CN118104065A - 高电压设施和在高电压设施中使用的波导 - Google Patents

Abstract

一种高电压HV设施(100，200，300，400，500)，该高电压设施包括处于第一电势的至少一个第一装置(112)和处于第二电势的至少一个第二装置(122)。HV设施(100，200，300，400，500)进一步包括用于在该至少一个第一装置(112)与该至少一个第二装置(122)之间交换信号的至少一个波导(130)，每个波导(130)包括用于承载和屏蔽高频电磁波的第一导电段(132a)、用于承载和屏蔽高频电磁波的第二导电段(132b)、以及布置在第一段(132a)与第二段(132b)之间用于将第一电势与第二电势电分离的绝缘段(134)。本公开进一步涉及在HV设施中使用的波导(600，700)。

Description

高电压设施和在高电压设施中使用的波导

技术领域

本公开涉及一种高电压设施，该高电压设施包括处于不同电势的至少两个装置以及用于在该至少两个装置之间交换信号的波导。本公开进一步涉及在这种高电压设施中使用的波导。

背景技术

出于操作考虑和安全考虑，高电压设施的不同部分通常使用光网络连接。本公开的目的是描述在高电压设施中使用的替代通信布置及其部件。

文献EP 1 239 600 B1公开了一种使用波导的无线通信系统。用于在变电站控制单元与间隔元件的控制单元之间传输信号的通信装置包括连接到变电站和间隔元件控制单元的收发装置、以及包围并连接所述收发装置的天线的波导。收发装置产生电磁射频波以在控制单元之间传送信息。波导可以保护波免受干扰。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种高电压(HV)设施。HV设施包括处于第一电势的至少一个第一装置、处于第二电势的至少一个第二装置、以及用于在该至少一个第一装置与该至少一个第二装置之间交换信号的至少一个波导。每个波导包括用于承载和屏蔽高频电磁波的第一导电段、用于承载和屏蔽高频电磁波的第二导电段、以及布置在第一段与第二段之间用于将第一电势和第二电势电分离的绝缘段。

这种布置对于在分布式HV应用(比如在不同电压电势下操作的变电站的不同单元)中传输和屏蔽高频通信信号特别有用。其中，发明人已发现，通过在配置用于承载和屏蔽高频电磁波的两个相邻导电波导段之间提供至少一个绝缘段，各种形式的无线通信系统也可以应用于HV设施中，其中，不同的装置在不同的电势下操作并且因此需要彼此绝缘。

与自由空间、非屏蔽无线通信技术相比，所使用的通信信道可以免受外部干扰(比如网络干扰器)，以保护电网的关键部分。同时，可以避免在HV设施的单元之间安装专用光链路所需的相对较高的安装工作。

根据本公开的第二方面，提供了一种在HV设施中使用的波导。该波导包括具有第一终止区域的第一中空导体、具有第二终止区域的第二中空导体、以及绝缘元件。第一终止区域包括电连接到第一中空导体的至少一个第一场整形元件。

第二终止区域包括至少一个第二场整形元件。第二中空导体通过一个或多个绝缘间隙与第一中空导体电绝缘。绝缘元件至少部分地包围第一终止区域和第二终止区域并将第一终止区域和第二终止区域对准，以使得在第一中空导体内行进的电磁波能够行进通过第二中空导体，并且反之亦然。

根据第二方面的波导提供了用于跨不同电域交换高频信号的高效结构。其中，该波导改善了跨越中空导电信道中的绝缘间隙的高频信号交换，增加了跨间隙的爬电距离，控制和限制了间隙的宽度，保护两个中空导体的终止区域并将终止区域彼此至少部分地绝缘，并且有助于沿着提供绝缘的介电材料(特别是填充间隙和/或中空导体的空气以及绝缘元件的环氧树脂材料)进行场整形。因此，该波导对于实施HV设施、例如根据第一方面的HV设施是有用的。

场整形元件的使用有助于降低中空导体的终止区域中的电场强度，从而避免由它们的潜在高电势差引起的临界场强。该波导还可以改善耦合，并且同时减少两个彼此面对的电绝缘的中空导体的终止区域处的不想要的反射。

根据本公开的第三方面，提供了在HV设施中使用的另一波导。该波导包括绝缘芯、形成在绝缘芯的第一表面区域上的第一导电层、以及形成在绝缘芯的第二表面区域上的第二导电层。第一导电层通过填充有绝缘材料的一个或多个间隙与第二导电层电绝缘。

