CN109991467A - 过电压的证实 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于证实两个电导体(3、4)之间的过电压的证实设备(1)和方法。证实设备(1)包括由电绝缘的载体材料制成的印制导线载体(5)、至少两个彼此间隔开地加置在印制导线载体(5)上的印制导线(7至11)和用于检测第一印制导线(7)的电阻的测量设备(13)。每个电导体(3、4)与印制导线(7至11)中的至少一个电连接。印制导线(7至11)设计和布置为，使得电导体(3、4)之间的预设的过电压引起在第一印制导线(7)与和两个电导体(3、4)之一连接的印制导线(8至11)之间的改变第一印制导线(7)的电阻的部分放电(15)。
Description
技术领域
本发明涉及用于证实两个电导体之间的过电压的证实设备和方法。
背景技术
绝缘的电导体之间的过电压尤其能够损害导体的绝缘部。绝缘部通常因制造所决定地具有孔和间隙形式的缺陷部位，该孔和间隙具有微米至毫米范围的扩展。过电压能够在绝缘部中引起部分放电，该部分放电由于通常较低的介电常数而主要在这种缺陷部位中根据帕邢定律自电场的一定场强起通过载流子的雪崩效应而激发。通过这种部分放电，绝缘主要在缺陷部位的区域中逐渐地变差，直至造成绝缘部的失效。
例如，在借助变流器或在变流器馈电的环境中运行的旋转电机中的电导体的绝缘部中出现这种损坏。变流器通常产生方形的或阶跃形式的变流器电压。由于这种变流器电压的陡的侧边，变流器电压的傅里叶频谱具有如下频谱部分，一部分在由变流器馈电的电机的励磁绕组处引起过电压(励磁绕组的绝缘部未针对该过电压进行设计)，以及一部分会以上面描述的方式损坏绝缘部。
旋转电机的励磁绕组的绝缘部的质量和状态从外部通常不可定量地确定，使得电机的总体失效通过由绝缘部损坏引起的电击穿而无法预测，其中该电击穿例如处于机器的两个不同的相位的励磁绕组之间或处于励磁绕组和接地导体之间。
发明内容
本发明的目的在于：提出用于证实两个电导体之间的电力过电压的证实设备和方法，该证实设备和方法尤其适合于：证实电机中的过电压。
用于证实两个电导体之间的过电压的根据本发明的证实设备包括：由电绝缘的载体材料制成的印制导线载体；至少两个彼此间隔开地安置在印制导线载体上的印制导线；和用于检测第一印制导线的电阻的测量设备。每个电导体与印制导线中的至少一个电连接并且印制导线不与两个电导体电连接。印制导线设计和布置为，使得电导体之间的预设过电压引起在第一印制导线与和两个电导体之一电连接的印制导线之间的、改变第一印制导线的电阻的部分放电。
根据本发明的证实设备实现：通过由过电压改变印制导线的电阻使得能够通过测量该电阻来证实过电压的方式，来证实过电压。在此，本发明所利用的是：适当构造的印制导线的电阻能够通过部分放电改变。与之相应地，根据本发明为了证实过电压而通过过电压触发部分放电，这改变了证实设备的印制导线的电阻。特别地，本发明实现了在不必须切断或断开电机的情况下检测电机的绕组线圈处的过电压。由此，在电机持续运行中能够及时地识别够导致绕组线圈的绝缘部的损坏并且最后导致电机的完全失效的过电压。
本发明的一个设计方案提出：第一印制导线设置在两个分别与两个电导体之一电连接的印制导线之间并且与印制导线间隔开地设置，并且不与两个电导体之一电连接。在本发明的该设计方案中，测量其电阻并且将其用于证实过电压的印制导线不与应在它们之间检测过电压的电导体连接。尤其有利的是，在电导体之间加置高压时，这是，因为测量设备在该设计方案中不与任何电导体电连接，进而不与高压形成接触。
本发明的替选于所提出的设计方案的设计方案提出：第一印制导线与两个电导体之一电连接。在本发明的该设计方案中，测量其电阻并且将其用于证实过电压的印制导线与应在它们之间检测过电压的电导体之一连接。相对于本发明的之前的设计方案，由此能够减少证实设备的印制导线的数量，并且证实设备能够更紧凑和更便宜地实施。
