CN101605449B - 用于降低高压装置中电介质击穿风险的设备 - Google Patents

Abstract

提供一种设备，该设备包括：电晕屏蔽罩；以及至少一个用于将该电晕屏蔽罩连接至高压装置的支撑元件。该至少一个支撑元件包括半导电聚合物，其在操作时充当在电晕屏蔽罩和高压装置之间的电阻。此外，该支撑元件配置为将电晕屏蔽罩固定至该高压装置。

Description

用于降低高压装置中电介质击穿风险的设备

技术领域

本发明一般地涉及高压装置，更具体地涉及降低高压装置中电介质击穿的风险。

背景技术

在高压设备内，提供通常为金属的、几何或电连接至高压导体或其他高压设备的导电材料的电晕屏蔽罩在本领域中已知。通过将电荷分布在增大的屏蔽罩表面积上，降低了最大电场强度，从而降低了电晕放电的风险。

此类配置的一个缺点在于，由于大曲率和几何延伸，产生了具有相对高的以及均匀的电场的区域。这导致了可以由小的临时干扰(诸如昆虫、大的灰尘颗粒等)触发的放电传播。当应用高压，尤其是DC时，可以观察到该机构可以引起显著低于传统设计规则所期望的电压处的击穿。

公开号WO 2007/149015的国际申请公开了在高压直流应用中的屏蔽罩和阀组(valve group)之间提供电阻器。

虽然该电阻器降低了此类击穿的风险，但是其也增加了电晕屏蔽罩的复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种更简单和更稳定的方式用来降低来自于电晕屏蔽罩的击穿风险。

根据本发明的第一方面，提供一种设备，该设备包括：电晕屏蔽罩；以及至少一个支撑元件，用于将电晕屏蔽罩连接至高压装置。至少一个支撑元件包括半导电聚合物，该半导电聚合物在所述设备操作时充当在电晕屏蔽罩和高压装置之间的电阻。而且，该支撑元件配置为将电晕屏蔽罩固定至高压装置。

通过使用具有电阻的支撑元件来固定电晕屏蔽罩，获得了更简单更稳定的结构。为支撑元件的设计提供了极大改进的自由度。此外，由于基于聚合物的电阻器的结构可以制作得很长，所以对比于使用传统电阻器的情况，减小了随长度的压降。这降低了表面放电的风险。对于传统电阻器，存在以下风险：由于局部高电场强度，放电可以从其一个端部接头开始。通过桥接电阻器，放电使其短路，这本质上对电晕屏蔽罩提供了全电压。传统电阻器的端部接头可以配备降低电场的屏蔽，但这增加了非常有限的可用空间中的复杂度。

至少一个支撑元件可以具有范围在100千欧姆到100兆欧姆的电阻。

半导电聚合物可以包括具有导电填料的非导电聚合物。非导电聚合物可以从包括以下内容的组中选择：聚乙烯、交联聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚亚安酯、环氧树脂、苯酚树脂(phenolbased resin)、共混聚合物和共聚物或它们的任何组合。该半导电聚合物原则上可以是如聚吡咯的天然半导电聚合物。更实际并且更经济的是具有导电填料(通常是炭黑)的传统聚合物。

至少一个支撑元件中的至少一个可以具有十字形横截面。管状横截面为支撑元件提供了相对于所用材料并由此相对于重量的增加的强度。可以选择其他横截面形状，诸如选自包括以下内容的组中的任何形状：管形、方形、矩形、I形或圆形。

至少一个支撑元件中的至少一个可以包括半导电聚合物的核芯以及由外部材料制成的外层，当暴露在空气中时，该外部材料比半导电聚合物更耐久。通过提供更耐久的外层，增加了半导电聚合物的寿命，并增加了维护和/或失效之间的平均时间。可以通过选择不同厚度的材料和不同材料组合来调节强度和导电性。

外部材料可以由与导电聚合物相同的聚合物(但没有填料)、其他聚合物或由绝缘漆/涂料(例如，醇酸树脂绝缘漆)制成。

支撑元件可以进一步包括：第一导电元件，一端连接至电晕屏蔽罩并且第二端连接至半导电聚合物。

支撑元件可以进一步包括：第二导电元件，其第一端连接至半导电聚合物，并且第二导电元件配置为第二端连接至高压装置。

半导电聚合物可以附接至电晕屏蔽罩，并且半导电聚合物可以配置为附接至高压装置。

电晕屏蔽罩可以基本上是环形，该环形至少具有包括金属的外层。

本发明的第二方面是一种高压穿壁套管，其包括根据第一方面的设备。

本发明的第三方面是一种用于制造设备的方法。该方法包括以下步骤：提供包括半导电聚合物的至少一个支撑元件，半导电聚合物在设备操作时充当在电晕屏蔽罩和高压装置之间的电阻；以及将至少一个支撑元件安装在电晕屏蔽罩和高压装置之间。

