BR112013000430B1 - Isolador elétrico - Google Patents

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Abstract

isolador elétrico. a presente invenção refere-se a um isolador elétrico que inclui um corpo definindo uma abertura ao longo dele, um primeiro contato elétrico disposto em uma primeira extremidade da abertura, uma segundo contato elétrico móvel disposto em uma segunda extremidade da abertura, o dito segundo contato configurado para ser operacionalmente móvel através da abertura para eletricamente se conectar ao, ou desconectar, do primeiro contato e pelo menos duas telas de controle de campo elétrico côncavas fixadas ao corpo nas respectivas extremidades de, e a cerca da, abertura de tal maneira que as telas fiquem transversais à abertura e uma extremidade abertura de cada tela côncava é direcionada à outra.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ISOLADOR ELÉTRICO.
Antecedentes da Invenção [0001] A presente invenção refere-se a um isolador elétrico e a uma chave elétrica associada.
Descrição da Técnica Anterior [0002] A referência neste relatório descritivo a qualquer publicação anterior (ou informação derivada dela), ou a qualquer matéria que é conhecida, não é, e não deverá ser tomada como um conhecimento ou admissão de qualquer forma de sugestão que a publicação anterior (ou informação derivada dela) ou matéria conhecida faz parte do conhecimento geral comum no campo da procura à qual este relatório descritivo se refere.
[0003] O uso de gás de hexafluoreto de enxofre (SF6) na indústria elétrica como um meio dielétrico gasoso para chaves de circuito de alta voltagem, comando elétrico, e outros equipamentos elétricos é conhecido. Entretanto, chaves isoladas de gás SF6 não são mais preferidas devido ao efeito de gás estufa de SF6 (aproximadamente 23.900 vezes aquele de C02). Além disso, chaves incorporando SF6 gás requerem vedação e tais chaves vedadas geralmente atraem custos de manutenção mais elevados para garantir operação apropriada através do tempo de vida da chave. Uma matéria adicional é a recente introdução de requisitos de reportagem associados com tais chaves, exigindo que o aparelho interruptor seja verificado anualmente para determinar qualquer vazamento, que deve depois ser reportado. Esta reportagem coloca um peso significativo nos operadores de qualquer um de tais comandos elétricos.
[0004] Geralmente há dois tipos de chaves elétricas usadas em voltagem média. O primeiro tipo é de chaves defeituosas e corte de carga. Uma aplicação típica para tais chaves é interruptor de corte de
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2/24 carga e chaves de corte de carga em uma Unidade de Anel Principal (Ring Main Unit) (RMU). O segundo tipo é de interruptores defeituosos e de corte de carga. Uma aplicação típica para essas chaves é interruptor automático de Unidade de Anel Principal (RMU), por exemplo, para interiores e mecanismo de distribuição envolvidos em metal, ou similares.
[0005] Uma chave de isolamento elétrico geralmente compreende três componentes principais, a saber, um interruptor, um isolador, e um mecanismo para acionador o interruptor e o isolador. Um interruptor a vácuo é um tipo de interruptor que é largamente usado em um grande faixa de chaves elétricas que sem SF6. Seu design é bem conhecido na técnica; entretanto, eles são impróprios para uso como isolador devido à força do campo elétrico interno ser muito alta que existe entre os contatos abertos e o fato de que, como um resultado da forma do campo elétrico interno, a tensão elétrica mais alta ocorre na superfície de contato condutora. Pequenas asperezas e imperfeições de superfície causadas por sua operação dão origem aos chamados levantadores de tensão que resultarão em degradação de tal capacidade de isolamento de interruptores a vácuo, tipicamente resultando em uma tensão disruptiva em uma voltagem mais baixa do que a projetada.
[0006] Descargas Disruptivas Não Sustentadas (NSDD) são também um problema com tais interruptores a vácuo. Esse fenômeno de NSDD é geralmente causado em parte por impurezas no material de contato do interruptor a vácuo. Consulte Peculiarities of non-sustained disruptive discharges at interruption of cable/line charging current A. M. Chaly, L.V. Denisov, V.N. Poluyanov, I.N. Poluyanova, Tavrida Electric, 22, Vakulenchuka Str., Sevastopol, 99053 Ukraine. Por esses motivos, é geralmente necessário usar um isolador em série com um interruptor a vácuo para prover meio de isolamento seguro.
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3/24 [0007] Algumas chaves elétricas são requeridas para transformar uma linha defeituosa e depois cortar a falha de curto circuito corrente, enquanto outros interruptores são requeridos somente para cortar cargas correntes. Este fazer e cortar correntes defeituosas, ou o corte de correntes de carga, pode ser realizado por qualquer interruptor apropriado como um interruptor a vácuo, interruptor eletrônico de estado sólido, ou interruptor de jato de ar. Outras tecnologias podem também ser apropriadas. Entretanto, todos esses interruptores conhecidos requerem um isolador adicional que é capaz de confiadamente resistir a voltagens máximas que são provavelmente para serem vistas em serviço a fim de prover isolamento seguro.
[0008] Há um número de documentos da técnica anterior relacionando diferentes tipos de isoladores. Por exemplo, a patente dos estados Unidos N°. 4.484.044 ensina um interruptor de carga que inclui um interruptor a vácuo em série com um interruptor de desconectar o ar. O interruptor a vácuo compreende um eletrodo fixo, um eletrodo móvel acoplado a uma extremidade de uma haste de controle axialmente móvel e uma mola de retenção que exerce uma força resiliente na haste de controle tendendo a separar os eletrodos. O interruptor de desconectar o ar compreende um contato macho conicamente conformado e um oposto contato fêmea, conformado para permitir inserção do contato macho naquele lugar. O contato macho tem uma porção da base de diâmetro relativamente grande acoplada à outra extremidade da haste de controle e formando um desvio com a haste de controle. O contato fêmea tem uma mola carregada vedando projeções para confiadamente engajar a etapa do contato macho e um tampão para exercer uma força na haste de controle suficiente para fechar os eletrodos do interruptor a vácuo, quando o contato macho é movido contra o tampão depois do engajamento com o contato fêmea. A carga da mola das projeções que travam do contato fêmea, a forma do contato ma
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4/24 cho e a mola constante da mola de retenção são selecionados de tal maneira que na haste de controle, durante o engate dos contatos macho e fêmea, não é suficiente fechar os eletrodos do interruptor a vácuo, enquanto a força na haste de controle, durante o desengate desses contatos, atua para separar completamente os eletrodos do interruptor a vácuo antes da liberação do contato macho.
