CN101292318A - 真空瓶的介电绝缘垫圈 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种垫圈，其使装置，特别是使真空瓶能够相对容易且方便地装配和拆卸。所述垫圈赋予装置较高的介电性能。内接触表面和外接触表面具有平滑的垫圈，并且，例如，所述表面中的每个表面可由不同锥度的两个圆筒形部分(31A和31B；32A和32B)构成。所述侧表面中的至少一个侧表面具有环形凹部(35)。本发明也适用于利用真空瓶进行中高电压操作的开关装置。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备和装置，而且具体来说是开关和开关装置，所述开关装置使用操作在中高电压下的真空“瓶”。
一种具体应用是电力的高架输送。
背景技术
在电气装置和开关装置中，开关装置使用真空瓶，所述真空瓶应当能够承受在真空中位于瓶内的触点之间的压力，也应当能够承受设置在周围空气中的瓶的外端部之间的压力。为了使真空开关的活动触点和外端部之间的介电强度一致，并且为了所需的紧密度，除了在真空瓶自身之外的空气，有必要使用绝缘元件。
已经针对特别是介电固体或流体绝缘体例如温室气体六氟化硫(SF6)进行了考虑。在空气中使真空瓶绝缘不能以小尺寸获得合适的介电性能。
然而，在例如SF6这样的介电气态流体中使真空瓶绝缘是成本很高的。需要使用装备有穿通衬套的气密罐，其对于环境是高度有害的，特别是有关污染、再循环和温室效应。
用于使真空瓶绝缘的固体绝缘系统是高度热敏的，而且当所述固体绝缘系统粘住或粘合在一起时，它们在其使用寿命结束时不能被拆开或拆除。因此这就存在对环境高度有害的后果。
为了减少对环境的影响，已经提出使用组合绝缘体，其同时使用固体绝缘体和气态流体绝缘体，气态流体绝缘体例如是大气压下的空气或一些其他气体，例如氮气。在这样的情况下，固体绝缘体具有较小的体积，因为其被实施为垫圈的形式，具有不透气的功能和介电功能。然而，在从现有技术公知的系统中，上述类型的绝缘不能获得用于真空瓶的高介电性能。
参考图1，真空瓶101在其外表面的两个端部围绕有两个垫圈102A和102B。上垫圈102A被安置在真空瓶101的固定触点的附近，而下垫圈102B被安置在移动触点的附近。由此形成的组件被安置在由绝缘材料制成的刚性壳体103的内部。遗憾的是，垫圈102A和102B的结构使得在其与刚性壳体103的内壁接触的表面104处截留空气。
图2A是图1中引用的表面104的局部剖视图。所述表面由多个尖角部的唇缘105构成，所述唇缘105以间隙106彼此隔开。
图2B也是局部剖视图，示出现有技术垫圈上的相同位置。所述垫圈已经被插入到刚性壳体103之内，因此其唇缘全在同一方向中被壳体103的内壁对每个唇缘105的一个侧面施加的压力压平，甚至被稍微折叠。因此空气沿着B-B’线被截留在每个唇缘105之间。类似地，在另一表面上，空气可沿A-A’线被截留。具有低介电强度的所述空气相当大地限制了系统的介电性能。触发电弧可容易地径向移动在每个界面间隙106之内，以便寻找下一个唇缘105的圆周上的最弱点，并从而传播到下一个间隙106。总介电强度随垫圈102的每个圆周上最弱点的总和而变。另外，在环绕垫圈102的某些位置的绝缘体的厚度太小，以至于不能获得高介电性能。最后，因为唇缘105的止回或“抑制”效应，现有技术垫圈102的形状在其使用寿命结束时并不十分有利于拆开或拆除。
因此本发明的目的是通过产生真空瓶的绝缘作用、特别是通过阻止放电或电火花沿使用中的垫圈的接触表面的放电路径的形成，以小尺寸获得适用于真空瓶的高介电性能。另外，要求符合环境的约束条件。因此要求在绝缘系统的使用寿命结束时完全且容易地将其拆除。此外，提出使用更小的固体绝缘材料量。与完全固体的绝缘系统相比，这有助于减少成本。
欧洲专利申请EP1017142A1公开了一种具有组合绝缘系统的断路器开关。
发明内容
为此，本发明总体上提供一种用于真空瓶的介电绝缘垫圈，所述垫圈用于，在外壳内部的真空瓶的周围使用至少一个垫圈来使真空瓶绝缘，每个垫圈具有内接触表面和外接触表面，两个侧表面使内接触表面和外接触表面互相连接。
