CN105612592A - 用于提供导体电绝缘的绝缘体和包含这种绝缘体的电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于提供电设备中的导体电绝缘的绝缘体(400)。该绝缘体(400)包括至少两个模块(200[1]-200[n])，每个模块具有一个该导体(110)可延伸穿过的孔。该至少两个模块轴向并排布置，使得该至少两个模块的孔被对准以形成对于该导体的通道，并且相邻模块紧靠彼此稳固地设置。每个模块包括至少一种绝缘材料，并且该绝缘体的相对介电常数在绝缘体的轴向和/或径向中变化。
Description
技术领域
本发明涉及电力传输技术领域，并且具体地说，涉及用于提供例如套管、仪表互感器或缆线终端的电设备中导体的电绝缘的绝缘体。
背景技术
电套管用于传送电流穿过平面，该平面与电流路径处于不同电势。套管被设计为使位于套管内的导体与这种平面电绝缘。该导体延伸穿过的平面通常称为接地面，即使该平面不需要接地，例如，在一些应用中，该平面相比于导体处于更加远离接地电势的电势。该接地面能够例如为变压器箱或墙壁。
为了获得导体和接地面之间的电势分布平滑，套管通常包括包围导体的绝缘体。在常用的套管设计中，绝缘体包括许多由导体材料制成的同轴箔，其中箔处于浮动电势并且由电介质间隔材料分开。这种绝缘体通常被称为电容芯。电介质间隔材料能够例如是油浸渍或树脂浸渍纸。包括由电介质间隔材料分开的同轴导电箔的电容芯的示例例如在WO2008/074166中描述。
包括电介质间隔材料中的浮动电势同轴箔的电容芯不仅在导体和接地面之间提供电绝缘，而且能够以令人满意的方式提供期望的场分级(fieldgrading)。然而，这类电容芯的生产通常是麻烦和耗时。因此，期望更易于制造但仍提供充分场分级的电容芯。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种用于提供电设备中的导体绝缘和场分级的绝缘体的备选设计。
一个实施例提供了一种用于提供电设备中的导体的电绝缘的绝缘体。该绝缘体包括至少两个模块，其中每个模块具有一个该导体可延伸穿过的孔并且每个模块包括至少一种绝缘材料。该至少两个模块轴向并排设置，使得该至少两个模块的孔形成该绝缘体的通道，并且相邻模块紧靠彼此稳固地设置。该绝缘体的相对介电常数在绝缘体的轴向和/或径向中变化。
通过该实施例实现：能够大大减少绝缘体的生产时间。此外，将促进绝缘体的定制。
如果期望，能够预制模块，并且预制模块能够进行组装以形成绝缘体。备选地，模块能够例如彼此叠放模制以获得期望的绝缘体。
在一个实施例中，该至少两个模块中的至少一个包括具有不同相对介电常数的不同材料的至少两个层，使得至少一个模块的相对介电常数在该模块的径向中变化。模块的层能够例如被布置，使得每个模块的最内层由具有最低相对介电常数的模块材料形成。
在一个实施例中，所述至少两个模块的第一模块的材料的最高相对介电常数高于所述至少两个模块的第二模块的材料的最高相对介电常数，使得该绝缘体的相对介电常数在该绝缘体的轴向上变化。这种介电常数的变化用于逐渐使得等势线偏离绝缘体轴的方向，从而对绝缘体周围的电场进行分级。沿该绝缘体轴向的介电常数变化能够例如使得最高介电常数与最低介电常数的比大于3。该比通常将高于3，例如为5，10，20，30，50甚至更高。
在该实施例的一种实施方式中，具有最高相对介电常数的模块处于某个位置使得当该绝缘体形成电设备的部分并且该电设备在使用中时，所述模块的一侧与该设备的高应力部分物理接触，该高应力部分例如是凸缘、接地缆线护套或计量芯柜。模块能够例如被布置，使得该至少一个模块中的每个模块的最高相对介电常数低于或等于更靠近该高应力部分的所有其它模块的最高相对介电常数。
在一个实施例中，绝缘体包括内聚合层和外聚合层，其中聚合层由相邻模块中一系列叠加的层形成。叠加的层在径向中叠加，并且其中聚合层延伸穿过整个绝缘体。在该实施例中，在沿该绝缘体的轴的至少一个位置处相对介电常数在聚合层和外聚合层之间不同。例如，模块可以被布置成使得内聚合层的最高介电常数低于或等于外聚合层的最低介电常数。因为更高介电常数的外聚合层将引导电场的等势线进入内聚合层，该设置允许高效的场分级。通常，内聚合层外聚合层由具有导电率小于1μS/m的绝缘材料形成。
在一个实施例中，至少一个模块包含具有导电率超过1μS/m的材料。这类导电材料能够高效地贡献于例如在诸如套管凸缘的经受高场的区域附近的场分级。在该实施例在一种实施方式中，多数模块包含至少一个由导电材料形成的导电层；以及所述多数模块中的模块按顺序彼此紧接布置，使得形成一系列包括导电层的模块。这种顺序能够以与电容芯的导电箔类似的方式运作。
本发明还涉及一种用于提供导体的电绝缘的绝缘体的成套部件。该成套部件包括至少两个模块，每个模块具有导体可延伸穿过的孔并且每个模块包括至少一种绝缘材料。形成所述至少两个模块的材料的相对介电常数以某一方式变化使得当通过轴向并排地、紧靠彼此稳固地布置该至少两个模块使得该至少两个模块的孔被对准以形成对于该导体的通道而由所述成套部件形成绝缘体时，相对介电常数将在绝缘体的轴向和/或径向中变化。在一个实施例中，形成成套部件的模块的孔具有相同的直径。模块能够例如是圆柱体形状，或者具有截锥形状，或者其它适合的形状。模块例如能够成形为圆形或椭圆形直立圆柱体，或者是圆形或椭圆形截锥体。