根据第三方面的波导提供了用于跨不同电域交换高频信号的另一高效结构。其中，该波导允许具有一个或多个绝缘间隙的波导(比如根据第二方面的波导)的良好集成和容易制造，并且对于实施HV设施(例如根据第一方面的HV设施)是有用的。

绝缘芯的使用使得两个单独的导电层能够相对于彼此简单地对准，并因此提供波导功能，并且同时提供连接到相应导电层的装置之间的电绝缘。

虽然本公开涉及HV设施及其部件的几个方面，关于这些方面之一描述的每个特征也在本文关于其他方面公开，即使在特定方面的上下文中没有明确提及相应的特征。

附图说明

附图提供了进一步的理解。在附图中，结构和/或功能相同的元件可以由相同的附图标记来表示。应当理解，图中所示的实施例是说明性的表示，而不一定按比例绘制。

图1示出了第一HV设施的示意图。

图2示出了具有分段式总线结构的第二HV设施的示意图。

图3示出了具有连续总线结构的第三HV设施的示意图。

图4示出了具有菊花链结构的第四HV设施的示意图。

图5示出了具有网状结构的第五HV设施的示意图。

图6示出了具有场整形元件的第一波导的立体剖视图。

图7示出了图6的第一波导内的电场的模拟。

图8示出了穿过根据图6的第一波导的上壁的截面。

图9至图11示出了根据图6的第一波导的上壁的不同配置。

图12至图14示出了图6的第一波导的场整形元件的不同配置。

图15和图16示出了图6的波导的反射和传输。

图17示出了具有绝缘芯的第二波导的示意性截面视图。

图18示出了穿过具有多个绝缘间隙的第三波导的示意性截面视图。

图19示出了穿过第四波导的示意性截面视图，该第四波导具有嵌入在单个绝缘部分中的两个绝缘间隙。

图20示出了穿过第五波导的示意性截面视图，该第五波导具有嵌入在绝缘部分中的分级电极。

图21示出了穿过第六波导的示意性截面视图，该第六波导具有集成式同轴-波导过渡结构。

图22示出了用于制造具有绝缘芯的波导的方法的流程图。

尽管本公开适于各种修改和替代形式，但是在附图中通过示例的方式示出了其细节并且将在下文进行详细描述。然而，应当理解，意图不是将本公开限于所描述的特定实施例。相反，意图是覆盖落入所附权利要求限定的本公开的范围内的所有修改、等同物和替代方案。

具体实施方式

高电压直流(HVDC)和柔性交流输电系统(FACTS)换流站展示了若干功率半导体切换单元。在HVDC系统的情况下，这些切换单元布置在阀结构内，或者在FACTS的情况下，这些切换单元布置在电力电子构建块(PEBB)内。在每种情况下，每个单元经由高速实时通信网络连接到控制单元。控制单元与各个单元以及其中所包括的电子装置之间的通信包括例如栅极发射信号、操作状态信号和单元监测信号。

作为操作环境和用于切换不同电气路径的电力电子构建块的一部分，各个单元之间通常出现电势差，这些电势差需要通过控制信号来桥接。为了遵守对应的绝缘要求，迄今为止控制信号都是经由光纤链路进行传送的。然而，实现光纤链路网络(特别是在相对复杂的网络拓扑中)是非常耗费人力和成本的，并且需要配置并手动连接到每个单元的每个装置。

同时，传统的(例如无线电链路)无线通信系统(比如根据IEEE 802.11系列标准的WiFi网络)不适合HV设施的特定应用领域。部分原因是无线电信号可能因HV装备的金属结构而失真和衰减，或者受到相邻通信(比如相邻WiFi网络)的干扰。此外，传统无线通信系统的使用可能在基础设施的对应部分中呈现弱点。特别地，可以使用宽频谱干扰器来有效地阻断发射信号，因而停用对应的换流站。

图1示出了第一HV设施100的示意图，该第一HV设施包括分别位于第一单元110和第二单元120中的两个电气装置112和122。第一装置112可以在第一电势V₁下操作，并且第二装置122可以在不同的第二电势V₂下操作。术语高电压(HV)可以指能量分配网络中使用的任何超过1kV的电压。例如，高电压可以指具有超过例如1kV、60kV、220kV或800kV的额定操作电压的中电压、高电压、超高电压或特高电压能量分配网络。高电压用于例如在10kV、15kV、18kV、20kV或30kV或6kV至150kV范围内的类似电压或甚至高于该电压水平下操作的变电站或换流站。