根据本发明，外壳的内接触表面和真空瓶的外表面是平滑的，垫圈的内接触表面和外接触表面是平滑的，没有空腔且形成由表面形状构成的组合的一部分，所述表面形状包括相对于垫圈的纵轴凸出的表面和相对于垫圈的纵轴倾斜度不改变的表面。因此，在装配垫圈时，在外壳的内接触表面和垫圈的外接触表面之间以及在真空瓶的外表面和垫圈的内表面之间的界面内没有气窝被截留，从而排除了任何局部放电的危险，所述局部放电出现在：首先，外壳的内接触表面和垫圈的外接触表面之间；其次，真空瓶的外接触表面和垫圈的内接触表面之间。
这个抵抗放电路径形成的特征在于，垫圈能够很好地配合靠在真空瓶的外表面或外壳的内表面之上以阻止电火花的形成，所述电火花会使垫圈的表面和/或真空瓶的外表面或外壳的内表面碳化，并且会因此提供电流的通路。
一个基本实施例将所述内接触表面和所述外接触表面设置为圆筒形。
第二个基本实施例将所述内接触表面和所述外接触表面设置为锥形。
垫圈的内接触表面和外接触表面的第三个基本实施例是，所述表面中的每个表面由不同锥度的两个锥形部分构成，并且通过形成外扩V形的确定的互连曲线互相连接。
在两个前述实施例中，应当注意，优选内表面和外表面的总体方向是锥形的并且相对于彼此具有相反的锥度。
对于垫圈的总体结构，也优选内接触表面和外接触表面的宽度等于或大于5毫米(mm)，以便限制在所述界面上起弧或形成放电路径的危险。
特别有利的是，垫圈沿其纵轴的最小厚度为至少4mm。以上两种设置能够显著地增大垫圈的介电强度。
在所提供的各种实施例中，垫圈在其横截面上具有凹部，以便限制垫圈内的作用力。
对于侧表面，为了控制热膨胀，也将侧表面设置成具有不同倾斜度的两部分。
也将侧表面中的至少一个侧表面设置为是圆的，将另一个设置为是直的。
也将侧面部分设置为部分圆形的，一部分凹入，另一部分凸出。
也将垫圈设置成具有梯形形状的截面，即，平行于垫圈的旋转轴的外接触表面和内接触表面，侧表面沿相反的方向倾斜。
垫圈的横截面可以是H形的。
垫圈的横截面也可以是N形的。
垫圈的横截面也可以是M形的。
垫圈的横截面也可以是正方形或长方形的。
当垫圈的横截面设置有凹部时，其可以是W形或U形的。
附图说明
在阅读以下由各种附图示出的说明时将会更清楚地理解本发明及其各种技术特征，在附图中：
图1是示出上文所述的使用两个现有技术垫圈的视图；
图2A和2B是示出现有技术垫圈的作用部分的局部剖视图；
图3A是示出使用本发明的垫圈的剖视图；
图3B是使用本发明的两个垫圈的剖视图；
图4A-4D是示出本发明的垫圈的实施例的详图；和
图5A-5M是本发明的各种垫圈的剖视图。
具体实施方式
如图3A和3B所示，真空瓶1被安置在外壳10内，外壳10构成中压或高压电开关装置的极柱。在这个示例中，外壳10由此构成所使用的开关装置的刚性极柱，例如电路断路器。在断路器处于打开位置时，真空瓶1的移动触点5A和固定触点5B处于不同的电位上，两个触点中的每个触点位于真空瓶1的相应端部。因此有必要通过安置垫圈20介电地使真空瓶1绝缘，所述垫圈20在构成两个不同电位的电极的移动触点5A和固定触点5B之间构成介电绝缘垫圈。一旦就位，垫圈20就阻止沿虚线A-A’和B-B’的电火花或放电的放电路径的形成。顺便指出：真空瓶1内部的真空的介电强度显著大于真空瓶1外部的空气的介电强度。
参考图3B，当使用两个垫圈时，所述垫圈隔离出环形空间24，所述环形空间24由垫圈20中的每个垫圈的侧表面、真空瓶1的外表面6和外壳10的内表面16限定。如此限制出来的空间24包含气态流体，例如空气或一些其他相同类型的流体。换句话说，两个垫圈20和它们限定的空间24在位于不同电位上的移动触点5A和固定触点之间形成介电势垒。这种结构能够避免任何起弧穿过介电势垒，或者避免通过形成放电路径或穿孔而绕过垫圈20限定的一种气相元素。更准确地说，通过尤其是三方面的因素提供介电密封或介电强度，即：
-垫圈20和真空瓶1之间、特别是通过真空瓶1的外表面6沿A-A’线的紧密接触，以及垫圈20和外壳10之间、特别是通过壳体10的内表面16沿B-B’线的紧密接触；
-由弹性材料制成的垫圈20的径向压缩；和
-正确按尺寸成形的每个垫圈20的绝缘弹性材料的厚度。