[0009] Este é um design típico de um isolador da técnica anterior, como mostrado na figura 1 (figura 3 da patente dos estados Unidos N°. 4.484.044). Ele consiste do contato de movimento 12, contato fixo 7, e distância de isolamento L. Este tipo de isolador é usado em mecanismo de distribuição elétrica de voltagem média, ambos no ar e em SF6. Os isoladores SF6 são substancialmente menores do que os dispositivos de isolamento do ar uma vez que o gás SF6 tem 2,5 vezes a resistência dielétrica do ar, desta maneira um dispositivo SF6 isolado é normalmente 40% do tamanho de um dispositivo de isolamento do ar em cada dimensão linear, resultando em um dispositivo que pode ser somente 10 a 20% do volume de um dispositivo de isolamento do ar. Entretanto, esses isoladores têm a desvantagem de exigirem grandes distâncias de isolamento no ar como pode ser visto a partir dos lotes do campo elétrico acoplado da figura 2. A figura 2 mostra o lote do campo elétrico do isolador da figura 1. Pode ser visto que uma distância de isolamento L de 172 mm a tensão elétrica máxima estimada será 2.800 volts/mm. Desse modo, como o ar tem um esgotamento de 3.000 volts/mm, isto significa que 172 mm é a separação mínima que pode ser provida para esse arranjo funcionar como um isolador.
[00010] Similarmente, a patente dos Estados Unidos N°. 3.598.939 se refere a um interruptor de isolamento tendo eletrodos metálicos grandes, apresentando substancialmente superfícies macias viradas uma para a outra, com pelo menos um dos eletrodos sendo movível por meio de um transporte móvel ao qual está preso. Os eletrodos na
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5/24 posição de intervalo aberto têm uma resistência relativamente alta ou força de isolamento para ligação o aumento brusco da voltagem, impulsionar a voltagem, e com um espaço de intervalo relativamente pequeno. O movimento do veículo para contatar ambos os eletrodos corresponde à posição mais fechada do interruptor enquanto o movimento do transportador para cortar o contato entre os eletrodos corresponde à posição aberta. Nessa última posição, um campo eletrostático substancialmente uniforme é produzido no intervalo entre os eletrodos. [00011] A Patente dos Estados Unidos N°. 3.624.322 descreve um interruptor de isolamento que emprega eletrodo do tipo semiesférico protegendo partes energizadas que estão montadas no topo de um par de colunas de isolador inclinadas. As colunas são montadas em uma estrutura de suporte por meio de rolamentos de rotor, que, quando girados por um mecanismo apropriado, fazem os topos das colunas do isolador moverem em uma via circular. Ligações são empregadas e são responsivas à rotação da coluna em uma primeira direção para eletricamente contatar a lâmina e a garra do arranjo de interruptores, e para retirar a lâmina e garra em resposta à rotação da coluna em uma segunda direção para cortar o contato. As superfícies macias dos eletrodos empregados estão viradas uma para a outra nesta segunda instância e provêm uma condição de intervalo aberto que produz um campo eletrostático substancialmente uniforme entre as superfícies voltadas.
[00012] A Patente dos Estados Unidos N°. 3.592.984 descreve um interruptor de isolamento tendo eletrodos esféricos, elipsoides, toroides ou esferoides e uma lâmina de chave retratável. Os eletrodos na posição do intervalo aberto têm uma retirada relativamente alta no aumento da voltagem, voltagem de impulso e com um espaço de intervalo relativamente pequeno. A extensão da lamina da chave retratável para contatar ambos os eletrodos, corresponde à posição fecha
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6/24 da da chave enquanto a retração da lâmina da chave em um dos eletrodos corresponde à posição aberta. Naquela última posição, um intervalo aberto é produzido entre os eletrodos e resulta em um campo eletrostático substancialmente uniforme no intervalo. Isto tem a vantagem de que o intervalo aberto no interruptor pode ser feito substancialmente menor do que a distância dos eletrodos para o chão, e ainda garante que qualquer tensão disruptiva será entre os eletrodos e o chão em vez de ao longo do intervalo aberto do interruptor.
[00013] A Patente dos Estados Unidos N°. 5.237.137 ensina, em um interruptor isolante para blindado de metal, mecanismo de distribuição de alta voltagem isolado de gás comprimido, uma unidade de controle mecânico contendo um arranjo de alavanca rotativamente suportado. O arranjo de ALAVANCA trava automaticamente em uma posição neutra e retém um pino de contato auxiliar até ele ser liberado por uma superfície guia conectada ao pino de contato principal. Um contato de união do pino de contato auxiliar é também mola carregada e segue esse pino de contato auxiliar um tanto depois de ser liberada, inicialmente enquanto mantém a ligação equipotencial.
[00014] A Patente dos Estados Unidos N°. 4.591.680 provê um interruptor de isolamento, que é apropriado para eletricamente isolar e conectar componentes de estações de ligação encapsulada de gás isolado, sob, no máximo, condições de carga baixa, em que um membro de contato fixo é provido com um contato de central rebocável que termina em um membro de contato. Ele é coaxialmente circundado por um círculo de linguetas de amperagem nominal e um eletrodo de blindagem de contato fixo. A haste de contato central do membro de contato móvel é coaxialmente circundada em uma distância por um eletrodo protetor que também é móvel. A fim de prevenir tensões disruptivas indesejáveis, em particular tensões disruptivas na encapsulagem, as linguetas estimadas atualmente estão em contato com a haste de
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7/24 contato na área circundada pelo eletrodo de proteção que é também móvel. Elas são montadas para ser rotativas e ter forças aplicadas a elas que pressionam os membros terminais radialmente para o interior. O membro de contato é construído como uma placa do tipo escudo protetor tendo uma parte dianteira que é abobadada para a frente em direção ao arranjo de contato móvel. Quando o contato de reboque é empurrado para trás, as linguetas de corrente nominal, que estão localizadas atrás da face dianteira, que o contato de reboque é empurrado para frente, se projeta através das aberturas no membro de contato. A haste de contato e o eletrodo de proteção que se move ao longo com o anterior são providos com ranhuras circunferenciais.
