CN100573766C - 包括提供有用于观察接触的窗口的复合绝缘器并具有压缩绝缘气体的电气装置 - Google Patents

包括提供有用于观察接触的窗口的复合绝缘器并具有压缩绝缘气体的电气装置 Download PDF

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Abstract

一种具有压缩绝缘气体的高或中电压电断路器器件(1)，其包括能够处在打开位置和闭合位置的断路器接触(2)，断路器接触(2)设置在由弹性壳体(4)围绕的刚性管(3)形成的复合绝缘器内部，弹性壳体的外表面限定了一连串的环形片。设置所述刚性管和所述弹性壳体来限定至少是半透明的观察窗(7)，且通过所述观察窗可以看到所述断路器接触的打开或闭合位置。

Description

包括提供有用于观察接触的窗口的复合绝缘器并具有压缩绝缘气体的电气装置
技术领域
本发明涉及一种包含处在压力下的绝缘气体的气密、高或中电压的电开关器件，其包括包含能够处在打开位置或闭合位置的开关接触的封装，以及用于从封装外部识别开关接触的打开或闭合位置的系统。
背景技术
专利文献DE-195 19 721公开了上述指定类型的断路器(circuitbreaker)，其中通过填充有处在若干巴压力下的诸如SF6的介质绝缘气体的金属壳体构成了封装，并通过位于固定接触和移动接触之间的空间内的光学隔板(barrier)和通过将光信号传递到封装外部以指示开关接触位置的光纤，构成了用于识别开关接触位置的系统。
美国专利No.4 249 050公开了一种真空开关或真空“瓶”，其包括观察窗以便直接观看接触的位置。
专利GB 1 253 604公开了用于观察的热塑性聚合物窗口的使用。该文献描述了在用于电气装置的壳体的开口中用热塑性材料制作透明窗口。通过对塑料材料进行注入模制的方法在开口中插入了窗口，开口的边缘和窗口的边缘相互固定。
发明内容
本发明的目的是提供一种包含处在压力下的绝缘气体并用于户外使用的高或中电压的电开关器件，该器件具有更简单的设计并具有提高的可靠性，同时可以直接观察开关接触的位置。在这种应用中，为了考虑对器件所施加的组合应力，需要精确地选择所使用的材料。与美国专利No.249050不同，本发明提供了一种处在压力下的器件，即内部压力大于大气压，由此带来了方向向外的压力。同样，与专利GB 1 253 604不同，本发明旨在在电开关器件中插入观察窗口。该材料必须能够经受住来自所结合气体的分解产物的内部侵蚀，以及来自环境的外部侵蚀，即来自雨水、紫外辐射、盐雾及物理和化学老化的组合。同样，材料必须满足基本用于中和高电压的领域中这些应用的电的标准，特别是耐电蠕变和腐蚀的良好能力。另外，用于制造观察窗的材料和为在窗口和绝缘器主体之间实现结合而使用的方法，必须可以确保器件为气密。整体上，可接受的从器件损失的绝缘气体的年度水平是小于或等于1％。总之，这些选择标准在可用于执行此功能的材料的选择上带来了限制。因而在本发明中明显地阐明了用于选择材料的标准，以能够提供包含处在压力之下的绝缘气体的高或中电压电开关器件，其包括封装、能够处在打开位置和闭合位置的开关接触、以及用于从封装外部识别开关接触的打开或闭合位置的系统。
为此，本发明提供了一种气密、高或中电压电开关器件，其包括包含能够处在打开位置和闭合位置的开关接触的封装，以及用于从封装外部识别开关接触的打开或闭合位置的系统，所述封装是通过由弹性壳体围绕的刚性管所形成的复合绝缘器，所述弹性壳体的外表面限定了连续的环形片，所述器件特征在于：
设置刚性管和弹性壳体来限定至少是半透明的观察窗，且通过该观察窗可以看到开关接触的打开或闭合位置；
刚性管由半透明复合材料或至少是半透明的塑料材料制成，且其中将一种材料的透明孔(porthole)粘到刚性管上，所述材料的透明孔过滤紫外辐射或在其上沉积了透明的紫外过滤器，所述孔没有被弹性壳体覆盖，而限定了观察窗，该刚性管通过多个管的组装而形成，这些管中的一个由玻璃或至少是半透明且耐紫外辐射的聚合物制成；
与太阳辐射接触的所有材料都耐紫外辐射；以及
介质气体在2巴至3巴的压力。
总之，所使用的材料可以确保：气密性，电安装功能，以及经受的住来自以此方式所制造的电气装置内部和外部的侵蚀的能力。
