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Abstract

本发明涉及用于降低电气元件(2)的电压微分的装置，该电气元件与电导体(6)通过电套管(1)连接。该装置用于保护诸如变压器、电抗器、高压断路器、电动机或电抗器等电气设备中的电气元件(2)免受高的电压微分之害。

Description

用于降低电压微分的装置
技术领域
本发明涉及一种用于降低通过电套管与电导体连接的电气元件的电压微分的装置。该装置是要用于保护电气设备，诸如变压器、电抗器、高压电路断路器、电动机或发电机中的电气元件免受高的电压微分之害。本发明特别适于要用于1Kv以上的电压的电气设备。
背景技术
在向诸如变压器、电抗器、高压断路器、发电机和电动机等电气设备传送高压电流的过程中，在向所述设备传送电流的导体中有时可能出现瞬态超压。这种瞬态现象例如可能是由向电气设备传送电流的电导体中的雷击引起的。于是电气设备面临被由于瞬态引起的高的电压微分(du/dt)损坏的相当大的危险。因此，力图防止这种事件是极为重要的。
对于包含线圈的电气没备，例如变压器、电抗器、电动机或发电机等，当发生快速瞬态时由于设备线圈中最上面的线匝比下面的线匝受到快速瞬态更大的应力，会引起问题。其结果是引起各线匝中不均匀的电压分布。这意味着，最上面的线匝与下面的线匝相比受到更高的应力。最上面的线匝的这种应力引起使线圈受到损害的相当大的危险，其直接结果是造成电气设备的损坏。于是，线圈必须被设计为可耐受这样的应力。击穿特别引发供能中断的危险、对环境的消极影响、以及与其相关的修复成本。已经知道，通过下列方式可实现线圈最上面的线匝之间电容的增加：打开最上面的线匝上所存在线圈的绝缘，然后允许线匝被修改，即所谓“稳定化线圈(stabilized winding)”，随后恢复绝缘。以此方式，能够实现线圈线匝之间的高电容，以及线圈对地的低电容，因此实现针对快速瞬态的保护。其缺陷是线圈尺寸过大，线圈制造工艺耗时且成本高，并且即使电容增加之后，在绝缘曾经被打开之处也存在电击穿的危险。
此外，先前已知借助于导体和地之间的电涌放电器及其与之并联的保护电容器来消除当出现快速瞬态时引起的问题。针对瞬态超压的最佳保护方式包括以相到地或相到相方式连接的电涌放电器和保护电容器。电涌放电器限制瞬态超压的幅度(U)，而保护电容器限制瞬态超压的电压微分(du/dt)。电涌放电器指的是把电压限制在一定电平的一种具有显著非线性的电阻器。然而，该解决方案需要安装在变压器之外的两个分开的元件，即电涌放电器和保护电容器。
而且对于诸如高压断路器等电气设备，当它们经受例如当快速断路器操作时会发生的瞬态超压时，将会引起问题。于是存在这样一种危险：高的电压微分(du/dt)会使得断路器的灭弧触点(arcing contact)不能切断电流。这种状况的一个后果是劣化了断路器的断路性能。随之可能发生的另一后果是，如果不能切断电流，则断路器只是遭受到完全的击穿。因此，最重要的是要力图降低电压微分，以获得断路器改进的断路能力。
先前已知制造带有灭弧室(interrupting chamber)的高达300Kv的高压断路器，并且为了能够阻断较高电压，将几个灭弧室串联连接。为了确保在开路位置(open position)时各灭弧室中良好的电压分布，对每一个切断点(breaking point)并联使用控制电容器，以便对电压分布进行容性控制。这些控制电容器通常是外部的分开的电容器，它们在各灭弧室绝缘体之外被连接。还有一些解决方案，其中电容器位于灭弧室绝缘体之内，该方法特别地在US 6,091,040中进行了描述。先前还知道，通过使用在断路器线侧(line side)以相到地方式连接的耦合电容器来保护高压断路器免受快速瞬态之害。该电容器降低了恢复电压的陡度，因而降低了作用于断路器上的应力。耦合电容器在外部以分开的绝缘体的方式连接。为了实现与上述相同的效果，还已知在断路器壳体中安装保护电容器，这一方法特别地在US 3,903,388和US 5,266,758中进行了描述。用来保护断路器免受快速瞬态之害的另一方法在US 5,235,147中进行了描述，其中一电容器和一变阻器与一电阻器串联，并且这些元件被设置在断路器壳体内。
