中，相同的附图标记表示相同部件，在附图中图1是根据示例性实施例构造的高压系统的一部分的放大侧视图，示出在相导体 与接地导体之间的绝缘层；图2是在图1中标记为“2”的区域的放大侧视图；图3是在图2中标记为“3”的区域的放大透视剖视图；图4是图2所示的绝缘层的一部分的放大透视图，基质材料是透明的以显露空隙 的单元晶格；图5是图4的单元晶格的侧视图；图6是根据另一示例性实施例构造的高压装置的侧视图；图7是在图6中标记为“7”的区域的放大侧视图；图8是在图7中标记为“8”的区域的放大透视剖视图；图9是图7所示的绝缘层的一部分的放大透视图，基质材料是透明的以显露空隙 的单元晶格；图10是图9的单元晶格的侧视图；图11是绝缘层的示意侧视图，该绝缘层包括隔离空隙并经受外部电场；图12是绝缘层的示意侧视图，该绝缘层包括空隙阵列并经受外部电场；以及图13是根据另一示例性实施例构造的绝缘层的剖视透视图。部件列表100102，202，204104120124,224200220226324322324422424a,424b520
4 电气系统 相导体 接地导体 绝缘层 空隙 电气系统 绝缘层 中空球 球形空隙 介电基质 空隙
介电基质 空隙
绝缘材料
522524528
基质材料
空隙
粒子
具体实施例方式参看附图在下文中详细地描述本发明的示例性实施例，在所有附图中相同的附图 标记表示相同部件。这些实施例中的一些实施例可解决上述和其它需要中的一些需要。参看图1，其中示出根据示例性实施例构造的电气系统100的一部分。系统100可 包括诸如相导体102的第一传导构件和诸如接地导体104的第二传导构件。相导体102可 连接到高压电源。在发电机100的操作期间，相导体102和接地导体104可维持在不同电 位。例如，相导体102可通过激发源的操作而保持在高压，而接地导体104可保持在接地电 位。因此，可在相导体102与接地导体104之间建立电场E。参看图1和图2，绝缘层120可布置于102与104之间，从而在二者之间提供一些电 隔离量。在发电机100的操作期间，由102和104建立的电场E可横跨绝缘层120延伸。绝 缘层120可包括至少部分地由介电材料形成的基质122。例如，介电基质材料可包括热固性 材料(例如，环氧树脂、聚酯树脂和/或类似物)、热塑性材料(例如，由SABIC Innovative Plastics (Pittsfield,ΜΑ)以商标名称LEXAN销售的聚碳酸酯树脂)，弹性体(例如，硅酮) 和/或上述材料的混合物或复合物。参看图2至图5，基质122可在其中限定多个空隙124，空隙具有大致均勻的相应 尺寸。例如，基质122可具有气凝胶或干凝胶。空隙124可大致为球形，并且可都具有大约 100 μ m(例如，士 10%)的直径d，或者可大致均勻地具有小于100 μ m，例如10 μ m或1 μ m 数量级的某些尺寸的直径。在其它实施例中，空隙124可大致类似球形、卵形、蛋形和/或 类似物。其它形状的空隙也是可能的。另外，空隙124可构造为大致均勻的阵列。阵列可 为多种有序排列中的任何排列，并且例如可由单元晶格u的空间重复组成，单元晶格u为立 方形(如图3所示)、四方形、斜方形、单斜形、三斜形、六边形或菱方形。基质122可限定空 隙124，使得空隙阵列的均勻度基于森下指数至少为一。不管空隙阵列大体上展示的对称类型，阵列可具有“密堆积方向”，空隙124沿着 密堆积方向最紧密地隔开。对于空隙124的某些排列(例如，图2至图5的排列)，所得的 阵列可具有多个密堆积方向Cl、c2。相邻空隙124沿着密堆积方向ci、c2的间距s可小于或 等于空隙的平均直径(即，s < d)。在某些实施例中，间距s可显著小于空隙直径d ；例如， s可等于大约0. 3d或更小。绝缘层120可构造成使得当布置于102与104之间时，空隙阵列定向为密堆积方 向Cl、C2中的至少一个相对于电场E的方向倾斜，电场E由102与104建立并且在102与 104之间延伸。这例如可通过确保空隙阵列相对于绝缘层120的外轮廓适当地定向而实现。 如将在下文中进一步讨论，构造空隙阵列使得其密堆积方向相对于穿过绝缘和空隙阵列的 电场倾斜在某些情形下可证明是有用的。在某些实施例中，密堆积方向可相对于电场E的 方向以45度或更小的角度定向。参看图6至图10，在电气系统200的另一实施例中，绝缘层220可布置于相导体 202与另一相导体204之间。相导体202和204可构造成在操作期间保持在不同电位，使得
