CN113196421B

CN113196421B - 电气套管

Info

Publication number: CN113196421B
Application number: CN201980081843.XA
Authority: CN
Inventors: S·潘契什尼; S·海尔伯利; M·尤金斯特
Original assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: EP3667684A1; US20220037062A1; US11837382B2; CN113196421A; KR102595990B1; KR20210087997A; WO2020120671A1

Abstract

用于中压和高压的电气套管(100)，其包括介电套管主体、延伸穿过所述套管主体并被所述套管主体电绝缘的导体(110)、沿着所述导体(110)长度的至少一部分同心地围绕导体(110)布置的至少一个导电箔(120)以及至少部分覆盖所述导电箔(120)的边缘区域(140)的屏障层(200)，其中所述屏障层(200)的介电强度大于所述介电套管主体的介电强度并且大于150kV/mm。

Description

电气套管

技术领域

本公开的实施例涉及在中压和高压技术领域中操作的电气套管。此外，本公开的实施例涉及包括所述电气套管的电力中压或高压设备以及涉及包括所述电气套管的中压或高压电力传输和分配系统。

背景技术

电气套管是一种绝缘装置，用于通过接地屏障(诸如变压器外壳、建筑墙体或类似物体)安全传导电流。特别地，高压套管用于携载高电位的电流通过与电流路径不同电位的接地屏障。为了改进高压套管的性能，从而使导体与接地屏障之间的电场分布平滑，套管可以包括围绕高压导体并由介电绝缘材料分开的薄同轴箔或网。箔可以由金属或具有足够高导电性的任何其他材料制成，例如具有导电填料的塑料。这些箔可以在缠绕过程中插入以形成所谓的电容器芯。或者，可以使用例如印刷技术，将导电层直接施加在间隔材料上。在这两种情况下，这些金属箔或导电层产生电容效应，电容效应导致中心高压导体与接地层或凸缘之间更均匀的径向电场分布。这降低了介电失效的风险。

然而，在高压套管结构中使用薄导电层会导致层边缘附近显著的场增强。与层之间的平均场相比，局部场增强可以高达几十倍甚至几百倍。

众所周知，套管电容器芯的箔边缘处的电场可以通过作用于箔边缘来分级。例如，EP2375423A1公开了一种套管，其中导电箔的一部分边缘包括与所述箔电接触的场分级材料(FGM)，例如聚合物复合材料。因此，在箔边缘处的电场在高于场分级材料的电场阈值的局部电场强度下由FGM分级。

另一方面，US4370514A公开了一种具有双层箔的套管，双层箔包含导电层和具有高介电常数的绝缘层。双层箔在箔边缘处被折叠，使得绝缘层包围导电层从而提高套管承受部分电晕放电和浪涌电压的能力。

虽然这些文献描述了使用例如在介电常数方面具有特定性质的材料有效降低套管边缘处的场应力的装置，但是它们都没有解决箔边缘与绝缘材料之间相当弱的电和机械界面的问题。通常认为，干式电容式套管的主要介电失效模式是由于尖锐边缘的存在而在所述导电层的边缘引发的破坏性放电。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种电气套管、电力中压或高压设备以及中压或高压电力传输或分配系统，其可以解决上述一个或多个问题以及本领域的其他问题，以特别防止放电引发，而不影响套管本身的物理属性。

所述目的通过相应独立权利要求的特征来实现。在相应的从属权利要求中限定了另外的实施例。

根据本公开的一个实施例，提供了一种用于中压和高压的电气套管。电气套管包括介电套管主体、延伸穿过套管主体并被套管主体电绝缘的导体、沿导体长度的至少一部分同心地围绕导体布置的至少一个导电箔以及至少部分覆盖所述导电箔的边缘区域的屏障层。特别地，屏障层的介电强度大于介电套管主体的介电强度并且大于150kV/mm，并且其中，屏障层包括聚酰亚胺材料，聚酰亚胺材料包括Kapton、Apical、Upilex等。根据该配置，介电强度在高达200℃的温度范围内保持在特定条件内(例如，大于150kV/mm)。该温度范围的下限无关紧要，但如有必要，下限可被定义为室温(20℃)。

术语“用于中压和高压的电气套管”是指额定电压≥1kV，优选≥52kV的套管。

这样，可以处理导电箔边缘的尖锐表面的问题，而不会强烈改变套管的物理和结构属性。事实上，屏障层可以仅覆盖边缘区域的有限部分，并且可以直接或紧邻具有尖锐轮廓的关键边缘放置。因此，并不严格要求例如通过折弯导电箔作用于边缘的曲率，这肯定会增加总尺寸或影响套管的分级质量。