有利地，在应用ISO 4892-2或ISO 4892-3标准的情况下，在来自氙弧源的UV辐射下或UV荧光灯下进行加速老化1000小时后，与太阳辐射形成接触的材料应当不表现出退化的迹象，如破裂、表面变形(表面粗糙度增加)或透明度的损失。换句话说，与太阳辐射形成直接接触并构成外部封装或孔的聚合物必须有利地选自在从300纳米(nm)至400nm的波长范围中不出现辐射吸收的聚合物，即这些聚合物的化学结构必须没有包含任何的芳香族环(aromatic cycle)。
本发明的电开关器件可以表现出以下特征：
.刚性管由至少半透明的塑料材料制成，且壳体具有围绕开关接触的由至少半透明的弹性材料制成的段；
.壳体的半透明段通过对第一弹性材料进行注入模制而制成，且其插在壳体的两个端部段之间，通过对比第一弹性材料具有更多矿质填料填充的第二弹性材料进行注入模制制成了壳体的两个端部段。
在本发明的另一实施例中，刚性管由玻璃制成，且刚性管的区域没有被弹性壳体覆盖，所述区域限定了所述观察窗。
在本发明的另一实施例中，刚性管由半透明复合材料或至少半透明的弹性材料制成，并将过滤紫外辐射的材料的透明孔粘到刚性管的壁上，所述孔没有被弹性壳体覆盖，而限定了观察窗。
在本发明的另一实施例中，刚性管由多个管的组装(assembly)而形成，这些管中的一个是由玻璃或由耐紫外辐射的聚合物制成，且没有被弹性壳体覆盖，由此限定了观察窗。
本发明的器件还表现出以下特征：
.至少半透明的塑料材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，polymethylmethacrylate)、聚碳酸酯(PC，polycarbonate)、聚苯乙烯(PS，polystyrene)、聚偏二氟乙烯(PVDF，polyvinylidene fluoride)或环脂烃类环氧树脂(cycloaliphatic epoxy resin)；
.弹性材料是有可能填充有矿质填料的硅酮(silicone)、乙丙橡胶(ethylene proplene rubber)、或含氟弹性体(fluorinated elastomer)。
.刚性管包含介质绝缘气体；
.通过沉积对SF6分解产物的侵蚀具有化学惰性的透明材料，例如通过沉积聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)或其它氟化聚合物(fluorinatedpolymers)，来在内部保护刚性管；
.与大气直接接触的刚性管由耐太阳辐射(特别是紫外辐射)的材料制成，或由不耐紫外辐射但通过抗UV过滤器来保护的材料制成；以及
.在本发明中所提及的用于制造刚性管或孔的透明材料中，必须通过使用抗UV过滤器或通过添加紫外吸收物来绝对保护基于双酚部分(bisphenol motif)的聚碳酸酯(polycarbonate)和包含芳香族环(aromaticcycle)的聚苯乙烯(polystyrene)免受UV照射。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和环脂烃类环氧树脂可以直接用于和大气接触。
在本发明中，电开关器件可以是高或中电压的断线器(linedisconnector)，其中管填充有处在2至3巴的压力之下的诸如SF6的介质绝缘气体。在这种应用中，开关接触在不带电时被打开，使得透明塑料材料管不受由电弧出现所引起的高温的影响。另外，绝缘气体没有被放电离子化，并保持着相对于管的透明塑料材料的惰性。
附图说明
以下描述本发明的电开关器件的实施例，并在附图中将其示出。
图1是本发明的电开关器件的高度概括视图。
图2是本发明的电开关器件的第二实施例的高度概括视图。
图3是本发明的电开关器件的第三实施例的高度概括视图。
图4是本发明的电开关器件的第四实施例的高度概括视图。
图5是根据本发明的断线器的概括视图。
图6是根据本发明的断线器的高度概括视图，且包括了具有观察窗的真空瓶。
具体实施方式
在图1中，本发明的高或中电压的电开关器件1包括能够处在打开位置和闭合位置的开关接触2，开关接触2设置在由刚性管3所形成的复合绝缘器中，刚性管3由弹性壳体4围绕。
在管中，开关接触2包括固定接触组件和移动接触组件。移动接触组件设置在图1中所示管的中部区域。当开关接触处在打开位置时，应理解该移动接触组件处在如此的位置，使得其没有电连接到固定接触组件。