5电场在二者之间并横跨绝缘层220延伸。绝缘层220可包括中空粒子，诸如中空球226，其 布置于相应空隙224内，使得每个空隙224包括中空球226。空隙224可具有相应直径d， 球226可具有大约等于d的相应外径ds，使得与每个空隙相关的未占据空间大致由球的内 部或中空部分限定(即，未被固体材料占据的空间区域大致完全布置于球内)。中空球226 可具有显著小于空隙224的直径d的厚度t。因此，无论空隙224是否包含中空球226，空 隙的有效直径可大致保持相同，即，为d。中空粒子/球226可为不导电的，并且可为空心微 珠(cenosphere)，诸如玻璃微球，在此情况下，绝缘层220可认为是多种复合泡沫塑料。在 其它实施例中，中空粒子可至少部分地由聚合物(例如，酚类)、氧化铝、二氧化硅、二氧化 钛和/或氧化锌制成。空隙224可构造为具有一个或多个密堆积方向的大致均勻的阵列。例如，空隙224 可排列成具有密堆积方向c3、C4的如图9所示的面心立方体图案。此外，沿着密堆积方向 c3、C4的相邻空隙224的间距s可小于或等于空隙的平均直径d，并且密堆积方向c3、C4中 的至少一个可相对于电场方向倾斜，电场由202和204建立并在202与204之间延伸。申请人:注意到如上所述构造的绝缘层(例如，图6的绝缘层220)可倾向于对绝缘 内的局部放电的发生呈现增强的阻力。具体而言，申请人注意到对于具有大约15% (按体 积计)合并于介电材料基质内的空心微珠的绝缘，其中空心微珠排列为具有相对于横跨绝 缘延伸的电场倾斜定向的密堆积方向的大致均勻阵列，相对于由相同介电材料组成但无空 隙阵列的绝缘层，引发局部放电开始所需的横跨绝缘层的压降增加超过50%。不希望坚持任何特定理论，申请人假设适当间隔开的空隙的均勻阵列限定于介电 基质材料内允许感应的电荷相互作用，该感应的电荷原本在外部电场的影响下自然地积聚 在空隙表面上。具体而言，参看图11，对于经受外部电场E的介电基质322中的隔离球形空 隙324，预期相反的电荷分别积聚于空隙的相对端。电荷的排列导致最大局部电场横跨空 隙324布置，这例如由于空隙中气体粒子的电离而可最终导致空隙内的空间的电击穿。应 当指出的是，如图11中的隔离空隙预期在不存在针对其排除的复杂且昂贵的绝缘制造工 艺的情况下在整个绝缘层上随机分布。参看图12，作为隔离空隙的替代，介电基质422可包含大致均勻的空隙阵列，包括 空隙424a、424b。此外，当基质422浸没于电场E中时，电荷将积聚在空隙424a、424b周围。 如果空隙424a、424b充分靠近(例如，间距s彡空隙直径d)，则与一个空隙424a相关的电荷 可与与相邻空隙424b相关的电荷相互作用。因此，由于每一组电荷吸引向另一组，故电荷 可相对于空隙424a、424b移位(在此情况下电荷“移位”表示电荷相对于预期在类似大小和 形状的隔离空隙周围的分布的移动)。这种电荷的空间再分布可导致横跨空隙424a、424b 的局部电场强度减弱，其中延伸穿过空隙之间的基质422的局部电场强度相应地增强。鉴 于固体介电材料典型地呈现的较大击穿强度，这可导致基质-空隙复合绝缘中局部放电的 更大总阻力。应当指出的是，对于空隙大小和间距完全均勻的空隙的理想化排列，可不预期发 生上述的电荷再分布。相反，由于在相邻空隙周围的电荷而作用于一组电荷上的力可在某 些情况下被由在相反方向布置的空隙周围的电荷所施加的相反力而精确地平衡。但是，实 际上，空隙的大小和间距都不会完全均勻，而是将展示某些水平的自然/统计变化。在空隙 大小和间距的上文描述中术语“大致均勻”的使用意味着表示这种自然变化性。
参看图13，其中示出根据另一示例性实施例构造的绝缘材料520的薄片。绝缘材 料520包括基质材料522，其可至少部分地由电介质构成。基质522可限定多个空隙524， 其被排列成形成大致均勻的阵列。基质522可在其中具有粒子528，该粒子可倾向于增强基 质的热性能和/或电性能。例如，粒子528中的至少某些可包括陶瓷或无机介电材料，其可 增强基质522的导热性。在某些实施例中，基质522可具有粒子528，其包括可变电阻材料，诸如掺杂氧化 锌和/或掺杂氧化钛(TiO2)。可变电阻粒子528可具有电流(Ivak)-电压(V)特性，其为非 线性的并由以下方程式描述Ivae = k · Va其中α是基于材料的非线性指数，其在10至40的范围，k是基于材料的比例常 数。其中α彡10 (例如，掺杂ZnO或掺杂TiO2),因此，可变电阻粒子528当经受低于材料 所限定的阈值电压/场强度的电压和电场强度时将倾向于相对不导电，并且当高于该阈值 时将相对导电。导电特性的转变发生的电场强度称作“转变场强度”。对于许多材料，转变 场强度将实际上为特性从不导电变成导电的强度范围。可变电阻粒子528的浓度和材料可构造成使得当绝缘材料520浸没于增加强度的 均勻外部电场中时，通过基质材料522的局部电场在横跨任意空隙524的局部电场到达足 以引起局部放电的强度之前到达可变电阻粒子528的转变场强度。