CN108631207B - 用于安装在高压开关系统中的绝缘器 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于安装在高压开关系统中的绝缘器(100)。绝缘器(100)包括电绝缘性圆盘形承载器元件(110)，其中，承载器元件(110)具有第一圆盘形表面(111)和相反的第二圆盘形表面(112)，第一圆盘形表面(111)包括构造成用于容纳第一密封元件(131)的第一凹槽(121)，第二圆盘形表面(112)包括构造成用于容纳第二密封元件(132)的第二凹槽(122)，其中，通过包埋在承载器元件(110)中的第一金属元件(141)提供第一凹槽(121)的至少底部，且其中，通过包埋在承载器元件(110)中的第二金属元件(142)提供第二凹槽(122)的至少底部。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及高压和高电流系统的密封。尤其，本公开的实施例涉及气体绝缘开关设备(GIS)或发电机断路器(GCB)的隔室的密封。更具体而言，本公开的实施例涉及在绝缘开关设备或发电机断路器的隔室中提供的绝缘器的密封。
背景技术
在气体绝缘开关设备和断路器中，至少一个隔室必须被密封。因为导体离开隔室时必须被绝缘，因此绝缘器本身必须密封在两个隔室之间或相对于外面密封。常规上，使用EPDM(乙烯丙烯二烯单体)橡胶或丙烯腈-丁二烯橡胶(NBR)密封环(例如密封O型环)实现密封。因此，取决于密封件的材料，不同气体将具有不同的通过这些密封件的渗透速率。此外，这种聚合物密封件(例如O型环)的解吸、漏气和老化未被完全地了解并且在开发和使用期限预测期间引起许多问题。
例如，常规的GIS设备通过油EPDM橡胶制成的O型环密封。这种密封材料满足要求最大气体损耗为0.5％/年的IEC 62271标准。尤其针对其中使用SF6(六氟化硫)的GIS设备的绝缘气体泄露被认为是非常重要的，这是由于其具有高环境污染的风险。因此减少泄露是要解决的关键性问题。近期开发出新的经济高效的气体混合物介质，也就是具有作为载气的技术空气或CO2的氟酮基气体混合物。尽管，新的经济高效的气体混合物是更为环境友好的，但是CO2仍呈现全球变暖潜能(GWP)。虽然CO2的GWP远低于SF6的GWP，但是CO2渗透性更高。
因此，鉴于以上，需要改进的绝缘，其至少部分地克服常规绝缘器的问题，特别是关于它们的密封性能的问题。
发明内容
根据以上，提供用于安装在高压开关系统中的绝缘器。根据描述和附图，本公开的另外的方面、益处和特征是显而易见的。
根据本公开的一个方面，提供一种用于安装在高压开关系统中的绝缘器。绝缘器包括电绝缘性圆盘形承载器元件，其中，承载器元件具有第一圆盘形表面和相反的第二圆盘形表面，第一圆盘形表面包括构造成用于容纳第一密封元件的第一凹槽，第二圆盘形表面包括构造成用于容纳第二密封元件的第二凹槽。通过包埋在支撑器元件中的第一金属元件提供第一凹槽的至少底部，且其中通过包埋在承载器元件中的第二金属元件提供第二凹槽的至少底部。
因此，如本文描述的绝缘器的实施例具有以下优点：绝缘器提供针对任何气体都起作用的密封，即，密封性能独立于所采用的气体。换句话说，本文描述的绝缘器的实施例提供改进的密封，特别是针对其中常规的基于聚合物的密封策略显示有难度的轻气体(诸如SF6)。另外，本文描述的绝缘器的实施例有益地提供相比于用于安装在高压开关系统的常规绝缘器的密封策略具有更低的解吸和更高的耐化学品性(例如，抵抗分解产物)的密封。例如，根据气体的分子大小，可用本文描述的绝缘器的实施例实现的金属密封件的气密性可比普通的EPDM或NBR密封件好三个数量级。
尤其，要理解的是，本文描述的绝缘器的实施例可构造成使得可使采用的气体仅较低的漏气或甚至无渗透。而且，与常规密封解决方案相比，其中代替聚合物密封接触面实现金属密封接触面的本文描述的绝缘器的实施例，可提供在高达非常高的温度下起作用的密封件。因此，本文描述的绝缘器的实施例显示更好的老化行为，即，密封接触面的化学和物理性质不会随时间改变很多。
另外，本文描述的绝缘器的实施例提供由同一材料(金属/金属接触代替金属/聚合物接触)形成的同质的密封表面，由于密封表面的金属属性使得它们被良好地限定并可容易地被机加工。