屏障层由具有高介电和热耐受、机械和化学抵抗力的材料制成。具体地，屏障层具有大于特定值的介电强度以便建立保护屏障来抑制可能的放电通道引发。根据本公开，介电强度，即套管的主要绝缘材料的介电强度肯定大于主体的介电强度，并且特别地，可以大于150kV/mm。在某些情况下，介电强度可以大于250kV/mm，甚至大于300kV/mm。如上所述，在高达200℃，甚至高达300℃的宽的温度范围内满足这些高介电耐受应力值。在聚合物材料的情况下，玻璃化转变温度应当高于250℃，甚至350℃。这与使用玻璃化转变温度低于160℃的材料的现有技术系统明显不同。由于所选择的材料及其材料属性，可以达到这些高介电强度值。

上述值优选地是指AC介电强度。然而，同样的概念还适用于任何类型的电压，即，DC电压或AC和DC电压的组合。

仅将这种屏障层施加到导电箔的边缘区域的有限部分会影响高压套管的尺寸。事实上，以此方式，可以设计具有更单薄轮廓的电气套管。这使得材料成本降低，同时改善热性能。由于主要热量在套管中间的金属导体中释放，因此，由于对流，冷却主要在套管的外表面向周围介质(诸如空气或油)发生。绝缘体的导热性，例如与金属相比很低。因此，在相同电流下，厚套管中的导体将比薄套管中的导体温度高。

有利的是，根据本申请的电气套管的配置使得由于微小缺陷等的存在而降低对边缘加工质量的敏感性成为可能，并且确定增加整个系统的可靠性。

应当注意，导电箔的边缘与基体材料之间的界面通常由环氧树脂与一些间隔材料(例如，纸、聚合物织造或非织造材料)以及可选的无机填料制成。因此，由于在所谓的“三交点”(三种或更多具有不同介电常数的材料相遇的位置)中存在其他材料，额外增强边缘处的电场。根据本公开使用屏障层覆盖导电箔的边缘区域大大降低了由于通过排除三交点的电场均匀化以及由于屏障层的优异介电耐受而导致的放电开始的风险。

根据本公开的一些实施例，其可以与本文描述的其他实施例结合，屏障层可以是施加到导电箔的边缘区域的带状层。

这样，可以轻易地将屏障材料施加到箔边缘处的关键部分。基于这些情况，带状层可以施加于整个边缘轮廓或仅施加于导电箔的边缘区域的一些特定部分。此外，由带状层覆盖的边缘区域的尺寸可以基于必要性和箔边缘的结构特性而变化。例如，导电箔的边缘与施加到箔上并覆盖边缘区域的带状层的内边界之间的距离d可以具有1mm和5mm之间的平均值。当然，覆盖区域还可以沿着箔的整个长度延伸。

特别地，带状层可以包括功能层和至少部分覆盖所述功能层的粘合层。功能层具有根据本公开的屏障层的物理和化学属性。换句话说，功能层由介电强度大于套管主体的介电强度，特别是大于150kV/mm的材料制成。粘合层可以存在于功能层的两侧或仅一侧上，并且基本上用于将功能层附接到导电箔的边缘区域。粘合层可以由任何合适的粘合材料制成。粘合层的厚度不能超过500μm。优选地，粘合层的厚度可以小于150μm，最优选小于30μm。

根据本公开的另一实施例，屏障层可以是施加到导电箔的边缘区域的涂层。这可以使用已知的涂覆技术来执行。这样，屏障层可以均匀或不均匀地沉积在关键边缘区域上。最重要的是，这使得可能被薄的和/或不规则的涂层干扰的箔位置规则。此外，屏障层没有通过使用诸如如上所述的粘合层等额外材料来增加边缘区域的厚度。这减小了套管的尺寸和总重量。可以使用介电强度大于介电套管主体的介电强度，特别是大于150kV/mm的液体材料元件进行涂覆。

基于这些情况，屏障层可以涂覆在整个边缘轮廓上或者仅涂覆在导电箔的边缘区域的一些特定部分中。此外，涂覆有屏障层的边缘区域的尺寸可以根据必要性和箔边缘的结构特性而变化。例如，导电箔的边缘与涂覆边缘区域的内边界之间的距离d可以具有1mm和5mm之间的平均值。当然，涂覆区域还可以沿着箔的整个长度延伸。