本发明其他方面在下面的详细描述和所附的权利要求中陈述。
附图说明
图1示出现有技术的套管，其具有电容芯形式的绝缘体。
图2a是如从沿模块轴线的点看，具有单层绝缘材料的模块的示例的示意图。
图2b是如从沿垂直于模块轴线的线的点看，图2a模块的示意图。
图3a是具有两层不同绝缘材料的模块的示例的示意图，其中材料具有不同的介电常数。
图3b是如从沿垂直于模块轴线的线的点看，图3a所示模块的视图。
图4是绝缘体示例的示意截面图，其中绝缘体由n个模块形成，每个模块具有m层。
图5是套管实例的示意截面图，该套管包括根据本发明实施例的绝缘体。
图6a-c示出不同套管中和周围的电场仿真结果，套管包括由模块形成并且在轴向和径向都具有变化介电常数的绝缘体。
图7是在不同绝缘体外表面处根据距离接地面距离的切向电场的图。
图8是具有成形为截锥形状模块以及圆柱状的其它模块的绝缘体的示意图。
图9是具有锁定系统的一套模块的示意截面图。
具体实施方式
图1示意地图示现有技术的套管100，其包括细长的绝缘外壳105，导体110延伸穿过其中。在导体110的每一端处提供用于将导体110连接至电系统或设备的电端子。套管的端部被称为连接端113。图1的套管100此外包括电容芯115。
图1的电容芯115包括由电介质间隔介质123分开的许多导电箔120。电介质间隔介质123通常由例如油或树脂浸渍纸的绝缘材料制成。
图1的套管100进一步包括附连到绝缘体105上的凸缘125。凸缘125能够用于将套管100连接至导体110要延伸穿过的平面130。在图1的套管100中，平面130经由连接135连接至最外面的导电箔120。平面130可连接至地，或者能够具有不同于地的电势。然而，为了便于描述，当涉及平面130时，将使用术语接地面。
当套管100被使用时，导电箔120用作对套管100内的电场进行电容分级，并且电容芯115用作对电容芯115内的场进行分布的分压器。
如上所提及的，制造具有由电介质间隔介质123分开的导电箔120的电容芯115通常是麻烦的和耗时的。电介质间隔介质123的薄片和导电箔120卷绕起来以形成电容芯115。一旦卷绕并且变干，电容芯通常被浸入油或环氧树脂的槽(bath)中。当使用环氧树脂时，环氧树脂将必须被固化。这个干化/浸渍/固化形式的电容芯的卷绕前的处理通常要花费几天的时间。
因此，存在找到能够提供足够绝缘和场分级特性并且能够花费较少时间制造的套管的强烈期望。
根据本发明，提供一种用于提供电设备中的导体的电绝缘的绝缘体。该绝缘体由至少两个模块形成，每个模块具有一个导体可延伸穿过的孔，并且每个模块包括至少一个绝缘材料。该至少两个模块以某一方式紧靠彼此稳固地布置使得该至少两个模块的孔形成导体穿过绝缘体的通道。也就是说，该至少两个模块轴向并排布置。绝缘体的相对介电常数在绝缘体的轴向和/或径向中变化。
通过由至少两个模块形成绝缘体，能够大大促进绝缘体的制造，并且能够大大减少生产时间。如果期望，模块能够被预制，并且预制的模块能够进行组装以形成绝缘体。通过这种方式，相比于如上文所描述卷绕和浸渍的电容芯，绝缘体的生产时间将会大大减少。此外，能够很容易地定制绝缘体。如果期望，不同的预制的模块能够是备有现货的，使得当接收到绝缘体的订单时，可以用已经库存的模块组装得到绝缘体。备选地，能够例如叠放模制模块以获得期望的绝缘体。
通过绝缘体介电常数的空间变化，使得绝缘体的不同部分具有不同的相对介电常数，从而能够获得电设备中的电场的分级。
在一个实施例中，所述至少两个模块中第一模块的材料的最高相对介电常数高于所述至少两个模块中第二模块的材料的最高相对介电常数，使得绝缘体的相对介电常数在绝缘体的轴向中变化。
模块能够例如是圆柱形，或具有截锥形或其它适合的形状。模块例如能够是圆形或椭圆形直立圆柱体，或者是圆形或椭圆形截锥体。图2a和2b图示直圆柱形状的模块200。图2a是从沿圆柱体轴线的点看的视图，而图2b是从沿垂直于圆柱体轴线的线的点看的视图。孔205延伸穿过模块200，孔205位于圆柱体的中心并且沿圆柱体轴线延伸。孔205的直径被表示为Φ。
图2a和2b的模块200由具有相对介电常数εr的绝缘材料的一层210形成。层210的厚度被表示为d，模块的长度被表示为L。由孔205分割的模块200的两侧将被称为侧215或底座215，而外侧将被称为圆周表面220。圆周侧220将两个底侧215互相连接并且通常是弯曲的。
模块200的长度L还能够被称为模块200的宽度。模块200的长度/宽度通常贡献于模块200形成一部分的绝缘体的长度。
在另一个实施中，模块200由两个或更多个层210形成。具有两层210i和210ii的圆柱形状的模块200在图3a和3b中示出，两层210i和210ii分别具有不同的相对介电常数εr以及厚度di和dii。
如果长度L与模块的半径相比是小的，则模块200能够被看作圆盘。
在一个实施例中，模块200的两侧215为平的。在一个实施例中，大概平的侧215能够例如配备有如图9所示的锁定凸出部或凹部。也能够预期其它的表面结构。两侧215，也称为底座215，将通常为平行的。