本发明的另一设计方案提出：印制导线由复合材料制成，该复合材料包括不导电的塑料基体和嵌入其中的填充材料，复合材料由于该填充材料而是能导电的。填充材料例如具有能导电的填充材料颗粒，该填充材料颗粒以大于逾渗阈值的概率占据由塑料基体形成的晶格的晶格位置，该概率，复合材料在该逾渗阈值之上是能导电的，其中，填充材料颗粒的导电性通过作用于填充材料颗粒上的部分放电降低。填充材料例如包括n型导电的金属氧化物、覆层的或未覆层的云母、石英粉末碳黑、石墨和/或金属。特别地，该填充材料包含掺杂锑的二氧化锡和/或掺杂氟或铟的氧化锡。塑料基体由化学交联的热固性塑料或由热塑性塑料制成。通过由适当地嵌入塑料基体中的填充材料制成印制导线的方式，本发明的这些设计方案实现通过部分放电提高其电阻的印制导线的实现方案。例如，由掺杂锑的二氧化锡构造的填充材料颗粒在其制造时自身形成氧空位，该氧空位用作载流子供体并且有助于填充材料的良好的导电性。通过过电压引起的部分放电局部地加热填充材料并且引起局部产生臭氧。通过温度升高和所形成的臭氧，氧化具有氧空位的填充材料颗粒的表面边缘层。由此，降低了填充材料中的氧空位的数量并且降低复合材料的导电性，或者说提高了复合材料的电阻。相应地，适用于由n型导电的金属氧化物构造的其他的填充材料，该金属氧化物以适合于改进其电导线的方式掺杂，例如用如下化学元素掺杂，该化学元素的原子序数在元素周期表中比金属氧化物的金属的原子序数高一。由炭黑、石墨或金属构造的填充材料在部分放电时不形成上述类型的表面边缘层，而是在部分放电时氧化并由此失去其导电性，使得复合材料的电阻也在该情况下提高。
本发明的替选于上述设计方案的设计方案提出：印制导线由能导电的塑料制成，例如由聚苯胺(PANI)或由聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺酸酯(Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Polystyrolsulfonat，聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)制成。这种塑料也适合作为用于制造印制导线的材料，因为其导电性通过部分放电降低或破坏。
本发明的另一设计方案提出：印制导线分别具有大致100μm的厚度和在部分放电之前最高100kΩ的面电阻。该设计方案考虑：在制造印制导线时，例如通过印制印制导线载体来制造印制导线时，需要在加置印制导线之后蒸发掉的溶剂。在印制导线厚度过大时，溶剂的蒸发掉导致印制导线中出现损害印制导线的质量的裂纹或孔。大致100μm的厚度是通常的取值，其中印制导线具有足够的导电性并且不通过蒸发掉溶剂而受损害。导电层的也称作为方形电阻的面电阻被理解为其对于限定层厚度的特定电阻。最高100kΩ的面电阻在印制导线层厚度为大致100μm的情况下是有利的，因为否则一大部分过电压已经在印制导线中耗散。
本发明的另一设计方案提出：印制导线载体构造为薄板或薄膜。本发明的该设计方案实现证实设备的简单的且灵活的应用和安装。
本发明的另一设计方案提出：两个电导体中的至少一个与多个印制导线电连接，其中印制导线设计和布置为，使得电导体之间的不同的预设的过电压引起第一印制导线和不同的多个印制导线之间的部分放电，该不同的多个印制导线分别与两个电导体之一电连接。本发明的该设计方案实现：使用同一个证实设备来证实不同的过电压。
根据本发明的电机具有根据本发明的用于证实两个电导体之间的过电压的证实设备，其中电导体之一是电机的绕组线圈，并且另一导体是电机的另一绕组线圈或接地的导体。电机例如是旋转电机或变压器。这种电机的优点从根据本发明的证实设备的上述优点中得出。
在用于借助根据本发明的证实设备来证实两个电导体之间过电压的方法中，每个电导体与证实设备的至少一个印制导线电连接。此外，测量证实设备的第一印制导线的电阻，并且，当第一印制导线的电阻具有与过电压相对应的电阻值时，推断出电导体之间的过电压。根据本发明的方法实现借助于根据本发明的证实设备通过检测证实设备的印制导线的电阻来证实两个电导体之间的过电压。
特别地，该方法能够有利地用于证实电机、尤其旋转电机或变压器的绕组线圈处的过电压。在此，电导体之一是电机的绕组线圈并且另一电导体是电机的另一绕组线圈或接地导体。
附图说明
本发明的上述特征、特点和优点以及如何实现它们的方式和方法结合实施例的下面的描述在理解方面变得清晰和显而易见，该实施例结合附图来详细描述。在此示出：
图1示出用于证实过电压的证实设备的第一实施例，
图2示意地示出嵌入塑料基体中的填充材料的两个填充材料和填充材料的能带，
图3示出用于证实过电压的证实设备的第二实施例，
图4示出用于证实过电压的证实设备的第三实施例。