可以将这种涂覆技术与上述应用带状层作为屏障层的技术组合。例如，一些导电箔可以包括由带状层形成的屏障层，其他导电箔可以包括由涂层形成的屏障层。

如上所述，屏障层可以包括聚酰亚胺材料，诸如Kapton、Apical、Upilex等。原则上，满足上述关于介电强度要求的任何材料均可以用于屏障层。

根据本公开的一些实施例，其可以与本文描述的其他实施例结合，屏障层的厚度可以小于500μm，优选地小于100μm。这样，屏障层的存在不会严重影响电气套管的总尺寸以及总重量。需要指出的是，厚度是指如上所述的具有介电强度属性的层。例如，关于与使用带状层相关的实施例，这些最大厚度值优选地是指功能层并且不包括粘合层。最重要的是，上述厚度值可让箔缠绕更规则。

根据本公开的一些实施例，其可以与本文描述的其他实施例结合，导电箔的边缘区域可以包括外边缘表面和内边缘表面，其中屏障层至少部分覆盖外边缘表面和内边缘表面两者。术语“外边缘表面”和“内边缘表面”是在此背景下是相对于电气套管的内芯而言。换句话说，“内边缘表面”由导电箔在边缘区域的面向套管的内部(例如面向延伸穿过套管的导体)的表面限定。另一方面，“外边缘表面”由导电箔在边缘区域的与内边缘表面相反的面向套管的外部(例如外部覆层元件)的表面限定。这样，屏障层覆盖导电箔的边缘区域的两侧(内表面和外表面)。屏障层可以相对于箔的一侧或另一侧在不同点，即，在离边缘不同的距离处覆盖导电箔的边缘区域。例如，这在导电层的一侧包含比另一侧更多的微缺陷的情况下可能是有用的。因此，屏障层可以在边缘区域覆盖导电箔的一侧上较宽，即较深的区域并且覆盖导电箔的另一侧上较窄，即较浅的区域。

特别地，屏障层可以包括围绕导电箔的边缘区域折叠的U形单层。因此，U形单层包括两个末端，其中一个末端与导电箔的边缘区域的内边缘表面接触，且另一个末端与导电箔的边缘区域的外边缘表面接触，使得屏障层围绕导电箔的关键尖锐边缘折叠。在这种情况下，屏障层被配置避免在屏障层的折叠部分中存在滞留空气。这种配置在建立保护屏障以抑制放电通道引发方面可有有效结果，而不会大程度地增加电气套管的尺寸和制造成本。

根据本公开的另一实施例，屏障层包括夹持导电箔的边缘区域的两个分离的子层。两个子层可以彼此平行或几乎平行布置。在这种情况下，不存在屏障层的折叠部分，并且完全避免了滞留空气的风险。

根据本公开的另一实施例，边缘区域可以包括外边缘表面和内边缘表面，其中屏障层仅覆盖外边缘表面或内边缘表面的其中一个。这样，可以减少用于抵御放电通道引发的屏障的材料。

根据本公开的一些实施例，其可以与本文描述的其他实施例结合，导电箔的边缘区域可以向后折叠，其中屏障层至少部分覆盖所述折叠边缘区域。这样，进一步减少与导电箔的尖锐边缘相关的问题。应当注意，虽然折叠的导电箔会增加边缘区域的厚度，但是屏障层仅覆盖边缘区域处的所述折叠箔的有限部分。如上所述，覆盖区域可以从箔的边缘延伸1mm或更多。因此，相对于具有几乎相当的可靠性的现有装置，根据本申请的电气套管具有减轻的重量和减小的尺寸。

根据本公开的一些实施例，其可以与本文描述的其他实施例结合，套管可以包括多个同心地布置的导电箔，每个导电箔在导电箔的一侧具有第一边缘区域并且在导电箔的相对侧具有第二边缘区域，其中屏障层覆盖每个导电箔的第一边缘区域和第二边缘区域。应当注意，在具有多个导电箔的配置中，基于上述实施例的任何可能组合，单个箔可完全以相同方式或以不同方式被屏障层覆盖。例如，一个或多个导电箔可以被作为屏障层的带状层覆盖，而同一电气套管的其他导电箔可以被涂覆的屏障层覆盖。同样地，一些导电箔可以包括覆盖箔的两侧(内边缘表面和外边缘表面)的屏障层，而其他导电箔可以包括仅覆盖箔的一侧(内边缘表面或外边缘表面)的屏障层。例如，在具有多个同轴导电箔的配置中，屏障层可以仅覆盖每个箔的内边缘表面的部分或者仅覆盖每个箔的外边缘表面的部分。在另一配置中，屏障层可以交替地覆盖箔的外边缘表面和内边缘表面。此外，一些导电箔可以包括折叠的屏障层，而其他导电箔可以包括未折叠的屏障层。

