CN1081029A - 绝缘元件和具有这种绝缘元件的气体绝缘高压装置 - Google Patents

Abstract

气体绝缘高压装置，具有充入SF₆之绝缘气体 的容器(1)、容器内的高压导体(2，10，12)和与所述导 体连接的绝缘元件(3，4，20，30)。绝缘元件包括绝 缘子实体，其暴露于所述绝缘气体的表面有一导电或 半导电性材料的膜。此膜可耗散倾向于累积在绝缘 子表面上的电荷，且其表面电阻率为10⁸-5×10¹⁶Ω， 比同样厚度的、用绝缘子实体的绝缘材料制成的膜的 低。其厚度小于1μm。它可以是金属，如Cu，Cr，Al 或Fe或氧化物，如Cu₂O，Cr₂O₃或FC₂O₃。

Description

本发明涉及气体绝缘高压装置的绝缘元件，并涉及那些装有绝缘元件的装置，特别是具有充以SF₆之类的绝缘气体的容器以及施加有直流电压的电导体的装置;绝缘元件与导体连接，例如作为它的支持物。

表面放电或表面飞弧（闪络）特性是气体绝缘装置中绝缘子的特性之一，它在交流和直流电压下有很大不同。气体中的直流表面放电特性在日文文件“气体绝缘开关的直流绝缘”（见日本电气工程师协会出版的No.397技术报告（第Ⅱ部分）（1991年12月）17-23页）中有详细说明。这个文件说明在直流电压下绝缘元件表面上产生的电荷是怎样影响绝缘子的绝缘特性的以及绝缘元件的表面击穿电压是如何随累积电荷量变化的。该说明书的附图4显示了这种现象，并示出当累积电荷量增加时，击穿电压趋于下降。如文件所述，解决这个问题的尝试一般是选择绝缘元件的形状以使其不易产生电荷，例如在绝缘元件表面上做成肋状。

本发明人确信绝缘元件表面上的累积电荷可能是由于若干原因中的任何一种而引起的，特别是由于绝缘子本体的导电性、绝缘子表面的导电性、来自装置的其它元件的微小灰尘和颗粒与绝缘子表面接触、装置中气体分子产生的离子，以及由宇宙线或x射线产生的游离。特别是真空开关中，有从阴极发射的电子轰击绝缘子表面的问题，这引起从绝缘子表面的二次电子发射。在充气的装置中这不是重要问题，在那里被发射电子的能量因气体分子的游离而大大减小，所以不产生二次电子。

如上所述，解决问题的一种尝试是塑造绝缘子表面的形状，以增加表面路径长度。提出的另一种解决方法是把绝缘子制成凸状曲面，使这个曲面与电力线相吻合以减轻表面受电子或其它带电颗粒的轰击。提出的另一种方法是用喷水研磨处理绝缘子表面。

两名研究人员（Cross和Sudarshan）已提出在绝缘子表面采用氧化亚铜（Cu₂O）或三氧化二铬（Cr₂O₃）涂层来降低真空中绝缘子表面飞弧（IEEE Transactions on Electrical Insulation，Vol.EI-9，No.4，1974，12，146-150页，和Vol.EI-11，No.1，1976，3，32-35页）。Cross和Sudarshan发现氧化铝上的氧化亚铜涂层消除了没有涂层的绝缘子在直流和交流电压下观察到的适应效应。该适应效应是随着所加的飞弧次数的增加，绝缘子飞弧电压递增的一种现象。在这种情况下，Cu₂O涂层在适应后不引起飞弧电压增加。在三氧化二铬涂层的情况下，飞弧电压有相当大的增加，且适应效应也减小了，因为采用了三氧化二铬层。作者把这些效果归结为表面正电荷的消除，因为涂层大大减少了绝缘子表面的二次电子发射。看来这些作者关心的是绝缘子表面上因二次电子发射而快速累积的电荷。他们也关心避免绝缘子电阻热效应，所以提出了高电阻与低二次电子系数相结合的涂层。对于氧化亚铜，用真空喷镀法把铜涂覆在绝缘子上，然后在密封管中加热，生成20到200nm厚的涂层。至于三氧化二铬，从水溶液中沉积产生涂层。

如前所述，二次电子发射在气体绝缘系统中不是问题。本发明人确信在气体绝缘系统中绝缘子表面上建立电荷（以小时计）远比在真空系统中（几分之一秒）慢得多，而且来自阴极的电子轰击也不是问题，因为由于诸如SF₆的绝缘气体的存在，电子能量很小。所以，Cross和Sudarshan的建议显然不适用于气体绝缘系统。Cuoss和Sudarshan提出用导电方式象电荷形成那样快地把电荷排除是不可能的，因为所需的电流会引起真空中表面严重发热。

