CN1072536A - 气体绝缘开关装置 - Google Patents

Abstract

一种气体绝缘开关装置，包括一充满绝缘气体的 外壳，设置在所述外壳内的一导体，及支撑所述导体 的绝缘体。绝缘体的外表面很光滑，可改善装置的绝 缘强度。绝缘体由一种有机基体及加到所述基体中 的无机填料构成。为了改善绝缘强度，填料粉化或给 绝缘体涂上涂层。

Description

本发明涉及气体绝缘开关装置，更具体地，本发明涉及包括有用来以绝缘方式支撑带高压的导体的绝缘体的气体绝缘开关装置。

上述类型的普通气体绝缘开关装置包括一充满绝缘气体（如SF₆气体）的接地金属外壳，其中一绝缘隔圈以绝缘方式支撑着带高压的一导体。为了改善绝缘强度，在这种普通的气体绝缘开关装置中，绝缘隔圈由环氧树脂基体和加到所述基体中的填料构成。填料包括氧化铝（介电常数为9.3）或氟化铝（介电常数为5.0）和氧化铝的混合物。由此降低了绝缘隔圈的介电常数，因此防止了由于隔圈的形状而引起的静电集中而使绝缘强度恶化的问题。

在所述的普通的气体绝缘开关装置中，为了改善绝缘隔圈本身的绝缘强度，它由基体材料及加在其中的填料构成。但是，并没有考虑到填料使隔圈的表面变粗糙而使其绝缘强度变差。也就是说，加入的填料对隔圈的表面粗糙度有影响。因此，例如，在气体绝缘开关装置中残存着的和/或由气体绝缘开关装置的内部元件带入的导电的外来物会很容易附着在隔圈的粗糙表面上。结果，在该粗糙表面上产生局部的静电集中，因此发生绝缘击穿的问题。

本发明的一个目的是提供一种在有导电的外来物存在时仍然有高的绝缘强度的气体绝缘开关装置。

为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种气体绝缘开关装置，包括一充满绝缘气体的外壳，设置在所述对外壳内的一导体，和在所述外壳内支撑所述导体的一绝缘体，所述的绝缘体具有光滑的外表面。

按照本发明，由于降低了绝缘体的粗糙度，因此可防止局部静电集中，即使有导电的外来物粘附在绝缘体的表面上，仍然能改善绝缘体的绝缘强度。

下面参照附图说明本发明的实施例，附图中：

图1是示出本发明一个实施例的气体绝缘开关装置的剖面图;

图2是示出填料的平均直径和绝缘强度之间关系的曲线图;

图3示出由于绝缘隔圈表面的粗糙度引起的静电集中的示意图;

图4是本发明另一个实施例的气体绝缘开关装置的剖面图;

图5是本发明又一个实施例的气体绝缘开关装置的部分剖面图;

图6是示出绝缘隔圈的介电常数和装置的绝缘强度之间的关系的曲线图;

图7是示出填料和绝缘隔圈的介电常数之间的关系的曲线图;

图8是示出填料和绝缘隔圈的传热系数之间的关系的曲线图;

图9是示出各种填料的介电常数和传热系数之间的关系的图。

参照图1，按照本发明一个实施例的气体绝缘开关装置包括一充满绝缘气体（如SF₆气体）的接地的金属外壳1，设置在外壳1中的带高压的导体2，把导体2彼此连接起来的连接导体4，和一个截头锥形的绝缘隔圈3，连接导体4就嵌在隔圈3中。外壳1包括一对半外壳101，102，它们各带有法兰111，121，半外壳101，102装配在一起使绝缘隔圈3的外周边插在法兰111，112之间，并且该两个半外壳101，102用螺栓6固定在一起。

绝缘隔圈3由有机材料基体加无机填料制成，例如在环氧树脂基体中加入体积百分比为35%至60%的无机填料（例如氟化铝和氧化铝的混合物）。把填料加入到基体中使隔圈3的热膨胀系数与连接导体4的热膨胀系数接近。由此减少热应力，可防止隔圈3开裂。

填料颗粒的平均直径为15um或更小。如图2可见，填料的平均直径越小，则绝缘强度越大。当填料的平均直径为15um或更小时，绝缘强度成为平稳。也就是说，在把15um或更细的填料加到隔圈3的基件中时，隔圈3的表面粗糙度变小，并且与由粘附到隔圈3上的导电的外来物引起的静电集中相比，由隔圈3的表面粗糙度引起的静电集中显著减小。图2所示的结果是在这样的条件下，也就是把几毫米的导电外来物粘附到加有氟化铝和氧化铝混合物的环氧树脂基体中制成的隔圈3表面上得到的。