为此，可以看到，在图3B所示的实施例中，每个垫圈20具有由两个沿相反方向倾斜的锥形部分20A和20B构成的截面。换句话说，所述垫圈的截面近似是U形的。这仅仅是垫圈形状的相对简单的示例，其他更精细的形状将在以后的段落中进行描述。
本发明的垫圈的十分重要的技术特征在于：每个垫圈20的周向外表面和周向内表面是平滑的。使用外壳10，其内表面16是平滑的，类似地，真空瓶1具有平滑的外表面6。每个垫圈20的内表面和外表面是相应平滑的。因此在装配时阻止了空气被截留在表面之间。垫圈的总体形状被优化，从而在垫圈/外壳和垫圈/真空瓶界面上获得不均匀但足够大的接触压力。垫圈夹绕真空瓶1的紧密度大于垫圈被外壳10夹持的紧密度。这使垫圈在装配、拆卸和拆除时能够保留在真空瓶上的合适位置中。
如从图3B可见，垫圈在真空瓶1上的位置被最优化，在于：所述垫圈在介电场有利于产生高介电强度的区域内定位所述真空瓶上。特别地，所述垫圈20不与由移动触点5A和固定触点5B构成的电极接触。否则，在出现局部电场很强的情况下存在垫圈被击穿的很大危险。电极中的一个电极上的突出部将引起电场集中。如果介电密封垫圈与所述电极中的一个电极接触，那么所述电极就会遭受很强的电场，并可能由击穿导致性能降低。
图4A详细地示出垫圈的第一实施例。
平滑的外接触表面实际上由两个表面31A和31B构成，所述两个表面相对于垫圈的轴线30都是锥形的，它们的倾斜度不同，从而形成向外很大开口的U形。所述两个表面通过外部互连曲线RE互相连接。内接触表面由两部分32A和32B以相似的方式构成，所述两部分中的每个部分相对于轴线30具有不同的倾斜度，所述两部分中的一个部分(在这个示例中是表面32A)可以是圆筒形的。两个内接触表面也通过内部互连曲线RI互相连接。在安装垫圈时，互连曲线RE和RI有助于防止空气被截留。虽然示出垫圈20在具有平滑接触表面的外壳10内安装在真空瓶1的周围，但是应当想到，所述外接触表面和内接触表面在垫圈未安装时是平滑的。
在这个实施例中，两个侧表面也由多个部分构成。所述两个侧表面中的一个侧表面设置有凹部35，所述凹部35由两个截头圆锥表面35A构成，所述两个截头圆锥表面35A通过径向表面35B互相连接。当真空瓶被装配到外壳之内时，所述凹部35在所述垫圈被压缩时能够把作用力限制在垫圈之内。
类似地，另一个侧表面由两个表面33A和33B构成，所述两个表面本身是截头圆锥形的，并且具有不同的倾斜度以形成很大开口的U形。径向部分，首先是34C，其次是把凹部35连接到内接触表面的34A和34B，构成侧表面的其余部分。
这个实施例的形状类似于U形，其垂直部分略微向下延伸。垫圈的其他可能的截面，特别是字母形状的截面如以下所述。
不管所考虑的形状，在平行于垫圈轴线30的方向中的厚度等于或大于4(四)毫米。因此必然增强了机械强度，但首先是垫圈的介电强度因此被增大，特别是通过显著地限制由击穿垫圈所产生的起弧的危险而增大。
类似地，如果内接触表面32A和32B以及外接触表面具有足够大的轴向高度，构成在很大面积上伸展的承载表面并且不仅仅是局部的承载表面，那么所述内接触表面32A和32B以及外接触表面首先增大垫圈的介电强度。因此需要至少5(五)毫米的轴向高度。应当注意，在内接触表面32A和32B及真空瓶的外表面构成的界面的电场高于在外接触表面31A和31B及外壳的内表面构成的界面的电场。内接触表面31A和31B的宽度因此大于外接触表面32A和32B的宽度。对于在装配、拆卸和拆除时的相同的加紧压力，这使垫圈能保留在真空瓶上的合适位置中。
垫圈由弹性材料制成。在所述垫圈被安装时，所述垫圈变形，使得能够获得接触压力，所述接触压力在所述垫圈的内接触表面32A和32B及所述垫圈的外接触表面31A和31B上足够大。系统对温度是不敏感的。通过其侧表面的形状，所述垫圈在温度上升时能够自由膨胀，在温度下降时能够自由收缩。
承受压力的区域与自由区域的比例足够小，以便弹性材料能够膨胀并自由地接触随温度产生的变形，所述承受压力的区域即：内接触表面32A和32B及外接触表面31A和31B，所述自由区域即：侧表面33A、33B、34A、34B、35A和35B，垫圈由所述弹性材料制成。这能够显著地限制垫圈内的热机械压力。根据负载区域与自由区域的比例，所述热机械压力可使系统的性能降低。