本发明的一个目的是为气体绝缘高压装置提供一个绝缘元件，它减轻或消除因绝缘元件表面上累积电荷而使表面飞弧电压降低的问题。本发明的另一个目标是提供具有这种绝缘元件的气体绝缘高压装置。

本发明人惊奇地发现，具有比气体绝缘高压装置中绝缘元件本体的材料低的电阻率的涂层能成功地消耗趋向于在绝缘子表面上累积的电荷，而无需无法接受地增加电阻性电流。虽然在可用于本发明的涂层中，被Cross和Sudarshan用过的那些是适用的，但在本发明中它们是用在不同的装置，即充以绝缘气体的装置中而不是真空中，而且它们具有明显的不同功能，即用于电荷的传导而不是防止二次电子发射。

因此这项发明可提高飞弧电压20至40%，另一方面这项发明允许使用较小的绝缘子，其飞弧电压与从前工艺的绝缘子相同。这项发明或实施例的其它优点见以下的说明。

根据发明的一个方面，为具有由绝缘材料制成的绝缘子实体的气体绝缘高压装置提供了一个绝缘元件。这个实体至少在其部分表面上覆有导电或半导电材料的膜，以消散它上面的电荷。该膜的表面电阻率通常低于由同样厚度的绝缘子实体的绝缘材料制成的膜的表面电阻率，即不大于后者的1/10。膜的表面电阻率最好在10⁸-5×10¹⁶Ω范围内。对环氧树脂的绝缘子实体，得到的表面电阻率是10¹³-3×10¹⁶Ω，但较低值如10⁸-10¹²Ω也是适用的。膜的厚度最好小于1μm，在20-20nm内更好。

该膜适用于表面电阻率在10¹⁴-10¹⁸Ω范围内的绝缘子实体。

为了提供一种消散电荷的有效路径，绝缘子表面上的膜可接触绝缘元件一侧或两侧上的一个电极或其它导体。

虽然原则上任何导电的或半导电材料可用于绝缘子实体的表面膜，然而这种膜必须能够粘接在表面上并必须具有上面指出的适当表面电阻率。形成膜的适合方法例如有化学汽相淀积、物理汽相淀积、溅射和真空喷镀。最好把膜均匀地覆盖到暴露在气体绝缘装置的绝缘气体中的所有部分上。

本发明中使用的电荷耗散膜具有允许表面电荷沿绝缘子通过从而耗散电荷的功能。另一个优点是膜趋向于提高绝缘子表面电阻的均匀性，从而避免能累积电荷的特别高的电阻率区。再一个优点是由于它的导电性涂层可减小外来金属颗粒附着绝缘子表面的倾向性，这种颗粒可能引起飞弧。如果带电颗粒落在绝缘子表面上，电荷迅速被该膜耗散，所以颗粒很快脱掉，不再被静电吸引。

又一个优点是便于运输并改善了绝缘子的处理，因为该膜准许用手接触绝缘子，而且绝缘子表面污染引起的问题较小。过去认为气体绝缘系统中的这种绝缘子不应用手触模。另一个优点是提高进行维修时的人身安全。绝缘子上累积的电荷能更快地消散，而以前工艺生产的部件表面电荷可在绝缘子上停留很长时间，甚至几天，这给维修人员造成风险。

涂膜的一种方法包括使绝缘子与水接触，如Cross和Sudarshan提出的在水溶液中沉积三氧化二铬的方法是不可取的。即使少量的水留在绝缘子上或绝缘子中，它也在气体绝缘容器内部蒸发了。例如在断路器操作时SF₆在这种装置中发生部分的分解，分解的成分与水反应的产物可能是HF，它有腐蚀作用。

用于本发明涂膜的最好材料是Cu，Cr，Al，Fe，氧化亚铜，三氧化二铬和三氧化二铁（Fe₂O₃）。

在气体绝缘高压电器中，使用合成树脂特别是环氧树脂是众所周知的。环氧树脂可能含有诸如氧化铝的粒子填料，根据本发明，使用这种树脂是可取的。在这种情况下，本发明使用的膜具有特殊的优点，因为这种填充的环氧树脂受填料颗粒的影响其表面电阻率很不均匀。膜的使用可改善表面电阻率的均匀性。适应效应（即利用飞弧提高飞弧电压）也与本讨论有关，降低适应效应被Sudarshan和Cross说成是优点，但对环氧树脂绝缘子并不需要，而这确实是一个很大的缺点，因为适应效应所需要的飞弧可能使环氧树脂材料熔化。另一方面，如果在使用本发明的绝缘元件期间发生飞弧，表面膜可能保护环氧树脂不受飞弧影响。