例如，如果引发局部放 电所必需的电应力是3kV mm S并且对于100 μ m绝缘厚度当横跨绝缘层的压降是300V时 发现该电应力，可选择可变电阻粒子528的浓度使得300V的电压导致ImA cm—2或更高的电 流密度通过粒子传导。以这种方式，可引起通过基质522的泄漏电流来减轻电荷积聚，这具 有比局部放电事件更小的有害作用。在某些实施例中，合并于基质材料522内的可变电阻 粒子528的浓度可小于或等于聚集体的大约五个重量百分数。现给出用于生产根据示例性实施例构造的绝缘材料(例如，图6至图10的绝缘材 料220)的一个工艺。首先，聚碳酸酯树脂的颗粒可与选定量的中空微球手动混合。可选择 相对量的树脂和中空微球以便产生具有如上所述的平均中空球浓度/间距的聚集绝缘材 料。然后树脂颗粒与中空球的混合物可放置于120°C的炉中1至2小时以便于移除任何截 留的水分。然后混合物可通过挤出机同时将混合物加热至高达220-270°C的温度，从而拉 拔出2-4mm直径并由在连续树脂基质内的中空球组成的丝。混合物可通过挤出机多次，这 可用于增加树脂基质内中空球分布的均勻性。然后，可将如此拉拔出的丝切成更小颗粒， 其可在120°C干燥2-5小时。最后，可将切出的颗粒用于注射模制工艺，该注射模制可在 16，000-20, OOOpsi的压力和240_270°C的温度下进行。虽然在本文中仅仅示出和描述了本发明的某些实施例，但是本领域技术人员可想 到许多修改和变化。因此，应了解所附权利要求书预期涵盖属于本发明的真实精神内的所 有这些修改和变化。
权利要求
一种装置，其包括构造成维持在不同电位的第一传导构件和第二传导构件(102，104)；以及绝缘层(120)，其布置于所述第一传导构件与所述第二传导构件之间并且包括限定多个空隙(124)的介电基质材料(122)，所述空隙具有大致均匀的相应尺寸并构造为大致均匀的阵列。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空隙(124)构造为具有相对于电场倾 斜的密堆积方向的大致均勻的阵列，所述电场由所述第一传导构件和所述第二传导构件 (102,104)建立并在所述第一传导构件与所述第二传导构件(102，104)之间延伸。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，由所述基质材料(122)限定的空隙阵列 (124)包括大致球形空隙、大致类似球形空隙、大致卵形空隙或大致蛋形空隙中的至少一 个。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一传导构件(102)包括相导体，所述 第二构件(104)包括相导体或接地导体中的一个。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介电基质材料(122)包括热固性材料、 热塑性材料或弹性体中的至少一个。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，相邻空隙(124)的间距小于或等于所述空隙 的平均直径。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空隙(124)具有大约IOOym或更小的相应直径。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括布置于由所述基质材料 (222)限定的空隙阵列的相应空隙(224)内的中空粒子(226)。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括合并于所述基质材料(522) 内的粒子(528)。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝缘层(520)还包括合并于所述基质 材料(522)内的可变电阻粒子(528)。
全文摘要
本发明提供绝缘组合物和具有该绝缘组合物的装置，该组合物包括限定多个空隙(224)的介电基质材料(222)，这些空隙具有大致均匀的相应尺寸并构造为大致均匀的阵列。空隙可构造为使得当组合物浸没于均匀外部电场中时在至少某些空隙的表面上积聚的电荷与在至少其它空隙的表面上积聚的电荷相互作用，以使相应电荷在具有垂直于电场的分量的方向上移动。中空粒子(226)可布置于基质材料限定的空隙阵列的相应空隙内。
文档编号H02K3/40GK101964560SQ20101024425
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月23日 优先权日2009年7月24日
发明者A·K·博霍里, S·达斯, T·阿索肯 申请人:通用电气公司