CN1138233A - 电气部件 - Google Patents

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Abstract

一种电气部件具有一个能承受高电压的导电体(2)和一个可以与地电位连接的导电外壳(1、5)，此外壳围绕导电体(2)而且导电体(2)可由此外壳引出。在介于导电体(2)和外壳(1)之间的空间安装了绝缘物(3、4)。此外，还设置了控制导电体(2)作用在绝缘物(3、5)上电场的某些介质。这些介质含有介电常数随温度上升而非线性加大的介电材料。

Description

电气部件
本发明涉及的是一种电气部件，此部件有一个可承受高电压的导电体，一个可接地电位的导电外壳—此外壳围绕导电体而且导电体由此外壳引出—具有一个安装在导电体与外壳之间的绝缘层并且有控制导电体作用在绝缘层上的电场的介质。这样一种部件在一个或若干个部位由于几何结构的原因，其电场特别强。局部强电场一般采用控制元件消除。从而在部件中可以得到较均匀的电场分布。
这种部件可以是有外壳的设备或有外壳的装置，譬如母线槽、电气开关、绝缘套管或过压保护器、气体绝缘开关设备的一部分。这种部件也可以是一个电缆末端或变压器或一个旋转电机的一部分如勒贝儿杆。
上述形式的部件例如在专利DE-A-40 15 929，DE-A-40 07 335A和DE-A-40 07 337中已有叙述。
在DE-A-40 15 929中所述部件是一个有金属外壳的气体绝缘高压设备的一部分，在此设备上在金属外壳内安装的一个通高压的导电体经一绝缘子支承在金属外壳上。此绝缘子具有不仅与导电体而且也与金属外壳相接触的由导电塑料制成的电场控制元件。借此可以防止导电体和金属外壳在绝缘子绝缘材料上力学的强负荷过渡区中出现强电场并且可转移到导电塑料与绝缘材料毗连的过渡区。
专利DE-A-40 07 335和DE-A-40 07 337中所述部件在有金属外壳的气体绝缘的装置中安装一个由高介电常数材料制成的环状或片状绝缘子。借此，通过适当选择介电常数可使绝缘子中的电场强度均匀。这种绝缘子的制造是比较昂贵的。
P.N.Nelson和H.C.Hervig在“用于原电压电缆终端的高介电常数材料”(IEEE Transactions on Power Apparatus andsystems，vol，PAS-103，No.11，November 1984中描述了一种电缆末端，在此末端采用由填充炭黑的聚合物制成的套管使电缆屏蔽区中出现的强电场变得均匀。在电场增强时填充炭黑的聚合物介电常数增大，从而减小了电场强度。在聚合物中炭黑含量不可过高，因为否则在电缆中的损耗将变得过大。此外，由此还可使介电强度下降，因为基于炭黑颗粒结构的介电常数一般不是各向同性的。
本发明的任务是提出一种本文开始所述类型的部件，此部件可容易制造，并且在其绝缘层和绝缘层与导电部分之间的过渡区内的介电负荷是小的。
根据本发明此部件的特征在于，经适当选择绝缘材料和/或一种影响绝缘性能的控制元件以简单方式实现电场均匀并且避免部件的局部介电过载。借此可以大大增加部件的使用寿命和可靠性。本发明部件的这种优良性能是建立在围绕导电部分的绝缘层中局部电场的增强引起局部温度上升的基础上。使用常规绝缘层可能出现不允许的高电场强度因而相应地出现高温的部位，然而采用一种适当的介电材料或者在强电场区中绝缘层上安装这种材料，这种材料的温度就以可允许的方式上升并且由此而使该材料的介电常数同时以非线性方式迅速上升。这样，局部强电场迅速下降，从而实现此部件介电负荷的降低。
此外，可以用简单的方法制造这样一种部件，并且与一个尺寸相仿然而为使电场均匀而用高介电常数材料制造的部件相比，这种部件具有较小的损耗和较高的介电强度。
一般用聚合物例如热塑性塑料和/或热固性塑料和/或弹性体塑料作为基体。但有时也可以用无机材料作为基体，例如玻璃、陶瓷、如用ZrO2、石英、地质聚合物和/或金属为主体。基体主要是用固体材料制造的，但有时也可以是液体。一般基体是无源的，但也可以是有源的，就是说这样选择材料，使基体用结构变化以有源方式对温度变化(聚乙烯)、压力(弹性体材料或有可变形的微粒、如空心球、填充的热塑料)、或电场(压电聚合物如聚偏氟乙烯)作出反应。
所用填料优选含有颗粒结构的微粒，其典型的平均直径尺寸达数百微米(μ)，这种微粒或者用粉碎烧结陶瓷或多晶半导体的方法或者用喷雾干燥悬浮液或溶液并经煅烧或烧结的喷雾干燥微粒的方法制造。这些微粒可以是铁电体的或者是反铁电体的，并且主要是铋酸盐、铌酸盐、钪酸盐、锡酸盐、钽酸盐、钛酸盐、锆酸盐、亚锰酸盐、亚铼酸盐、亚碲酸盐、氧化钨(VI)或氧化镓(VI)单独的或以混合物形式以及掺杂的或不掺杂的。所用微粒也可以由掺杂的金属氧化物或金属碳化物，如SiC、TiO2或ZnO和/或由BaTiO3、SrTiO3、InSb、GaAS或Si所组成。
下面借助附图进一步阐述本发明的优选实施例和由此得到的其它优异性能。这些附图是：