提供步骤可以进一步包括：为至少一个支撑元件中的每个提供电介质核芯；以及通过在至少一个支撑元件中的每个上喷涂半导电聚合物层来施加半导电聚合物。通过喷涂，可能得到半导电聚合物的薄层，利用可接收的尺寸实现大电阻。

提供至少一个支撑元件的步骤可以进一步包括：在半导电聚合物的层的外侧提供电介质层。

应该指出，可以将第一、第二、第三方面的任何合适特征应用于任何其他方面。

通常，根据技术领域中的一般意义解释权利要求书中所使用的所有术语，除非在此明确定义。对“一个元件、装置、组件、步骤等”的引用将开放地解释为参考该元件、装置、组件、步骤等的至少一个实例，除非明确的表明。这里公开的任何方法的步骤都不必完全按照公开的顺序执行，除非明确的表明。

附图说明

现在，通过示例的方式，参考附图描述本发明，在附图中：

图1示出了应用于穿壁套管的本发明一个实施方式；

图2a-图2c是可以如何实现支撑部件的示意图；

图3a-图3k是示出了存在基于聚合物的电阻器的支撑元件一部分的横截面的示意图；以及

图4a-图4b是示出了可以如何将电晕屏蔽罩固定至导体的两个实施方式的示意图。

具体实施方式

现在下文将参考附图更全面地描述本发明，附图中，示出了本发明的某些实施方式。然而，本发明可以以很多不同的形式实现，并且不应该构建为限制于这里记载的实施方式；这些实施方式由示例的方式提供，从而该公开内容将是详尽以及完整的，并且将全面地向本领域的技术人员传达本发明的范围。贯穿该描述，同样的数字表示同样的元件。

图1示出了应用于穿壁套管的本发明的一个实施方式。高压导体2承载高压电流。例如，电压可以介于50kV到1000kV或更高之间的任何处。应该指出，当前的发明可应用于DC(直流)以及AC(交流)两者，只要电压相对于电介质击穿将潜在发生的环境足够高。

在完全通过壁1的导体2周围提供绝缘子3。在绝缘子3的一端处，提供电晕屏蔽罩4。电晕屏蔽罩通常基本上是环形，该环形至少具有包括金属的外层。备选地，电晕屏蔽罩基本上可以是球状的。

电晕屏蔽罩4经由支撑元件6连接至导体2。支撑元件6包括半导电聚合物。由于半导电，聚合物是导电的，但是具有很大的电阻。导体2和电晕屏蔽罩4之间的总电阻优选地介于约100千欧姆到约100兆欧姆之间。准确值将取决于几何尺寸和容量，并且可能需要针对每个独立的情况进行核实。如果电阻太低，则开始电介质击穿期间的压降太低。如果电阻太高，则很难在与导体2相同的电势处保持电晕屏蔽罩4。聚合物可以是任何提供所指示操作范围内的总电阻的合适半导电聚合物。半导电聚合物可以包括具有导电填料的非导电聚合物，其中非导电聚合物可以是从包括以下内容的组中选择的传统聚合物：聚乙烯(PE)、交联聚乙烯(PEX)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚亚安酯(PUR)、环氧树脂、苯酚树脂(人造树脂)，还包括共混聚合物和共聚物或它们的任何组合。该半导电聚合物原则上可以是如聚吡咯的天然半导电聚合物。更实际并且更经济的是上述具有导电填料的传统聚合物，其中导电填料通常是炭黑。

应该指出，电阻可以在所确定的操作范围内显著改变，以允许使用基于聚合物的电阻器。例如，即使如今的很多聚合物材料的电阻随温度改变，但是这些材料仍将用作该用途的电阻。而且，如果利用了多个支撑元件6，则等效总电阻应该保持在上述范围内。