使用套管来通过接地壁传导高电压。用于变压器或电抗器的套管可被描述为是设置在导体和线圈之间的绝缘连接装置，其目的是为了把电流从导体传送到线圈，由此使飞弧的危险最小化。还已知，套管包括内置电容，其用来控制在高电位时套管的导体与地之间的电场，于是使电场均衡。希望获得这样的效果，以防止在套管与地之间出现局部过高的电场。内置电容大小是可变的，但通常为几百PF。然而，套管中的内置电容仅仅保护实际的套管免受瞬态超压之害。
用于断路器的套管可被描述为是设置在导体与断路器的开关触点之间的绝缘连接装置。另外，相对于用于变压器或电抗器的套管，用于断路器的套管具有与先前行文中所述相同的功能、目的和限制。
发明内容
本发明的目的是要提供一种改进的瞬态保护装置，该装置没有现有技术解决方案的任何缺陷。
这一目的是以权利要求1中限定的装置实现的。
根据本发明，该目的是通过如下方式实现的：该装置包括连接在套管和地之间的电容器，该电容器的电容量适用于在瞬态超压时可降低电压微分，由此在瞬态期间在所连接的电气元件上实现更均匀的电压分布，所述的电气元件例如可以是线圈或开关触点。瞬态超压指的是例如由雷击或断路器操作引起的电压的快速增加。
根据本发明，内置电容器被配置在套管中。因为电容器被配置在套管中，所以保护了套管和所连接的电气元件两者免受快速瞬态之害，而不需要配备任何外部电容。
如果电气元件是变压器或电抗器的一部分，则使用本发明获得的一个优点在于，不需要如背景技术中所述那样增加在设备线圈的上部线匝中的电容。这又意味着线圈尺寸不必过大，使得生产成本降低，并降低线圈被电击穿的危险。这又意味着改善了根据本发明的装置的服务的可靠性。此外，还获得如下的优点：这将能够把现有的套管用于线圈，这意味着不必再安装套管，使得降低电气设备的生产成本。
如果电气元件是断路器的一部分，则使用本发明获得的一个优点在于：灭弧室的尺寸不必过大。这引起生产成本降低以及开关触点电击穿的危险降低，使得改善了根据本发明的装置的服务可靠性。
根据本发明的一个优选实施例，电容器包含逐层缠绕的多层导电材料，以及逐层缠绕的多层电绝缘材料。所述材料有益地由金属化膜组成。金属化膜指的是涂敷以非常薄的金属镀层的塑料箔。这一解决方案的优点在于：套管中已有的电容可以被增加到希望的大小，于是在出现快速瞬态时对所连接的电气元件的应力可被降低。
根据本发明的另一实施例，套管包括导体元件，其适用于承载通过套管从导体到电气元件的电流，因而金属化膜被设置为以多层的方式缠绕导体元件。由此实现的优点在于：易于计算为了获得所希望的电容，金属化膜层应有多厚。
根据本发明的另一实施例，围绕导体元件设置绝缘管，金属化膜的各层被设置在绝缘管之外。安装在套管中的该绝缘管例如由玻璃纤维制成。
根据本发明的又一实施例，套管由绝缘材料所组成的壳体体围绕，且金属化膜被设置在套管壳体内部。套管的壳体例如是瓷体或聚合物绝缘体。
根据本发明的另一实施例，套管包括导体元件，其中所述电容连接在导体元件与地之间。该导体元件适用于承载通过套管从导体到所连接的电气元件的电流，所连接的电气元件例如是变压器或高压断路器的一部分。
内置电容器的大小有益地在1nF-1μF的区间内。这一数量级大小的电容量能够降低瞬态超压情形下相对于时间的电压微分，使得在所连接的电气元件中获得大体均匀的电压分布，所连接的电气元件例如是变压器或高压断路器的一部分。
内置电容器的大小有益地在5nF-25nF的区间内。这一区间特别适合于要用于高于1Kv的电压的断路器中的开关触点。
所使用的领域有益地适于要用于高于1Kv的电压的变压器或电抗器中的线圈。
