專(zhuān)利名稱(chēng)：電絕緣子及其使用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電絕緣子，包括電絕緣體；形成于絕緣子面向 周?chē)h(huán)境的最外表面上的半導(dǎo)電層；其中所述半導(dǎo)電層包括聚合物 基體；賦予所述層半導(dǎo)電特性的材料粒子，所述粒子分散在所述基 體中。
本發(fā)明還涉及該絕緣子在含水環(huán)境中的使用，特別地是包含會(huì)沉 積在所述絕緣子的外表面上的顆粒物質(zhì)的環(huán)境，如室外環(huán)境，其中 半導(dǎo)電層面臨潮濕和污染。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以在中壓應(yīng)用中并且有可能在高壓 應(yīng)用中使用。中壓指從大約1 kV到大約40kV，而高壓指從大約40 kV到大約150kV,乃至更高。
背景技術(shù)：
室外電絕緣子，如用于支撐或吊掛傳輸電力的架空電纜或架空電 線的室外電絕緣子，會(huì)面臨由所述電纜或電線產(chǎn)生的強(qiáng)大電場(chǎng)。它 們還會(huì)面臨一定的灰塵污染、污染和由周?chē)h(huán)境，大多數(shù)是空氣， 攜帶的其他粒子。相應(yīng)地，在這種絕緣子的外表面上，隨著時(shí)間推 移會(huì)沉積一層污染物。當(dāng)周?chē)h(huán)境存在一定濕度時(shí)，這種濕度也會(huì) 在一定水平上被所述污染物層吸收。然而，在沿絕緣子表面的局部 地方，污染物層的厚度較小和/或濕度較低，即傳導(dǎo)電流的能力較低。
由于電絕緣子所面臨的強(qiáng)大電場(chǎng)，在絕緣子中以及在其上面的污 染物層中總是會(huì)存在一定水平的蠕變電流(creeping current)。然而， 在污染物層的厚度和/或含水量降低的那些地方，所述層的導(dǎo)電能力 將降低到相應(yīng)的程度。在這種地方可能發(fā)生不希望的表面放電現(xiàn)象。 不幸的是在長(zhǎng)期內(nèi)這種表面放電將造成絕緣子基層材料老化，并且因此是應(yīng)當(dāng)避免的。
現(xiàn)有技術(shù)，例如在DE 197 00 387中公開(kāi)的，建議為了抑制在絕 緣子表面產(chǎn)生表面放電的目的而在絕緣子上使用半導(dǎo)電的最外層。 絕緣子主體以及所述半導(dǎo)電層由聚合物形成，與使用陶瓷，大部分 是瓷的絕緣子的其他現(xiàn)有技術(shù)相比，這是一種新型技術(shù)。為了給半 導(dǎo)電層提供其半導(dǎo)電屬性，DE 197 00 387建議使用有不同的半導(dǎo)電 或?qū)щ娞匦缘奶畛洳牧希浞稚⒒蚯度朐诮^緣子最外層的所述聚合 物中。DE 197 00 387建議使用碳黑、金屬粉末、金屬纖維、碳纖維 等做為絕緣子聚合物基體中的填料，用于產(chǎn)生所述半導(dǎo)電層?；w 可以由例如硅橡膠或EPDM橡膠形成。
在選擇最適合的半導(dǎo)電或?qū)щ娞盍蠒r(shí)，應(yīng)考慮效率、環(huán)境友好性、 耐久性和基體材料的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供如初始定義的絕緣子，其半導(dǎo)電層的設(shè)計(jì)使 得為了賦予所述層半導(dǎo)電能力的目的，需要使用相對(duì)低程度的填 充材料。半導(dǎo)電層或釉面應(yīng)能夠傳輸沉積在半導(dǎo)電層外表面上的水 或水滴中發(fā)生的漏泄電流，由此抑制在絕緣體表面產(chǎn)生表面i文電。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供如初始定義的絕緣子，其中為了賦予 所述層半導(dǎo)電能力的目的而使用的填充材料在最低程度上影響周?chē)?聚合物基體的結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，填充材料應(yīng)能夠利用基體中的間隙而不會(huì)負(fù)面地影響基 體材料的結(jié)構(gòu)和功能，并且其存在的程度仍為其所在的層賦予所希 望的半導(dǎo)電功能性。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)初始定義的絕緣子實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，絕緣子的特征在于所 述粒子包括一個(gè)或更多納米結(jié)構(gòu)。主要地是所述納米結(jié)構(gòu)的小尺寸 使其可以在基體結(jié)構(gòu)中既有效又無(wú)擾動(dòng)地占據(jù)基體中的間隙。優(yōu)選地，納米結(jié)構(gòu)至少有兩個(gè)維度或直徑，其小于1 優(yōu)選地小于500 nm,更優(yōu)選地小于100 nm。一^:地，所述兩個(gè)維度或直徑大于0.1 nm。 第三個(gè)維度或長(zhǎng)度沒(méi)有特定的上限，但是可適于特定的應(yīng)用條件， 如周?chē)w結(jié)構(gòu)的配置和所要求的半導(dǎo)電層的導(dǎo)電性。由于在所述 層中使用納米結(jié)構(gòu)作為半導(dǎo)電或?qū)щ娞畛洳牧?，也可以使半?dǎo)電層 厚度很小，例如納米尺度。
納米結(jié)構(gòu)包括主要是 一 維形態(tài)的所謂 一 維納米元素
(nanoelement)，其寬度或直徑是納米尺度，并且普遍地已知為納 米晶須、納米棒、納米線、納米管等。它們可以通過(guò)例如已知的VLS
