金屬化膜電容器元件及用于電力構(gòu)件的熱傳導(dǎo)膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬化膜電容器元件，其包括以多匝卷繞的金屬涂覆的介電膜。本發(fā)明具體涉及干式電力電容器。本發(fā)明還涉及一種用于電力構(gòu)件的熱傳導(dǎo)膜。
【背景技術(shù)】
[0002]存在正在進(jìn)行來(lái)產(chǎn)生更環(huán)境友好的干式電力構(gòu)件的許多研究活動(dòng)，S卩，不使用油作為電絕緣的電力產(chǎn)品，如干式電容器、干式電套管和干式儀器變壓器。此外，由于增加的電壓和電流水平，故存在用于干式高壓構(gòu)件的對(duì)除去耗散能量的增加的需求。
[0003]電容器可包括串聯(lián)或并聯(lián)連接的一個(gè)或更多個(gè)電容器元件?，F(xiàn)今，高壓電容器元件主要使用膜-箔片技術(shù)，其中金屬箔片(例如鋁)與介電膜(例如，聚丙烯膜)交替地卷繞成圓柱形卷，其接著以浸漬流體浸漬。由于導(dǎo)體由金屬箔片制成的事實(shí)，故熱從電容器元件的中心有效地除去。由于能夠在殼體內(nèi)循環(huán)的與浸漬流體組合的金屬箔片，故產(chǎn)生了從電容器高效除去耗散能量，并且減少了電容器元件內(nèi)的熱點(diǎn)。
[0004]然而，由于安全性、能量密度和環(huán)境原因而需要設(shè)計(jì)具有〃干式〃技術(shù)的電容器，其意味著不將電容器浸入浸漬流體中。在干式金屬化膜電容器中，導(dǎo)體通過(guò)使薄金屬層蒸發(fā)在介電膜上來(lái)形成金屬化膜而制成。金屬化膜以多匝卷繞成圓柱形卷，其嵌入在由固體材料如環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨基甲酸酯或硅凝膠制成的封殼中，以形成電容器單元。然而，金屬化膜的薄金屬層不能夠?qū)釓碾娙萜髟闹行挠行У貍魉统?。此外，固體封殼并未將熱有效地傳送離電容器。因此，對(duì)于干式電容器，除去耗散能量變成問(wèn)題，尤其是在高壓AC應(yīng)用中。
[0005]US8159812公開(kāi)了一種電力電容器，其包括至少一個(gè)電容器元件，其中電容器元件包括多個(gè)串聯(lián)連接的圓柱形子元件，其中各個(gè)子元件由以多匝卷繞的介電材料的至少兩條形成，其中導(dǎo)電材料層設(shè)置在繞組的匝之間，并且其中子元件圍繞彼此同心地設(shè)置，一個(gè)在另一個(gè)外部。子元件還可包括金屬涂覆的聚合物膜的緊密卷繞的條。絕緣提供在子元件之間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)目的在于改進(jìn)金屬化膜電容器元件的耗散能量的除去，并且通過(guò)其減少電容器元件中的熱點(diǎn)，并且允許元件在較高電場(chǎng)下操作。
[0007]該目的通過(guò)如權(quán)利要求1中限定的金屬化膜電容器元件實(shí)現(xiàn)。
[0008]金屬化膜電容器元件包括至少兩個(gè)同心地布置的圓柱形子元件，各個(gè)子元件包括以多匝卷繞的至少一個(gè)金屬涂覆的介電膜。電容器元件還包括設(shè)在子元件之間的熱傳導(dǎo)區(qū)段。熱傳導(dǎo)區(qū)段包括卷繞至少一匝并且具有高于子元件的金屬涂覆的介電膜的熱導(dǎo)率的熱傳導(dǎo)片。
[0009]設(shè)在子元件之間的熱傳導(dǎo)區(qū)段將高熱傳導(dǎo)材料并入在電容器元件內(nèi)，并且從而提高了電容器元件的熱導(dǎo)率，并且將熱從電容器元件的中心引導(dǎo)出至電容器元件的端面。電容器元件內(nèi)的高熱傳導(dǎo)材料的使用從其耗散的點(diǎn)除去熱。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電容器元件的耗散能量的高效除去，從而減少了電容器元件內(nèi)的熱點(diǎn)，這導(dǎo)致增大的場(chǎng)、較高允許的環(huán)境溫度、較高電流額定值，以及較大體積/表面比。
[0010]實(shí)現(xiàn)的益處在于干式電容器設(shè)計(jì)的功率和能量密度的增大。功率和能量密度對(duì)于空間有限的應(yīng)用是關(guān)鍵的。主要益處是在高壓DC或AC應(yīng)用中。然而，本發(fā)明可用于低壓和中壓應(yīng)用。