图4是沿绝缘体400示例的轴线的截面图，绝缘体400包括一套n个模块200，其中每个模块由m个不同材料的层210制成。图4的模块200轴向并排布置，该布置也被称为轴向底座靠底座(basebybase)布置。也就是说，第一模块200的侧215以某一方式紧接模块200的侧215稳固地布置使得相邻模块200的孔205对齐以形成导体100可延伸穿过的通道410。在一个实施例中，该通道410的延伸垂直于底侧215，即，模块200的孔205的壁垂直于底侧215延伸。在图4中，模块200为圆柱体形状。然而，能够以轴向底座靠底座的布置来布置任意适合形状的模块200以形成绝缘体400。模块200轴向并排布置的轴向对应于导体将延伸穿过绝缘体的方向。
模块200的层210通常与模块200的孔205同心。下文中将最接近孔205的层210称为最内层，以及将最远离孔205的层称为最外层。
通过在制造绝缘体400时使用模块200，能够创建在径向和/或轴向具有变化介电常数的绝缘体。原则上，所有模块200的所有层210能够是具有不同介电常数的不同材料。备选地，至少一些模块200的一些层210能够由同一材料制成，从而具有相同介电常数。第j模块200中第i层210的相对介电常数可被表示为εi，j。该标记在图4中使用。
绝缘体400中模块200的数量为至少两个，并且每个模块200中层的数量为至少一个。模块200的层210的厚度d能够根据应用而变化，并且相同模块200中不同层的厚度通常不相同。
相邻模块200中的两个层210，其两者都定位以便包括距离导体特定距离处的点，在此被称为对应层。因此，两个对应层210在径向彼此重叠。延伸穿过整个绝缘体400的一系列对应层210在此被称为聚合层405。尽管对应层210通常具有相同的厚度并且位于距离导体110相同的距离处(参见图4)，但情况并不总是这样，并且特定的层210因而能够是一个以上聚合层的部分。在每一侧215的轴向上特定模块200的层210能够具有一个以上的对应层，并且一侧215的特定对应层能够，但是不必须，与另一侧215的对应层重叠。
因此聚合层405在轴向延伸经过整个绝缘体400(可能距离导体110变化的距离处)。在绝缘体400的一个实施例中，第一模块的至少一个层210将具有不同于相邻模块200的所有对应层210的介电常数。在图4的实施例中，这能够被描述为对于i和j中的至少一个值εi，j≠εi，j+1。绝缘体400的模块能够例如被选择，使得对于至少一个聚合层405，最靠近所期望的最高电场区域的形成模块200部分的对应层210是具有最高介电常数的聚合层405的对应层210。例如，在套管中，包括最高介电常数材料的模块200能够最靠近凸缘125来定位。
在一个实施例中，模块200的层210将具有与更靠近所期望的最高电场区域的相邻模块200中对应层相同的介电常数，或者具有低于具有最高介电常数的该相邻模块中对应层的介电常数的介电常数。关于参考图4引入的表示中，这能够被描述为εi，1≥εi，2≥εi，3...≥εi，n，其中第1模块为最靠近最高电场区域的模块，第n模块200为距离最高电场区域最远的模块200，其中i指第i聚合层405。这种不同模块200之间介电常数的变化在此将被称为聚合层405的总体减小介电常数。通过以某一方式选择形成绝缘体400的模块200使得实现聚合层405的介电常数总体减小，能够获得绝缘体400在轴向中高效的场分级。
绝缘体400能够有利地形成电设备的部分以提供导体的电绝缘以及导体周围的场分级。这类电设备的示例包括套管、仪表互感器和缆线终端。
图5是包括绝缘体400的电设备的示例的示意截面图。图5的示例为包括绝缘体400和布置为连接至接地面130的凸缘125的套管500。图5的凸缘125仅为示意性的凸缘，并且在实施中，凸缘125的形状通常将更平滑以平滑凸缘125周围的电场。
套管500的轴线与绝缘体400的轴线一致。在图5中，仅示出了在接地面130的一侧上延伸的套管500的部分。在接地面130的另一侧上，其它模块200将被布置以形成绝缘体400的其它部分(未示出)。在一个实施中，套管500绕接地面130是对称的，使得在接地面130的两侧上将布置相同数量的模块200，一侧上的模块200是另一侧上模块200的镜像。在另一个实施中，套管500是不对称的，使得一侧上的模块不同于接地面130另一侧上的模块。
在图5的套管中，将凸缘125布置为与第一模块2001的圆周表面220物理接触。此外，图5的凸缘125与邻近所述第一模块2001的一个或多个模块2002的侧215物理接触，其中邻近凸缘125的一个或多个模块的厚度大于圆周表面220物理接触凸缘125的模块2001。因此，一个或多个相邻模块2002在径向沿凸缘125延伸。
这种相邻模块2002有利地具有至少两个层210，其中外层的介电常数高于内层，使得外面的更高介电常数的层210限制允许从轴线偏离到套管径向的等位线的数量。
在图5的实施例中，圆周表面220物理接触凸缘125的第一模块2001包括单个层210。在另一个实施例中，第一模块2001包括其它的层210。在一个实施中，第一模块2001包括导电外层210，凸缘125被布置为电接触导电外层210。这种导电外层210能够被看作凸缘125的延伸。