根据本发明的另一方面，提供了一种气体绝缘高压装置，它带有充以绝缘气体的容器、容器内部的高压导体和与导体连接的绝缘元件。绝缘元件具有绝缘材料制做的绝缘子实体，至少后者暴露在绝缘气体中的表面部分上有用从导电性和半导电材料中选出的材料制成的膜。膜的表面电阻率低于同样厚度的由绝缘子实体的绝缘材料制成的膜的表面电阻率。

在本发明另一方面还有一种气体绝缘高压装置，它具有充以绝缘气体的容器、在所述容器内部的高压导体和与所述导体连接的绝缘元件，它还具有下述改进方面，即绝缘元件包括绝缘子实体，后者至少在其暴露在所述绝缘气体中的表面部分上具有导电性材料膜，该材料的导电率使膜适于以导电方式耗散累积在所述绝缘元件上的电荷，同时避免绝缘元件显著的电阻性发热。

本发明特别适用于，其中的导体施加直流电压（特别是50KV以上的高电压）的气体绝缘高压装置。

现在借助附图和非限定性实例说明本发明的实施例，其中：

图1是实施本发明的气体绝缘电器的一个示意剖面图;

图2是用于图1中装置的、实施本发明的绝缘元件的柱式隔离物的示意断面图;

图3是示出本发明优点之一例的曲线图;

图4是示出累积在绝缘元件表面上电荷使飞弧电压降低的曲线图;以及

图5是绝缘子实体经受飞弧试验的说明图;

图6是一种测量表面电阻率方法的示意图。

图1中的气体绝缘电器包括一个密封的接地容器1、一个导体2、一个包括一个可移动电极12的断开装置50、一个用于移动电极12的支持导体11和一个固定电极10。各种绝缘元件支持着这些高压导体部件，特别是气体舱限定绝缘隔离物3、导体支持的柱式隔离物4、用于支持导体11的绝缘支持管20、和用于驱动可移动电极12的绝缘操作杆30;绝缘操作杆30以绝缘方式与操作机构35联接。这基本上是一种常规的结构。加压充入容器1的绝缘气体通常是SF₆。

在具有上述配置的气体绝缘电器中根据本发明的绝缘元件被用作绝缘隔离物3、柱式隔离物4、绝缘支持管20和绝缘操作杆30中的每一个。溅射金属或氧化物薄膜至少要形成在这些绝缘元件的每一个与绝缘气体相接触的一或多个区内的全部表面上。

图2详细示出了气体绝缘装置中使用的柱式隔离物4。柱式隔离物4包括含有氧化铝填料颗粒的环氧基树脂实体40和嵌入电极41;后者嵌在环氧基树脂实体的两个相对的端面上，以用于安装柱式隔离物4和削弱电场强度。用蒸发或溅射金属颗粒的方法在树脂实体40的表面上形成薄膜45。薄膜45在绝缘子的两端导电处与电极41接触。虽然薄膜45的厚度t取决于所要求的绝缘电阻值，但最好选择在大约20-200nm的范围，以获得本发明的效果和优点。膜的表面电阻比实体40的环氧基材料的等效膜（有同样的厚度）小得多。

制作薄膜45的最好材料是Cu、Cr、Al或铁以及氧化物Cu₂O、Cr₂O₃和Fe₂₃。

图3象征性地示出隔离物的表面电阻和隔离物表面上累积的电荷量。作为对比的无涂层常规隔离物A的表面电阻率为10¹⁴-10¹⁸Ω，而根据本发明的隔离物B表面电阻率值小到10⁸-10¹²Ω，所以绝缘子表面上累积的电荷量减少。作为本发明的一例，直流电压的额定耐压值有可能提高20-40%。

顺便说一下，因为带有表面膜的绝缘元件与未处理的绝缘元件在表面电阻上有很大差别，故最好使前者和后者使用不同的表面颜色，以便能直观的分辨。

如上所述，本发明可增强绝缘元件的耐压。因此，可改善气体绝缘装置的绝缘可靠性，而且可减小装置的尺寸和重量。

现在将说明在绝缘子表面形成薄膜的一种方法，即溅射法。

将一个环氧树脂绝缘子实体放在铜制的高压电极和铜制接地电极之间的位置上。把它们密封到真空室内抽真空，然后充入低压氩气。在电极间施加50HZ交流半波整流电压。因高压电极与接地电极之间放电，氩离子撞击高压电极而溅射出金属铜。溅射的铜随后到达环氧树脂样品并在上面积聚形成铜薄膜。在环氧树脂样品上形成溅射的溅射条件如下：