彼此相对应的部件在附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出用于证实两个电导体3、4之间的过电压的证实设备1的第一实施例。证实设备1包括一个印制导线载体5、三个加置在印制导线载体5上的印制导线7、8、9和一个用于证实第一印制导线7的电阻的测量设备13。
印制导线载体5由电绝缘的载体材料制成并且构造为薄板或构造为薄膜，其中，该载体材料用作为用于印制导线7、8、9的衬底。
第一印制导线7设置在第二印制导线8和第三印制导线9之间并且与第二印制导线8和第三印制导线9间隔开地布置。第一印制导线7的两个端部与测量设备13连接。
第二印制导线8和第三印制导线9分别垂直于第一印制导线7延伸。第二印制导线8的朝向第一印制导线7的端部和第三印制导线9的朝向第一印制导线7的端部分别构造为圆形的。
第二印制导线8与第一电导体3电连接，进而处于与第一电导体3相同的电势上。第三印制导线9与第二电导体4电连接进而处于与第二电导体4相同的电势上。
印制导线7、8、9设计和布置为，使得电导体3、4之间的预设的过电压引起在该第一印制导线7与第二印制导线8之间的和/或在第一印制导线7与第三印制导线9之间的部分放电15，该部分放电将第一印制导线7的电阻改变成与过电压对应的电阻值。为了证实过电压，测量第一印制导线7的电阻，并且当第一印制导线7的电阻具有该电阻值时，推断出存在过电压。
例如，印制导线7、8、9由复合材料17制成，该符合材料包括不导电的塑料基体19和嵌入其中的填充材料21，复合材料17由于该填充材料而是能导电的。
图2示意地示出这样构造的复合材料17的一个实施例的结构。塑料基体19由化学交联的热固性塑料或由热塑性塑料制成。例如，塑料基体19由环氧化物、硅树脂、聚氨酯或聚醚酰亚胺制成。
填充材料21具有能导电的填充材料颗粒23，该填充材料颗粒以大于逾渗阈值的概率占据由塑料基体19形成的晶格的晶格位置，复合材料17在该逾渗阈值之上是能导电的。填充材料颗粒23因此形成塑料基体19中的连贯的颗粒网，复合材料17由于该颗粒网而是能导电的。
填充材料21例如是掺杂有化学元素的n型导电的金属氧化物，该化学元素的原子序数在元素周期表中比金属氧化物的金属的原子序数高一。例如，填充材料21是掺杂锑的二氧化锡、掺杂猛的氧化铬、掺杂钴的氧化铁或掺杂镍的氧化钴。这种填充材料21在其制备时自身形成氧空位，该该氧空位用作载流子供体并且有助于填充材料21的良好的导电性。通过过电压引起的部分放电局部地加热填充材料21并且引起局部产生臭氧。通过温度升高和所形成的臭氧来氧化具有氧空位的填充材料颗粒23的表面边缘层25。由此，降低了填充材料21中的氧空位的数量并且降低了复合材料17的导电性，或者说提高了复合材料17的电阻。
图2示例性地并且示意地示出两个接触的填充材料颗粒23的剖面图，它们由掺杂锑的二氧化锡作为填充材料21地构造并且通过部分放电具有氧化的表面边缘层25。此外，图2示出填充材料21的沿着填充材料颗粒23的价带的价带上限EV、导带的导带下限EL和费米能级EF的曲线。通过填充材料颗粒23的氧化，提高了接触区域27中的价带上限EV和导带下限EL，在该接触区域中填充材料颗粒23的表面边缘层25彼此邻接。因此，在接触区域27中在导带中形成电子29的势垒，该势垒提高了复合材料17的电阻。
但是代替上述材料之一，填充材料21也能够是其他材料，例如无掺杂的n型导电的金属氧化物、掺杂氟或铟的n型导电的金属氧化物、覆层的或未覆层的云母、石英粉末、碳黑、石墨和/或金属、例如铜。在填充材料21是铜的情况下，填充材料颗粒23例如是片状铜粉。由碳黑、石墨或金属制成的填充材料颗粒23在部分放电的情况下不形成上述类型的表面边缘层25，而是在部分放电时发生氧化并且由此失去其导电性，从而提高了复合材料17的电阻。
替选地，代替由上述复合材料17之一构成，印制导线7、8由能导电的塑料、例如由聚苯胺(PANI)或由聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT:PSS)制成，该能导电的塑料的导电性通过部分放电降低或被破坏。
图3示出用于证实两个电导体3、4之间的过电压的证实设备1的第二实施例。该实施例与图1中实施例的区别在于：仅两个印制导线7、8加置在印制导线载体5上。在此，第一印制导线7与第一电导体3电连接并且第二印制导线8与第二电导体4电连接。此外，第一印制导线7与用于检测第一印制导线7的电阻的测量设备13电连接。