装置112和122中的每一个装置包括用于彼此进行无线通信的收发器(未示出)。特别地，装置112和122的收发器被配置成交换高频电磁波(例如射频(RF)信号)，以交换控制信号。

为了确保第一装置112的收发器发射的高频电磁波到达第二装置122并且反之亦然，波导130直接或间接连接第一单元110和第二单元120，并且优选地连接其中所包含的电气装置112和122的收发器。波导130有效地形成装置112与122之间的通信信道。例如，波导130可以一直延伸到所连接的装置112和122，延伸到形成单元110和120的高频外壳的壁或凸缘，或者可以终止于单元110和120的外部并且借助于附接到波导130的同轴电缆间接连接到装置112和122，稍后详细描述。

波导130包括第一导电段132a、第二导电段132b和绝缘段134。第一导电段132a连接到第一单元110中的第一装置112并且可以围绕对应的第一收发器的天线。第二导电段132b连接到第二单元120中的第二装置122(比如切换单元或传感器)，并且可以围绕对应的第二收发器的天线。导电段132a和132b可以被实现为例如同轴电缆或波导，例如具有矩形、圆形或椭圆形截面的中空导体，如图1所示。

为了避免装置112和122的不同电势V₁和V₂之间的任何短路，波导130的绝缘段134阻断两个单元110和120之间的任何DC电流和低频(例如处于或低于50Hz或60Hz)AC电流。然而，高频电磁波可以穿过绝缘段134。例如，绝缘段134可以被配置成传递100MHz至100GHz频率范围内的信号。

上述构思可以应用于具有不同通信网络拓扑的HV设施。在图2至图4中，针对以下情况示出了在HV设施中使用的不同通信网络拓扑：具有控制单元的集成式收发器的中央控制集线器212形式的一个第一装置和具有布置在处于潜在不同电势的对应切换单元中的集成式收发器的HV切换装置222或其他切换单元形式的第二装置。尽管图中未示出，但也可以是其他布置。例如，可以设置多个控制集线器212用于大型换流站或作为备用部件以提高可靠性。此外，若干HV切换装置222可以布置在单个单元中。

图2示出了包括分段式总线结构230的HV设施200。在分段式总线结构230中，每个HV切换装置222连接到对应的导电段132。此外，中央控制集线器212连接到另一导电段132。这些段132一起形成分段式总线结构230。也就是说，所有装置212和222可以访问共用介质来交换信号。然而，为了避免各个单元之间的任何不需要的DC电流，导电段132中的每一个通过对应的绝缘段134与相邻导电段132分开。

图3示出了具有连续总线结构330的替代HV设施300。与分段式总线结构230不同，单个导电总线段332在总线结构330的整个长度上延伸。在所描述的示例中，单个导电总线段332电连接到中央控制集线器212。为了使各个单元的HV切换装置222绝缘，每个HV切换装置222借助于导电分支段334和对应的绝缘段134连接到单个导电总线段332的对应的t形连接部。因为在装置212与任一个装置222之间仅包括单个绝缘段134，所以可以在较大的设施中减少单个损耗，从而使得HV设施300的信号质量改善。

图4示出了包括菊花链结构430的另一HV设施400。HV切换装置222中的每一个包括用于分别与一个专用上行链路装置或下行链路装置通信的上行链路端口和下行链路端口。这些端口分别连接到相应的导电上行链路段432和导电下行链路段434。注意的是，第一HV切换装置222仅连接到上行链路段432并且中央控制集线器212仅连接到导电下行链路段434。在每个导电上行链路段432和对应的导电下行链路段434之间，采用对应的绝缘段134用于DC分离。

参考图4描述的配置具有的优点是，在对应的上行链路端口与下行链路端口之间交换的每个信号仅需要经过单个绝缘区段134，这改善了信号质量。虽然，通过菊花链结构430的中间收发器重传信号的需要可能增加信号传播时间，但是所描述的菊花链结构430的顺序性质还具有的附加优点是，绝缘段134中的每一个只需承受两个相邻单元之间的电势差。因此，特别是在其中单元按照电压电势增加的顺序布置的HV应用中，HV切换装置222与中央控制集线器122之间的相对大的电势差可以使用多个绝缘段134来桥接，这些绝缘段仅被额定为承受总电压降的对应一部分。