外加电压    2000V

电流    12mA

氩气压强    约0.04乇

溅射时间    10分钟

为了获得膜的均匀厚度，将环氧树脂样品每分钟旋转约30转。在环氧树脂样品上形成的溅射膜其表面电阻率约为1×10¹⁵Ω。因为不掺杂的环氧树指样品的表面电阻率为5×10¹⁶，形成溅射膜使其数值减小到原来的1/50。

此外，通过在从0.02-0.05乇的范围内改变氩气压强，同时电压保持在2000V，溅射厚度可按需要变化，从而能把表面电阻率控制在例如3×10¹⁶-1×10¹³Ω的范围内。

根据上述方法，在长40mm和直径50mm的环氧树脂样品上形成了表面电阻率降低的溅射铜膜。在这种情况下，表面电阻率从约2×10¹⁶减小到3×10¹⁴Ω。

绝缘子在预先加直流电压200KV后颠倒极性测得的飞弧电压为450KV。未掺杂环氧树脂样品在不预先加电压（不颠倒极性）时的飞弧电压是380KV。因此，与未掺杂样品不颠倒极性相比，使用铜膜约提高耐压20%。从来都认为颠倒极性一般要降低飞弧电压。但溅射膜防止了这种降低。

环氧树脂实体进行飞弧试验的布置示于图5。环氧树脂实体40有一个嵌入的铝电极41并被置于电极42之间。实体40是一个高40mm直径50mm的圆柱体。电极41高15mm直径40mm。

适用于测量绝缘子实体（带有或不带有本发明所提供的导电膜）表面电阻率的一种方法由图6显示。

在样品45上以5mm的间距缠绕三条5mm宽的铜带46，如图6所示，且各铜带46与包括500V直流电源和一个电流表的电路相连，如图所示。上部和下部的铜带6用作屏蔽电极，而中部铜带46为高压电极。然后将样品45置入恒温在25℃的屏蔽盒中。一到二分钟后施加一电压，再一分钟后读出测量值。由此计算表面电阻率。

Claims (12)

1、一种用于气体绝缘高压装置的绝缘元件(3，4，20，30)，它具有用绝缘材料制成的绝缘子实体(40)，其特征在于：所述绝缘子实体至少在其表面部分上有导电或半导电材料的膜(45)，用以耗散所述实体上的电荷。

2、根据权利要求1的绝缘元件，其中，所述膜（45）的表面电阻率低于同样厚度的用形成所述绝缘子实体的绝缘材料制成的膜的表面电阻率。

3、根据权利要求1或2的绝缘元件，其中，绝缘子实体（40）的所述绝缘材料至少部分是合成树脂。

4、根据权利要求3的绝缘元件，其中，绝缘子实体（40）的所述绝缘材料至少部分是环氧树脂，其中可含有填料。

5、根据权利要求1-4的任一项的绝缘元件，其中，所述膜（45）的厚度小于1μm。

6、根据权利要求5的绝缘元件，其中，所述膜（45）的厚度在20-200nm的范围内。

7、根据权利要求1-6中任一项的绝缘元件，其中，所述膜（5）的表面电阻率在10⁸-5×10¹⁶Ω的范围内。

8、根据权利要求1-7中任一项的绝缘元件，其中，所述绝缘子实体（40）的表面电阻率在10¹⁴-10¹⁸Ω的范围内。

9、根据权利要求1-8中任一项的绝缘元件，其中，形成所述膜（45）的材料选自Cu，Cr，Al，Fe，CuO₂，Cr₂O₃和Fe₂O₃。

10、一种气体绝缘高压装置，它具有充以绝缘气体的容器（1）、容器（1）内的高压导体（2，10，12）和根据权利要求1-9的任一项并与导体（2，10，12）连接的绝缘元件（3，4，20，30）。

11、根据权利要求10的气体绝缘高压装置，其中，所述绝缘气体是SF₆。

12、一种气体绝缘高压装置，它具有充以绝缘气体的容器（1）、容器（1）内的高压导体（2，10，12）和与该导体相连并包括一个绝缘子实体（40）的绝缘元件（3，4，20，30），其特征在于：至少在所述实体（40）暴露在所述绝缘气体中的表面部分上有一个导电材料的膜（45），该膜的导电率使所述膜（45）适应于耗散累积在所述绝缘元件（3，4，20，30）上的电荷，同时避免所述绝缘元件显著的电阻性发热。

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