(蒸汽-液體-固體)機(jī)制的方法生產(chǎn)，優(yōu)選地在催化材料存在的情況 下，由此所述結(jié)構(gòu)被允許在預(yù)定的條件(熱和氣)下從特定的基質(zhì) 例如硅基基質(zhì)上生長(zhǎng)。納米結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的特征特性是由于技術(shù)允許 納米結(jié)構(gòu)以原子層逐層地受控生長(zhǎng)，對(duì)納米結(jié)構(gòu)形成的控制非常精 確。通過(guò)改變所述條件，可以在結(jié)構(gòu)的縱向生長(zhǎng)方向上改變納米結(jié) 構(gòu)的屬性。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述粒子的主要部分是納米結(jié)構(gòu)，并且根據(jù) 一個(gè)實(shí)施方式，基本上所有所述粒子都是納米結(jié)構(gòu)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述粒子均勻地分散在所述基體中。 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述粒子定義一種滲透網(wǎng)絡(luò)。 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述粒子包括半導(dǎo)電材料的粒子。通過(guò)在半 導(dǎo)電層的聚合物基體中使用半導(dǎo)電材料作為填料，可以獲得所述層 的非線性的、基于場(chǎng)的導(dǎo)電性，這在某些應(yīng)用中可能是有利的。當(dāng) 半導(dǎo)電層面臨的電場(chǎng)超過(guò)了閾值時(shí)，其導(dǎo)電性將激增。在污染物層 厚度和/或含水量降低的區(qū)域，這將造成電場(chǎng)強(qiáng)度增加。半導(dǎo)電層的 設(shè)計(jì)可以考慮假定的場(chǎng)強(qiáng)以及由于上述區(qū)域的存在而產(chǎn)生的集中 (concentration),使得為場(chǎng)強(qiáng)提供激增的導(dǎo)電性，否則估計(jì)該場(chǎng)強(qiáng) 會(huì)造成在所述區(qū)域的表面放電。通過(guò)使用半導(dǎo)電粒子，針對(duì)強(qiáng)度較 小的較低電場(chǎng)，半導(dǎo)電層的導(dǎo)電性可以被保持在很低，這可能是有 利的。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述粒子包括導(dǎo)電材料的粒子。應(yīng)當(dāng)理解， 作為進(jìn)一 步的替代方式，所述粒子可以包括半導(dǎo)電和導(dǎo)電粒子的組合。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述粒子包括無(wú)機(jī)材料的粒子。使用無(wú)機(jī)材 料的一個(gè)優(yōu)勢(shì)可以是其對(duì)層的導(dǎo)熱性可以提供有益的效果。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，無(wú)機(jī)材料包括至少一種氧化物。根據(jù)一個(gè)實(shí) 施方式，所述氧化物是金屬氧化物。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，從基于鈮、 鉭、鈦、鋯、釔、鴒、鋅和鐵的一系列氧化物中選擇所述至少一種 氧化物。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述半導(dǎo)電層包括有機(jī)填料。有機(jī)填料的一 個(gè)優(yōu)勢(shì)可以是其能夠制作得有相對(duì)的延展性并且與周?chē)木酆衔锘?體兼容。與適當(dāng)?shù)臒o(wú)機(jī)氧化物相比，它的密集度也可以較低。有機(jī) 填料可以是導(dǎo)電材料或半導(dǎo)電材料，并且為了有助于其半導(dǎo)電屬性，
充而使用。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述有機(jī)填料包括導(dǎo)電聚合物。優(yōu)選地，導(dǎo) 電聚合物與絕緣子的絕緣材料兼容，或與其所混合或所嵌入的聚合 物基體兼容。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述有機(jī)填料包括碳黑。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方 式，所述有機(jī)填料包括碳黑和導(dǎo)電聚合物的組合。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方 式，所述碳黑的粒子被所述導(dǎo)電聚合物覆蓋。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述導(dǎo)電聚合物屬于帶正電荷的導(dǎo)電聚合物
、根據(jù) 一 個(gè)實(shí)施方式,^斤述導(dǎo)電聚^^勿^于々1負(fù)^荷的導(dǎo)電聚合物
的組。優(yōu)選地所述導(dǎo)電聚合物包括PEDT或PSS，或兩者的組合。
該絕緣子可以是線或站絕緣子或者是任何室外裝置的絕緣子，其 設(shè)置用于控制或抑制中壓或高壓導(dǎo)體的電場(chǎng)的目的。絕緣子可以是 包圍設(shè)置以承載中壓或高壓的導(dǎo)體的管狀元件。典型地，本發(fā)明的 絕緣子構(gòu)成電絕緣體系統(tǒng)的部分，該電絕緣體系統(tǒng)用于電組件的生產(chǎn)，電組件如變壓器、植入電極、絕緣套管、室外使用的高壓絕緣 子，特別是針對(duì)如長(zhǎng)棒形、組合式和帽形絕緣子的與高壓電線相關(guān) 聯(lián)的室外絕緣子、傳感器、變頻器和電纜端頭密封以及針對(duì)中壓部 分中的基礎(chǔ)絕緣子，用于在開(kāi)關(guān)箱結(jié)構(gòu)中與室外功率開(kāi)關(guān)、測(cè)量傳
感器、引線(lead-through)以及過(guò)壓保護(hù)器相關(guān)聯(lián)的絕緣子的生產(chǎn)。 典型地，絕緣子用做吊掛架空電力線的吊掛裝置，因此與該電線直 接接觸并且面臨所述電線產(chǎn)生的電壓和電場(chǎng)。