在施加38kV的额定电压时已经证明这种垫圈是合格的。所述垫圈能够承受IEC和ANSI的标准电压：在60秒(s)、50赫兹(Hz)的频率和200kVc的雷击冲击电压下具有95千伏均方根(kVrms)的耐压，局部放电小于或等于5微库伦(pC)。所述垫圈连续地承受-40℃到+115℃的温度。
在图4B、4C和4D中详细地示出其他的详细实施例。
图4B示出垫圈的一个实施例，其总体形状类似于图4A所示的形状，除了外接触表面41和内接触表面42是圆筒形的并且平行于垫圈的轴线40。这个垫圈也具有在侧表面上展开的凹部45，所述侧表面由两个侧表面部分44A和44B构成。另一个侧表面由部分44C构成，所述部分44C垂直地连接于内接触表面42。
图4C示出垫圈的一个实施例，所述垫圈具有沿相反方向倾斜的锥形外表面51和锥形内表面52。侧表面的剩余部分具有类似于前述侧表面的设计，即，一个侧表面具有由两个侧面部分54A和54B构成的凹部55，另一个侧表面由侧面部分54C构成。
最后，第四个实施例示于图4D，其中，外接触表面61和内接触表面62是弯曲的，具有相对较大的曲率半径。可以看到，两个表面的总体方向相对于垫圈的轴线60是略微倾斜的，即，所述两个表面具有截头圆锥形的总体方向，其从一个表面向另一个表面是相反的。这种类型的垫圈也具有侧面凹部65，所述侧面凹部65由两个侧面部分64A和64B构成，另一个侧面由侧面部分64C构成。
图5A-5M示出为垫圈提供的截面可不同于图4所示的截面。由图5A示出的截面是长方形的。换句话说，侧表面垂直于轴线50，而内接触表面和外接触表面平行于轴线50。
图5B以相似的方式示出正方形的垫圈截面。
图5C所示的截面是梯形的，内接触表面和外接触表面仍然与轴线50同心，但是侧表面具有相对反向的倾斜度。
图5D所示的截面具有由两个相对于垂直轴线50的反向倾斜的部分构成的侧表面，即，形成略微凸出的表面。
图5E所示的截面具有垂直于轴线50的侧表面，以及凸出形状的圆形侧表面。
图5F所示的截面具有呈两部分形式的侧表面，具有不同且相反的倾斜度，形成V形的凸出侧表面和V形的凹入侧表面。
图5G示出的垫圈的侧表面中的一个侧表面由两个反向倾斜的表面构成，所述两个反向倾斜的表面形成凸出的侧表面，而所述垫圈的另一个侧表面是略微圆形的。
图5H示出的垫圈的侧表面中的每个侧表面由两部分构成，而且更准确地说，所述垫圈具有凹入部分和凸出部分，侧表面是S形的。
图5I所示的截面是H形截面，在每个侧表面内形成四边形形状的凹部。
图5J示出U形截面。
图5K示出W形的垫圈截面。
图5L示出M形的垫圈截面。
最后，图5M示出N形截面。
本发明的优点
装备有这种垫圈的开关装置的介电性能对于相对紧凑的开关装置来说是相对较高的。
介电强度在垫圈和外壳之间以及在垫圈和真空瓶之间的界面上是较高的。
类似地，介电强度在垫圈的内部是较高的。
这个抵抗形成放电路径的特征在于，垫圈能够很好地配合靠在真空瓶的外表面或外壳的内表面之上以阻止电火花的形成，所述电火花会使垫圈的表面和/或在A和A’之间的真空瓶的外表面和/或在B和B’之间的外壳的内表面(图3A和3B)碳化，并且会因此在A和A’之间或B和B’之间提供电流的通路。
开关装置在其使用寿命结束时相对易于拆除，而且绝缘材料的量很小，符合环境标准。
这个技术方案的成本相对较低，而且易于通过以高吞吐量进行大规模的模制生产以及通过无粘装配来实现工业化。
所述装配对温度变化是不敏感的，垫圈可自由膨胀或收缩。
易于装配是因为垫圈易于变形。
最后，系统是可拆除的。
Claims (19)
1.一种用于真空瓶的介电绝缘垫圈，所述垫圈用于，在外壳(10)内部的真空瓶(1)的周围使用至少一个垫圈(20)来使真空瓶(1)绝缘，所述垫圈具有内接触表面(32A、32B、42、52和62)和外接触表面(31A、31B、41、51和61)，两个侧表面使内接触表面和外接触表面互相连接；
所述垫圈的特征在于：外壳(10)的内接触表面(16)和真空瓶(1)的外表面(6)是平滑的，垫圈的内接触表面(32A、32B、42、52和62)和外接触表面(31A、31B、41、51和61)是平滑的，没有空腔且形成由表面形状构成的组合的一部分，所述表面形状包括相对于垫圈的纵轴(30、40、50和60)凸出的表面和相对于垫圈的纵轴(30、40、50和60)倾斜度不改变的表面，
