[发明专利]包含微米级无机填料混合物的电绝缘材料及制造方法

说明书

本发明涉及一种复合电绝缘材料(1)，该复合电绝缘材料(1)包括脂环族类型或二缩水甘油醚类型的环氧树脂基质(2)，以及15‑45％的填料，所述填料包括体积比为95/05至40/60的纵横比为小于3的第一微米级无机填料(3)和层状第二微米级无机填料(4)。本发明还涉及用于制造这种复合电绝缘材料(1)的方法，以及其在金属封闭的变电站(5)中用于电绝缘支撑件(9)的用途。

本发明涉及一种复合电绝缘材料，其尤其可以用作高压电气设备中的导电体的支撑件，所述高压电气设备例如经受高的交流和/或直流电压的气体绝缘的开关设备，其通常被缩写为GIS。

常规地，气体绝缘的开关设备由高压导电体组成，该高压导电体通过电绝缘支撑件(例如间隔物)保持在金属壳体的中心。外壳接地，并且每个相相对于地面的电绝缘由具有高介电强度的绝缘介质(通常为SF₆)提供。该开关设备非常紧凑，并且可以安装在建筑物内部或外部。

为了用作电绝缘体，绝缘支撑件的材料必须具有低孔隙率、高介电强度、低介电常数和低热膨胀系数。另外，在其使用过程中，电绝缘支撑件会经受永久性的电应力，这可能会引起局部热点。因此，重要的是，绝缘支撑件的材料在支撑件的整个使用寿命期间还具有高的导热性。

通常，电绝缘支撑件由复合材料制成，即，至少两个非混相的组分的组合体。通常，绝缘支撑件其中由分散有一种或多种填料的有机基质组成。基质是电绝缘材料，例如通过任选地在硬化剂存在下使可交联混合物交联而形成。填料可以是有机或无机的，微米级或纳米级的，并且可以是所有形状。该基质中可以包括其他添加剂，例如稀释剂或增塑剂。

电绝缘支撑件可以以不同的方式制备，例如通过挤出、模制或注射。注射工艺特别令人关注，因为它一方面可以减少设计过程中可能出现的缺陷，例如材料收缩过程中的泡或变形，还允许对所获得的部件进行标准化。然而，注射步骤要求填充的可交联混合物具有合适的流变性，以允许自动压力胶凝而不出现气泡。这种流变性也适用于真空下的重力铸造。

基质-填料界面是高电应力区域。如图1所示，当复合电绝缘材料A通电时，基质a-填料b的界面处可能出现热点(以星号表示)，特别是当基质具有低的导热系数时。这是由于缺少声子网络，该声子网络不允许或非常差地允许热能通过基质传递。

已经进行了研究以同时提高基质本身上或填料上的复合电绝缘材料的导热系数和介电强度。

关于基质，研究集中在例如基质的化学性质或交联剂的改性上。然而，对基质的任何修饰都需要修改复合电绝缘材料的制造工艺。

关于填料，也考虑了几种解决方案。特别地，显著提高填充率是实现高导热系数的常见解决方案。然而，该解决方案通常具有导致材料具有低介电强度的缺点。另外，高的填充率导致高粘度的可交联混合物，这可能使实施步骤困难并且在所获得的材料中产生缺陷(例如，孔隙率的增加)。

另一个常见的解决方案是使用纳米级填料。单独使用或与微米级填料组合使用，它们可以提高介电强度和导热系数。然而，添加纳米级填料具有缺点：需要控制填料的分散以避免聚集体的形成，粘度增加，由于需要避免其在空气中散播而在其使用过程中严重限制卫生和安全性，高成本等。

获得高导热系数的另一个解决方案在于改变填料的形状，特别是使用具有高纵横比的填料，例如层状或针状填料。实际上，高纵横比填料的存在允许沿这些填料以及在整个填料网络上传递热能，因此与具有低纵横比填料的材料相比，该材料的导热系数增加。

另外，在层状填料的情况下，纵横比的增加由于其阻挡作用也可以改善介电强度。然而，层状填料的缺点是与非层状填料相比，它们导致可交联混合物的粘度显著增加。因此，与可交联混合物相容的填料率相对较低，这存在导致材料的热膨胀系数过高、对局部放电导致的表面侵蚀和对表面跟踪的耐受性差的风险。