[00015] As chaves da técnica anterior acima são geralmente enfocadas em formas de eletrodo de controle de campo elétrico convexo. Existe atualmente um requisito por um isolador elétrico não vedado isolado de ar de baixo custo compacto para ser usada sozinha ou em combinação com um interruptor para criar uma chave de isolamento elétrico sem SF6.
Sumário da Presente Invenção [00016] Em uma primeira forma ampla a presente invenção busca prover um isolador elétrico que inclui:
a) um corpo definindo uma abertura através dele;
b) um primeiro contato elétrico disposto em uma primeira extremidade da abertura;
c) um segundo contato elétrico móvel disposto em uma segunda extremidade da abertura, o dito segundo contato configurado para ser operativamente móvel através da abertura para eletricamente se conectar ao, ou desconectar do, primeiro contato; e
d) pelo menos duas telas de controle de campo elétrico côncavas fixadas ao corpo nas respectivas extremidades de, e a cerca da, abertura de tal maneira que as telas ficam transversas à abertura e
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8/24 uma extremidade aberta de cada tela côncava é direcionada à outra. [00017] Tipicamente, o corpo é fabricado de um material de isolamento dielétrico sólido.
[00018] Tipicamente, a abertura é tubular.
[00019] Tipicamente, o isolador elétrico inclui um contato deslizante para conectar o primeiro contato ao segundo contato na abertura.
[00020] Tipicamente, o isolador elétrico inclui um mecanismo configurado para acionar o segundo contato através da abertura em, ou fora de, contato com o primeiro contato.
[00021] Tipicamente, o corpo inclui uma tela condutora externa.
[00022] Tipicamente, a tela condutora externa inclui uma pintura condutora ou um revestimento de metal com spray.
[00023] Tipicamente, a tela condutora externa é terrosa, em uso. [00024] Tipicamente, as ditas telas são configuradas para modificar o campo elétrico na abertura para desta maneira manter um perfil de tensão elétrica desejada entre os contatos.
[00025] Em uma segunda forma ampla a presente invenção busca prover um isolador elétrico que inclui:
a) um corpo definindo uma abertura através dele;
b) um primeiro contato elétrico disposto em uma primeira extremidade da abertura;
c) um segundo contato elétrico disposto de uma maneira móvel em uma segunda extremidade da abertura, o dito segundo contato configurado para ser operacionalmente movível através da abertura para eletricamente se conectar ao, ou desconectar do, primeiro contato; e
d) pelo menos duas telas de controle do campo elétrico se estendendo externamente das respectivas extremidades da abertura, as telas modificando o campo elétrico na abertura para desta maneira manter um perfil de tensão elétrica desejado entre os contatos.
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9/24 [00026] Tipicamente, o corpo é fabricado a partir do dito material de isolamento dielétrico sólido.
[00027] Tipicamente, a abertura é tubular.
[00028] Tipicamente, o isolador elétrico inclui um contato deslizante para conectar o primeiro contato ao segundo contato na abertura.
[00029] Tipicamente, o isolador elétrico inclui um mecanismo configurado para impulsionar o segundo contato através da abertura para dentro, ou para fora do contato com o primeiro contato.
[00030] Tipicamente, o isolador elétrico do corpo inclui uma tela condutora externa.
[00031] Tipicamente, o isolador elétrico da tela condutora externa inclui uma pintura condutora ou um revestimento de metal coberto com spray.
[00032] Tipicamente, no isolador elétrico a tela condutora externa é aterrada, em uso.
[00033] Tipicamente, as ditas telas são configuradas para modificar o campo elétrico na abertura para, desta maneira, manter um perfil de tensão elétrica desejado entre os contatos.
[00034] Em uma terceira forma ampla a presente invenção busca prover uma chave elétrica que inclui:
a) um alojamento;
b) um interruptor dentro do alojamento para interromper uma corrente elétrica;
c) um isolador dentro do alojamento e disposto em comunicação elétrica com o interruptor, o isolador tendo:
d) um corpo definindo uma abertura através dele;
e) um primeiro contato elétrico disposto em uma primeira extremidade da abertura;
f) um segundo contato elétrico disposto de maneira móvel em uma segunda extremidade da abertura, o dito segundo contato
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10/24 configurado para ser operacionalmente móvel através da abertura para eletricamente se conectar ao, ou se desconectar do, primeiro contato; e
g) pelo menos duas telas de controle de campo elétrico côncavo fixado no corpo nas respectivas extremidades da, e cerca da, abertura de tal maneira que as telas ficam transversas à abertura e uma extremidade aberta de cada tela côncava é dirigida para a outra; e
h) um mecanismo configurado para impulsionar o interruptor e o isolador.
[00035] Tipicamente, o interruptor inclui um interruptor a vácuo.
[00036] Tipicamente, o mecanismo inclui uma vareta de isolamento entrando no alojamento através de uma passagem em uma porção do alojamento tendo pelo menos duas telas de controle de campo elétrico côncavo fixado às respectivas extremidades da, e cerca da, passagem de tal maneira que as telas ficam transversais à passagem e uma extremidade aberta de cada tela côncava é dirigida para a outra, as ditas telas configuradas para distribuir um campo elétrico na passagem a fim de prover uma área de tensão elétrica baixa.
[00037] Tipicamente, as ditas telas são configuradas para modificar o campo elétrico na abertura para desta maneira manter um perfil de tensão elétrica desejado entre os contatos.
[00038] Em uma terceira forma ampla, a presente invenção busca prover uma câmara de isolamento elétrico para eletricamente isolar a primeira e segundo regiões, a câmara isolante incluindo:
a) uma passagem se estendendo entre a primeira e segunda regiões;
b) um membro se estendendo através da passagem;
c) pelo menos duas telas de controle de campo elétrico côncavo providas em torno da passagem de tal maneira que as telas
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11/24 ficam transversais à câmara e uma extremidade aberta de cada tela côncava é dirigida para a outra, as ditas telas sendo configuradas para distribuir um campo elétrico na câmara a fim de prover uma terceira região de tensão elétrica baixa, o membro se estendendo através da terceira região.