因此，本文描述的绝缘器的实施例提供密封品质的改进，因为通过使用不可渗透的金属密封件(例如呈金属C型环的形式)可降低最终的泄漏率。而且，本文描述的绝缘器的实施例有益地提供一种密封解决方案，针对该密封解决方案，其中采用绝缘器的GIS设备的当前设计不必被改变。
根据本公开的另一方面，提供根据本文描述的任何实施例的绝缘器的使用。尤其，根据本文描述的任何实施例的绝缘器被用于在高压开关系统(例如气体绝缘开关设备)的第一隔室和第二隔室之间提供密封。
根据本公开的另一方面，提供包括根据本文描述的任何实施例的绝缘器的高压开关系统，特别是气体绝缘开关设备，因此，可尤其是关于气体密封性质提供改进的高压开关系统。
附图说明
为了可详细地理解本公开的以上列举的特征，通过参照实施例，可获得以上简要总结的本公开的更具体的描述。附图涉及本公开的实施例并在下面被描述：
图1显示根据本文描述的实施例的绝缘器的示意性横截面图；
图2显示根据本文描述的实施例的绝缘器的示意性主视图；
图3显示根据本文描述的实施例的绝缘器的一部分的示意性截面图；
图4显示根据本文描述的另外的实施例的绝缘器的一部分的示意性截面图；
图5显示用于根据本文描述的实施例的绝缘器的插入件的示范性实施例的示意性透视图；
图6显示在高压开关系统中提供的根据本文描述的实施例的绝缘器的示意性横截面图；以及
图7显示根据本文描述的又一些另外的实施例的处于安装状态的绝缘器的一部分的详细的示意性横截面图。
具体实施方式
现将详细参照多个实施例，在各个图中示出其一个或多个示例。各个示例以解释的方式被提供且不意于作为限制。例如，被示出或描述为一个实施例的部分的特征可用于任何其它实施例上或与任何其它实施例结合使用以产生又一另外的实施例。意图的是在本公开包括这种修改和变型。
在附图的以下描述中，相同的参考标号指示相同或相似的构件。大体上，仅描述了关于单独实施例的差异。除非以其它方式规定，否则，在一个实施例中的部分或方面的描述也可适用于在另一实施例中的对应的部分或方面。
图1显示根据本文描述的实施例的绝缘器100的示意性横截面图。尤其，本文描述的绝缘器100构造成用于安装在高压开关系统中。如图1示范性地显示，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，绝缘器包括电绝缘性圆盘形承载器元件110。承载器元件110具有包括第一凹槽121的第一圆盘形表面111，所述第一凹槽121构造成用于容纳第一密封元件131。另外，承载器元件110具有包括第二凹槽122的相反的第二圆盘形表面112，所述第二凹槽122构造成用于容纳第二密封元件132。典型地，通过包埋在承载器元件110中的第一金属元件141提供第一凹槽121的至少底部。另外，通过包埋在承载器元件110中的第二金属元件142提供第二凹槽122的至少底部。
例如，第一密封元件131和第二密封元件132可为金属环元件，例如，如图3显示的金属O型环或如图7显示的金属C型环。尤其，第一密封元件131和第二密封元件132可由金属制成，例如不锈钢。如图7示范性地显示，第一凹槽121和/或第二凹槽122可构造成使得提供与相应的密封元件131、132的形状配合。尤其，第一凹槽121和/或第二凹槽122可构造成具有近似半圆形的横截面，例如用于针对O型环状或C型环状密封元件提供形状配合。
因此，所描述的其中由同一材料(金属/金属接触)实现均质密封表面的绝缘器的实施例具有以下优点：绝缘器提供针对任何气体都起作用的密封，即，密封性能独立于所采用的气体。另外，提供的金属密封表面具有以下优点：密封表面可机加工使得可例如通过提供非常光滑的密封表面优化密封性能。
另外，第一密封元件131和第二密封元件132可包括涂层，例如锡涂层，其可有益于提高密封性能。尤其，锡作为涂层材料，可有益于改进的密封性能，因为锡相比于配对的密封表面(例如通过第一金属元件141和第二金属元件142提供的配对的密封表面以及高压开关系统的外壳230(例如铸造铝外壳)的相应的密封表面)较软使得锡涂层可在绝缘器被安装在高压开关系统200中时可塑性变形，如图6示范性地显示。
如图2描绘的绝缘器100的示意性主视图示范性地显示，承载器元件110可构造为圆形盘。因此，第一凹槽121和第二凹槽122可构造为特别是分别在第一圆盘形表面111和第二圆盘形表面112的边缘区域中提供的圆形凹槽。另外，如图1和2示范性地显示，承载器元件110可以形状配合且不可旋转的方式安装至电极120上。典型地，电极120被提供为绝缘器100的中心元件。尤其，如图1和2示范性地显示，电极120可包括旋转轴线125，旋转轴线125可为对称轴线。