此外，在图5的实施例中，凸缘125的宽度对应第一模块2001的宽度。在另一个实施例中，凸缘125的宽度不同于第一模块2001的宽度。例如，如果凸缘125的宽度小于第一模块2001的宽度，第一模块2001可在圆周表面220上具有槽，使得凸缘125的一端被第一模块2001包围。在该实施例中第一模块2001的至少一个内侧215将与凸缘125物理接触。内侧215物理接触凸缘125的层210能够有利地具有比第一模块2001的内层210的介电常数高的介电常数。
一般来说，侧215物理接触凸缘125或者具有将凸缘215伸进第一模块2001的导电层210的模块200能够有利地具有被布置成使得外层介电常数高于内层介电常数的外层210和内层210。
如果期望，套管500能够包括绝缘外壳105以保护套管500不受雨、灰尘等的损坏。这种外壳105能够单独形成，或者能够由模块200的外层210形成。如果期望，这种外壳105的外侧能够具有突出部以扩大沿套管表面的爬电距离(creepagedistance)。如果外壳105由模块200的外层210形成，则在本实施例将使模块200的成形，使得绝缘体的圆周表面具有突出部。
在图6a-6c中，示出了来自围绕模块化套管500的电场的仿真结果。在各图中示出了一部分套管的截面，其中示出的部分由中心轴线600和接地面130指定界限。图6a-6c中通过等势线605对电场进行指示。在图6a-6c的每个图中，进行了仿真的一部分模块化套管500包含六个模块200，表示为模块2001，...，2006。仿真的模块为圆柱形状。在仿真的每一个中，模块2001是单层模块，具有相对介电常数和厚度d1，而其它模块2002-2006的总厚度为d2，d2＞d1。凸缘125与模块2001的圆周表面220物理接触。在图6a-6c呈现的仿真中，最靠近连接端113的模块2006为具有厚度d2和相对介电常数的单层模块，而中间模块2002-2006各自具有两层210，分别称为内层和外层。模块2002-2005的内层各自具有厚度d1和相对介电常数，使得具有厚度d1和同质相对介电常数的内聚合层405由模块2001，...，2006形成。另一个方面，模块2002-2005的外层具有大于的相对介电常数，j＝2，...，5。模块2002-2005的外层的相对介电常数变化，从而外层2002-2005与单层模块2006一起形成在轴向上展现变化介电常数的聚合层4052。单层模块2006形成两个聚合层405的部分。模块2002-2005的外层210具有厚度d3，其中d3＝d2-d1，从而进行仿真的绝缘体400的直径从模块2002沿着绝缘体400的长度朝着连接端113是恒定的。在所执行的仿真中，套管500的凸缘125与连接端113之间的距离被设为600mm，在长度100mm的6个模块之间分配。
图6a和6b的仿真是对具有相同几何尺寸的模块化绝缘体400的两个套管500作出的，但是其中外聚合层的材料具有不同的相对介电常数。图6c的仿真是对模块化套管500作出的，对于层的所述相对介电常数与图6b中相同，但是内聚合层和外聚合层405的厚度更大。图6a-6c中聚合层的厚度在表2中给出。
| 图6a | 图6b | 图6c | |
| d1 | 20mm | 20mm | 30mm |
| d3 | 15mm | 15mm | 40mm |
表2用于图6a-6c仿真的内聚合层4051的厚度d1和外聚合层4052的厚度d3。在所有仿真中导体的直径被设为25mm。
在每个仿真中内聚合层4051的材料的相对介电常数为，而模块2002-2005的外层210的介电常数在仿真之间发生变化，从而外聚合层4052的介电常数斜度对于不同仿真是不同的。
图6a-6c所示仿真中不同模块的外层相对介电常数如下：
表1图6a-6c所呈现仿真中不同模块的外层介电常数。内聚合层的介电常数恒定并设为。
图6a-6c所示等势线图示向导体110应用50kV电压，并且凸缘125接地的情形。两个相邻等势线之间的差为1kV。
如图6a-6c所示，图6中套管介电常数的空间变化引起高效电场的分级。在内聚合层4051中，等势线跟随导体110的轴线，而外聚合层4052的较高介电常数分级场以限制允许从轴线偏离到套管径向的等势线的数量。高介电常数通过操纵部分等势线绕开凸缘125附近的区域工作，从而使得等势线在经过绝缘体400的外表面时更加均匀地分布。由于外聚合层4052的介电常数显示出从凸缘端向连接端113减小，因此等势线非常均匀地分布，并且因此能够避免在无绝缘体400时在凸缘125周围区域出现非常高的电场。
从对图6a和6b的比较能够看出，外聚合层4052中介电常数变化较大时，电场分级更高效——图6a中凸缘125周围电场强度较低，其中外聚合层4002中介电常数范围为εr＝60到εr＝3，即介电常数比为20；相比图6c中，介电常数范围为ε＝15到εr＝3，即介电常数比为5。然而，同样对于介电常数比为5来说，所获得的场分级也是显著的。
此外，图6b和6c间的比较显示，一般来说，对于较大的模块200的厚度，所实现的场分级更高效。具体而言，一层或多层的厚度的增大导致电场分级更强，其中层厚度的增大展现高低介电常数材料间的比较大。