[00039] Tipicamente, pelo menos uma das primeira e segunda regiões é provida dentro de um alojamento para equipamento elétrico.
[00040] Tipicamente, as ditas telas são configuradas para modificar o campo elétrico na câmara para desta maneira manter um perfil de tensão elétrica desejado ao longo do membro.
[00041] Tipicamente, o membro inclui pelo menos um de:
a) atuador mecânico;
b) fibras ópticas; e,
c) tubos de fluido.
Breve Descrição dos Desenhos [00042] Um exemplo da presente invenção será agora descrito com referência aos desenhos que acompanham, em que:
figura 1 mostra um tipo de isolador da técnica anterior descrito na patente dos Estados Unidos N°. 4.484.044;
figuras 2a e 2b mostram lotes de campos elétricos no ar para o isolador da técnica anterior da figura 1;
figura 3a mostra um exemplo de um isolador tendo duas telas de controle de campo elétrico de placas paralelas;
figuras 3b e 3c mostram lotes do campo elétrico geral no ar das duas telas de controle de campo elétrico de placas paralelas;
figura 4a mostra um exemplo de um isolador elétrico de acordo com o arranjo atual;
figuras 4b e 4c mostram lotes de campo elétrico típico de duas telas de controle de campo elétrico de duas placas paralelas parcialmente embutidas em um dielétrico sólido, sem uma tela condutora
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12/24 externa;
figuras 5a e 5b mostram ainda lotes de campo elétrico do isolador da figura 4, tendo duas telas de controle de campo elétrico de placas paralelas embutidas em um dielétrico sólido, sem tela condutora externa;
figuras 6a e 6b mostram lotes de campo elétrico típico de duas telas de controle de campo elétrico de placas paralelas planas, parcialmente embutidas em um dielétrico sólido com tela condutora externa aterrada;
figura 7 mostra um exemplo de um isolador elétrico de acordo com o arranjo atual, sem uma tela condutora externa;
figura 8 mostra um exemplo de um isolador elétrico de acordo com o arranjo atual, com tela condutora externa;
figuras 9a e 9b mostram um lote de campo elétrico do isolador elétrico da figura 7;
figuras 10a e 10b mostram um lote de campo elétrico adicional do isolador elétrico da figura 7;
figuras 11a e 11b mostram um lote de campo elétrico do isolador elétrico da figura 8;
figuras 12a e 12b mostram um lote de campo elétrico do isolador elétrico da figura 8 tendo uma tela terrosa externa aterrada;
figura 13 mostra um exemplo de um desconector de chave de acordo com o arranjo corrente; e figura 14 mostra um exemplo adicional de um desconector de chave de acordo com o arranjo corrente.
Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas [00043] Com referência agora aos desenhos que acompanham, a título de conhecimento básico, a figura 3a mostra um exemplo de um isolador elétrico 9 com um primeiro contato elétrico 4 e um segundo contato elétrico móvel 5 que é geralmente configurado para ser opera
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13/24 cionalmente movível para eletricamente conectar ao, ou desconectar do, primeiro contato 4. O contato deslizante 6 tipicamente facilita o contato entre contato elétricos 4 e 5. O isolador 9 também inclui duas telas de controle de campo elétrico paralelas 31 e 32, cada uma disposta, como mostrado, próximo dos respectivos contatos elétricos 4 e 5. As telas 31 e 32 ficam transversais aos contatos 4 e 5 e as telas 31 e 32 são configuradas para uniformemente distribuir um campo elétrico a fim de reduzir a tensão elétrica entre as ditas telas 31 e 32 quando os contatos 4 e 5 são desconectados.
[00044] As figuras 3b e 3c mostram o lote do campo elétrico de outro exemplo de duas telas de controle de campo elétrico de placas paralelas 31,32 no ar, deslocadas uma da outra por uma distância de 68 mm. Como mostrado no gráfico da figura 3c, este arranjo de condutor resulta em uma tensão elétrica estimada máxima de 2.800V/mm logo antes dos contatos 4 (por meio do contato deslizante 6) e 5 eletricamente conectados um ao outro.
[00045] De acordo com um exemplo do arranjo corrente, a figura 4a mostra um isolador elétrico 9 tendo um corpo 1 definindo uma abertura 2 através dele, como mostrado. O isolador 9 também inclui um primeiro contato elétrico 4 disposto em uma primeira extremidade da abertura 2, e um segundo contato elétrico 5 de maneira móvel arranjado em uma segunda extremidade da abertura 2. O segundo contato 5 é geralmente configurado para ser operacionalmente móvel através da abertura 2 para eletricamente conectar ao, ou desconectar do, primeiro contato 4 por meio do contato deslizante 6. O isolador 9 também inclui pelo menos duas telas de controle do campo elétrico 31 e 32 se estendendo parra fora das respectivas extremidades da abertura 2, como mostrado. As duas telas de controle do campo elétrico 31 e 32 de placas paralelas opostas são tipicamente parcialmente embutidas em um dielétrico sólido 33. As telas 31 e 32 são configuradas para modificar o
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14/24 campo elétrico na abertura 2 para dessa maneira manter um perfil de tensão elétrica desejada entre os contatos 4 e 5.
[00046] A abertura ou o orifício central 2, preferivelmente redondo, provê uma abertura para o segundo ou móvel contato 5 passar através. O contato móvel 5 é tipicamente conduzido a partir de um mecanismo apropriado. Ele pode ser manualmente ou eletricamente operado por qualquer um dos muitos mecanismos de operação apropriados com os quais as pessoas versadas na técnica deverão estar familiarizadas. Em um exemplo, o contato móvel 5 tipicamente se conecta com o primeiro ou contato fixo 4 por meio de um contato deslizante 6 de tal maneira que um circuito elétrico é concluído. O contato deslizante 6 pode ser um contato Multilam ou similar.