根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，第一金属元件141和第二金属元件142可为环状元件。例如，如在图2中针对第一金属元件141示范性地显示，第一金属元件141和第二金属元件142可构造为圆形环状元件。尤其，第一金属元件141和第二金属元件142可构造成使得第一金属元件141和第二金属元件142包围中心电极120，如图1和2示范性显示。另外，第一金属元件141和/或第二金属元件142可由铝或铝合金制成。
示范性地参照图3，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，可通过第一金属元件141提供第一凹槽121的底部和第一凹槽121的侧部部分。相应地，可通过第二金属元件142提供第二凹槽122的底部和第二凹槽122的侧部部分。
示范性地参照图3，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，第一金属元件141典型地包括与承载器元件110接触的至少一个表面141A、141B。例如，至少一个表面可为第一金属元件141的侧表面141A，如图3示范性指示的那样。另外或备选地，至少一个表面可为第一金属元件141的底部表面141B。典型地，第一金属元件141的底部表面141B连接第一金属元件141的侧表面141A。例如，第一金属元件141的至少一个表面141A、141B可构造成表面粗糙度为5μm≤Ra≤20μm，特别地Ra＝8μm。例如，第一金属元件141的至少一个表面141A、141B可为通过喷砂处理的表面以便实现表面粗糙度。因此，可有益地改进第一金属元件141在承载器元件110中的整合或包埋。
因此，如图3示范性地显示，第二金属元件142典型地包括与承载器元件110接触的至少一个表面142A、142B。例如，至少一个表面可为第二金属元件142的侧表面142A，如图3示范性地指示的那样。另外或备选地，至少一个表面可为第二金属元件142的底部表面142B。典型地，第二金属元件142的底部表面142B连接第二金属元件142的侧表面142A。例如，第二金属元件142的至少一个表面142A、142B可构造成表面粗糙度为5μm≤Ra≤20μm，特别地Ra＝8μm。例如，第二金属元件142的至少一个表面142A、142B可为通过喷砂处理的表面以便实现表面粗糙度。因此，可有益地改进第二金属元件142在承载器元件110中的整合或包埋。
示范性地参照图4，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，第一金属元件141和第二金属元件142可通过连接部分143一体地连接。通过在第一金属元件141和第二金属元件142之间提供连接部分143，绝缘器可有益地以机械地方式稳定在密封压力区域中。另外，连接部分143可提供在高压开关系统的第一隔室和第二隔室的相应凸缘之间提供电气连接的可能性。
例如，连接部分143可由金属尤其是铝或铝合金制成。另外，连接部分143典型地包括与承载器元件110接触的至少一个接触表面143A、143B。例如，连接部分143的至少一个接触表面可包括第一接触表面143A和相反的第二接触表面143B，如图4示范性指示的那样。另外，连接部分143的至少一个接触表面143A、143B可构造成表面粗糙度为5μm≤Ra≤20μm，特别地Ra＝8μm。例如，连接部分143的至少一个表面143A、143B可为通过喷砂处理的表面以便实现表面粗糙度。因此，可有益地改进连接部分143在承载器元件110中的整合或包埋。
示范性地参照图4和5，要理解的是，第一金属元件141、第二金属元件142和连接部分143可为一体地形成的插入件，所述插入件包埋在承载器元件110中。例如，一体地形成的插入件可被铸造于承载器元件110中。因此，插入件可结合密封元件131、132(例如金属密封环)而被采用以在外壳230的相应凸缘上密封隔室210、220。通过提供一体地形成的插入件，可在绝缘器的制作期间提供简化的模制组件。另外，一体地形成的插入件可有益于提高机械强度以及气密性。