图1以透视图示出根据本发明的一段有金属外壳的气体绝缘装置的管状结构部件，具有一个在接通高压的导电体与一个接地金属外壳之间安置的空心圆柱状结构的绝缘层；
图2用曲线示出以导电体半径r1为单位，在图1所示部件中温度T[℃]沿径向的分布；
图3用曲线示出以导电体半径r1为单位，在图1所示部件和在一个代表现有技术水平的部件中，以任意单位给出的在导电体与接地金属外壳之间电场强度沿径向的分布；
图4用曲线示出在图1所示部件中，所用介质材料的介电常数ε与温度T[℃]的函数关系；
图5是根据本发明一个含有电缆末端的部件中，借助用实线表示的等电位面给出电缆末端的介电特性；
图6用曲线示出图5所示部件与对比部件绝缘层外表面上电位的高低与这种部件和对比部件的屏蔽距离d的函数关系；和
图7用曲线示出图5所示部件采用的介质材料的介电常数ε与温度T[℃]的函数关系。
图1示出所制成的一段有金属外壳的气体绝缘装置的部件，具有一个在半径为r2的管状金属外壳1的轴上安装的半径为r1的连通高压的导电体2。一般金属外壳1内充有绝缘气体，例如SF6，典型气压为数巴(bar)。在导电体上可以加数值介于数KV至1000MV的电压。由金属外壳1固定的空心圆柱绝缘子3建立起金属外壳与导电体之间的绝缘。
绝缘子3是一个以环氧树脂为基础的填充聚合物的绝缘体，在聚合物中混入了占体积百分比为10-60，优选为30的填充物BaTiO3，其平均颗粒大小有数μm，例如2μm。
在有金属外壳的气体绝缘装置运行期间，由于欧姆损耗导电体2可加热到最大允许的工作温度105℃，而金属外壳1实际上保持在环境温度上。在图2中示出了导电体2与接地金属外壳1之间的温度T[℃]的分布曲线。显然，绝缘子3在导电体2的范围内(r1/r1＝1)热负荷最大，而在金属外壳1的区域内(r2/r1)热负荷最小。
在采用现有技术水平的部件装备的装置工作期间，此部件有一个以环氧树脂为主体和Al2O3为填料的聚合物制成的绝缘子，在导电体2的范围内电场E最大，并向金属外壳1的方向迅速减少(见图3)。因此在采用现有技术的部件中绝缘子3靠近导电体2的区域热负荷和介电负荷都特别强。
在采用本发明的部件装备的装置工作期间，绝缘子3的介电材料在导电体2范围内升温最高。绝缘子材料是这样选择的，即其介电常数ε—与图4的曲线相符合—随温度的上升呈非线性增加，并且在温度为105℃时与室温相比增加了25％以上，而且在温度为120℃时已大于50％。因此电场由导电体2向导电体与金属外壳之间的空间推移。从而使导电体与金属外壳间的电场明显地均匀。这样就能避免绝缘子3与导电体和绝缘气体介面处的强热应力区中过大的介电负荷。
在图5示出的电缆末端中，符号2仍表示连通高压的导电体。以此导电体为中心围绕一层例如由聚乙烯制成的绝缘层4，在绝缘层外的表面上安装了一个接地的由金属或半导体材料制成的屏蔽层5。图6中的电缆末端还附加了一个加填聚合物的电缆外皮6，此聚合物以聚乙烯和经掺杂的ZnO为主体制成，ZnO所占体积百分数为10-50、优选为25。ZnO的平均微粒大小小于200μm，然而优选介于100和200μm之间，并且具有一种颗粒状的组织结构，如制造可变电阻所使用的那种结构。选择电缆外皮6的材料，使其—符合图7的曲线—介电常数ε随温度上升呈非线性加大。并且在温度为85℃时比在室温情况下大50％以上。
当电缆在大电流下工作时，绝缘层4发热不仅是由于导电体2与屏蔽层5之间的欧姆损耗，而且还由于在电场特别强的部位上的交流损耗，如在屏蔽层5的末端。由图5所示实线表示的等电位面可以清楚地看出，在电缆末端电场穿过绝缘层4进入电缆外皮6并且与绝缘层4一起把电缆外皮6加热。与上述实施例一样，在此区域内电缆外皮材料的介电常数ε随温度上升呈非线性加大，并且在温度为85℃时比室温大50％。因此，电场随绝缘层4和电缆外皮6温度的上升，由屏蔽5的末端被不断地推移到绝缘层4和电缆外皮6，并使其变得均匀。这样，在电缆末端有热负荷的情况下，就可以避免过大的介电负荷和热致击穿。同时功耗将显著下降，并得到高击穿电压。
与此相反，如果电缆外皮6用一种介电常数虽然很大，然而却不随温度变化的材料制造，那么在室温下电缆末端的电场分布尽管有可能与本发明的电缆末端是可以比拟的或者也可能更好，但是如果绝缘层4和电缆外皮6升温，那么电场仍保持不变(图5中用虚线画出的等电位面)，于是绝绝层4在升高的温度下其介电负荷将与室温下同样强。
图6的曲线具体地示出了此种情况。在该图中，示出了绝缘层4的外表面上电位的大小与距屏蔽层5的距离的函数关系。图中实线涉及的是本发明的电缆，而用粗虚线示出的曲线涉及的是结构可比拟的电缆，其控制电场的电缆外皮6由高的、然而不随温度变化的介电常数的材料制成。对此两种电缆测量了绝缘层4与电缆外皮6之间边界层上的电位。细虚线示出的曲线涉及的是没有控制电场的电缆外皮6的一种电缆，这条曲线示出了绝缘层4裸露在外的表面上的电位。由这些曲线可以看出，主要的是在屏蔽层5的末端附近与两个表示具有现有技术水平的电缆比较，本发明电缆的电位上升更平缓。

