CN102568675B - 具有加强导体的高压套管 - Google Patents
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Abstract
一种高压套管包括空心绝缘子和通过该空心绝缘子延伸的导体，该导体包括在空心绝缘子的端部固定的空心导体。该导体包括布置在空心导体内的支撑部件，该支撑部件在空心导体的纵向中延伸，且该支撑部件适于支撑空心导体，以增加导体的刚性且由此减小空心绝缘子中导体的静态挠曲。
Description
技术领域
本发明涉及高压技术领域，且尤其涉及诸如套管的用于为导体提供电学绝缘的高压器件。
背景技术
高压套管用于以高电势通过常称为接地平面的平面运送电流，其中该平面与电流路径处于不同的电势。套管被设计为将位于套管内的高压导体与接地平面电绝缘。接地平面例如可以是变压器箱或墙壁，诸如是高压直流(HVDC)阀厅壁。
在例如穿墙套管的具有自由悬挂导体的气体填充套管中，套管中的导体的最大挠曲(deflection)影响套管的内径，这影响套管的外径。为了防止飞弧，最大挠曲越高，套管的内径必须越大。在套管的内部，布置不同的场控制屏蔽以应付电场。如果导体不处于套管的中心或不靠近套管的中心，则场控制屏蔽将不会像所设计的那样工作。因此存在最小化非常长的套管中的导体的挠曲的需要。
导体的静态挠曲是由导体本身的重力和质量产生的。套管中的导体具有在两端固定的管的形式。水平放置的管的挠曲取决于导体管的材料常数(杨氏模量和密度)、管的长度、壁厚和直径。
导体的尺寸被确定以传导电流，即，对于给定电流和电阻性，导体的剖面表面是给定的。对于给定外径的导体，壁厚将由管的剖面决定。
长度由套管的长度设置，套管的长度由例如电压和飞弧距离的外部电力需求决定。
对于大电流，原则上在导体中仅可以使用铜或铝或其合金。这将决定材料参数，该材料参数然后将设置材料的最大刚性。
总体上，所有参数由电力需求且还由管道的最大静态挠曲设置。
当今设备必须处理的不断增加的电压和极高配电使得套管非常长，处于20m或甚至更长的范围内。
导体的动态挠曲由地震力(即地震)或其他类型的振动产生。对于动态挠曲，导体的共振频率是重要的。动态挠曲可能在错误的环境中远大于静态挠曲，且可能导致灾难性故障。
发明内容
在所附权利要求书中展示了本发明的各个方面。
本发明的一个实施例，提供一种高压套管，其包括空心绝缘子和通过空心绝缘子延伸的导体，该导体包括在空心绝缘子的端部固定的空心导体。该导体包括布置在空心导体内的支撑部件，该支撑部件在空心导体的纵向中延伸，且该支撑部件适于支撑空心导体，以增加导体的刚性且由此减小空心绝缘子中导体的静态挠曲。
根据本发明的一个实施例，套管中的导体的纵向和横向之间的角度小于40度。本发明将特别适于其中导体的纵向和横向之间的角度小于20度的套管。导体的重力挠曲的影响随着套管中的导体的纵向和横向之间的角度变小而增加。
根据本发明的一个实施例，提供一种高压套管，其中具有支撑部件的空心导体的增加的刚性使得具有支撑部件的空心导体的静态挠曲小于空心导体单独的静态挠曲，即使支撑部件增加了导体的重量。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件与空心导体的内表面的至少一部分接触。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件适于改变导体的共振频率，这抑制了在地震期间的振荡。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件包括纤维加强聚合物。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件包括碳纤维加强聚合物。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件包括碳纤维加强环氧树脂。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件包括碳纤维加强聚酯。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件是管状的。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件的壁厚沿着导体的纵向是恒定的。