本发明对下面这种瞬态保护装置是特别有用的，该瞬态保护装置适于要用于高于36Kv的电压的变压器或电抗器中的线圈，因为目前还没有市售的对这一类型线圈的保护电容器。
所使用的领域有益地适于要用于高于1Kv的电压的断路器中的开关触点。
本发明对下面这种瞬态保护装置是特别有用的，该瞬态保护装置适于要用于高于36Kv的电压的断路器中的开关触点。
附图说明
现在将通过参照附图描述本发明的不同的实施例来更详细地说明本发明。
图1示出包括有根据本发明的瞬态保护装置的结构的电路图。
图2示出包括根据本发明第一实施例的瞬态保护装置的套管的截面图。
图3示出包括根据本发明第二实施例的瞬态保护装置的套管的截面图。
图4示出包括根据本发明可替换实施例的瞬态保护装置的结构的电路图。
图5示出根据本发明的瞬态保护装置的应用。
图6示出根据本发明的瞬态保护装置的可替换的应用。
具体实施方式
图1示出包括连接到与地4相连接的电气元件2的套管1的一种电气结构。根据本发明，与地连接的电容器3被设置在套管1中。电容器3要用来保护套管1以及与套管1连接的电气元件2两者免受瞬态超压之害。这是通过在套管1中设置适当层数的金属化膜或金属箔来实现的。当例如由于雷击或快速断路操作引起导体6中的瞬态时，电容器3按取决于电容器3的大小和导体6的波阻抗的时间常数被充电。由于所希望的时间常数及导体6的波阻抗大小是已知的，因而易于计算电容器3的电容量的大小。增大的时间常数(RC)引起所连接的电气元件2的充电较慢地进行，这意味着电压微分(du/dt)降低。这进一步意味着为所连接的电气元件加载的电压被显著降低，这导致瞬态期间在所连接的电气元件中均衡的电压分布。电容器3的大小例如约为1nF-100nF。
现在将以各实施例说明本发明。图2示出本发明的第一实施例，这是按如图1所示的套管(1)的截面图来观察的。套管1包括一个伸长的圆柱形壳体11，其圈起一个内部空间。导体元件8通过内部空间的中心延伸，并构成电气元件与进入导体之间的电连接。管形绝缘件12配置在导体元件8与壳体11之间。绝缘件12由某种适合于此目的的电绝缘材料例如玻璃纤维制成。管形绝缘件12与导体元件8之间的空间充以适合于此目的的电绝缘介质，例如SF6。根据本发明的电容器3配置在壳体11与绝缘件12之间，并包括适当层数、逐层缠绕的金属化膜13，所述层缠绕在绝缘件12的外部。金属化膜被设置成一个或多个圆柱形管，该一个或多个圆柱形管在绝缘件12外部以适当数目被设置成彼此接触。作为电容器3包括金属化膜的代替方案，电容器3例如可包括交替的金属箔和电绝缘材料。
图3示出本发明另一实施例，这是按如图1所示的套管1的截面来观察的。套管1包括一个伸长的圆柱形壳体11，其圈起一个内部空间。导体元件8通过内部空间的中心延伸，并构成电气元件与进入导体之间的电连接。导体元件8与壳体11之间的空间充以适合于此目的的电绝缘介质，例如SF6。根据本发明的电容器3设置在壳体11与导体元件8之间，并包括适当层数的、逐层缠绕的金属化膜层13，所述层缠绕在壳体11内部。通过应用逐层缠绕、设置在套1的壳体11内部的多层金属化膜来获得所希望的电容。作为电容器3包括金属化膜的代替方案，电容器3例如可包括交替的金属箔和电绝缘材料。
图4示出本发明一可替换实施例，包括连接到电气元件2的套管1，电气元件2与地4连接。根据本发明，与地4连接的电容器3被设置在套管1与所连接的电气元件2之间。电容器3要用于保护套管1及与套管1连接的电气元件2两者免受瞬态超压之害。这是通过设置由适当层数的金属化膜或金属箔形成的电容器来实现的。
