CN113016041A - 用于电力系统的套管 - Google Patents

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Abstract

一种电力系统的套管(1)，所述套管包括：导体(3)和电容器芯(5)，其中，电容器芯(5)包括介电片(11)和设置在介电片(11)上的多个不相交的导电材料(9)的区域(9a，9a，9c)，其中，介电片(11)和导电材料(9)围绕导体(3)形成缠绕结构，其中，在至少一个区域(9b)中，导电材料(9)是半导体材料，其中，半导体材料围绕导体(3)延伸一圈以上，从而至少一个区域(9b)沿着径向方向具有重叠边缘(15，17)，并且其中，介电片(11)在重叠边缘(15，17)之间延伸，由此在重叠边缘(15，17)之间形成电容，该电容部分地由重叠边缘(15，17)的重叠长度限定并且该电容构成至少一个区域(9b)的谐振电路的部分，其中，重叠长度使得谐振电路具有包含在特快速暂态VFT频谱中的谐振频率。

Description

用于电力系统的套管
技术领域
本公开总体上涉及用于电力系统的套管。
背景技术
所谓的电容器类型的高压套管可具有大量(通常为20-100个)同心缠绕在中心导体上的电浮动金属箔。通过额外地使箔的轴向长度与内导体相距的径向距离成递减函数，可实现从高压内导体到接地凸缘的平稳电势梯度。这样，可以避免在套管内部以及套管表面由于局部过电压造成的有害放电。
除了在低频(通常为50-1000Hz)下提供所需的场渐变之外，箔系统还将在高频(通常在MHz范围内)下产生共振。基本上可以存在两种类型的共振。
1.轴向共振，其中，箔电流沿轴向方向流动。两个径向相邻的箔之间的小环形体积用作波导。所有不同的波导将在它们的端部处彼此耦合，从而形成一组耦合的谐振器。
2.方位共振，其中，箔电流沿方位角方向流动。箔两端之间的重叠会产生电容，然后与沿箔从其一端到另一端流动的方位角电流相关的电感一起形成简单的谐振电路。这些基本电路(每个箔一个)通过它们的互感彼此电感耦合，从而形成一组耦合谐振器。
第二种谐振可能会导致箔重叠间隙处出现瞬态过电压，因此被认为是导致套管在暴露于周围传输系统中高的特快速暂态(VFT)电平的情况下失效的可能原因之一。
处理VFT的一种方法是在缠绕过程中手动短路某些位置的每个重叠。如EP2541561中所公开，另一建议的解决方案是使重叠更短，或甚至完全去除该重叠，从而用方位角方向上的间隙代替它。这样，电容减小，因此谐振移到了比VFT频谱中的频率高得多的频率。两种方法都可以防止套管被损坏，但却不会影响VFT瞬态传播通过套管。
已设计出的第三种方法是使用由金属化纸制成的箔，该箔具有非常薄的导电层，如EP2180485中所述。由于电阻阻尼，应预期VFT会衰减。然而，极薄导电层的坚固性的实际问题使该概念难以实现。
发明内容
鉴于以上内容，本公开的目的是提供一种解决或至少减轻现有技术问题的套管。
因此，提供了一种用于电力系统的套管，该套管包括：导体和电容器芯，其中，电容器芯包括介电片和设置在该介电片上的、多个不相交的导电材料的区域，其中，介电片和导电材料在导体周围形成缠绕结构，其中，在至少一个区域中，该导电材料是半导体材料，其中，该半导体材料在导体周围延伸多于一圈，由此至少一个区域沿着径向方向具有重叠边缘，并且其中，介电片在重叠边缘之间延伸，从而在重叠边缘之间形成电容，该电容部分地由重叠边缘的重叠长度限定，并且该电容形成至少一个区域的谐振电路的部分，其中，重叠长度使得谐振电路具有包含在特快速暂态VFT频谱中的谐振频率。
因此，套管具有内置VFT阻尼性能。由于共振发生在VFT频率上，提高了欧姆加热和吸收性能。因此，如果分布的加热功率密度足够低而不会造成任何损坏，则套管将不那么容易受到瞬态过电压的影响。此外，该套管还将用作VFT滤波器，即，本质上是高频带截止滤波器，因此也有助于保护系统中的其他部件。