在图7中，以备选方式呈现来自仿真的结果。对图6a-6c的仿真情况，以及对于几何尺寸与图6a-6b中相同并且外聚合层的最高介电常数为30的另一情况，绘出了在绝缘体400外表面处切向电场Etan随与接地面130间距离z的变化。如所期望的，如果几何尺寸保持恒定，则当在凸缘125附近使用较大相对介电常数的材料时，位于凸缘125边缘(位于z＝100mm)的切向电场较小。然而，其中获得切向电场的最低数值的仿真是如下情况的仿真：最大介电常数仅为εr＝15，但是外聚合层4002的厚度较大，为40mm，而不是图7所呈现其它仿真中使用的15mm的层。因此能够通过较大的层厚度来补偿介电常数变化的聚合层405中介电常数的较低比。
图6a-6c的模块全部为圆柱体。然而，如上文所提及的，也能够使用其它形状的模块，例如截锥或其它旋转体形状的模块，使得在绝缘体400的某些位置的模块半径将大于在其它位置的模块半径。较大的半径在套管的凸缘125附件或者在期望高场应力的其它位置例如能够是有用的。在一个实施例中，一个成形为圆形截锥形状的模块200被紧贴凸缘125放置，其中锥体的底端面向凸缘125，而其它模块200为圆柱形状，圆柱体半径对应锥体模块顶端的半径，使得绝缘体400的外表面平滑。根据该实施例的套管示例在图8中示出。在另一个实施例中，全部模块200成形为截锥形状，其中第一截锥的顶部半径对应相邻截锥的底部半径以获得平滑的绝缘体400的外表面。在还有一个实施例中，两个或是更多个、但不是全部的模块200为截锥形状。通常，成形为截锥体的模块200的底端面向高应力区域(例如，套管500中的凸缘125)，而该锥体状模块的顶端面向低应力区域(例如，套管的连接端113)。
在一个实施例中，绝缘体400具有由至少两个模块200形成并且在绝缘体400的轴向具有变化的介电常数的至少一个聚合层405。根据该实施例的绝缘体还能够具有进一步的聚合层405，其中这类其它的聚合层405的介电常数能够是恒定的或变化的。绝缘体400能够例如具有内聚合层405，该内聚合层405相比介电常数变化的至少一个聚合层405来说位于更靠近导体110的位置，其中内聚合层405具有等于或者小于介电常数变化的外聚合层405的最低介电常数(参见图6a-6c)的介电常数。这种内聚合层在此将被称作低介电常数内层4051。低介电常数内层4051能够例如形成绝缘体400的最靠内聚合层405。
图6a-6c的套管500的绝缘体400中的每一个都具有两个聚合层，其外聚合层具有变化的介电常数，而内聚合层4051具有与外聚合层4052连接端113处的介电常数相等的同质介电常数。
具有变化的介电常数并且其介电常数高于低介电常数内层4051的介电常数的聚合外层在此将被称为介电常数变化的高介电常数外聚合层4052，或简称高介电常数外层4052。通过结合低介电常数内层4051和高介电常数外层4052，其中高介电常数端位于靠近高电场区域的位置，等势线将由高介电常数材料引导以跟随低介电常数内层4051，离开在没有绝缘体400时可能出现高场应力的区域，例如凸缘附近的区域。随着高介电常数外层4052的介电常数在更加远离凸缘区域的位置减小，更多的等势线将偏离轴线的方向，进入套管的径向。通过沿绝缘体的轴向、从在无绝缘体400时可能经受高场应力的区域中大于低介电常数内层的介电常数的相对介电常数开始，减小高介电常数外层4052的介电常数，将对电场进行分级。
低介电常数内层4051的相对介电常数不一定是完全同质的：该相对介电常数能够变化，但是最高介电常数应当不是过大高。例如，低介电常数内层的相对介电常数能够在1到大介电常数外层4052的最低介电常数的范围内变化。
在包括低介电常数内层4051和介电常数变化的高介电常数外层4052的实施例中，这些聚合层405的厚度通常具有相同的数量级，使得这些厚度的比落入0.1-10的范围内。在一个实施例中，低介电常数内聚合层405的厚度d1能够是在0.2d3到5d3的范围内，其中d3是介电常数变化的高介电常数外层405的厚度。通常，低介电常数内层405的厚度d1落入介电常数变化的高介电常数外层4052的厚度d3的0.5-2倍的范围内。
在包括介电常数在绝缘体400的轴向中变化的至少一个聚合层的实施例中，介电常数变化的聚合层的介电常数不是必须总体上沿绝缘体400的轴线减小，但是对于一对或几对相邻的对应层210而言，更靠近凸缘125的模块的介电常数能够低于更靠近连接端113的模块。凸缘区域附近的介电常数通常将高于平均介电常数，并且对于至少一个聚合层405来说连接端113附近的介电常数将会低于平均介电常数。在许多实施中，具有最高介电常数的模块将最靠近其中在无绝缘体400时场应力将期望为最高的区域(例如，套管500的凸缘125附近)。
在包括介电常数在绝缘体400的轴向中变化的至少一个聚合层的实施例中，具有聚合层405的最高和最低介电常数的材料的相对介电常数能够分别被表示为和。图6b和6c涉及对套管500中电场的仿真，其中外聚合层的最高介电常数和最低介电常数的比设为5，而该比在图6a中被设为20，并且在图7所讨论的进一步的仿真中被设为10。这些值代表和之间实际的比。在包含介电常数在轴向中变化的聚合层的绝缘体400中，通常至少一个聚合层的和的比超过3，而在一些实施中，该比可以高达20甚至更高。该介电常数比越高，特定尺寸的绝缘体400所实现的场分级将越高效。