根据本公开的另一实施例，提供一种电力中压或高压设备，其包括根据上述任一实施例的电气套管。

特别地，电力中压或高压设备可以选自包括干式变压器、油浸变压器、凝胶变压器和充气变压器的组。

根据本公开的再一实施例，提供一种中压或高压电力传输或分配系统，其包括根据上述任一实施例的电气套管。

附图说明

为了能够详细理解本公开的上述特征，可以参考实施例对上文简要概括的本公开进行更具体的描述。附图涉及本公开的实施例并且在下文中描述：

图1示出了根据本公开的电容式套管的示意图；

图2示出了具有屏障层的导电箔的示意图；

图3A示出了具有U形折叠屏障的三个导电箔的示意图；

图3B示出了具有仅覆盖每个箔的边缘区域的内边缘表面的屏障层的三个导电箔的示意图；

图3C示出了具有由两个子层形成的屏障层的三个导电箔的示意图；以及

图3D示出了具有向后折叠的边缘区域的三个导电箔的示意图，其中屏障层是U形折叠屏障。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的各实施例，其一个或多个示例在附图中示出。在以下对附图的描述中，相同的附图标记是指相同的部件。仅描述关于各个实施例的差异。每个示例都是作为对本公开的解释而提供的，并不意味着对本公开的限制。此外，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于其他实施例或与其他实施例结合使用，以产生又一个实施例。所述描述旨在包括这样的修改和变化。

图1示意性地示出了套管100，其包括中空的细长绝缘体或套管主体105，导体110延伸穿过套管主体105。在导体110的每一端，设置电端子112用于将导体110连接到电气系统或装置。套管100还包括电容器芯115。在图1中，导体110已经被示出为形成套管100的一部分。然而，一些套管100不包括导体110，而是包括在导体110可以插入的导体位置中的管状孔。导体110可以是实心元件或中空金属管。

电容器芯115包括由介电绝缘体123隔开的多个箔120。介电绝缘体123通常由固体绝缘材料制成，诸如油或树脂浸渍纸或者编织或非编织合成材料。箔120通常同轴布置，并且可以例如由铝或其他导电材料制成。箔120可以与介电材料结合，或者与介电材料分离。箔与介电材料的结合可以例如借助真空金属化工艺或者通过向介电材料施加导电油墨来实现。电容器芯115可以例如是圆柱形或具有圆锥形端部的圆柱形，如图1所示。箔通常是圆柱形的。通常，外部箔120的轴向长度小于内部箔120的轴向长度。

图1的套管还包括凸缘125，绝缘体105附接到凸缘125。凸缘125可用于将套管100连接到导体110延伸穿过的平面130。如图1所示，凸缘125通常通过连接135电连接到最外面的导电箔120。平面130可以接地，或者可以具有不同于地的电位。

当套管100在使用时，电容器芯115充当分压器，并且在电容器芯115内大致均匀地分布场。

如图1所示，每个导电箔120在导电箔120的一侧(图中的右侧)具有第一边缘区域140’并且在导电箔120的相对侧(图中的左侧)具有第二边缘区域140”。屏障层200(图中未示出)覆盖每个导电箔120的第一边缘区域和第二边缘区域140’，140”两者。

图2示出了根据本公开的电气套管100的单个导电箔120的示意图。该图特别示出了箔120的边缘部分140相对于导体110的位置的细节。屏障层200覆盖箔120的边缘区域140以便抑制在这个区域140中由于导电箔120的尖锐边缘导致的放电通道引发。边缘区域140包括在导体110方向上的内边缘表面142和在箔120相反侧的外边缘表面141。根据图2所示的示例，屏障层200在边缘区域140覆盖导电箔120的外边缘表面和内边缘表面141，142。

在图2中，边缘区域140中的屏障层200的内边界与导电箔120的边缘之间的距离用d表示。该距离的值可以基于箔特性进行选择。优选地，距离d的平均值在1mm和5mm之间。在图中，距离d对于外边缘表面和内边缘表面141，142是相同的。然而，外边缘表面141处的距离可以不同于内边缘表面142处的距离。另外，图2示出了一种配置，其中屏障层200突出于导电箔120的边缘。箔120的边缘与外部突起之间的距离用p表示。突起p的值可以基于屏障层200的不同结构特性而不同。