此外，该设计足够坚固，以机械且耐热地承受套管的制造过程。
重叠长度可基于要在其中安装套管的电力系统中的预期的可能VFT的频率来选择。
导电材料的区域形成围绕导体同心布置的多个场梯度层。
根据一个实施例，共振频率在0.5MHz到10MHz的范围内。许多VTF频谱都集中在该范围内。
根据一个实施例，谐振频率在1MHz至10MHz的范围内。
根据一个实施例，半导体材料具有在0.1-103Ω/平方的范围内的表面阻抗。
根据一个实施例，表面阻抗在1-103Ω/平方的范围内，优选在1-102Ω/平方的范围内。
根据一个实施例，导电材料在多个区域中是半导体材料，并且其中，在包括半导体材料的多个区域中的每个区域中，半导体材料围绕导体延伸超过一圈，由此这些区域中的每个区域均具有在各自的径向方向上的重叠边缘。
根据一个实施例，介电片在每对重叠边缘之间延伸，由此在这对重叠边缘之间形成相应的电容，这些电容形成相应区域的谐振电路的部分，其中，每对重叠边缘具有不同的重叠长度，该重叠长度设计成使得各谐振电路获得包含在VFT频谱中的唯一谐振频率。
因此，借助电容器芯的构造，可以滤出VFT的多个不同的可能的瞬态频率。由于各个谐振电路之间的互感耦合以及电阻阻尼，吸收频率将在有利的频率范围内成为相对平稳的函数。
根据一个实施例，每个谐振频率均在0.5至10MHz的范围内。
根据一个实施例，包括半导体材料的每个区域的半导体材料具有在0.1-103Ω/平方的范围内的表面阻抗，优选在1-103Ω/平方的范围内的表面阻抗，例如在1-102Ω/平方的范围内的表面阻抗。
根据一个实施例，在导电材料的至少一个区域中的导电材料是金属，例如铝。
根据一个实施例，介电片是纤维素基材料或诸如聚合物膜的膜。
根据一个实施例，导电材料的区域是介电片上的箔或涂层。在箔的情况下，箔可例如是铝箔。
根据一个实施例，套管是高压套管。
通常，除非本文另外明确定义，否则将根据术语在技术领域中的普通含义来解释在权利要求中使用的所有术语。除非另外明确指出，否则所有提及“一/一个/元件、设备、部件、装置等”应被解释为是指“元件、设备、部件、装置等”的至少一个实例。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明构思的特定实施例，其中：
图1示意性地示出了套管的示例的纵向截面；
图2示意性地示出了沿着图1中的线A-A的横截面；和
图3示出了图2的横截面中的套管的一部分的放大图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明构思，其中，示出了示例实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于这里阐述的实施例；而是这些实施例通过示例的方式提供，使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明构思的范围完全传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
图1示出了套管1的示例的纵向截面。套管1可例如是中压套管或高压套管。套管1可以被设计用于电力系统，例如电力传输系统或电力分配系统。
示例性的套管1包括导体3、电容器芯5和外壳体7。导体3在中心延伸穿过外壳体7。导体3是中心导体并且沿着套管1的中心纵轴线延伸。
电容器芯5布置在导体3周围。外壳体7容纳电容器芯5。电容器芯3包括由介电材料隔开的导电材料9的区域的多层。导电材料9层形成场梯度层。场梯度层被构造为提供从导体3到套管1的接地部分(通常是接地凸缘)的平稳的电势梯度。