图5示出作为对电气设备中的线圈的瞬态保护装置的第一应用的本发明。导体6连接到套管1，线圈7连接到地4。根据本发明，电容器3被设置成从套管1到地4。导体6例如要用来进行高压传输。线圈7包括多个线匝，并例如安装在变压器或电抗器中。套管1特别包括导体8，该导体把线圈7连接到进入导体6。根据本发明，电容器3通过围绕套管的导体元件8应用包括金属化膜或金属箔的多匝来设置。电容器3借助于接地电缆9与地4连接。当在导体6中例如由于雷击或快速断路操作而出现瞬态时，电容器3按由电容器3的大小和导体6的波阻抗决定的时间常数被充电。在这方面的一个例子中，导体6的波阻抗大小等于400Ω，而电容器3的大小为25nF。为了计算时间常数(RC)，采用方程式Z*C＝RC，在当前的例子中这就意味着400Ω乘以25nF，即时间常数大小为10μs。由于所希望的时间常数和导体6波阻抗的大小是已知的，因而易于计算所希望的电容器3的大小。增加的时间常数(RC)使得线圈7充电较慢，即较长的电压微分(du/dt)。这就意味着为线圈最上面的线匝加载的电压被显著降低，因此在瞬态期间获得线圈7中均衡的电压分布。电容器3例如大约在1nF-100nF。
图6示出应用于包含开关触点的电气设备例如高压断路器的本发明。本实施例包括与导体6以及开关接触点10连接的套管1。套管1特别包括导体元件8，该导体元件连接开关触点10和进入导体6。根据本发明，电容器3通过围绕套管的导体元件8应用由金属膜或金属箔组成的多匝来配置。电容器3借助于接地电缆9被连接到地4。本实施例还包括从开关接触点10连接的套管11，所述套管还连接到导体12。在套管11中可配备与上述相同类型的电容器。

Claims (15)

1.一种用于对通过套管(1)与导体(6)连接的电气元件(2)降低电压微分的装置，包括适于承载通过电套管(1)从导体(6)到电气元件(2)的电流的导体元件(8)，其特征在于，该装置包括连接在所述导体元件(8)和地(4)之间的电容器(3)，其中所述电容器(3)的电容适于当出现瞬态超压时降低相对于时间的电压微分，该电容器(3)被配置在所述套管(1)中。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述电容器(3)包括逐层缠绕的多层导电材料，以及逐层缠绕的多层电绝缘材料。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于，所述导电材料连同所述绝缘材料由金属化膜(13)组成。
4.根据权利要求2的装置，其特征在于，所述各层(13)被设置成缠绕导体元件(8)。
5.根据权利要求4的装置，其特征在于，围绕所述导体元件(8)设置绝缘管(12)，且所述各层(13)被设置在所述绝缘管(12)外部。
6.根据权利要求4的装置，其特征在于，所述套管(1)由绝缘材料所组成的壳体(11)围绕，所述各层(13)被设置在所述套管(1)的壳体(11)内部。
7.根据以上权利要求中任何一项的装置，其特征在于，所述电容器(3)连接在所述导体元件(8)与地(4)之间。
8.根据以上权利要求中任何一项的装置，其特征在于，所述电容器(3)的大小在区间1nF-1μF内。
9.根据以上权利要求中任何一项的装置，其特征在于，所述电气元件(2)包括通过所述套管与所述电导体(8)连接的线圈(7)，其中所述电容器(3)的电容适于当出现瞬态超压时降低相对于时间的电压微分，所述电容器(3)被配置在所述套管(1)中。
10.根据权利要求1-8中任何一项的装置，其特征在于，所述电气元件(2)是高压断路器，所述电容器(3)的电容在区间5nF-25nF内。
11.使用根据权利要求1-9中任何一项的装置来降低要用于高于1Kv的电压的变压器中线圈(7)的电压微分。
12.使用根据权利要求1-9中任何一项的装置来降低要用于高于36Kv的电压的变压器中线圈(7)的电压微分。
13.使用根据权利要求1-9中任何一项的装置来降低电抗器中线圈(7)的电压微分。
14.使用根据权利要求1-8，10中任何一项的装置来降低要用于高于1Kv的电压的高压断路器的电压微分。
15.使用根据权利要求1-8，10中任何一项的装置来降低要用于高于36Kv的电压的高压断路器的电压微分。
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Open date: 20080423