图5示出了具有更复杂的网状结构530的另一HV设施500。在所描述的实施例中，HV设施500包括布置在控制集线器单元510中的两个控制单元512以及布置在四个不同切换单元520a至520d中的总共八个HV切换单元522。各个单元510和520之间存在各种连接。然而，并非每个单元都直接连接到每个相邻单元。例如，虽然控制集线器单元510可以直接与右上切换单元520a通信，但它不能与左上切换单元520b直接通信。在控制集线器单元510与切换单元520b之间交换的发射信号和其他控制信号因此经由切换单元520a或520c中的一者间接地交换。单元510和520中的每一个可以具有一个或多个导电单元段532。相邻单元的对应段532使用绝缘段134彼此绝缘。

参照图5描述的网状结构530实现了多个单元512和522之间的高频通信的多个路径。同时，波导130和对应的绝缘段134的数量在所示拓扑中受到限制。

尽管未详细示出，但是还可以使用在相邻单元之间具有至少一个绝缘段134的波导130来实现其他连接拓扑，比如星形结构和环形结构。

所公开的HV设施100至500的关键益处包括以下方面：

-与HV电压环境中传统使用的光纤网络相比，所公开的装置网络安装起来更简单且更便宜。

-所公开的装置网络可以在具有挑战性的电磁环境中操作，因为通信信号与周围电磁环境很好地屏蔽。

-用于导电段的部件(比如同轴电缆和波导)非常稳健并且非常适合恶劣环境，包括经受高湿度、多雨或结冰条件的室外环境。

-大量可靠的信令方案和通信协议可以用于沿着波导进行通信。

-多个通信信道可以在相同的波导上复用，例如采用时分、频分、码分、功分或其他多址方法。

下面，详细描述适用于如上所述的HV设施的特定波导。虽然描述的以下部分集中于具有集成式绝缘段的波导，但要注意，上述各种HV设施也可以使用单独的(即非集成式的)部件来实现，以实现如上所述的导电段132和绝缘段134。

图6示出了适合在HV设施(例如根据图1至图5的HV设施中的任一个)中使用的波导600的实施例。

波导600包括第一中空导体601和第二中空导体602。在所描述的实施例中，中空导体601和602具有圆形截面。中空导体601和602各自终止于相应的终止区域603和604。两个终止区域603和604彼此面对，以使在第一中空导体601内行进的电磁波能够继续行进通过第二中空导体602，并且反之亦然。两个终止区域603和604由绝缘元件605保持就位，使得两个终止区域的端部相对于波导的中心轴线对准。绝缘元件605至少部分地包围第一终止区域603和第二终止区域604。绝缘元件605因此在形成于两个终止区域603与604之间的绝缘间隙606的区域中提供改善的介电强度，这例如优于空气填充的间隙的介电强度。这有助于具有足够小的间隙宽度以使电磁波在没有显著损失或反射的情况下行进通过波导600。绝缘元件605还可以为绝缘间隙606提供保护。特别地，绝缘元件605可以保护绝缘间隙606免受湿气和与室外环境相关的其他不想要的影响。

在所描述的实施例中，第一中空导体601和第二中空导体602由金属材料制成。绝缘元件605例如由非导电聚合物材料形成。

图6所示的波导600包括许多特征，这些特征使其特别适用于HV设施、户外环境和/或用于传输高频、高带宽信号。

例如，终止区域603和604中的每一个包括对应的修圆的场整形元件607和608。场整形元件607和608降低局部电场强度并且对终止区域603和604处的电场整形。这有助于避免由所连接的例如在50Hz或60Hz的相对较低频率下工作的单元的潜在高电势差引起的临界场强。它们还可以改善两个中空导体601和602之间的电磁耦合。其中，在终止区域603和604的前表面处存在修圆、向外突出的场整形元件607和608使得能够最大化它们端部的半径，以最小化电场增强，同时避免行进通过波导600内部的电磁波的信号反射。

此外，还如图6所示，中空导体601和602中的每一个在其直径中包括用于阻抗匹配的台阶609和610。特别地，中空元件601和602的台阶609和610位于终止区域603和604的开始处，并且在距相应中空导体601和602的开口端部的预定距离处。