下面参照附图3说明上述的静电集中的减小。在隔圈301表面是粗糙的情况下，例如，由于缺少填料，在隔圈301的表面有一凹坑302，在凹坑302中产生一局部的静电集中Ez。在凹坑302内的能量密度为e_o×Ez，它基本上与隔圈301中的能量密度e_s×e_o×E_s相等。系数e_o与e_s分别表示充满绝缘气体的空间和绝缘隔圈的介电常数。已经发现在凹坑302中的电场Ez比其余部分电场Es高e_s倍。在这种情况下，如果把导电的外来物粘附到凹坑302的周围，由该外来物引起的静电集中叠加上凹坑302引起的静电集中，由此产生了极高的静电集中，导致绝缘击穿，因此使隔圈302的绝缘强度变差。相反地，按照本发明，隔圈3比较光滑因而消除了表面凹坑。因此消除了高的静电集中，从而改善了隔圈3的绝缘强度。

填料并不限制用氟化铝（AlF₃）和氧化铝（Al₂O₃）的混合物。填料也可以是氟化铝，氮化硼（BN），或氧化铝和氮化硼的混合物。另外，绝缘隔圈也不局限为截头锥形。也可以用桶形或盘形的绝缘隔圈。也可以用带褶边的绝缘隔圈，它有更好的绝缘强度。

图4示出了用于本发明另一个实施例的桶形绝缘隔圈3。该隔圈3包括加有无机填料的环氧树脂基体31，和一个环氧树脂涂层32。涂层32使隔圈的表面更光滑。因此，即使有导电的外来物粘附到绝缘隔圈3上，也不发生静电集中，这样就改善了隔圈3的绝缘强度。在这种情况下，可用平均直径为15um或更粗的填料。该隔圈还包括金属的接头33，用来把隔圈3装到外壳1上。

下面详细说明书上述绝缘隔圈3的模压成形。

一个模具，其内表面涂以环氧树脂，用来形成隔圈3的涂层32。随后，把加有填料的环氧树脂注入该模具中。

在此实施例中，可以用二氧化硅（SiO₂）作填料以降低隔圈的成本，一般说明，由于SiO₂的性能容易被SF₆气体所恶化，因此几乎不用它作填料用。但是，在此实施例中，由于涂层防止隔圈暴露在SF₆气体中，因此可用二氧化硅填料。

如上所述，通过降低隔圈的表面粗糙度可以改善隔圈的绝缘强度。另外，就轮廓的平均线的算术平均偏并而言，表面粗糙度维持在15um的水平，可足以改善绝缘强度。

图5示出了本发明的气体绝缘开关装置（GIS）。该气体绝缘开关装置包括一衬套9，一连接汇流条10，断路装置11，一变流器12，一断流器13，一接地装置14和一主汇流条15。衬套9，以及断路装置11和断流器13的绝缘套使用如上述绝缘隔圈的同样结构。

现在，已要求绝缘隔圈有更高的热辐射性。随着电力线的容量扩大，气体绝缘开关装置的容量也扩大。要求的载流容量为8000A或更高。带高压的导体允许温度升到105℃。如果导体的温度升到超过110℃，绝缘隔圈的有机基体材料（例如环氧树脂）就会被热损坏，在载流容量为8000A或更低时，设计装置的尺寸要考虑绝缘性能。因此，存在一个热限度，使得即使当供应额定电流时，高压导体的温度也不能超过100℃。

相反地，在载流容量为8000A或更高时，设计装置要考虑热性能。当供应额定电流时，高压导体的温度升到105℃。在这情况下，由于在绝缘隔圈中有高压的连接导体，与其余部分相比，它容易加热到高温。因此，要求使绝缘隔圈的热辐射性能比绝缘气体的要好，也就是说，要求提高绝缘隔圈的传热系数。为此目的，最好把有高的传热系数的无机材料（如氮化硼NB）作为填料加入到环氧树脂基体中。氮化硼的传热系数高（约为60w/m℃）而介电常数低（约为4.2）。因此，绝缘隔圈的介电常数的降低，这样防止了由于绝缘隔圈的形状而产生的静电集中。