示范地参照图5，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，连接部分143可包括至少一个开口144。因此，当连接部分143包埋在承载器元件110中时，连接部分143的至少一个开口144例如在通过铸造制造绝缘器期间由承载器元件的材料填充。因此，要理解的是，这种构造有益于从顶部铸造整个绝缘器。
例如，承载器元件110可包括基质材料，基质材料包括热塑性材料。根据一个示例，承载器元件110的基质材料可包括热塑性材料和填充材料(例如20-30％的玻璃纤维)用以加强承载器元件的机械性质。备选地，承载器元件110可包括基质材料，基质材料包括环氧树脂。例如，承载器元件110的基质材料可包括Al2O3和含量为25重量％-40重量％的环氧树脂。因此，在连接部分142中提供的开口在金属插入件和绝缘器本体(即承载器元件110)之间提供改进的联接，这是因为开口允许环氧树脂或热塑性材料透过金属插入件并将其良好地结合在绝缘器本体内。
根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，使用铸造或注射模制过程将第一金属元件141和第二金属元件142包埋到承载器元件110中。因此，要理解的是，要理解的是，在提供连接部分143的情形下，也可使用铸造或注射模制过程将连接部分包封在承载器元件110中。例如，可使用铸造或注射模制过程使第一金属元件141、第二金属元件142和连接部分143一体地形成为包埋在承载器元件110中的插入件。尤其，在含有环氧树脂的基质材料被用于承载器元件的情形下，铸造过程可为有益的。在含有热塑性材料的基质材料被用于承载器元件的情形下，可优选注射模制过程。
因此，例如包括通过连接部分143连接的第一金属元件141和第二金属元件142的插入件可构造成使得插入件可在安装的状态下获得由密封元件131、132(例如如图3显示的金属O型环或如图7显示的金属C型环)提供的负载，如图6示范性地显示。尤其，本文描述的绝缘器的实施例有益地构造成使得在绝缘器的安装状态下由密封元件施加的弹簧力不直接影响例如由热塑性材料或环氧树脂结构制成的绝缘器承载器元件。这种构造方法提供在密封元件131、132上施加较高压缩力的可能性，而同时绝缘器表面损坏或绝缘器断裂的风险减少或甚至消除。因此，提供改进的密封。
示范性地参照图4，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，由第一金属元件141提供的第一凹槽121的底部可呈平坦表面的形式。另外或备选地，由第二金属元件142提供的第二凹槽122的底部可呈平坦表面的形式。通过提供具有带有平坦密封接触面的第一金属元件141和第二金属元件142的绝缘器，如图4示范性地显示，可提供具有改进的密封性质的绝缘器的低成本的解决方案。
根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，第一凹槽121可在尺寸上设计成使得在第一密封元件131被容纳在第一凹槽121中时提供在第一凹槽121特别是第一凹槽121的侧表面和第一密封元件131之间的径向间隙。另外或备选地，第二凹槽122可在尺寸上设计成使得在第二密封元件132被容纳在第二凹槽122中时提供在第二凹槽122特别是第二凹槽122的侧表面和第二密封元件132之间的径向间隙。因此，仅第一凹槽121的底部和仅第二凹槽122的底部有益地提供金属密封表面。
示范性地参照图7，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，由第一金属元件141提供的第一凹槽121可呈弯曲的凹部的形式，用于容纳第一密封元件131。另外或备选地，由第二金属元件142提供的第二凹槽122可呈弯曲的凹部的形式，用于容纳第二密封元件132。这种构造可有益于在高压开关系统200中安装绝缘器期间提供密封元件131、132的自定心，如图6示范性地显示。另外，这种构造可尤其在密封元件紧密地配合到弯曲的凹部中时有益于增加密封表面。
示范性地参照图7，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，绝缘器可进一步包括包埋在承载器元件110中的导电插入件150。尤其，导电插入件150可布置和构造成在绝缘器的安装状态下控制从第一圆盘形表面111至第二圆盘形表面112的电场线。为了说明目的，电场线在图7中由参考标号170指示。