如图1中可见，弹性壳体具有限定了诸如4A、4B、4C的一连串环形片的外表面，该连续环形片共享一公共轴并沿着在复合绝缘器的两个金属端部配件5和6之间的管3分布，管3的两个端部分别固定在金属端部配件5和6。
尽管在图1中管3示出为柱形，但本发明还可以延伸到一些具有其它的圆对称形状的管，例如截锥形或实际上为桶形。
在本发明中，设置刚性管3和弹性壳体4来限定至少为半透明的观察窗7，通过该观察窗可以看到开关接触2的打开或闭合位置(在图中，它们处在打开位置)。
更特定地，通过对耐紫外辐射、耐爆炸(explosion)并表现出良好化学特性的透明或至少半透明的塑料材料进行模制，来制造刚性管3。例如，塑料材料可以是热固(thermosetting)聚合物，诸如由六氢苯酐(HHPA，hexahydrophthalic)型的非芳香性的邻苯二甲酸酐(non-aromatic phthalicanhydride)所固化的环脂烃类环氧树脂、或诸如来自供应商“Atoglas”的名为“Altuglas”的由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的安全玻璃的透明热塑性聚合物、来自供应商“Bayer MaterialScience”名为“Makrolon”的聚碳酸酯(polycarbonate)、聚苯乙烯(polystyrene)、或实际上为聚偏二氟乙烯(PVDF)。
这种具有约8毫米(mm)壁厚的刚性管3可以填充有介质绝缘气体，特定为约2巴至3巴压力的SF6。通过沉积化学惰性透明材料，可以可选地保护在内部的刚性管3免受SF6分解产物的侵蚀。可以如此实现这种保护，例如，通过在真空下所沉积的非常薄的层(若干微米厚)(例如，通过化学气相沉积(CVD)，或通过溅射，...)，或者通过聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)(PTFE)、或诸如全氟烷氧基树脂(perfluoroalcoxyresin)(PFA)或氟化乙烯丙烯(fluorinated ethylene propylene)(FEP)的其它一些氟化聚合物(fluorinated polymer)的较厚层。通过添加基于合并紫外吸收物的UV过滤器，该紫外吸收物例如来自苯甲醛族(benzaldehyde family)的芳香结构(aromatic structure)，可以防止管受到诸如紫外辐射的影响。同样的，可以使用由供应商Altuglas所售的“Altuglas CN”型透明紫外过滤器。
通过刚性管、孔和抗UV过滤器所构成的组件必须耐UV，使得在应用ISO 4892-2或ISO 4892-3标准的情况下，在来自氙弧源的UV辐射下或UV荧光灯下进行加速老化1000小时后，该组件不表现出退化的迹象，如破裂、表面变形(表面粗糙度增加)或透明度的损失。
此外，围绕开关接触2的壳体的环形段8由至少半透明且限定观察窗7的弹性材料制成。该环形段是沿着管基本设置在中部区域(包含移动接触组件的中部区域)的壳体的段，使得将其插入在壳体端部的其它两段9、10之间。
构成壳体的弹性体必须具有良好的机械、透明和老化特性，且其必须能够经受住由电弧所引起的紫外辐射和磨损。更特定的，弹性体必须表现出大于每毫米6牛顿(N/mm)的抗撕裂强度。弹性体必须经受的住来自水的物理化学(physico-chemical)老化和侵蚀。在浸入50℃的水中50天之后，弹性体的介质损耗因子(tanδ)必须保持在0.2以下。对于抗UV，在应用ISO 4892-2或ISO 4892-3标准的情况下，在来自氙弧源的UV辐射下或UV荧光灯下进行加速老化1000小时后，弹性体必须不表现出退化的迹象，如破裂、表面变形(表面粗糙度增加)或透明度的损失。
关于弹性体耐蠕变(creepage)和腐蚀的能力，该材料最小必须具有由IEC标准60587的方法1(准则A)所限定的1A3.5级。
本发明中所提到的用于制造电气装置封装的弹性体没有具有芳香族类型的任何化学结构。因此，它们表现出对UV的良好的固有抵抗。因而无需添加UV过滤器或UV吸收体。