下面将说明由于减小绝缘隔圈的介电常数和增加其传热系数而使绝缘隔圈的绝缘强度和热辐射性能改善的理由。

关于绝缘强度的改善，可从图6中看到，由实线代表的绝缘隔圈表面上的绝缘强度随着它的介电常数降低而提高。虚线代表SF₆气体的绝缘强度。在绝缘隔圈的介电常数为约5.5时，绝缘隔圈的绝缘强度比SF₆气体的绝缘强低。因此，整个装置的绝缘强度基本取决于绝缘隔圈的表面的绝缘强度。为了保证足够的绝缘距离，装置也不得不扩大。相反地，如果绝缘隔圈的介电常数降低，绝缘隔圈的绝缘强度增加。当绝缘隔圈的介电常数为约5.0或小于5.0时，绝缘隔圈的绝缘强度基本上等于或大于SF₆气体的绝缘强度，因此无需扩大整个装置就能改善整个装置的绝缘强度。

为了降低绝缘隔圈的介电常数，最好把低介电常数的填料加入到绝缘隔圈的基体材料中。下面将参照图7说明其理由。

图7示出了在填料以50%（体积）加入到绝缘隔圈的环氧树脂基体材料中的情况下，填料和绝缘隔圈的介电常数的关系，如图7所示，当填料的介电常数降低时，绝缘隔圈的介电常数线性降低，已发现要求使填料的介电常数保持在低于6.5，以便使绝缘隔圈的介电常数低于5.0。有如此低的介电常数的填料可以是氟化铝（介电常数为5.0）或云母（介电常数为6.2）。

下面将参照图1说明热辐射性改善的情况。

由于高的电能消耗而发热的导体2，4被绝缘气体的自然对流热传导所冷却。在这种情况下，导体2中产生的热直接传给绝缘气体，而在导体4中产生的热先传给绝缘隔圈3，随后再通过绝缘隔圈3传给绝缘气体。

如果绝缘隔圈3有足够高的导热率，它可用作热辐射器，因此使导体4的温度降低到比绝缘气体的温度低。相反地，如果绝缘隔圈3的导热率低，绝缘隔圈3的热辐射性能变为比绝缘气体的热辐射性能低。因此，导体4的温度比绝缘气体的温度高。

从导体2到绝缘气体的传热系数ag按照绝缘气体的种类、温度、压力和开关装置的结构变化。在一个普通的气体绝缘开关装置中，由于绝缘气体的温度在室温与100℃之间。而压力在1至5大气压之间，传热系数ag在1w/m℃至5w/m℃之间。相反地，从导体4通过绝缘隔圈3到绝缘气体的总的传热系数as由下式表示：

a_s＝λ_s·η_f/H。

式中λ_s是绝缘隔圈的导热率，H是绝缘隔圈内侧到外侧的距离，η_f是绝缘隔圈的热辐射系数，它是根据绝缘隔圈3的形状和导热率以及绝缘气体的导热系数来确定的。η_f总是不大于1，在普通的气体绝缘开关装置中，η_f约为1。H通常在0.1m和0.2m之间，为了使绝缘隔圈3的热辐射性能比绝缘气体的传热系数高，要求总传热系数比导体2到绝缘气体的热传导系数高，也就是a_s＞a_g。为此要考虑λ_s，η_f和H的值，要求λ_s等于w/m℃或更高。

λ_s是根据绝缘隔圈3的基材料导热率λ_m加到绝缘隔圈3的基体材料中的填料的导热率λ_f和加入填料的量V_f（体积%）来确定的。一般说，λ_m约为0.22w/m℃，而λ_f通常大于λ_m。因此，通过加入填料，可使绝缘隔圈的导热率提高。

下面参照图8说明填料和绝缘隔圈的导热率之间的关系。它示出在填料加入量为50%（体积）的情况下两者的关系，如图8所示，填料的导热率λ_f越高，绝缘隔圈的导热率λ_s也越高.但是，在填料的导热率λ_f为30w/m℃时，绝缘隔圈的导热率饱和在高于1w/m℃。该饱和值是由用作隔热体的绝缘隔圈的基体树脂材料造成的。

因此，为了使绝缘隔圈3的导热率λ_s高于1w/m℃，填料的导热率λ_f是要高于30w/m℃。在这种情况下，总传热系数高于从导体2到绝缘气体的传热系数，也就是a_s＞a_g。因此，热辐射性大于绝缘气体的传热性能。