[00047] As figuras 4b e 4c mostram um lote de campo elétrico das duas telas de controle do campo elétrico de placas paralelas opostas 31, 32 parcialmente embutidas no dielétrico sólido 33. C Omo mostrado, voltagem de 135kv aplicada cria uma tensão elétrica máxima estimada de 2800 volts/mm em um ar interno para a interface dielétrica sólida A-A. Observe que a área de tensão alta associada com ar como dielétrica entre as telas 31 e 32 na figura 3c é agora embutida na dielétrica sólida 33 e a separação entre as telas pode ser reduzida para
47,5 mm do inicial 68 mm. Uma comparação da forma de cabeça para baixo das tensões elétricas da figura 3c e figura 4c mostra que o gradiente do campo elétrico é reduzido no arranjo da figura 4a na região do contato 4 (com o contato deslizante associado 6), que como o contato 5 se aproxima do contato 4, a tensão elétrica será reduzida em comparação com o arranjo das figuras 3b e 3c. .
[00048] As tensões elétricas no ar para interfaces dielétricas são importantes a fim de prever a confiabilidade durante o tempo de vida do produto. As figuras 5a e 5b mostram um lote de campo elétrico adicional das duas telas de controle campo elétrico de placas paralelas
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15/24 opostas 31 e 32 parcialmente embutidas na dielétrica sólida 33. Uma voltagem de 135kv aplicada cria uma tensão elétrica máxima estimada de 2,525 volts/mm no ar externo para a interface de C-C de dielétrico sólido 33, que é menos do que a tensão de esgotamento do ar de 3,000 Volts/mm.
[00049] As figuras 6a e 6b mostram um lote de campo elétrico de duas telas de controle de campo elétrico 31, 32 de placas paralelas opostas parcialmente embutidas em um dielétrico sólido com uma tela condutora externa 10 aterrada, adicionada em torno da dielétrica 33, como mostrado. Uma voltagem aplicada de 135kv cria uma tensão elétrica máxima estimada de 3,000 volts/mm no ar interno para a interface A-A dielétrica sólida.
[00050] Como é sabido na técnica de engenharia elétrica, a distribuição mais uniforme de campo elétrico é realizada por duas placas paralelas de tamanho infinito. A figura 3 mostra que uma distribuição de campo elétrico razoavelmente uniforme pode ser de fato alcançada com telas de controle paralelas pequenas separadas por uma distância apropriada no ar. Além disso, por parcialmente embutir tais telas em um dielétrico sólido como nas figuras 4 e 5, o espacejamento entre os contatos 4 e 5 pode ser reduzido. Como a redução no tamanho do isolador é geralmente desejável, esse aspecto é uma característica importante do arranjo atual.
[00051] Sem qualquer influência externa para o campo elétrico, o campo elétrico no dielétrico 33 é tipicamente uniforme. Entretanto, esse arranjo não é apropriado para o design do isolador elétrico na prática, uma vez que o campo elétrico uniforme entre as telas de controle do campo elétrico paralelo 31 e 32 é facilmente perturbado pelos campos elétricos adjacentes e estruturas ligadas à terra. Quando o campo elétrico se torna perturbado, ele geralmente se torna não uniforme e a tensão máxima aumenta, o que pode causar uma perda significativa
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16/24 no desempenho.
[00052] A aplicação de uma tela condutora externa ligada na terra 10 na figura 6 protege o campo de tais influências externas, entretanto ela tem o efeito de provocar um aumento na tensão elétrica interna máxima em A-A. Ainda aumentando a separação faz pouco para reduzir a tensão elétrica interna máxima, uma vez que é principalmente influenciado pela locação da tela condutora externa 10. É desta maneira visto que enquanto campos elétricos uniformes podem ser alcançados por telas de controle de campo elétrico de placas paralelas, existem diversas desvantagens maiores.
[00053] A figura 7 mostra um exemplo de um isolador elétrico 9, de acordo com o arranjo atual. O isolador 9 tipicamente inclui um corpo 1 definindo uma abertura ou orifício 2 através dele. O isolador 9 também inclui um primeiro contato elétrico 4 arranjado em uma primeira extremidade da abertura 2, como também um segundo contato elétrico 5 de maneira móvel arranjado em uma segunda extremidade da abertura 2. O segundo contato 5 é geralmente configurado para ser operacionalmente móvel através da abertura 2 para eletricamente se conectar ao, ou desconectar do, primeiro contato 4 por meio do contato deslizante 6.
[00054] O isolador 9 também inclui pelo menos duas telas 31 e 32 de controle do campo elétrico côncavo fixadas ao corpo nas respectivas extremidades de, e em torno da abertura 2 de tal maneira que as telas 31 e 32 ficam transversais à abertura 2 e uma extremidade aberta de cada tela côncava 31 e 32 é dirigida para a outra, como mostrado. As telas 31 e 32 são configuradas para igualmente distribuir um campo elétrico na abertura 2, a fim de reduzir a tensão elétrica entre as ditas telas 31 e 32 quando os contatos 4 e 5 são desconectados. As telas são tipicamente côncavas e podem incluir uma configuração similar em forma de arco ou similares.
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17/24 [00055] O exemplo de um isolador 9 da figura 8 tem uma tela condutora externa 10 aplicada onde na figura 7 ela não está. Em algumas circunstâncias é preferível aplicar uma tela condutora externa 10 revestindo a superfície externa do corpo 1 com um revestimento condutor como uma medida de controle do campo elétrico. Em algumas circunstâncias pode ser preferível aterrar essa tela condutora, em uso. A tela condutora externa 10 é preferivelmente uma pintura condutora ou um revestimento de metal com spray.
[00056] O corpo 1 do arranjo corrente é preferivelmente, mas não necessariamente tubular ou circular, em torno da linha central e feito de um material de isolamento dielétrico sólido apropriado como um polímero. O polímero preferido é uma resina de epóxi de grade elétrica como Huntsman CW2229. Se ela não é para ser usada em um ambiente ao ar livre, então uma resina de epóxi cicloalifático apropriada é preferida, como uma Huntsman CY184 ou CY5622. A resistência dielétrica de tal polímero é aproximadamente 20.000 Volts/mm enquanto a resistência dielétrica do ar é aproximadamente 3.000 Volts /mm. A constante dielétrica, preferida do material de isolamento dielétrico sólido, é na faixa de 1 a 6.