在绝缘体400包含低介电常数内层4051和介电常数变化的高介电常数外层4052的实施例中，低介电常数内层4051的最高介电常数能够被表示为，而高介电常数外层4052的高介电常数能够被表示为。在上文图6a-c和图7所讨论的仿真中，和的比取值为5，10和20。该仿真值代表和之间实际的比。和的介电常数比通常超过3，并且能够例如高达20甚至更高。
供模块200中使用的适合的高介电常数绝缘材料包括例如热塑或热固基质的复合物以及具有高介电常数的材料的填充颗粒。适合的高介电常数填充颗粒材料的示例包括：TiO2，ZnO，BaTiO3，BaTi4O9，Ba2Ti9O20，MgTiO3，Mg2TiO4，CaTiO3，ZrTiO4，Ba3Ta2MgO9，Ba3Ta2ZnO9，Al2O3，BaZrO3，等。复合材料中填充颗粒的含量能够例如小于50vol％，在许多实施中，填充颗粒含量在15vol％-50vol％的范围内。颗粒大小能够例如在0.1μm-100μm的范围内，在许多实施中，使用0.1-10μm范围内的颗粒大小。然而，也能够使用其它填充颗粒材料含量和颗粒大小。
能够用在复合高介电常数材料基质中的热塑材料的示例包括聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)、聚苯醚砜(PES)、聚砜(PSU)、聚苯醚(PPE)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)等等。能够用在基质中的热固材料的示例包括环氧基树脂、聚氨酯(PU)、硅胶等等。通过添加不同量的填充颗粒，和/或使用不同的填充颗粒材料，可以实现不同相对介电常数的材料。具有热塑或热固基质的复合材料一般具有适合的机械和热特性。然而，也能够使用其它高介电常数的材料。
具有高相对介电常数的一些材料的更多信息见例如“Superhighdielectricconstantcarbonblack-filledpolymercompositeasintegralcapacitordielectrics”，J.Xu，M.Wong和C.P.Wong，IEEE2004电子元件和技术会议(ElectronicComponentsandTechnologyConference)，pp.536-541；“DielectricMaterials”，TRAK陶瓷公司，马里兰，美国(http：//www.magneticsgroup.com/pdf/p18-25％20Dielectr.pdf)；以及专利申请WO2010/116031。
适合的低介电常数材料包含诸如环氧树脂、聚碳酸酯和硅胶的热固材料，以及诸如PET，PES，PSU，PPE，PPS，PEI等的热塑材料。用作介电常数变化的层中高介电常数材料中基质的材料可能够例如用作低介电常数层中的低介电常数材料。也能够使用除高介电常数层材料的基质材料之外的其它材料。能够例如使用相对介电常数范围在1-5的低介电常数材料，在一些实施中，能够使用较高介电常数的低介电常数材料。
如果期望，能够使用具有场分级特性的材料，即，导电性依赖所应用电场的材料来作为低介电常数材料、高介电常数材料或者二者。导电性不随电场变化的材料也适用于低和高介电常数材料。
绝缘体400的至少一个聚合层405能够有利地由导电性小于1μS/m的绝缘材料形成。通常，整个绝缘体400由这种绝缘材料制成。通过给模块200位于凸缘125附近的至少一个层应用高介电常数材料以及在连接端113附近使用低介电常数材料的模块能够实现电场分级，例如图6a-6c和图7所讨论的。
然而，如果期望，绝缘体400也能够包含更高导电性的材料，例如导电率大于1μS/m的金属或半导体材料。例如，如果期望，模块200能够包含诸如Al或cu的金属材料的径向盘或片，或者一个或多个模块200能够具有导电的一个或多个层210。导电层210能够例如在套管凸缘125附近是有用的，例如由一个、两个、三个或更多个模块中的导电层实施。在一个实施例中，大多数(例如，全部、或者除一个、两个或更多个之外的全部)模块包含至少一个导电层210，导电层210位于相邻模块200中，使得形成沿绝缘体轴向延伸的导电片(conductivestretch)。这种导电片将会以与传统电容芯115的导电箔120类似的方式运作以分级场。在该实施例的一种实施中，一些模块包含至少两个导电层，使得形成至少两个同心导电片。
在大多数模块中的导电层210形成导电片的实施例中，如果期望，各模块200中的绝缘层能够具有相同的相对介电常数，使得在绝缘体400的轴向上介电常数不发生变化。
如果期望，模块400能够包括一个或多个锁定突出部和/或锁定凹部，用于和相邻模块200的相应锁定凹部/突出部配合工作，以加强两个模块之间的接合。具有基于突出部/凹部的锁定系统的一套模块的示例在图9中示意性地图示，图9是截面图，其仅示出了轴线600右侧的截面。图9示出的一套模块包含三个模块200i，200i+1，200i+2，每个模块具有锁定突出部900和锁定凹部905，用于与相邻模块200的对应锁定凹部905/锁定突出部900配合工作。图9中仅示出了各模块200的部分的截面，轴线600。图9的锁定突出部900成形为矩形锁定舌，而锁定凹部905成形为矩形锁定槽。也能够采用其它形状，例如钩状的突出部和对应形状的凹部。