图6的绝缘元件605被配置成增加两个中空导体601和602之间的爬电距离。为此目的，绝缘元件605包括绝缘盖611，该绝缘盖具有多个挡板或伞裙(shed)以增加外部爬电距离d_out。此外，绝缘元件605包括在中空导体601和602的内部延伸的绝缘芯612。在所描述的实施例中，绝缘芯一直延伸穿过终止区域603和604而分别到达台阶609和610。因此，绝缘芯612提供从第一台阶609一直延伸到第二台阶610的内部爬电距离d_in。然而，取决于电压和其他参数，绝缘芯612也可以在轴向方向上更短或更长。绝缘盖611和绝缘芯612通过圆形绝缘肋613彼此连接，以形成一体的绝缘元件605。绝缘肋613还将第一场整形元件607和第二场整形元件608电分离。

取决于具体应用，所描述的波导600可以具有以下尺寸：中空导体601和602的内径可以在1mm到50mm之间；绝缘芯612的厚度可以在0.1mm到10mm之间；第一场整形元件607与第二场整形元件608之间的绝缘间隙606的宽度可以在0.1mm到10mm之间；场整形元件607和608的半径可以在0.5mm到10mm之间；第一台阶609与第二台阶610之间的中间波导区段的长度可以在10mm到300mm之间；外部波导区段与中间波导区段之间的半径差可以在0mm到20mm之间。通过这些尺寸，所描述的波导600的典型阻断电压在1kV到100kV之间的范围内。用于通过波导600传输控制信号的潜在操作频率范围可以从100MHz扩展至数百GHz。

例如，图7示出了波导600中特定相位的5.5GHz行波的模拟电场的快照。特定波导的终止区域设计用于5GHz到6GHz之间的信号传输。

在图中未示出的另一个实施例中，绝缘元件形成用于使第一中空导体和第二中空导体对准的外骨架。在这种情况下，第一终止区域可以通过空气或真空、比如六氟化硫(SF6)等绝缘气体或波导的另一种非导电填充材料与第二终止区域电绝缘。

根据不同的实施例，波导600可以具有以下变体。其中一些在图8至图14中示出。特别地，图9至图11示出了穿过波导600的壁中的一者的截面的三个不同细节A至C。此外，图12至图14示出了不同类型的场整形元件。其他变体(比如稍后关于图17的波导700描述的那些变体)也适用于波导600的对应部分。

-中空导体601和602的截面可以是方形、矩形、圆形、椭圆形或任何其他形状。

-中空导体601和602可以包括位于外绝缘盖611中的一个或若干个凹口651，如图9所示。在终止区域603和604内提供凹口651还可以通过阻抗匹配来改善波导600的RF特性。

-绝缘间隙606可以被金属环661围绕，如图10所示。环661可以充当屏蔽元件以减少外部场耦合到波导600中和/或充当分级电极以改善中空导体601和602的耦合。

-可以在同一波导600中实现多个绝缘间隙606a和606a，以在第一中空导体601与第二中空导体602之间分配总电势差，如图11所示。提供多个间隙606还可以改善波导600的RF性能。

-如图12至图14进一步所示，场整形元件607和608可以采用圆形场整形元件671、椭圆形场整形元件681或曲棍球棍形场整形元件691的形式。也可以是其他修圆形状。

-波导600的整体形状可以是如图所示的直的或弯曲的。

-波导600的外部可以部分地或完全地被绝缘材料伞裙保护，以增加两个中空导体601和602之间的外部爬电距离。

-具体的爬电距离通常取决于相应环境(比如室外环境)中的污染水平，可以通过调整绝缘元件605的各个部分的长度、厚度、形状和位置来获得。

图15和图16示出了分别具有1mm、2mm和3mm的不同间隙宽度的三个原型波导600的终止区域603和604的反射和传输特性。波导600被设计为在5GHz到6GHz之间操作。原型是根据上面关于图6描述的设计制造的。绝缘元件605的绝缘材料为环氧树脂。

图15图示了原型在RF测量设置中的模拟反射和测量反射。对于1mm的间隙大小，在5.1GHz到5.8Ghz之间的频率范围内测量的反射系数低于-25dB，并且对于其他间隙大小，反射系数仅略高一些。观察到与用于设计的模拟的一致性非常好。对于1mm的间隙大小，对于整个频率范围，传输系数如图16所示为约-0.25dB，并且对于其他间隙大小，传输系数仅略低一些。图15和图16所示的测量结果证明了原型的设计的有效性以及波导600的优越的RF性能。