如上所述，如果使填料的导导热率高于30w/m℃，其热辐射性能变得大于绝缘气体的传热性能，那么导体4的温度会低于导体2的温度。因此，尽管导体2的温度高到105℃，导体14和绝缘隔圈3的温度仍可保持低于105℃。因此可防止绝缘缘隔圈3的性能恶化。

因此，如果把介电常数等于或低于5和导热率等于或大于1w/m℃的绝缘材料用于绝缘隔圈3，不仅可提高绝缘隔圈3的绝缘强度，也可以改善其热辐射性，那么气体绝缘开关装置的载流量就可扩大到8000A以上。

通过把介电常数等于或低于6.5和导热率等于或大于30w/m℃的填料加到如环氧树脂之类的有机基体材料中，可以得到上述的绝缘材料。

图9示出各种填料的介电常数和导热率的关系。由图9可见，满足上述要求（介电常数等于或低于6.5，导热率等于或大于30w/m℃）。的填料是氮化硼（BN）。氮化硼和氧化铝或氟化铝的混合物可用作这种填料。

按照本发明，尽管有导电的外来物粘附到气体绝缘开关装置的绝缘元件上，仍然可以防止绝缘元件的绝缘强度恶化，因此得到了一种可在高压下使用，具有大的容量和高的可靠性的气体绝缘开关装置。

Claims (21)

1、一种气体绝缘开关，包括：

一个充满绝缘气体的外壳，

设置在所述的外壳中的一导体，

在所述外壳内支撑所述导体的一绝缘体，所述的绝缘体有光滑的外表面。

2、按照权利要求1所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的绝缘体包括一个有机物的基体及加到所述基体中的无机物填料。

3、按照权利要求2所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的填料是粉化的。

4、按照权利要求3所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的无机物包括氟化铝。

5、按照权利要求3所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的无机物是氟化铝和氧化铝的混合物。

6、按照权利要求3所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的无机物氮化硼或氮化硼和另一种无机物的混合物。

7、按照权利要求1所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的绝缘体包括一提供光滑的外表面的涂层。

8、按照权利要求3所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的绝缘体还包括一提供光滑的外表面的涂层。

9、按照权利要求2所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的无机物包括氟化铝，并且所述的绝缘体还包括一提供光滑的外表面的涂层。

10、按照权利要求2所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的无机物包括氟化铝和氧化铝的混合物，并且所述的绝缘体还包括一提供光滑的外表面的涂层。

11、按照权利要求2所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的无机物包括氮化硼或氮化硼和另一种无机物的混合物，并且所述的绝缘体还包括一提供光滑的外表面的涂层。

12、按照权利要求7所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的绝缘体包括一个有机物的基体和加到所述基体中的无机物填料。所述的无机物包括氧化硅。

13、按照权利要求7所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的绝缘体的轮廓平均线的算术平均偏差为15um或更小。

14、一种气体绝缘开关，包括：

一个充满绝缘气体的外壳，

设置在所述的外壳中的一导体，

在所述外壳内支撑所述导体的一绝缘体，所述的绝缘体包括由一基体材料和加到所述基体材料中的无机物填料组成的主要部分及由所述基体材料制成的涂层部分，所述的绝缘体有光滑的外表面。

15、按照权利要求14所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的无机物包括氟化铝。

16、按照权利要求14所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的无机物是氟化铝和氧化铝的混合物。

17、按照权利要求14所述的气体绝缘开关，其特征在于所述的无机物氮化硼或氮化硼和另一种无机物的混合物。

18、一种气体绝缘开关，包括：

一个充满绝缘气体的外壳，

设置在所述的外壳中的一导体，

在所述外壳内支撑所述导体的一绝缘体，所述的绝缘体的外周边的绝缘强度等于或大于所述的绝缘气体的绝缘的强度，从所述的导体到所述的绝缘气体的传热系数。

19、按照权利要求18所述的气体绝缘开关装置，其特征在于所述的绝缘体由一有机材料及加到所述的无机材料中的一无机材料制成，所述的无机材料的介电常数小于6.5，传热系数大于30w/m℃。

20、按照权利要求18所述的气体绝缘开关装置，其特征在于所述的无机材料包括氮化硼，或氮化硼和另一种无机材料的混合物。

21、一种支撑一个设置在一外壳内的导体的绝缘体，所述的外壳内充满了绝缘气体，所述的绝缘体包括：

一种有机物基体和加到所述基体中的一无机填料。

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