所附權(quán)利要求書(shū)中將提出本發(fā)明進(jìn)一步的特性。 應(yīng)當(dāng)理解，以上對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的描述是為了以示例說(shuō)明本發(fā) 明，并且對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，替代方案是顯而易見(jiàn)的，而不 會(huì)背離權(quán)利要求書(shū)限定的、說(shuō)明書(shū)所支持的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電絕緣子，包括-電絕緣體，以及-形成于絕緣子面向周?chē)h(huán)境的最外表面上的半導(dǎo)電層，-其中所述半導(dǎo)電層包括聚合物基體，以及-其中所述半導(dǎo)電層包括為所述層賦予半導(dǎo)電特性的材料粒子，所述粒子分散在所述基體中，其特征在于所述粒子包括納米結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電絕緣子，其特征在于所述粒子的主要部分是納米結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電絕緣子，其特征在于基本上所 有所述粒子都是納米結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子，其特 征在于所述粒子均勻地分散在所述基體中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子，其特 征在于所述粒子定義一種滲透網(wǎng)絡(luò)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子，其特 征在于所述粒子包括半導(dǎo)電材料的粒子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子，其特 征在于所述粒子包括導(dǎo)電材料的粒子。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子，其特 征在于所述粒子包括無(wú)機(jī)材料的粒子。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電絕緣子，其特征在于所述無(wú)機(jī)材料 包括至少一種氧化物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電絕緣子，其特征在于所述氧化物是 金屬氧化物。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電絕緣子，其特征在于從基于鈮、 鉭、鈦、鋯、釔、鴒、鋅和鐵的氧化物的范圍中選擇所述至少一個(gè)金屬氧化物。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子，其特征在于所述半導(dǎo)電層包括有機(jī)填料。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的電絕緣子，其特征在于所述有機(jī)填 料包括導(dǎo)電聚合物。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的電絕緣子，其特征在于所述有 機(jī)填料包括碳黑。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子，其 特征在于所述有機(jī)填料包括碳黑和導(dǎo)電聚合物的組合。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的電絕緣子，其特征在于所述碳黑的 粒子被所述導(dǎo)電聚合物覆蓋。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13或15至16中任一權(quán)利要求所述的電絕緣 子，其特征在于所述導(dǎo)電聚合物屬于帶正電荷的導(dǎo)電聚合物的組。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電絕緣子，其特征在于所述導(dǎo)電聚 合物包括聚苯胺或聚吡咯或兩者的組合。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13或15至16中任一權(quán)利要求所述的電絕緣 子，其特征在于所述導(dǎo)電聚合物屬于帶負(fù)電荷的導(dǎo)電聚合物的組。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的電絕緣子，其特征在于所述導(dǎo)電聚 令物包括PEDT或PSS或兩者的組合。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子，其 特征在于所述電絕緣體包括聚合物。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子在含 水環(huán)境中以及受到來(lái)自電導(dǎo)體的電場(chǎng)作用時(shí)的應(yīng)用。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的應(yīng)用，其特征在于所述環(huán)境包含會(huì) 沉積在所述電絕緣體設(shè)備外表面上的顆粒物質(zhì)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的應(yīng)用，其特征在于所述環(huán)境是 室外環(huán)境。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22至24中任一權(quán)利要求所述的電絕緣子作為 用于架空電力線的吊掛裝置時(shí)的應(yīng)用。
全文摘要
一種電絕緣子，包括電絕緣體；以及形成于絕緣子面向周?chē)h(huán)境的最外表面上的半導(dǎo)電層，其中所述半導(dǎo)電層包括聚合物基體；賦予所述層半導(dǎo)電特性的材料粒子，所述粒子分散在所述基體中。所述粒子包括納米結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01B17/00GK101563732SQ200780046673
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2007年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月18日
發(fā)明者P·邁耶, S·克利福德, T·奧勒塔 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司