印制导线7、8设计和布置为，使得电导体3、4之间的预设的过电压引起第一印制导线7与第二印制导线8之间的部分放电15，该部分放电将第一印制导线7的电阻改变成与过电压对应的电阻值。为了证实过电压，测量第一印制导线7的电阻，并且当第一印制导线7的电阻具有该电阻值时，推断出存在过电压。
图4示出用于证实两个电导体3、4之间的过电压的证实设备1的第三实施例。该实施例与图1中示出的实施例的区别在于：五个印制导线7至11彼此间隔开地加置在印制导线载体5上。
第一印制导线7在印制导线在5的两个相对置的边缘之间大约在印制导线载体5的中间延伸。第一印制导线7的两个端部与用于检测第一印制导线7的电阻的测量设备13连接。
第二印制导线8和第四印制导线10与第一电导体3电连接并且垂直于第一印制导线7地在第一印制导线的第一侧上延伸。第二印制导线8和第四印制导线10的朝向第一印制导线7的端部分别构造为圆形的并且具有彼此不同的距第一印制导线7的间距。
第三印制导线9和第五印制导线11与第二电导体4电连接并且垂直于第一印制导线7地在第一印制导线7的与第一侧相对置的第二侧上延伸。第三印制导线9和第五印制导线11的朝向第一印制导线7的端部分别构造为圆形的并且具有彼此不同的距第一印制导线7的间距。
在图4中示出的实施例中，第二印制导线8和第三印制导线9的朝向第一印制导线7的端部的间距相同，并且第四印制导线10和第五印制导线11的朝向第一印制导线7的端部的间距同样相同。
印制导线7至11设计和布置为，使得电导体3、4之间的预设的第一过电压如在图4中示出的那样引起第一印制导线7与第三印制导线8之间的和/或第一印制导线7与第三印制导线9之间的部分放电15，并且电导体3、4之间的预设的大于第一过电压的第二过电压另外引起第一印制导线7与第四印制导线10之间的部分放电15，其中，由第一过电压引起的部分放电将第一印制导线7的电阻改变成与第一过电压对应的第一电阻值，并且由第二过电压引起的部分放电将第一印制导线7的电阻改变成与第二过电压对应的大于第一电阻值的第二电阻值。为了证实过电压，测量第一印制导线7的电阻。当第一印制导线7的电阻具有第一电阻值时，推断出存在第一过电压。当第一印制导线7的电阻具有第二电阻值时，推断出存在第二过电压。
因此，借助图4中示出的证实设备1能够证实两个不同的过电压。通过增加具有距第一印制导线7不同间距的印制导线8至11的数量，能够改变图4中示出的实施例，使得能够证实还更大数量的不同的过电压。
图3和4中示出的实施例的印制导线7至11分别由在图1中示出的实施例的上面描述中提到的材料之一制成。图1、3和4中示出的实施例的印制导线7至11例如分别具有大致100μm的厚度和在部分放电之前最高100kΩ的面电阻。印制导线7至11例如通过丝网印刷或点胶印刷方法加置到印制导线5上。
根据附图描述的证实设备1尤其适合于：证实电机、尤其旋转电机或变压器中的过电压。在此，电导体3、4中的至少一个是电机的绕组线圈。例如，这两个电导体3、4是多相旋转电机的两个不同的相的励磁绕组，或者两个电导体3、4之一是旋转电机的励磁绕组，并且另一电导体3、4是接地导体，或者两个电导体3、4之一是变压器的初级绕组或次级绕组，并且另一电导体3、4是接地导体。在此，电机的绕组线圈能够在绕组线圈的绕组端部处或在绕组内部中与至少一个印制导线7至11电连接。例如，印制导线7至11与电导体3、4经由开关柜的端子或接线盒的端子电连接。图中示出的类型的证实设备1能够用于彼此不同功率等级的电机，以便证实分别对应于一个功率等级的过电压。
尽管详细地通过优选的实施例详细地阐述和表述了本发明，然而本发明不受到所公开的实例的限制，并且能够由本领域技术人员从中推导出其他的变型形式，而没有偏离本发明的保护范围。
Claims (18)
1.一种用于证实两个电导体(3、4)之间过电压的证实设备(1)，所述证实设备(1)包括：
由电绝缘的载体材料制成的印制导线载体(5)；
至少两个印制导线(7至11)，彼此间隔开地安装在所述印制导线载体(5)上；和
测量设备(13)，用于检测第一印制导线(7)的电阻；
其中，每个电导体(3、4)与所述印制导线(7至11)中的至少一个电连接，没有所述印制导线(7至11)与两个所述电导体(3、4)电连接，并且所述印制导线(7至11)设计和设置为，使得所述电导体(3、4)之间的预设的过电压引起在所述第一印制导线(7)与和两个所述电导体(3、4)之一电连接的印制导线(8至11)之间的、改变所述第一印制导线(7)的电阻的部分放电(15)。