该支撑部件可以沿着导体的整个纵向或仅沿导体的纵向的一部分延伸。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件的壁厚沿着导体的纵向变化，且其中支撑部件可以沿着导体的整个纵向或仅沿导体的纵向的一部分延伸。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件沿着导体的整个纵向延伸，且该支撑部件的壁厚大于支撑部件在导体的纵向的端部和中间的平均壁厚，该支撑部件由此使得在导体受到高应力处赋予导体更大的刚性。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件包括两个或更多部件，每个部件布置在导体受到高应力处。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件包括三个部件，一个部件布置在导体的纵向的中间部分，且两个部件布置在导体的每一端且在空心导体内向中间延伸。
根据本发明的一个实施例，该支撑部件包括两个部件，每个部件布置在导体的端部且在空心绝缘子内朝向中间延伸。
根据本发明的一个实施例，高压套管是气体绝缘套管。
尽管在所附独立权利要求中记载了本发明的各个方面，但是本发明的其他方面包括在所述实施例和/或所附权利要求书中呈现的任意特征的组合，且不仅是在所附权利要求书中明确记载的组合。
附图说明
附图组成本说明书的一部分且包括可以以各种形式实现的本发明的示例性实施例。
图1示出其中可以使用本发明的气体绝缘套管。
图2示出根据本发明的具有支撑部件的空心导体。
图3示出支撑部件的不同剖面形状。
图4示出在静态负荷期间对于不同外径的管状导体距纵向中心线的挠曲的作用。
图5示出在具有或没有支撑部件的条件下在静态负荷期间距纵向中心线的挠曲的作用。
图6a-图6d示出在管状导体的纵向中的支撑部件的不同放置。
图7示出根据本发明的一个实施例的具有支撑部件的空心导体的切口。
具体实施方式
图1示出其中可以使用本发明的气体绝缘套管18。套管装配有焊接铝中间法兰14(壁法兰)，该法兰安装有两个绝缘子12，壁的每侧一个，电场的均压通过内部圆锥形铝屏蔽15实现。空心导体11通过空心绝缘子12延伸，固定在空心绝缘子的端部16，且在其间不被支撑。绝缘子12由玻璃纤维加强环氧树脂管构成，该玻璃纤维加强环氧树脂管被由硅橡胶制成的防风雨伞裙覆盖的组成。管以单件式制造，且在两端使用胶装配在铸件铝法兰上。这种设计给出具有极好机械属性的刚性套管。套管可以填充以绝缘气体，例如SF6(六氟化硫)。绝缘气体可以处于大气压或过压下。
图2示出根据本发明的具有支撑部件2的空心导体1。如本领域技术人员所已知，导体可以是铝、铜、或它们的合金。支撑部件2可以由纤维加强聚合物制成。
图2中的支撑部件2在此处示为圆形的剖面形状，即支撑部件2是管状的。支撑部件2被布置为吸收管状导体11内的挠矩，使得组合的导体11和支撑部件2比单独的导体更加坚硬。在本发明的一个实施例中，支撑部件2未固定在空心绝缘子的端部16，因此支撑部件2不能在纵向方向中从横向中的导体的挠曲吸收任意拉力或张力。
图3示出支撑部件2的不同剖面形状。支撑导体1的任意形状是可能的，但是在支撑部件2的重量方面具有限制，且管状(左)支撑部件2是优选的，因为对于给定重量的支撑部件，它将给予导体/支撑部件系统最大的刚性。
图4示出在静态负荷期间对于不同外径的管状导体1距纵向中心线30的挠曲的作用。导体1的尺寸被确定以传导电流，即，对于给定电流和电阻性，导体的剖面是给定的。对于具有给定外径的导体，管的壁厚将由剖面面积决定。较小的外径(左)将给出厚壁而较大的外径(右)将给出较薄的壁。
虚线30是在没有导体的重力和质量导致的静态挠曲的条件下套管中导体的纵向中心线和用于导体的位置。取决于导体的直径，静态挠曲将不同。在图4的左边，具有小外径的导体将具有大挠曲。在图4的右边，具有大外径的导体将具有距纵向中心线的较小挠曲，但是大外径将影响导体的外表面与空心绝缘子内壁或内部屏蔽之间的距离。
图4的中间的图示出与图4的左图和右图相比的“最佳”直径/壁厚。它在静态负荷期间在最小化导体的外表面和空心绝缘子的内壁之间的距离的意义上是最佳的。导体的直径足够大以给出比图4的左边的导体小的静态挠曲，但是导体的直径并非大到将影响导体的外表面和空心绝缘子内壁之间的距离。