在图1中，阴影线示出了通过对第一弹性材料进行注入模制而制造的两个端部段9和10，第一弹性材料例如，填充有通过例如氧化铝(alumina)，氢氧化铝(tri-hydrated alumina)，氧化钛(titanium oxide)，或二氧化硅(silica)构成的矿质填料的硅酮(silicone)，乙丙橡胶(ethylene propylenerubber)(EPR)，三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene)(EPDM)，或含氟弹性体(fluorinated elastomer)
Figure C20058001201600091
如本领域技术人员所公知的，氢氧化铝(tri-hydrated alumina)的颗粒给弹性体材料带来了增强的耐介质应力的能力，但它们还使弹性体材料不透明，如阴影线所示。通过对具有少得多的填料的第二弹性体材料或没有填充的第二填料材料进行注入模制，制造了段8(无阴影)，使得其在模制后保持半透明。
在图1中，矩形11概括地表示注入模件，而标号12、13和14表示用于注入弹性材料的三个入口。如图1中所示，注入入口12、13和14沿着管3而隔开。注入入口13基本放置在形成观察窗7的环形段8的中部，而注入入口12和14基本设置在各个端部段9和10的中部。
为了形成绕透明管3的壳体4，将填充有氧化铝颗粒的弹性材料注入到入口12和14中，同时将具有很少或没有填料的弹性材料注入到入口13中。通过平衡在入口12、13和14处的压力，制成了具有至少在壳体中部为半透明的环形段8的壳体4。自然，为了在壳体所选区域中形成观察窗，注入入口12、13和14可以沿着管3而偏移，并可以增加注入入口的数目。
壳体4优选地通过在两个不同阶段绕透明管注入而制成。最初，经由入口13注入具有很少或没有氧化铝填料的弹性材料，从而在壳体8的所需区域中形成观察窗7。此后，一旦完成了观察窗7，则经由入口12和14注入填充有氧化铝颗粒的弹性材料，从而形成壳体的各个端部段9和10。
还可以通过绕着刚性管来缠绕而不是注入，来沉积壳体的弹性材料。
这样制造的系统是气密的，并表现出0.5％或更少量级的年度泄漏率。
在图2中，本发明的高或中电压电开关器件1′包括由被弹性壳体4′部分地围绕的刚性管3′所形成的复合绝缘器，且未被壳体4′围绕的部分用作用于观察开关接触2′的观察窗7′。
刚性管3′由玻璃制成，该玻璃可以保护刚性管3′的内部免受SF6分解产物的侵蚀。由于玻璃善于耐由电弧所引起的磨损，所以限定观察窗7′的玻璃表面不需要由弹性壳体来围绕。
覆盖刚性管3一部分的填充有矿质填料的弹性体壳体4′可以通过注入模制形成，或通过挤压(extrusion)和缠绕(winding)来形成。在其它情形中，为了使绝缘器能够最佳地执行其电绝缘功能，在弹性体4′和管3′之间的粘结必须非常好。为此，在沉积弹性体之前，需要在管上沉积称作粘合基体(bonding primary)的化合物前体(precursor chemical)。该前体一般是复合硅烷(complex silane)化合物(Si-R4)，例如硅烷环氧化物(silaneepoxy)和溶剂。
为了制造观察窗，执行这种方法，其包括使用掩模来防止粘合基体沉积在窗口区域，然后将弹性体沉积在刚性管的整个表面上，最后从窗口区域去除弹性体并利用乙醇来清洁观察窗。可选地，可以通过在沉积弹性体之前在所述区域上沉积加湿剂或油脂(grease)来进一步的减弱在窗口区域上的弹性体的接合。
另一方法包括在注入模件中沉积泡沫掩模，例如，旨在防止弹性体沉积在观察区中。
由此，在图2中，使用这些用于形成壳体4′的技术中的一个，使得保留未覆盖玻璃刚性管3′的圆柱部分，该部分用作观察窗7′。可以容易地改变观察窗7的形状和尺寸。
这样制造的系统是气密的，并表现出0.5％或更少量级的年度泄漏率。
在图3中，本发明的高或中电压电开关器件1”包括由部分地被填充有矿质填料的弹性体壳体4”覆盖的刚性管3”所制成复合绝缘器，且未被壳体4”覆盖的所述管的一部分用作用于观察开关接触2”的观察窗7”。
刚性管3”由插入在热固聚合物中的由任意编织纤维的无机纤维制成的半透明复合材料制成，或者由至少半透明的诸如参考图1的刚性管3所述的材料的塑料材料制成。可选地，可以保护管的内部免受SF6分解产物的侵蚀。