2.根据权利要求1所述的证实设备(1)，其特征在于，所述第一印制导线(7)布置在两个分别与两个所述电导体(3、4)之一电连接的印制导线(8至11)之间并且与这两个印制导线(8至11)间隔开地布置，并且所述第一印制导线不与两个所述电导体(3、4)之一电连接。
3.根据权利要求1所述的证实设备(1)，其特征在于，所述第一印制导线(7)与两个所述电导体(3、4)之一电连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的证实设备(1)，其特征在于，所述印制导线(7至11)由复合材料(17)制成，所述复合材料包括不导电的塑料基体(19)和嵌入所述塑料基体中的填充材料(21)，所述复合材料(17)通过所述填充材料而能导电。
5.根据权利要求4所述的证实设备(1)，其特征在于，所述填充材料(21)具有能导电的填充材料颗粒(23)，所述填充材料颗粒以大于逾渗阈值的概率占据由所述塑料基体(19)形成的晶格的晶格位置，所述复合材料(17)在所述逾渗阈值之上时是能导电的，其中，所述填充材料颗粒(23)的导电性由作用于所述填充材料颗粒(23)上的所述部分放电(15)降低。
6.根据权利要求4或5所述的证实设备(1)，其特征在于，所述填充材料(21)包含n型导电金属氧化物、覆层的或未覆层的云母、石英粉末、碳黑、石墨和/或金属。
7.根据权利要求4或5所述的证实设备(1)，其特征在于，所述填充材料(21)包含掺杂锑的二氧化锡和/或掺杂氟或铟的氧化锡。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的证实设备(1)，其特征在于，所述塑料基体(19)由化学交联的热固性塑料或由热塑性塑料制成。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的证实设备(1)，其特征在于，所述印制导线(7至11)由能导电的塑料制成。
10.根据权利要求9所述的证实设备(1)，其特征在于，所述印制导线(7至11)由聚苯胺或由聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺酸酯制成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的证实设备(1)，其特征在于，所述印制导线(7至11)分别具有大致100μm的厚度和在部分放电(15)之前最高100kΩ的面电阻。
12.根据前述权利要求中任一项所述的证实设备(1)，其特征在于，所述印制导线载体(5)设计为薄板或薄膜。
13.根据前述权利要求中任一项所述的证实设备(1)，其特征在于，两个所述电导体(3、4)中的至少一个与多个印制导线(7至11)电连接，其中，所述印制导线(7至11)设计和布置为，使得所述电导体(3、4)之间的不同的预设的过电压引起在所述第一印制导线(7)与不同的分别与两个所述电导体(3、4)之一电连接的多个印制导线(8至11)之间的部分放电(15)。
14.一种电机，具有用于证实两个电导体(3、4)之间的过电压的根据前述权利要求中任一项设计的证实设备(1)，其中，所述电导体(3、4)之一是所述电机的绕组线圈，并且另一所述电导体(3、4)是所述电机的另一绕组线圈或接地的导体。
15.根据权利要求14所述的电机，其特征在于，所述电机是旋转电机或变压器。
16.一种用于利用根据权利要求1至13中任一项设计的证实设备(1)来证实两个电导体(3、4)之间的过电压的方法，其中，
每个电导体(3、4)与所述证实设备(1)的至少一个印制导线(7至11)电连接，
测量所述证实设备(1)的第一印制导线(7)的电阻，
并且，当所述第一印制导线(7)的电阻具有与过电压相对应的电阻值时，推断出在所述电导体(3、4)之间存在过电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述电导体(3、4)之一是电机的绕组线圈，并且另一所述电导体(3、4)是所述电机的另一绕组线圈或接地的导体。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述电机是旋转电机或变压器。
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