[0011]該解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于有可能使用同一卷繞設(shè)備來(lái)卷繞熱傳導(dǎo)片和卷繞子元件的金屬化膜。當(dāng)前使用的卷繞機(jī)器可用于制造根據(jù)本發(fā)明的電容器元件。因此，根據(jù)本發(fā)明的電容器元件的制造容易，并且不需要任何附加裝備。
[0012]為了提供電容器元件中的耗散能量的有效除去，熱傳導(dǎo)區(qū)段的熱導(dǎo)率應(yīng)當(dāng)優(yōu)選大于0.25ff/mK,并且更優(yōu)選大于0.3W/mK。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱傳導(dǎo)片具有0.5到1000 μ m之間的厚度，優(yōu)選I到100 μ m之間，并且最優(yōu)選3到50μπι之間。該實(shí)施例確保有可能卷繞熱傳導(dǎo)片。較薄的片為更柔性的，并且因此更容易卷繞。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱傳導(dǎo)片卷繞多匝。匝數(shù)影響了電容器元件的熱導(dǎo)率。大數(shù)量的匝增大電容器元件的熱導(dǎo)率。然而，大數(shù)量的匝還增大了電容器的尺寸和成本。所需的匝數(shù)取決于待除去的能量的量，其取決于電容器的類(lèi)型和其應(yīng)用，并且還取決于片的熱導(dǎo)率。如果片的熱導(dǎo)率為高的，則較少匝足以除去耗散能量。熱傳導(dǎo)片適合地卷繞I到100匝之間，優(yōu)選2到50匝之間，并且最優(yōu)選2到20匝之間。薄片的合理數(shù)量的匝沒(méi)有對(duì)電容器元件的設(shè)計(jì)和成本的較大影響。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電容器元件包括多個(gè)同心地布置的圓柱形子元件和以離電容器元件的中心的不同徑向距離布置在子元件之間的多個(gè)熱傳導(dǎo)區(qū)段。通過(guò)提供以離電容器元件的中心的不同徑向距離布置的多個(gè)熱傳導(dǎo)區(qū)段，有可能進(jìn)一步增大電容器元件中的熱導(dǎo)率，并且從而增加耗散能量的除去。此外，電容器元件的熱導(dǎo)率的增大更均勻地分布，并且熱從電容器元件的不同部分除去。該實(shí)施例對(duì)于中壓和高壓電容器特別有用，它們具有除去耗散能量的大需求。
[0016]作為優(yōu)選，各個(gè)區(qū)段中的導(dǎo)熱片的匝數(shù)在I到20之間。這有可能利用現(xiàn)有技術(shù)水平的卷繞機(jī)器產(chǎn)生。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱傳導(dǎo)區(qū)段為圓柱形的，并且區(qū)段的高度等于或大于子元件的高度。為了能夠?qū)岣咝У貜碾娙萜髟膬?nèi)部引導(dǎo)至設(shè)在電容器元件的端面處的電極，并且因此引導(dǎo)至電容器元件周?chē)?，熱傳?dǎo)區(qū)段的高度應(yīng)當(dāng)優(yōu)選等于或大于子元件的高度。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱傳導(dǎo)片為金屬箔片，例如，鋁或銅。熱傳導(dǎo)區(qū)段與包繞的子元件中的金屬涂覆介電膜電絕緣。市場(chǎng)上存在適合的金屬箔片。金屬箔片具有高熱導(dǎo)率，并且為可承受的。使用金屬箔片，熱傳導(dǎo)區(qū)段變得導(dǎo)電。為了使該實(shí)施例工作，熱傳導(dǎo)區(qū)段需要與包繞的金屬化膜絕緣，這可通過(guò)增加純絕緣膜如丙烯來(lái)完成。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱傳導(dǎo)片為熱傳導(dǎo)膜，其包括電絕緣膜，該電絕緣膜設(shè)有設(shè)置在膜的至少一側(cè)上的熱傳導(dǎo)和電絕緣顆粒層。作為優(yōu)選，顆粒應(yīng)當(dāng)具有大于0.25ff/mK的熱導(dǎo)率。