因此，可有益地提供导电插入件用以控制电场线。
因此，如本文描述的绝缘器的实施例可有益地用于在高压开关系统200的第一隔室210和第二隔室220之间提供密封，如图6示范性地显示。例如，高压开关系统200可为气体绝缘开关设备。
本文描述的绝缘器的实施例的另一优点是：其在无需对装置在机械方面进行重新设计的情况下，改进装置的气密性，这提供应用该解决方案来改进现有的气体绝缘电气设备安装的气密性的可能性。
根据本公开的另一方面，提供制造用于安装在高压开关系统中的绝缘器100的方法。方法包括将至少一个金属元件141、142铸造到电绝缘性圆盘形承载器元件110中，使得至少一个金属元件141、142提供在承载器元件110的第一圆盘形表面111中提供的第一凹槽121的至少底部且至少一个金属元件141、142提供在承载器元件110的相对的第二圆盘形表面112中提供的第二凹槽122的至少底部。
因此，该方法有益地提供制造具有在绝缘器的制作期间实现的金属铸造的密封面的绝缘器的可能性。这种密封可例如用来密封气体绝缘开关设备(GIS)的隔室以及用于其中代替常规密封环可为有益的任何其它应用。
因此，鉴于本文描述的实施例，要理解的是，通过提供具有结合金属的例如环氧树脂的绝缘器，提供加强气体绝缘电气设备的气密性的可能性。尤其，如本文描述的密封概念以独立于气体的方式起作用，老化可比较容易地被预测且没那么严重，使得可在侵蚀性环境中几乎不发生解吸并提供高的耐化学品性。因而，本文描述的绝缘器的实施例有益地提供气密性，根据气体的分子大小，其可比普通的EPDM或NBR密封好三个数量级。
另外，如本文描述的特别设计的金属插入件允许控制在与金属密封元件(例如金属C型环)的接触面处的粗糙度，以便实现最佳密封状态。另外，可避免环氧树脂/金属不匹配。另外，插入件可构造成接收来自金属密封元件(例如C型环的金属C型环)的力，并因此可减少或甚至消除绝缘器在C型环弹簧力下发生断裂的风险。
Claims (24)
1.一种用于安装在高压开关系统中的绝缘器(100)，
其中，所述绝缘器包括电绝缘性圆盘形承载器元件(110)，
其中，所述承载器元件(110)具有第一圆盘形表面(111)和相反的第二圆盘形表面(112)，所述第一圆盘形表面(111)包括构造成用于容纳第一密封元件(131)的第一凹槽(121)，所述第二圆盘形表面(112)包括构造成用于容纳第二密封元件(132)的第二凹槽(122)，
其中，通过包埋在所述承载器元件(110)中的第一金属元件(141)提供所述第一凹槽(121)的至少底部，以及
其中，通过包埋在所述承载器元件(110)中的第二金属元件(142)提供所述第二凹槽(122)的至少底部。
2.根据权利要求1所述的绝缘器(100)，其特征在于，通过所述第一金属元件(141)提供所述第一凹槽(121)的所述底部和所述第一凹槽(121)的侧部部分。
3.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，通过所述第二金属元件(142)提供所述第二凹槽(122)的所述底部和所述第二凹槽(122)的侧部部分。
4.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述第一金属元件(141)和所述第二金属元件(142)为环状元件。
5.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述第一金属元件(141)和/或所述第二金属元件(142)由铝或铝合金制成。
6.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述第一金属元件(141)和/或所述第二金属元件(142)包括与所述承载器元件(110)接触的至少一个表面(141A,141B,142A,142B)，其中，所述至少一个表面的表面粗糙度为5μm≤Ra≤20μm。
7.根据权利要求6所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述至少一个表面的表面粗糙度为Ra＝8μm。