[00057] A abertura ou o orifício central 2, preferivelmente redondo, provê uma abertura para o segundo ou contato móvel 5 passar. O contato móvel 5 é tipicamente conduzido a partir de um mecanismo apropriado. Ele pode ser manualmente ou eletricamente operado por um de muitos mecanismos de operação apropriados que as pessoas versadas na técnica devem estar familiarizadas. Em um exemplo, o contato móvel 5 tipicamente conecta com o primeiro ou contato fixo 4 por meio de um contato deslizante 6 de maneira que um circuito elétrico é completado. O contato deslizante 6 pode ser um Multilam ou contato similar.
[00058] Como descrito acima, as telas 31 e 32 de controle do camPetição 870190086623, de 04/09/2019, pág. 20/35
18/24 po elétrico côncavo são dispostas de uma maneira oposta e são tipicamente embutidas no corpo 1. Essas telas de controle do campo elétrico 31 e 32 servem para dar forma ao campo elétrico de tal maneira como para idealmente formar as linhas equipotenciais e as distribuem igualmente de maneira que a tensão elétrica resultante é tão uniforme quanto possível. Isto garante um design mais compacto possível.
[00059] Os isoladores das figuras 7 e 8 são geralmente designados para aplicação em um sistema rateado de 12kV, corrente contínua rateada de 630 Amps, e Voltagem Resistente ao Impulso de Iluminação (Lightning Impulse Withstand Voltage) (LIWV) de 1 lOKv. A fim de prover um isolador confiável, e permitir disseminação estatística dos resultados de testes na produção, o isolador 9 é tipicamente projetado para resistir a uma LIWV de 135.000 Volts. Entretanto, deve ser percebido que exemplos diferentes do isolador 9 podem ser aplicados em qualquer voltagem ou corrente rateada.
[00060] A figura 9 mostra uma previsão de tensão elétrica do isolador 9 da figura 7, sem a tela condutora externa, em local de tensão elétrica mais alta 34 no dielétrico sólido para a interface de ar A-A no orifício central 2. A tensão elétrica máxima é aproximadamente 2.800 Volts/mm a meio caminho entre as telas de controle do campo elétrico 31 e 32. Isto tem o efeito desejado de prover desempenho estável do isolador quando a LIWV é aplicada.
[00061] Além disso, a figura 10 prevê a tensão elétrica do isolador 9, sem a tela condutora externa 10, no corpo 1 para a interface de ar 15 em C-C. Observe que a tensão elétrica máxima é aproximadamente 4.800 Volts/mm. Isto é indesejável uma vez que vai fazer o ar se tornar condutor no instante que a LIWV é aplicada sobre a superfície do isolador, que conduzirá a um possível esgotamento elétrico externamente, quando a LIWV é aplicada. A tensão elétrica também estará presente em 15, durante o serviço normal, em uma voltagem estimada
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19/24 e isto pode fazer surgir uma falha prematura do corpo dielétrico sólido 1 devido às descargas parciais criadas pelas tensões elétricas na presença de poluição como poeira, teias de aranha ou outras matérias estranhas.
[00062] A figura 11 prevê a tensão elétrica do isolador 9 da figura 8, com a tela condutora externa 10 subterrânea (ou em uma flutuação potencial) no local da tensão elétrica mais alta no orifício central 2. A tensão elétrica máxima é aproximadamente 2.800 Volts/mm a meio caminho entre as telas de controle do campo elétrico 31 e 32. Isto tem também o efeito desejado de prover desempenho estável do isolador.
[00063] A figura 12 prevê a tensão elétrica do isolador 9 da figura 8, com a tela condutora externa 10 aterrada, no local da tensão elétrica mais alta 34 no dielétrico sólido para a interface de ar no orifício central 2. A tensão elétrica máxima é aproximadamente 2.800 Volts/mm a meio caminho entre as telas de controle do campo elétrico 31 e 32.
[00064] O isolador 9 geralmente controla a tensão elétrica máxima no ar através de duas ações, isto é, pela forma côncava oposta das telas de controle do campo elétrico 31 e 32, e devido ao fato de que as telas de controle do campo elétrico 31 e 32 são parcialmente encapsuladas em um material de isolamento dielétrico sólido de resistência dielétrica alta no corpo 1 de tal maneira como para garantir que as áreas de tensão elétrica máxima estão dentro do material de isolamento.
[00065] Se a tensão elétrica máxima ocorre no condutor para a interface de ar 8, então qualquer inconsistência na forma do condutor, ou aspereza, ou imperfeições de superfície ou irregularidades na superfície de eletrodo metálico causará degradação da capacidade de isolamento. Tais irregularidades e imperfeições de superfícies podem ser causadas pelo consumo durante a vida do isolador 9.
[00066] Comparando as figuras 9, 10, 11 e 12 pode ser visto que faz diferença insignificante para a tensão elétrica no orifício central
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20/24 cheio de ar 2 quer a tela condutora externa 10 esteja presente ou não, e quer a tela condutora externa 10 está aterrada ou não.
[00067] Entretanto, o isolador 9 com a tela condutora externa 10 aterrada é vantajoso por causa do campo interno não ser influenciado por fatores externos como outros campos elétricos ou outros objetos aterrados; ele elimina qualquer tensão de campo elétrico sobre a superfície que pode causar degradação de longo prazo da superfície devido à presença de descargas parciais que podem aumentar com a presença de poeira ou outro material estranho; ele dá forma ao campo elétrico de tal maneira que a tensão elétrica máxima ocorre no ponto a meio caminho entre as telas de controle do campo elétrico que têm o efeito desejado de prover desempenho estável do isolador; e ele fornece uma superfície aterrada que é segura ao toque.
[00068] Devido a esses melhoramentos, pode ser visto que o isolador 9 é geralmente muito menor e desta maneira mais barato para fabricar do que o isolador da técnica anterior mostrado nas figuras 1 e 2. É considerado como vantajoso que o isolador 9 tem um tamanho reduzido em comparação aos isoladores da técnica anterior. Em geral, o isolador 9 tem aproximadamente 35% a 40% em dimensões lineares ou 10 a 25% das dimensões volumétricas dos isoladores da técnica anterior tendo desempenho elétrico comparável. O isolador 9 será desta maneira de tamanho e custo apropriados para substituir os isoladores da técnica anterior que, anteriormente, utilizou gás SF6 como um meio de isolamento, entretanto o isolador 9 não terá consequências ambientais de equipamento abastecido com gás SF6.