如图2所示，屏障层200仅覆盖边缘区域140的有限部分，并且可以直接或紧邻导电箔120的具有尖锐轮廓的关键边缘放置。屏障层200由具有高介电耐受的材料制成。具体地，屏障层200具有大于特定值的介电强度以便建立保护屏障来抑制可能的放电通道引发。根据本公开，介电强度在高达200℃的宽的温度范围内大于150kV/mm。如果是聚合物材料，玻璃化转变温度应当高于250℃。

图3A、图3B、图3C和图3D示出了覆盖导电箔120的边缘区域140的屏障层200的不同结构配置。

根据图3A，屏障层200包括围绕导电箔120的边缘区域140折叠的U形单层。折叠的屏障层200覆盖外边缘表面141和内边缘表面142两者。该配置可以例如使用围绕边缘区域140折叠的带状层来实现，其中带状层200的两个末端分别附接到边缘区域140的外边缘表面141和内边缘表面142。

根据图3B，屏障层200包括仅覆盖每个导电箔120的内边缘表面142的部分的单层。

根据图3C，屏障层200包括第一子层201和第二子层202。这些子层彼此分开并且夹持箔120的边缘区域140。特别地，第一子层201覆盖外边缘表面141的部分，而第二子层202覆盖内边缘表面142的部分。两个子层可以具有相同的长度或者可以是不同的长度。

图3D示出了一种配置，其中导电箔120具有向后折叠的边缘区域143。特别地，每个箔120的边缘弯曲到其自身。屏障层200包括围绕导电箔120的边缘区域140折叠的U形单层。和图3A相同，折叠的屏障层200覆盖外边缘表面141和内边缘表面142。当然，屏障层200可以是如图3B和/或图3C所示的任何配置。

应当注意，图3A至图3D示出了屏障层200相对于导电箔120的边缘区域140的不同配置。特别地，应当注意，距离d和突起p基于不同配置而变化。例如，图3A的配置中的距离d可以比图3C的距离d长。另一方面，图3A的配置中的突起p可以比图3C的突起p低。

根据本公开的实施例具有数个优点，其包括特别通过降低箔边缘附近的局部或破坏性放电开始的风险改进电气套管性能的可能性。此外，根据本公开的装置具有降低材料成本并同时改进热性能的优点。

尽管前述内容针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设计本公开的其他和进一步的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims

1.用于中压和高压的电气套管(100)，所述套管包括：

介电套管主体；

导体(110)，延伸穿过所述套管主体并且被所述套管主体电绝缘；

至少一个导电箔(120)，沿着所述导体(110)长度的至少一部分同心地围绕所述导体(110)布置；以及

屏障层(200)，至少部分覆盖所述导电箔(120)的边缘区域(140)，

其中，所述屏障层(200)的介电强度大于所述介电套管主体的介电强度并且大于150kV/mm，并且其中，所述屏障层(200)包括聚酰亚胺材料，聚酰亚胺材料包括Kapton、Apical或Upilex，在高达200℃的温度范围内保持大于150kV/mm的介电强度值，

其中，所述屏障层(200)是施加到所述导电箔(120)的边缘区域(140)的带状层；

其中，所述带状层包括功能层和至少部分覆盖所述功能层的粘合层；

其中，所述粘合层存在于所述功能层的两侧上，并且

其中，所述屏障层(200)包括夹持所述导电箔(120)的边缘区域(140)的两个分离的子层(201，202)。

2.根据权利要求1所述的电气套管(100)，其中，所述屏障层(200)具有小于100μm的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的电气套管(100)，其中，所述导电箔(120)的边缘区域(140)向后折叠，所述屏障层(200)至少部分覆盖所述折叠的边缘区域(140)。

4.根据权利要求1或2所述的电气套管(100)，其中，所述电气套管(100)包括多个同心地布置的导电箔(120)，每个导电箔(120)具有在所述导电箔(120)的一侧的第一边缘区域(140’)和在所述导电箔(120)的相对侧的第二边缘区域(140”)，其中所述屏障层(200)覆盖每个导电箔(120)的第一边缘区域和第二边缘区域(140’，140”)。

5.一种电力中压或高压设备，包括根据权利要求1至4中任一项所述的电气套管(100)。

6.根据权利要求5所述的电力中压或高压设备，选自包括干式变压器、油浸变压器、凝胶变压器和充气变压器的组。

7.一种中压或高压电力传输或分配系统，包括根据权利要求1至4中任一项所述的电气套管(100)。