由于支撑元件6的电阻，电晕屏蔽罩对于电介质击穿具有更好的防护。这导致显著降低了归因于异常情况的击穿风险。

该机构如下工作。当在正常操作时，没有来自于电晕屏蔽罩4的放电。没有电流从电晕屏蔽罩4流出并且没有电流流过支撑元件6。由于不存在电流，在支撑元件6上也就不存在显著的压降，从而电晕屏蔽罩4具有与导体2相同的电压。当例如异常情况触发了放电7时，电流从电晕屏蔽罩流入放电中，该放电向远处对象增长，例如壁1。电流从导体2吸取能量，从而电流流过支撑元件6。由于支撑元件6的高电阻，得到从导体2到电晕屏蔽罩4的压降。至少在某些情况中，该压降足以停止放电7，因为在电晕屏蔽罩和远处对象(例如，壁1)之间的电压差不足。

应该指出，支撑元件6是足够刚性的结构，从而能够将电晕屏蔽罩固定至导体2。

图2a-图2c是可以如何实现支撑元件6的示意图。在图2a中，支撑元件6包括基于聚合物的电阻器10。电阻器中央部分较薄，从而获得了对于该应用足够大的电阻。基于聚合物的电阻器10具有外层9，其由比半导电聚合物更耐久的材料制成。该外层9因此防止或至少减小归因于氧化等的基于聚合物的电阻器的老化。外层9由任何当暴露于空气中时比半导电聚合物更耐久的合适材料制成。例如，外层9可以由与导电聚合物相同的聚合物(但没有填料)、其他聚合物或由绝缘漆/涂料(例如，醇酸树脂绝缘漆)制成。该外层还可以由硅橡胶、三元乙丙(EPDM)橡胶、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、环氧树脂等制成。外层9的厚度和硬度还有助于提供稳定的机械结构。

在图2b中，示出了一个实施方式，在该实施方式中，基于聚合物的电阻器10组成整个支撑元件6，其连接至电晕屏蔽罩4和导体2两者，从而电晕屏蔽罩4固定至导体2。

在图2c中示出的实施方式中，还是支撑元件6的基于聚合物的电阻器10直接连接至电晕屏蔽罩4和导体2两者。然而，在这里，基于聚合物的屏蔽罩配备有保护性外层9。

应该指出，在图2a-图2c中示出的任何实施方式的基于聚合物的电阻器10都可以具有任何横截面形状，例如图3a-图3k中所示的横截面形状中的任何一个，在下面对其进行详述。

图3a-图3k是示出了各种实施方式中，存在基于聚合物的电阻器10的支撑元件6的一部分的横截面的示意图。应该指出，支撑元件例如可以是图2a-图2c的任一个中示出的支撑元件6。

图3a示出了其中基于聚合物的电阻器10的横截面基本上是圆形的支撑元件6。图3b示出了与图3a相同的支撑元件，但是这里支撑元件包括外部保护层9。

图3c示出了其中基于聚合物的电阻器10的横截面是环形的支撑元件6。图3d示出了与图3c相同的支撑元件，但是这里支撑元件包括外部保护层9。注意，保护层可选地提供在环形的基于聚合物的电阻器10的两侧。环形相对于基于聚合物的电阻器10所需的材料量(以及因此还有重量)提供了良好的稳定性。

图3e示出了其中基于聚合物的电阻器10的横截面基本上是矩形或方形的支撑元件6。图3f示出了与图3e相同的支撑元件，但是这里支撑元件包括外部保护层9。

图3g示出了其中基于聚合物的电阻器10的横截面是I形的支撑元件6。图3h示出了与图3g相同的支撑元件，但是这里支撑元件包括外部保护层9。I形是具有相对于材料需求具有很大稳定性的另一形状。

图3i示出了其中横截面是I形的支撑元件6，但是中央部分9由电介质材料制成，例如上述外层材料。在内部部分中，基于聚合物的电阻器10提供为薄层。该薄层可以作为薄固体片附着。备选地，该薄层可以喷涂在中央部分上。在该实施方式中，基于聚合物的电阻器的厚度优选地介于0.1mm和2mm之间。如果该厚度小于0.1mm，则存在基于聚合物的电阻器机械断裂的风险，这也将断开电连接。如果该厚度大于2mm，则可以以除喷涂之外的其他方式更容易地提供基于聚合物的电阻器。应该指出，喷涂的方法可应用于任何合适的横截面形状，而不仅仅是上述I形状。