Claims (8)

1.一个可承受高电压的导电体(2)的电气部件，有一个可接地电位的导电外壳(1、5)—此外壳围绕导电体(2)，而且导电体(2)由此外壳引出—有一个在导电体(2)与外壳(1、5)之间的空间安装的绝缘(3、4)并且具有控制导电体(2)作用在绝缘(3、4)上的电场的介质，其特征在于，控制电场的介质含有随温度上升介电常数非线性加大的介电材料，此种材料被置于高场强范围内的电场作用之下。
2.根据权利要求1的部件，其特征在于，这种材料是一种以加入聚合物基体中的填料为基础的复合材料。
3.根据权利要求2的部件，其特征在于，这种聚合物可以是热固性塑料、热塑性塑料、弹性体塑料、玻璃或地质聚合物。
4.根据权利要求2或3之一的部件，其特征在于，填料是粉末状的，而且随着温度的上升导致介电常数非线性加大。
5.根据权利要求4的部件，其特征在于，填料是单独的或以混合物的形式含有掺杂的或末掺杂的铋酸盐、铌酸盐、钪酸盐、锡酸盐、钽酸盐、钛酸盐、锆酸盐、亚锰酸盐、亚铼酸盐或亚碲酸盐，或者是可变电阻用的掺杂的金属氧化物或金属碳化物，尤其是SiC、SnO2、TiO2、ZnO、氧化钨(VI)或氧化镓(VI)。
6.根据权利要求5的部件，其特征在于，复合材料具有以环氧树脂为基础的基体和占约10-60体积百分数、颗粒大小为数μm的粉末状BaTiO3固体填料或者具有以聚乙烯为基础的基体和占约10-50体积百分数、颗料尺寸小于200μm的掺杂的ZnO作为填料。
7.根据权利要求1至6之一的部件具有一个作为外罩使用的和用绝缘气体填充的金属外壳(1)，在此金属外壳中用绝缘子(3)固定导电体(2)，其特征在于，介电材料至少构成为固定导电体(2)设置的绝缘子(3)的一部分。
8.根据权利要求1至6之一的部件具有一个作外罩使用的屏蔽层(5)，其特征在于，介电材料安装在导电体(2)伸出屏蔽层(5)的区域内，以包层的形式包在屏蔽层(5)上和包在绝缘层(4)与屏蔽层(5)相邻的部分上。
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