[00069] Sabe-se que o ar tem uma resistência dielétrica de aproximadamente 3000 Volts/mm. O trabalho do projeto para o isolador 9 assumiu 2.800 Volts/mm e os testes confirmaram essa suposição como sendo confiável para ambas as polaridades, positiva e negativa, de voltagem de resistência de impulso de iluminação. A fim de prover um
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21/24 design de isolador é necessário conduzir testes de para cada tipo (testes de tipo) e provar sua capacidade de isolamento da Voltagem de Resistência de Impulso de Iluminação (Lightning Impulse Withstand Voltage) (LIWV), os testes são requeridos para ser satisfeitos. Esses testes são especificados nos padrões internacionais apropriados que se aplicam.
[00070] A figura 13 mostra um exemplo de um arranjo adicional em que o isolador 9 é aplicado a um arranjo específico de uma chave elétrica. chave elétrica inclui um alojamento isolado 21, um interruptor 13 dentro do alojamento 21 para interromper uma corrente elétrica, e o isolador 9, como descrito acima. A chave também geralmente inclui um mecanismo 16 configurado para impulsionar o interruptor 13 e o isolador 9.
[00071] A chave inclui um alojamento isolado 21 e o isolador 9 é moldado dentro desse alojamento isolado, como mostrado. Nessa implementação, o isolador 9 é conectado em série com um interruptor a vácuo 13. O interruptor a vácuo 13 tem um contato móvel 17 e um contato fixo 12. O isolador 9 tem contato fixo 4 e um contato móvel 5. O contato móvel do interruptor a vácuo 17 é conectado eletricamente ao contato móvel do arranjo corrente 5 por um condutor flexível 14. Ambos os condutores móveis 5 e 17 são mecanicamente conduzidos pelo mecanismo 16. Esse mecanismo é dessa maneira designado para conduzir ambos, o interruptor a vácuo e o contato móvel 17 e o arranjo corrente movendo o contato 5 nas velocidades requeridas, a regulagem requerida, e os deslocamentos requeridos para adequar as taxas da chave.
[00072] Uma vareta de isolamento 18 passa por um segundo conjunto de isolador 9. A finalidade desse segundo isolador 9 é prover uma área de tensão elétrica baixa que permite uma vareta de isolamento menor 18 ser usado do que seria de outra maneira requerido.
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Essa vareta de isolamento 18 é conduzido mecanicamente a partir de um mecanismo 11. O mecanismo 11 pode ser operado manualmente, ou operado eletricamente por qualquer um dos muitos mecanismos de operação apropriados com os quais pessoas versadas na técnica estarão familiarizadas. Um controlador (10) pode ser empregado para controlar o mecanismo 11 manualmente, remotamente ou automaticamente por qualquer um dos muitos meios com os quais as pessoas versadas na técnica devem estar familiarizadas.
[00073] Em um exemplo particular, o segundo isolador 9 inclui uma câmara 9.1 tendo uma passagem 9.2 se prolongando entre a primeira e segunda regiões. A passagem pode ser provida em um material dielétrico ou similar com anteriormente descrito, e tipicamente tem uma vareta ou outro membro se estendendo através dele. Pelo menos duas telas de controle de campo elétrico côncavo 9.3, 9.4 são providas em torno da passagem de tal maneira que ficam transversais à câmara e uma extremidade aberta de cada tela côncava é direcionada à outra, as ditas telas sendo configuradas para distribuir um campo elétrico na câmara a fim de prover uma terceira região da tensão elétrica baixa dentro da passagem de maneira que o membro se estenda através da terceira região.
[00074] Será percebido que um isolador desta forma pode ser usado para eletricamente isolar quaisquer duas regiões, e em particular pode ser usado para isolar uma região que está em um potencial elétrico significativamente mais alto do que outra região, como dentro de um mecanismo de distribuição elétrica. A despeito disso, o isolador permite um membro ofensivo se estender entre as regiões, por exemplo, deixar o membro passar dentro do alojamento do mecanismo de distribuição.
[00075] Isto é particularmente útil para permitir primeira e segunda regiões, como a de dentro e a de fora do mecanismo de distribuição de
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23/24 alta voltagem, ser eletricamente isoladas. Em particular, isto permite um membro passar em uma região com um alto potencial elétrico, enquanto ainda mantém os requeridos níveis de isolamento. Desse modo, a câmara de isolamento altera os campos elétricos de tal maneira que para limitar a tensão máxima sobre o ar na câmara (como descrito inicialmente) que permite qualquer membro de isolamento que necessita entrar na região de voltagem alta do mecanismo de distribuição ser significativamente menor do que se a tensão elétrica não foi controlada pela câmara de isolamento deixando uma estrutura mais compacta do que seria de outra maneira possível. Exemplos de tais membros deverão incluir, mas não são limitados a eixos, fibras ópticas ou tubos de fluidos circulando refrigerantes.
[00076] A figura 14 mostra um exemplo adicional em que o isolador 9 é usado como parte de uma chave elétrica. A montagem da chave é envolvida em um alojamento isolado 22 e o isolador 9 é moldado no alojamento isolado 22. Nesta implementação o isolador 9 é conectado em série com um interruptor a vácuo 13. O interruptor a vácuo 13 tem um contato móvel 17 e um contato fixo 12. O isolador 9 tem contato fixo 4 e um contato móvel 5. O contato móvel do interruptor a vácuo 17 é eletricamente conectado ao terminal do conjunto de chaves 19 através de um condutor flexível 23. O contato móvel do arranjo corrente 5 é eletricamente conectado ao terminal do conjunto de chaves 20 por um condutor flexível 24. Os condutores móveis 5 e 17 são independentemente mecanicamente conduzidos pelos mecanismos 25 e 26 respectivamente. Esses mecanismos são assim projetados para conduzir ambos, o contato móvel do interruptor a vácuo 17 e o contato móvel do isolador 5 nas velocidades requeridas, no cronograma requerido e nos deslocamentos requeridos para satisfazer as classificações.