场梯度层9具有轴向延伸，该轴向延伸随着与导体3相距的径向距离的增大而减小。
电容器芯5包括形成介电材料的介电片(图1中未示出)。介电片设置有多个不相交的导电材料9的区域。导电材料9的每个区域优选地布置在介电片的同一侧。设有导电材料9区域的介电片在制造过程中围绕导体3缠绕多圈，该导电材料9的这些区域从而形成场梯度层。因此，电容器芯5具有围绕导体3的缠绕结构。
导电材料可例如是箔，例如金属箔(例如铝箔)。电容器芯5可包括多个箔，并且每个箔可以形成导电材料9的相应区域。替代地，每个导电区域均可以是例如通过某种类型的沉积技术，例如喷涂或物理气相沉积提供的涂层。
图2示出了套管1沿线A-A的横截面。可以看出，电容器芯5包括设置有导电材料9a，9b，9c的区域的介电片11。介电片11围绕导体3缠绕多圈。导电材料9的区域中的至少一个区域围绕导体3缠绕一圈以上。因此，该区域在径向方向上具有导电材料9的重叠边缘或边缘部分15和17。尽管由于电容器芯5的缠绕结构而在图2所示的示意图中没有清楚地看到，但是介电片11的一部分设置在两个重叠边缘15和17之间。因此，由于导电材料9的两个重叠边缘15，17和布置在两个重叠边缘15，17之间的介电片11的夹心构造，获得了电容性耦合。
图3示出了图2中的环绕区域19的放大图。重叠边缘15和17在套管1的方位角或周向方向上具有重叠长度L。重叠长度L是区域9b的两个边缘或边缘部分15和17重叠的距离。由电容耦合形成的电容部分地由重叠长度L确定。因此，在设计阶段，可以基于重叠长度L选择电容。该电容与电感一起形成区域9b的谐振电路的部分，该电感与方位角电流相关，该方位角电流在套管1运行中沿着导电材料9的区域9b在方位方向或周向方向上流动，如箭头21所示。因此，通过适当地选择重叠长度L，谐振电路的谐振频率可以被调谐到期望的频率。
选择重叠边缘15和17的重叠长度L，使得谐振电路的谐振频率在针对套管1的特定应用的预期VFT频谱中。例如，VFT瞬态脉冲的典型形状被连接到系统的断路器的特定类型影响。通常，VFT脉冲的频谱由其形状确定，使得快速上升时间给出高频率极限，而较慢的下降时间给出低频率极限。在这些极限之间，频谱含量是频率的连续函数。VFT频谱通常包含在0.5MHz至10MHz的范围内，例如在1MHz至10MHz的范围内。
区域9b的导电材料9是半导体材料。半导体材料可具有在0.1-103Ω/平方的范围内的表面阻抗，例如在1-103Ω/平方的范围内的表面阻抗，优选在1-102Ω/平方的范围内的表面阻抗。可能的候选材料的示例是不同类型的薄导电结构，例如(i)具有高的长宽比的银纳米线的渗透网络，(ii)自组装和烧结的纳米颗粒膜，(iii)蚀刻的物理气相沉积(PVD)膜，(iv)印刷和烧结的纳米颗粒膜。同样，由非常薄的金属线制成的网也可提供所需的表面阻抗。
半导体材料提供欧姆加热并因此提供阻尼。由于特别选择的重叠长度L，谐振电路的谐振将在VFT频率处发生，并且该谐振将由半导体材料衰减。由此可提供对具有特定频率的VFT的有效过滤。
根据一种变型方案，多个区域9a-9c可以由导电材料形成，导电材料可以是半导体材料。每个区域9a-9c的半导体材料可具有在0.1-103Ω/平方的范围内的表面阻抗，例如在1-103Ω/平方的范围内的表面阻抗，优选在1-102Ω/平方的范围内的表面阻抗。在这种情况下，每个这样的区域9a-9c可围绕导体3延伸超过一圈。因此，在这种情况下，每个这样的区域9a-9c将具有重叠边缘。这些边缘之间的重叠长度可选择为，使得每个谐振电路获得包含在VFT频谱中的不同的谐振频率。以这种方式，由于谐振电路之间的电感耦合以及电阻阻尼，VFT频率的连续范围可能会衰减并被滤除。在这种情况下，套管1将充当多频带阻滤波器。