在刚性管3”的壁上设置至少半透明的孔15”，所述孔适于过滤紫外辐射并旨在用作观察窗。孔15”可以由为更好地过滤紫外辐射而任意掺杂的玻璃制成，或其可以由为耐紫外辐射而稳定的或在UV过滤器中所覆盖的半透明聚合物制成，例如：“Makrolon”，“Altuglas”，聚苯乙烯(polystyrene)，或PVDF。可以在管3”初始加工后，通过透明树脂、聚丙烯酸酯(polyacrylate)、或硅酮(silicone)粘合剂，将孔15”粘到刚性管3”上。
然后使用上述方法将弹性壳体4”沉积在刚性管3”上，使得确保了孔15”没有被弹性体覆盖，并可以用作观察窗7”。
这样制造的系统是气密的，并表现出0.5％或更少量级的年度泄漏率。
图4示出本发明的高或中电压电开关器件1″′的另一实施例，其包括由部分地被弹性体壳体4″′围绕的刚性管3″′所制成复合绝缘器，且未被所述壳体4″′围绕的一部分用作用于观察开关接触2″′的观察窗7″′。
刚性管3″′由多个部分制成。例如，入口管3″′a装配在两个管3″′b和3″′c之间，入口管3″′a例如为耐紫外辐射的玻璃或聚合物的至少是半透明的材料，两个管3″′b和3″′c例如由复合材料制成，其包括嵌入在如聚氨酯(polyurethane)或环氧树脂(epoxy)的热固聚合物中的可以为编织纤维的无机纤维。通过粘合剂或通过螺钉紧固和粘合剂将这些制造刚性管3″′的元件接合在一起。
通过实施参考图2所述的方法，入口用作观察窗7″′，且没有被形成壳体的弹性体覆盖。然而，优选地，弹性体覆盖入口端部，从而提供具有密封和绝缘的器件。
这样制造的系统是气密的，并表现出0.5％或更少量级的年度泄漏率。
图5示出根据本发明的用作断线器的图1中所示的这种开关器件1与瓷(porcelain)壳体内的断路器20串联，例如，组件包括用作断线器的电开关器件1以及由瓷支撑绝缘器21安装在地上的断路器20。在这种组件中，电流I最初被断路器20中断，且用作断线器的开关器件1随后自己打开。因而，断线器的透明管3一般不受电弧效应的影响。
这样制造的系统是气密的，并表现出0.5％或更少量级的年度泄漏率。
图6示出了使用根据本发明的断线器和图1中所引用的那种断线器的实例。例如，它包括具有观察窗的真空瓶22，其与瓷壳体内的断路器20串联安装。电开关器件1作为整体被用作断线器，而断路器22通过由瓷制成的支撑绝缘器21安装在地上。在这种配置中，电流I最初被电路断路器20中断，且用作断线器的开关器件1随后打开。因而，断线器的透明管3一般不受电弧效应的影响。
这样制造的系统是气密的，并表现出0.5％或更少量级的年度泄漏率。
根据本发明的断线器还可以安装在具有一个断路器的V形配置中，或是U形配置中，所述U形的基部由断路器构成，而U形的两翼均由根据本发明的断线器构成。
本发明的电开关器件表现出制造简单的优点，并表现出具有一种使得开关接触的位置能够直接识别的系统的优点。本发明的电开关器件可以存在于一种断路器中，只要管的塑料材料适应于电弧的侵蚀且足以经受超过6巴的压力。

Claims (5)

1.一种气密、高或中电压电开关器件，其包括包含能够处在打开位置和闭合位置的开关接触的封装，以及用于从所述封装外部识别所述开关接触的打开或闭合位置的窗口，所述封装是通过由弹性壳体围绕的刚性管所形成的复合绝缘器，所述弹性壳体的外表面限定了一连串的环形片，所述刚性管由至少是半透明的塑料材料制成，其中：围绕所述开关接触的壳体的段由至少半透明的弹性材料制成，所述段限定了观察窗，所述壳体的所述段通过对第一弹性材料进行注入模制而制成，且所述壳体的所述段插在所述壳体的两个端部段之间，通过对比第一弹性材料具有更多矿质填料填充的第二弹性材料进行注入模制制成了所述壳体的两个端部段，所述器件与太阳辐射接触的部分耐紫外辐射，所述封装填充有处在2巴至3巴的压力的气体。
2.根据权利要求1的器件，其中所述至少半透明的塑料材料是聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯，或聚偏氟乙烯。
3.根据权利要求1或2的器件，其中所述弹性材料是硅酮，乙丙橡胶，或含氟弹性体。
4.根据权利要求1的器件，其中通过沉积对SF6分解产物的侵蚀具有化学惰性的透明材料，来在内部保护所述刚性管。
5.根据权利要求4的器件，其中所述透明材料包括聚四氟乙烯或其它氟化聚合物。
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