[00077] Essas varetas de isolamento 18 são independentemente conduzidas mecanicamente de um mecanismo 25 e 26. Esses meca
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24/24 nismos podem ser manualmente operados, ou eletricamente operados por qualquer um dos muitos mecanismos de operação apropriados com os quais as pessoas versadas na técnica deverão estar familiarizadas. Um controlador 10 pode ser empregado para controlar esses mecanismos manualmente, remotamente ou automaticamente por qualquer um dos muitos meios com os quais as pessoas versadas na técnica deverão estar familiarizadas.
[00078] Muitas modificações ou variações serão percebidas por aqueles versados na técnica sem se afastar do escopo da presente invenção. Todas as tais variações e modificações deverão ser consideradas como se enquadrando no espírito e escopo da invenção amplamente ocorrendo e descritas em mais detalhes aqui.
[00079] Deve ser percebido que a referência a um exemplo ou o exemplo da invenção não é feita em um sentido exclusivo. Dessa maneira, um exemplo pode exemplificar certos aspectos da invenção, enquanto outros aspectos são exemplificados em um exemplo diferente. Esses exemplos são destinados a ajudar a pessoa versada a realizar a invenção e não são destinados a limitar o escopo total da invenção de qualquer maneira a menos que o contexto claramente indique de outra maneira.
[00080] Características que são comuns na técnica não são explicadas em qualquer detalhe, pois elas são consideradas como sendo facilmente compreendidas pela pessoa versada. Similarmente, no decorrer de todo este relatório descritivo, o termo compreendendo e seus equivalentes gramaticais deverão ser tomados como tendo um significado inclusivo, a menos que o contexto de uso claramente indique de outra maneira.

Claims (16)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Isolador elétrico (9) que inclui:
    a) um corpo (1) definindo uma abertura (2) através dele;
    b) um primeiro contato elétrico (4) disposto em uma primeira extremidade da abertura (2);
    c) um segundo contato elétrico (5) disposto de modo móvel em uma segunda extremidade da abertura (2), o dito segundo contato (5) configurado para ser operacionalmente móvel através da abertura (2) para eletricamente conectar-se a, ou desconectar-se do, primeiro contato (4); e
    d) pelo menos duas telas de controle de campo elétrico côncavo (31, 32) com duas porções de tela de controle de campo elétrico paralelas planas fixadas ao corpo (1) nas respectivas extremidades de, e em torno da, abertura (2) de tal maneira que as telas (31, 32) ficam transversais à abertura (2) e uma extremidade aberta de cada tela côncava (31, 32) é direcionada à outra;
    e) sendo que o corpo (1) é fabricado de um material isolante dielétrico sólido;
    f) caracterizado pelo fato de que as telas de controle do campo elétrico (31, 32) e as duas porções de tela de controle do campo elétrico de placas paralelas planas são parcialmente encapsuladas em um material de isolamento dielétrico sólido de resistência dielétrica alta no corpo (1) de tal maneira a garantir que as áreas de tensão elétrica máxima estão dentro do material de isolamento, e sendo que o isolador elétrico (9) é um isolador elétrico (9) não vedado isolado a ar.
  2. 2. Isolador elétrico (9) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a abertura (2) é tubular.
  3. 3. Isolador elétrico (9) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que inclui um contato deslizante (6) para conectar o primeiro contato (4) ao segundo contato (5) na abertura (2).
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    2/4
  4. 4. Isolador elétrico (9) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que inclui um mecanismo configurado para impulsionar o segundo contato (5) através da abertura (2) para dentro, ou para fora de contato com o primeiro contato (4).
  5. 5. Isolador elétrico (9) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o corpo (1) inclui uma tela condutora externa (10).
  6. 6. Isolador elétrico (9) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a tela condutora externa (10) inclui uma pintura condutiva ou um revestimento de metal em spray.
  7. 7. Isolador elétrico (9) de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que a tela condutora externa (10) é aterrada, em uso.
  8. 8. Isolador elétrico (9) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que as ditas telas (31, 32) são configuradas para modificar o campo elétrico na abertura (2) para desse modo manter um perfil de tensão elétrica desejado entre os contatos (4, 5).
  9. 9. Isolador elétrico (9) que inclui:
    a) um corpo (1) definindo uma abertura (2) através dele;
    b) um primeiro contato elétrico (4) disposto em uma primeira extremidade da abertura (2);
    c) um segundo contato elétrico (5) disposto de modo móvel em uma segunda extremidade da abertura (2), o dito segundo contato (5) configurado para ser operacionalmente móvel através da abertura (2) para eletricamente conectar-se ao, ou desconectar-se do, primeiro contato (4); e
    d) pelo menos duas telas de controle de campos elétricos de placas paralelas planas se estendendo externamente a partir das
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    3/4 respectivas extremidades da abertura (2);
    e) sendo que o corpo (1) é fabricado de um material isolante dielétrico sólido; e
    f) caracterizado pelo fato de que as duas telas de controle do campo elétrico de placas paralelas planas (31, 32) são parcialmente encapsuladas em um material de isolamento dielétrico sólido de resistência dielétrica alta no corpo (1) de tal maneira a garantir que as áreas de tensão elétrica máxima estão dentro do material de isolamento, e sendo que o isolador elétrico (9) é um isolador elétrico (9) não vedado isolado a ar.
  10. 10. Isolador elétrico (9) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a abertura (2) é tubular.
  11. 11. Isolador elétrico (9) de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que inclui um contato deslizante (6) para conectar o primeiro contato (4) ao segundo contato (5) na abertura (2).
  12. 12. Isolador elétrico (9) de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que inclui mecanismo configurado para impulsionar o segundo contato (5) através da abertura (2) para dentro do, ou para fora de, contato com o primeiro contato (4).
  13. 13. Isolador elétrico (9) de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que o corpo (1) inclui uma tela condutora externa (10).
  14. 14. Isolador elétrico (9) de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a tela condutora externa (10) inclui uma pintura condutora ou um revestimento de metal com spray.
  15. 15. Isolador elétrico (9) de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que a tela condutora externa (10) é aterrada, em uso.
  16. 16. Isolador elétrico (9) de acordo com qualquer uma das
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    4/4 reivindicações 9 a 15, caracterizado pelo fato de que as ditas telas (31, 32) são configuradas para modificar o campo elétrico na abertura (2) para dessa maneira manter um perfil de tensão elétrica desejado entre os contatos (4, 5).
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