由于膜和顆粒由電絕緣材料制成的事實(shí)，故熱傳導(dǎo)區(qū)段變得電絕緣。因此，不必要的是使熱傳導(dǎo)區(qū)段與子元件隔離，這便于制造電容器元件，并且因此降低成本。根據(jù)該實(shí)施例，熱傳導(dǎo)顆粒置于電絕緣膜的頂部上，替代了與聚合物混合。難以將納米或微米顆粒(例如，聚丙烯)足夠良好地分散在內(nèi)部來(lái)產(chǎn)生足夠薄而使其適合地卷繞的質(zhì)量良好的膜。該實(shí)施例使得有可能向薄膜提供良好的熱導(dǎo)率。作為優(yōu)選，熱傳導(dǎo)膜具有I到50μπι之間的厚度，并且更優(yōu)選3到10 μ m之間。具有此類(lèi)厚度的膜有可能卷繞。較薄的膜為更柔性的，并且因此更容易卷繞。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱傳導(dǎo)顆粒由陶瓷材料如鈦酸鋇(BaT13)和氮化硼(BN)制成。作為優(yōu)選，應(yīng)當(dāng)使用無(wú)機(jī)金屬氧化物顆粒，如，氧化鋁(Al2O3)和二氧化鈦(T12)。金屬氧化物為具有高熱導(dǎo)率的電絕緣材料，并且良好適于該應(yīng)用。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱傳導(dǎo)顆粒層以熱傳導(dǎo)型式設(shè)置在電絕緣膜上，從而向電絕緣膜提供了高熱傳導(dǎo)型式。熱傳導(dǎo)型式意思是設(shè)計(jì)成關(guān)于膜沿至少一個(gè)方向傳導(dǎo)熱的型式。該實(shí)施例使得有可能提供熱傳導(dǎo)膜的不均勻的熱導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)型式可設(shè)計(jì)成關(guān)于絕緣膜沿某一期望方向傳導(dǎo)熱，例如，將熱從膜的一個(gè)短側(cè)傳導(dǎo)至相對(duì)的短側(cè)。通過(guò)以關(guān)于膜的型式設(shè)置熱傳導(dǎo)顆粒，有可能減少?gòu)碾娙萜髟崴璧臒醾鲗?dǎo)材料的量，并且因此降低成本。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱傳導(dǎo)顆粒以沿圓柱形電容器元件的縱向方向延伸的型式設(shè)置在膜上。例如，型式包括沿橫跨絕緣膜的縱軸線的方向延伸的多條線，并且通過(guò)其沿圓柱形電容器元件的縱向方向延伸。通過(guò)該布置，來(lái)自電容器元件的內(nèi)部的熱沿電容器元件的縱向方向傳導(dǎo)至其端面。因此，有可能減少膜上的高熱材料的量，并且仍實(shí)現(xiàn)耗散能量的充分除去。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱傳導(dǎo)顆粒的層的厚度d在10到300nm之間，優(yōu)選10到10nm之間，并且最優(yōu)選在10到50nm之間。
[0024]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于改進(jìn)電力構(gòu)件的熱導(dǎo)率，如，電容器、套管和儀器變壓器。
[0025]該目的通過(guò)如權(quán)利要求14中限定的熱傳導(dǎo)膜實(shí)現(xiàn)。
[0026]熱傳導(dǎo)膜包括電絕緣膜和設(shè)置在膜的至少一側(cè)上的熱傳導(dǎo)和電絕緣顆粒層。顆?？蔀槿魏螣醾鲗?dǎo)和電絕緣顆粒。作為優(yōu)選，顆粒具有大于0.25W/mK的熱導(dǎo)率。層可設(shè)置成覆蓋絕緣膜的整側(cè)，或僅覆蓋膜的一個(gè)或多個(gè)部分。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的熱傳導(dǎo)膜的優(yōu)點(diǎn)在于其不是導(dǎo)電的，并且因此可與電力構(gòu)件的導(dǎo)電部分接觸使用，而沒(méi)有用以避免短路的任何電絕緣的需要。因此，不必要的是使熱傳導(dǎo)膜與電力構(gòu)件的傳導(dǎo)部分絕緣，這便于制造電容器元件并且因此降低成本。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于熱傳導(dǎo)膜是柔性的，并且因此，有可能