8.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述第一金属元件(141)和所述第二金属元件(142)通过连接部分(143)而一体地连接。
9.根据权利要求8所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述连接部分(143)由金属制成。
10.根据权利要求9所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述连接部分(143)由铝或铝合金制成。
11.根据权利要求8所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述连接部分(143)包括与所述承载器元件(110)接触的至少一个接触表面(143A,143B)，其中，所述至少一个接触表面的表面粗糙度为5μm≤Ra≤20μm。
12.根据权利要求11所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述至少一个接触表面的表面粗糙度为Ra＝8μm。
13.根据权利要求8所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述连接部分(143)包括由所述承载器元件的材料填充的至少一个开口(144)。
14.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述承载器元件(110)包括基质材料，所述基质材料包括热塑性材料或环氧树脂。
15.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，使用铸造或注射模制过程将所述第一金属元件(141)和所述第二金属元件(142)包埋在所述承载器元件(110)中。
16.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，通过所述第一金属元件(141)提供的所述第一凹槽(121)呈弯曲的凹部的形式，其用于容纳所述第一密封元件(131)，且/或其中，通过所述第二金属元件(142)提供的所述第二凹槽(122)呈弯曲的凹部的形式，其用于容纳所述第二密封元件(132)。
17.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，通过所述第一金属元件(141)提供的所述第一凹槽(121)的所述底部呈平坦表面的形式，且/或其中，通过所述第二金属元件(142)提供的所述第二凹槽(122)的所述底部呈平坦表面的形式。
18.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述第一凹槽(121)的尺寸设计成使得当所述第一密封元件(131)容纳在所述第一凹槽(121)中时，在所述第一凹槽(121)和所述第一密封元件(131)之间提供径向间隙，且/或其中，第二凹槽(122)的尺寸设计成使得当所述第二密封元件(132)容纳在所述第二凹槽(122)中时，在所述第二凹槽(122)和所述第二密封元件(132)之间提供径向间隙。
19.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，所述绝缘器(100)进一步包括包埋在所述承载器元件(110)中的导电插入件(150)，其中，所述导电插入件(150)布置并构造成控制在所述绝缘器的安装状态下从所述第一圆盘形表面(111)至所述第二圆盘形表面(112)的电场线。
20.根据权利要求1或2所述的绝缘器(100)，其特征在于，以形状配合的方式将所述承载器元件(110)不可旋转地安装至电极(120)上。
21.一种根据权利要求1至20中的任一项所述的绝缘器(100)的用于在高压开关系统(200)的第一隔室(210)和第二隔室(220)之间提供密封的用途。
22.根据权利要求21所述的用途，其特征在于，所述高压开关系统(200)是气体绝缘开关设备。
23.一种高压开关系统(200)，包括根据权利要求1至20中的任一项所述的绝缘器(100)。
24.根据权利要求23所述的高压开关系统(200)，其特征在于，所述高压开关系统(200)是气体绝缘开关设备。
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