在图9中，模块200的锁定突出部900的位置相对于锁定凹部905的位置以及相对于相邻模块200的锁定突出部900的位置在径向上移动。然而，这种不同的对应突出部/凹部对之间的径向位置移动不是必须的，但是模块能够在一侧215上具有锁定突出部/凹部，该锁定突出部/凹部具有与相对侧215上的突出部/凹部相同的离开导体110的径向距离。然而，通过这种径向上的位置移动，视在突出部900的位置，模块400的长度L局部变大。如果期望两个相邻模块200在轴向上重叠特定材料，则这能够例如是有用的。在图9中，层910在模块200的轴向上从突出部900延伸穿过模块200，并且不同套的对应突出部/凹部对之间的径向位置移动导致一个模块中的层910与相邻模块200中的层910在轴向上重叠。如果期望，该重叠的层910能够是导电材料，并且能够例如位于凸缘125附近，或者形成经过绝缘体400整个轴向长度的导电片。在一个实施例中，一个或多个模块200包含导电材料形成的两个或多个重叠层910，以形成导电箔120。具有偏移的突出部的锁定系统然后能够是有用的，使得相邻模块的导电层重叠。
在图9中所示的模块200中，层910的厚度d小于突出部/凹部的宽度w。这仅仅是示例，突出部/凹部也能够比形成突出部/凹部一部分的层210的厚度d宽或者宽度与层210的厚度相等。
如上文所提及的，绝缘体400能够例如由一套预制的模块200形成。预制的模块200能够具有不同的设计，例如：具有不同数量的层；模块具有不同的长度L；对应层为具有不同介电常数的不同材料；层具有不同的厚度d；孔205具有不同的直径Φ，等等。因此，通过使用不同的预制模块200，能够容易地接收定制的绝缘体400。在此，术语预制意味着第一步制造模块200，并且第二步将模块200组装成绝缘体400。模块200的制造能够是在接到订单时进行，或者不同类型的模块能够是备有现货的，使得当接收到绝缘体400的订单时，能够快速地组装出绝缘体400。模块200的制造能够例如通过铸造、挤压、模制、卷绕薄片等等来进行。
在上文中，已经假设模块200的层210内的介电常数是恒定的。然而，也能够使用介电常数在套管轴向上变化的模块200。如果这种模块200具有多于一个的层210，则轴向上的变化能够应用到一个或多个层。介电常数的变化能够是连续的，或者该变化可以是步进发生的，形成层210内恒定介电常数的径向片。如果绝缘体400的全部模块200具有介电常数在模块的轴向上连续变化的层210，则能够实现介电常数真正连续变化的聚合层405，即，介电常数不仅在模块200间的边界处而且在模块200内部表现出梯度的聚合层405。
模块200的介电常数还能够在模块的径向上、在模块的部分或全部径向延伸上连续变化。介电常数在径向上或多或少连续变化的模块能够视作具有大量薄层210的模块。这种模块的介电常数能够例如朝着模块的圆周表面220连续增大。
在一个实施例中，所有预制模块200均为具有相同长度L的圆柱体。在该实施例的一种实施方式中，长度L与模块的半径相比是小的，从而模块200为圆盘状。在另一种实施方式中，每个模块200的长度对应于绝缘体400的长度的很大部分。
在一些应用中，期望具有一段电特性恒定的绝缘体。为了实现特定长度的这样一段，能够使用特定长度的一个模块来形成该段；或者，能够使用长度L加起来为该特定长度的两个或多个模块。在此将把在轴向上具有恒定电特性的一段绝缘体400称为分段(section)。因此，单个模块，或者具有相同特性的两个或多个相邻模块200能够用于形成绝缘体400的分段。
在图4，5和6a-c中，所示绝缘体400的所有模块具有相同的长度L。然而，如果期望，也能够使用不同长度的模块，如图8所示实例。
能够例如使用如环氧树脂、聚氨酯和/或腈纶的粘合物质将相邻模块200彼此粘结起来。也能够通过焊接，例如通过超声波焊接、振动焊接和/或热板焊，或者通过其它方式来实现粘结。当模块200包含要与相邻模块200的导电材料电接触的导电材料时，能够例如使用钎焊。
在本发明的一个实施中，这样执行模块200的制造使得模块200被叠放，使得模块的生产与绝缘体400的生产同时发生，并且在生产模块200时实现不同模块200之间的粘结。能够使用模制技术，如注模或树脂传递模塑(RTM)。
不同模块200的孔205的中心通常被对准。此外，对于绝缘体400的每个模块来说，孔205的直径通常相同。孔205的直径Φ通常与延伸穿过该孔的导体105的直径相对应，使得实现导体110与绝缘体400之间的紧固机械连接。如果期望，可以通过使用如环氧树脂、聚氨酯或腈纶的粘合物质来加强导体110与绝缘体400之间的连接。通过在导体与模块200之间施加粘合物质，能够实现改进机械稳定性。然而，在备选设计中，孔205的直径将大于导体110的直径，使得在导体110与绝缘体400之间产生空隙。将会例如用变压器油、SF6气体、环氧树脂或其它任意适当的绝缘物质来填充该空隙。当使用绝缘流体来填充这种空隙时，能够例如通过将模块200彼此粘结起来并且将粘结后的模块在选定位置机械固定至套管外壳105或导体110来实现机械稳定性。