图3j示出了其中基于聚合物的电阻器10的横截面是十字形的支撑元件6。图3k示出了与图3j相同的支撑元件，但是这里支撑元件包括外部保护层9。

图4a-图4b是示出了可以如何将电晕屏蔽罩4固定至导体2的两个实施方式的示意图。

在图4a中，使用三个支撑元件6a-6c将电晕屏蔽罩4固定至导体2。如在本领域中已知，如果每个独立支撑元件的电阻是相等的，则在导体2和电晕屏蔽罩4之间的等效电阻是通过一个支撑元件的电阻的三分之一。应该指出，支撑元件可以是具有上述半导电聚合物的支撑元件以及传统电介质支撑元件的混合体，只要至少一个支撑元件包括半导电聚合物。

在图4b中，使用四个支撑元件6a-6d将电晕屏蔽罩4固定至导体2。应该指出，可以使用任何数量的合适支撑元件，该支撑元件的数量在稳定性和成本/复杂度之间取得平衡。

虽然在上文中示出本发明实现在穿壁套管中，但是其中电晕屏蔽罩是有益的任何高压装置也将从本发明获益。例如，本发明可以实现于高压电力变压器套管、高压测量变压器、高压开关设备、高压线路绝缘子、高压避雷器中或与HVDC(高压直流)阀结合。

已经主要参考几个实施方式描述了本发明。然而本领域的技术人员容易理解的是，除上述所公开的实施方式以外的其他实施方式在本发明的范围内是同样可能的，本发明的范围由所附专利权利要求书所限定。

Claims (13)

1.一种用于降低来自于电晕屏蔽罩的击穿风险的设备，包括：

电晕屏蔽罩(4)配置为围绕高压装置的高压导体；以及

至少一个支撑元件(6)，用于将所述电晕屏蔽罩(4)连接至所述高压装置的高压导体，

其特征在于，

所述至少一个支撑元件(6)包括半导电聚合物(10)，所述半导电聚合物(10)在所述设备操作时充当在所述电晕屏蔽罩(4)和所述高压装置之间的电阻，以及

所述支撑元件(6)配置为将所述电晕屏蔽罩(4)固定至所述高压装置；

其中所述至少一个支撑元件(6)中的至少一个包括所述半导电聚合物的核芯以及由外部材料制成的外层，当暴露在空气中时，所述外部材料比所述半导电聚合物更耐久。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个支撑元件(6)具有范围在100千欧姆到100兆欧姆的电阻。

3.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述半导电聚合物(10)包括具有导电填料的非导电聚合物。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述非导电聚合物从包括以下内容的组中选择：聚乙烯、交联聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚亚安酯、环氧树脂、苯酚树脂、共混聚合物和共聚物或它们的任何组合。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个支撑元件(6)中的至少一个具有十字形横截面。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述支撑元件(6)进一步包括：

第一导电元件，其一端连接至所述电晕屏蔽罩并且其第二端连接至所述半导电聚合物。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述支撑元件(6)进一步包括：

第二导电元件，其第一端连接至所述半导电聚合物，并且所述第二导电元件配置为其第二端连接至所述高压装置。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述半导电聚合物(10)附接至所述电晕屏蔽罩，并且所述半导电聚合物配置为附接至所述高压装置。

9.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述电晕屏蔽罩(4)基本上是环形，所述环形至少具有包括金属的外层。

10.一种高压穿壁套管，包括根据权利要求1至9中任一项所述的设备。

11.一种用于制造用于降低来自于电晕屏蔽罩的击穿风险的设备的方法，其特征在于，以下步骤：

提供包括半导电聚合物(10)的至少一个支撑元件(6)，所述半导电聚合物(10)在所述设备操作时充当在电晕屏蔽罩(4)和高压装置的高压导体之间的电阻；

为所述至少一个支撑元件(6)中的每一个提供核芯以及外层，所述外层由外部材料制成，当暴露在空气中时，所述外部材料比所述半导电聚合物更耐久；以及

将所述至少一个支撑元件(6)安装在电晕屏蔽罩(4)和高压装置之间，使得所述电晕屏蔽罩围绕所述高压导体。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其中所述提供步骤进一步包括：

为所述至少一个支撑元件中的每个的所述核芯提供电介质核芯；以及

通过在所述至少一个支撑元件的每个上喷涂所述半导电聚合物的层来施加所述半导电聚合物。

13.根据权利要求12所述的制造方法，其中所述提供至少一个支撑元件的步骤进一步包括：

在所述半导电聚合物的所述层的外侧提供电介质层。

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