以这种方式，在装配垫圈时，在外壳(10)的内接触表面(16)和垫圈的外接触表面(31A、31B、41、51和61)之间以及在真空瓶(1)的外表面(6)和垫圈的内表面(32A、32B、42、52和62)之间的界面内没有气窝被截留，从而排除了任何局部放电的危险，所述局部放电出现在：首先，外壳(10)的内接触表面(16)和垫圈的外接触表面(31A、31B、41、51和61)之间；其次，真空瓶(1)的外接触表面(6)和垫圈的内接触表面(32A、32B、42、52和62)之间。
2.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：内接触表面(32A和32B)和外接触表面(31A和31B)的轴向高度等于或大于5mm。
3.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：垫圈沿其纵轴的最小厚度是4mm。
4.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：内接触表面(32A和32B)和外接触表面(31A和31B)相对于垫圈轴线是圆筒形的。
5.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：外接触表面(51)和内接触表面(52)是锥形的。
6.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：内接触表面和外接触表面分别由具有不同倾斜度的两个锥形部分(51A和51B及52A和52B)构成，并且通过形成外扩V形的确定的互连曲线(RE、RI)互相连接。
7.根据权利要求5或6所述的垫圈，其特征在于：内接触表面(32A、32B)和外接触表面(31A和31B)具有相对于垫圈的轴线(30)倾斜的总体方向，即，具有锥形的总体方向。
8.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：所述垫圈的横截面设置有凹部(35)。
9.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：侧表面中的每个侧表面由凸出部分和凹入部分构成。
10.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：垫圈的横截面是H形的。
11.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：侧表面由具有不同倾斜度的两部分构成。
12.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：至少一个侧表面是圆的。
13.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：垫圈的横截面是正方形的。
14.根据权利要求2所述的垫圈，其特征在于：垫圈的横截面是长方形的。
15.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：垫圈的横截面是梯形的。
16.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：垫圈的横截面是N形的。
17.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：垫圈的横截面是M形的。
18.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：垫圈的横截面是U形的。
19.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于：垫圈的横截面是W形的。
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