如果期望，能够在套管500的连接端113处布置具有平滑轮廓的屏蔽体，例如球形或环形导电体，以进一步分级场并且对到缆线或其它设备的连接进行屏蔽。
上述描述主要根据套管500作出。然而，发明的绝缘体400在期望对导体105进行绝缘的其它电设备中也将会是有利的，其它电设备例如是仪表互感器或缆线终端，用于对无绝缘体400时会经受高场应力处的电场进行分级。在仪表互感器中，预期在具有计量芯的柜体附近产生高场应力，其中柜体通常接地。在缆线终端，预期在接地的缆线护套的边缘附近产生高场应力。根据场应力和均压，仪表互感器的计量芯柜体以及缆线终端的接地缆线护套对应于套管500的凸缘125。类似的，在仪表互感器连接端处或者在缆线终端浮动端处的场情况对应于套管500连接端113处的场情况。
在此，这种在无绝缘体时预期产生最高场应力的电设备的部分，例如凸缘125、计量芯柜体或接地缆线护套的边沿，被称为高应力设备部分。
该绝缘体在AC和DC应用中均有用。
尽管在所附权利要求中陈述了本发明的各个方面，但是本发明的其它方面包含在上文描述中和/或在所附权利要求中呈现的任何特征的组合，而不仅仅是所附权利要求中明确陈述的组合。
本领域技术人员将理解，本文所呈现的技术不限于附图和前面详细描述中所公开的实施例(它们仅为了说明的目的而呈现)，而是其能够以多种不同的方式来实施，并且其由随附权利要求进行限定。
Claims (15)
1.一种用于提供电设备中导体的电绝缘的绝缘体，特征在于
所述绝缘体包括至少两个模块，每个模块具有所述导体可延伸穿过的孔并且每个模块包括至少一种绝缘材料；
所述至少两个模块被轴向并排布置，使得所述至少两个模块的所述孔被对准以形成对于所述导体的通道，并且相邻模块被紧靠彼此稳固布置；其中
所述绝缘体的相对介电常数在所述绝缘体的轴向和/或径向中变化。
2.如权利要求1所述的绝缘体，其中
所述至少两个模块中的至少一个包括具有不同相对介电常数的不同材料的至少两个层，使得至少一个模块的相对介电常数在该模块的径向中变化。
3.如权利要求2所述的绝缘体，其中
每个模块的最内层由具有最低相对介电常数的模块的材料来形成。
4.如权利要求1或2所述的绝缘体，其中
所述至少两个模块的第一模块的材料的最高相对介电常数高于所述至少两个模块的第二模块的材料的最高相对介电常数，使得所述绝缘体的相对介电常数在所述绝缘体的轴向中变化。
5.如权利要求4所述的绝缘体，其中
沿所述绝缘体的轴向的介电常数变化使得最高介电常数与最低介电常数的比大于3。
6.如权利要求4或5所述的绝缘体，其中
具有最高相对介电常数的模块处于某个位置使得当所述绝缘体形成电设备的部分并且所述电设备在使用中时，所述模块的侧(215)与所述设备的高应力部分物理接触，所述高应力部分例如是凸缘、接地缆线护套或计量芯柜。
7.如权利要求6所述的绝缘体，其中
所述至少一个模块中的每个模块的最高相对介电常数低于或等于更靠近在使用时将经受最高电场的所述绝缘体的位置的所有其它模块的最高相对介电常数。
8.如权利要求1-7中任一项所述的绝缘体，包括
内聚合层(4051)和外聚合层(4052)，其中聚合层由相邻模块中一系列叠加的层(210)形成，所述叠加的层在径向中叠加并且其中聚合层延伸穿过整个绝缘体；以及
在沿所述绝缘体的轴(600)的至少一个位置处相对介电常数在所述内聚合层和外聚合层之间不同。
9.如权利要求8所述的绝缘体，其中
所述内聚合层(4051)的最高介电常数低于或等于所述外聚合层(4052)的最低介电常数。
10.如权利要求8或9所述的绝缘体，其中
所述内聚合层和所述外聚合层由具有导电率小于1μS/m的绝缘材料形成。
11.如上述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中
至少一个模块包含具有导电率超过1μS/m的导电材料。
12.如权利要求11所述的绝缘体，其中
所述模块的多数包含至少一个由导电材料形成的导电层(210)；以及
所述多数模块中的模块按顺序被彼此紧接布置，使得形成一系列包括导电层的模块。
13.如上述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中
所述至少两个模块中相邻模块的至少一对包括锁定系统，其中：
所述对的第一模块包括锁定突出部(900)；
所述对的第二模块包括锁定凹部(905)，其中所述第一和第二模块被布置成使得所述锁定突出部与所述锁定凹部配合工作。
14.一种包括根据前述权利要求任一项的绝缘体的电设备，所述电设备是例如套管、仪表互感器或缆线终端。
15.一种用于形成根据权利要求1-13中任一项的绝缘体的成套部件，所述成套部件包括：
至少两个模块，每个模块具有所述导体可延伸穿过的孔并且每个模块包括至少一种绝缘材料；以及
形成所述至少两个模块的材料的相对介电常数以某一方式变化，使得当通过轴向并排地、紧靠彼此稳固地布置所述至少两个模块使得所述至少两个模块的所述孔被对准以形成对于所述导体的通道而由所述成套部件形成时，所述相对介电常数将在所述绝缘体的轴向和/或径向中变化。
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