以上主要参考一些示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员应易理解，在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内，除了上面公开的实施例以外的其他实施例也是可能的。

Claims (12)

1.一种用于电力系统的套管(l)，所述套管包括：
导体(3)，和
电容器芯(5)，
其中，所述电容器芯(5)包括介电片(11)和多个不相交的导电材料(9)的区域(9a，9a，9c)，所述导电材料的区域设置在所述介电片(11)上，其中，所述介电片(11)和所述导电材料(9)围绕所述导体(3)形成缠绕结构，
其中，在至少一个区域(9b)中，所述导电材料(9)是半导体材料，其中，所述半导体材料围绕所述导体(3)延伸多于一圈，从而所述至少一个区域(9b)在径向方向上具有重叠边缘(15，17)，并且
其中，所述介电片(11)在所述重叠边缘(15，17)之间延伸，从而在所述重叠边缘(15，17)之间形成电容，所述电容部分地由所述重叠边缘(15，17)的重叠长度(L)限定，并且所述电容连同与方位角电流相关的电感一起形成所述至少一个区域(9b)的谐振电路的部分，所述方位角电流在所述套管(1)的运行中在方位角方向或周向方向上沿着导电材料(9)的至少一个区域(9b)流动，其中，所述重叠长度(L)使得所述谐振电路具有包含在特快速暂态VFT频谱中的谐振频率，其中，所述谐振频率在0.5MHz至10MHz的范围内。
2.根据权利要求1所述的套管(1)，其中，所述谐振频率在1MHz至10MHz的范围内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的套管(1)，其中，所述半导体材料具有在0.1-103Ω/平方的范围内的表面阻抗。
4.根据权利要求3所述的套管(1)，其中，所述表面阻抗在1-103Ω/平方的范围内，优选在1-102Ω/平方的范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的套管(1)，其中，在多个区域(9a，9b，9c)中，所述导电材料(9)是半导体材料，并且其中，在包含半导体材料的所述多个区域(9a，9b，9c)中的每个区域中，所述半导体材料围绕所述导体(3)延伸多于一圈，从而这些区域(9a，9b，9c)中的每个区域在各自的径向方向上具有重叠边缘。
6.根据权利要求5所述的套管(1)，其中，所述介电片(11)在各对重叠边缘之间延伸，从而在所述重叠边缘的对之间形成相应的电容，所述电容形成相应的区域(9a，9b，9c)的谐振电路的部分，其中，每对重叠边缘具有不同的重叠长度，所述不同的重叠长度设计为使得每个谐振电路获得包含在所述VFT频谱中的唯一的谐振频率。
7.根据权利要求6所述的套管(1)，其中，每个谐振频率在0.5MHz至10MHz的范围内。
8.根据权利要求6或7所述的套管(1)，其中，每个区域的所述半导体材料包含：具有在0.1-103Ω/平方的范围内、优选在1-103Ω/平方的范围内、例如1-102Ω/平方的表面阻抗的半导体材料。
9.根据前述权利要求中任一项所述的套管(1)，其中，在至少一个所述导电材料的区域中，所述导电材料是金属，例如是铝。
10.根据前述权利要求中任一项所述的套管(1)，其中，所述介电片(11)是纤维素基材料或膜，例如聚合物膜。
11.根据前述权利要求中任一项所述的套管(l)，其中，所述导电材料的区域(9a，9b，9c)是所述介电片(11)上的箔或涂层。
12.根据前述权利要求中任一项所述的套管(1)，其中，所述套管(1)是高压套管。
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