图5示出在具有或没有支撑部件2的条件下在静态负荷期间距纵向中心线的挠曲的作用。具有支撑部件的布置(右)增加刚性且因此减小导体距纵向中心线30的挠曲。取决于支撑部件的大小和材料，静态挠曲的减小可以是50％或更多。
图6a-图6d示出支撑部件2在空心绝缘子12中管状导体1的纵向中的不同放置。沿着纵向的管状导体上的挠矩将在端部10、17最大，其中导体固定在空心绝缘子端部且固定在导体的中心。在图6a中，支撑部件2沿着整个管状导体1布置。这可以是保持因支撑部件而增加的重量尽可能低的需要。因此，支撑部件可以比导体的全长更短且在管状导体的纵向中心附近布置(图6b)。另一解决方案是具有两个支撑部件，每个部件布置在挠矩大的导体的端部(图6c)。另一解决方案是具有3个支撑部件(图6d)，一个部件布置在纵向中心附近且两个部件布置在导体的每一端。在这种配置中，支撑部件布置在材料应变最大的地方。支撑部件2的全长的总和小于导体的全长。
图7示出根据本发明的一个实施例的具有支撑部件2的空心导体1。虚线30是导体的纵向中心线。支撑部件可以是管状的，但是沿着纵向具有不同的厚度和刚性。优选地，支撑部件将在导体的中心和/或每一端布置有较大的壁厚和较高的刚性。
管状导体中的支撑部件具有减小来自重力的静态挠曲的优点。支撑部件还具有用于例如地震的动态挠曲的优点。
对于大地震，峰值加速度(ZPA，零周期加速度)是0.5-0.3g(＝3-5m/s2)，且对于中等地震，约为0.2g(2m/s2)，且地震中的最大振动的频率范围通常处于1-10Hz的范围。
如果来自地震的加速度仅增加重力的加速度，则导体挠曲将是来自重力的挠曲的额外的20％～50％，对于标准导体直径，这处于几厘米的量级。
与源自地震的加速度相关的问题在于，它改变方向，且如果地震的频率与导体的共振频率相等，则导体挠曲可能开始幅度不断增加的自激振荡。如果导体应当通过直接接触或通过电弧与空心绝缘子的内部的接地屏蔽15连接，则灾难性短路将得到保障。
支撑部件将改变导体的共振频率，且如果适当地设计，通过改变导体的共振频率，将使得导体对于由地震引起的自激振荡将更加安全。
Claims (14)
1.一种高压套管(18)，包括：
-空心绝缘子(12)，
-导体，通过所述空心绝缘子延伸，且包括在所述空心绝缘子的端部(10，17)处固定并且在固定的端部之间不被空心绝缘子支撑的空心导体(11，1)，
其特征在于，所述导体包括布置在空心导体(1)内的支撑部件(2)，所述支撑部件在所述空心导体的纵向中延伸，且所述支撑部件适于支撑所述空心导体以增加导体的刚性且由此减小所述空心绝缘子中导体的静态挠曲；
其中所述高压套管是气体绝缘套管。
2.根据权利要求1所述的高压套管，其中所述导体的纵向和横向之间的角度小于40度。
3.根据权利要求1所述的高压套管，其中具有支撑部件(2)的空心导体(11，1)的增加的刚性使得具有支撑部件的空心导体的静态挠曲小于单独的空心导体的静态挠曲，即使所述支撑部件增加了导体的重量。
4.根据权利要求1所述的高压套管，其中所述支撑部件适于改变导体的共振频率，这抑制了在地震期间的振荡。
5.根据权利要求1所述的高压套管，其中所述支撑部件包括纤维加强聚合物。
6.根据权利要求5所述的高压套管，其中所述支撑部件包括碳纤维加强聚合物。
7.根据权利要求6所述的高压套管，其中所述支撑部件包括碳纤维加强环氧树脂或碳纤维加强聚酯。
8.根据权利要求1所述的高压套管，其中所述支撑部件是管状的。
9.根据权利要求8所述的高压套管，其中所述支撑部件的壁厚沿着导体的纵向是恒定的。
10.根据权利要求8所述的高压套管，其中所述支撑部件的壁厚沿着导体的纵向变化。
11.根据权利要求8或10所述的高压套管，其中所述支撑部件沿着导体的整个纵向延伸，且所述支撑部件的壁厚大于所述支撑部件在导体的纵向的端部和中间处的平均壁厚。
12.根据权利要求1-8中任一项所述的高压套管，其中所述支撑部件包括两个或更多部件，每个部件布置在所述导体经受高应力之处。
13.根据权利要求1-8中任一项所述的高压套管，其中支撑部件包括三个部件，一个部件布置在所述导体的纵向的中间部分，且两个部件布置在导体的每一端且在空心导体内向中间延伸。
14.根据权利要求12所述的高压套管，其中所述支撑部件包括两个部件，每个部件布置在所述导体的端部且在所述空心绝缘子内朝向中间延伸。
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