所描述的波导600具有以下优点和益处：

-终止区域603和604有助于在HV转换器中使用基于波导的通信。

-由于高传输和极低反射特性，所提出的设计为RF通信信号提供了几乎无失真的传播路径。

-与用于DC阻断的其他结构相比，波导600的设计简单。

-可以仅使用一种类型的导电材料和一种类型的绝缘材料来实现所描述的波导设计。可替代地，可以使用不同材料的组合，比如两种不同的塑料材料。

-通过改变如上所述的尺寸，该设计可以容易地适应其他频带。

-通过改变如上所述的尺寸，上述设计可以容易地适应其他电压水平。

-上述设计允许极端模块化，因为波导段与绝缘段可以容易地组合，为不同类型的转换器构建不同类型的波导网络。

-所描述的设计可以可靠地用于室外环境、被污染的室内环境和世界各地的任何气候带，因为它提供出色的耐污染和耐UV照射。

图17示出了具有内置绝缘区段702的波导700的另一实施方式。波导700包括绝缘芯704，该绝缘芯在第一表面区域和第二表面区域中被外导电层706部分地覆盖。导电层706具有间隙708以在外导电层706的左部分与右部分之间提供电绝缘。相应地，连接到波导700的右侧和左侧的电气装置可以处于不同的电势，而不会产生短路和对应的电气干扰。

间隙708的长度被选择为足够长以确保额定电压水平(比如处于或高于10kV的电压水平)下的电绝缘，并且选择为尽可能短以维持波导700的良好电磁传输和低反射。

在所描述的实施例中，间隙708填充有绝缘材料以增强击穿场强。波导700的外部部分上的伞裙状结构710可以至少在绝缘区段702的区域中使用，以增强室外环境中电势的爬电距离，如关于先前实施例所描述的。

图17中所示的具有内置绝缘区段702的波导700的设计可以如上关于波导600所详细描述的以及如下在图18至图21中详细描述且部分示出的那样变化。特别地，图18和图19示出了两种不同的多间隙配置。此外，图20示出了具有集成式分级电极的波导，并且图21示出了具有集成式同轴-波导过渡结构的波导。

-波导截面可以是矩形或椭圆形或适合波传播的任何形状。

-波导700可以是直的或所示的弯曲区段。

-绝缘芯704可以是实心的(如杆或条)，或者是中空的(如管、管子或型材)。

-绝缘芯704可以由介电材料制成，例如聚合物材料、陶瓷、玻璃或它们的组合。

-芯材料可以是在GHz到数百GHz频率下的低损耗材料。特别地，芯可以由聚四氟乙烯(PTFE)制成。

-外导电层706可以由金属或导电聚合物制成。

-芯704和外导电层706可以通过共挤出来制造。

-导电层706可以通过挤出、化学或物理气相沉积、电解电镀、化学镀、电弧或火焰喷涂、用导电带包裹而施加到芯704上。如果需要，可以在沉积导电层706之前使用底漆、电晕或等离子体放电来激活对应的芯表面，以确保改善的粘附。

-绝缘区段702可以通过机械地(例如通过机加工、刀切、喷砂)或热方式(例如通过激光去除)或化学方式(例如使用酸)局部去除部分导电层706来形成。

-绝缘区段702可以通过局部避免施加导电层706来获得，例如在将导电材料施加到芯704上之前使用掩模或抗粘附手段。

-绝缘区段702的位置可以是预先限定的，例如在工厂制造期间或定制的，例如现场决定。

-可以形成具有对应间隙708的多个串联绝缘区段702以连接多个不同电势V₁、V₂、…、V_N，如图18所示。

-一个绝缘区段702可以由多个间隙708构成，如图19所示。多个间隙708也可以有利于RF性能。

-间隙区域可以填充有电场分级材料722，如图20所示。

-场分级材料可以具有高介电常数和/或非线性电导率。

-填充间隙708的绝缘材料可以是胶粘剂、凝胶、油脂、热熔聚合物、热塑性材料或热固性材料。

-场整形元件可以在每个导电层706的端部处的绝缘区段702中实现以避免局部场增强。

-波导700可以至少在绝缘区段702的区域中被外部绝缘体724覆盖，也如图20所示。例如，外部绝缘材料724可以覆盖填充间隙708的绝缘材料，比如场分级材料722。

-波导700可以适用于室外环境。为了增加爬电距离，外部绝缘体可以包括多个伞裙712，如图19所示。

-外部绝缘体724可以由一层以上构成，也如图20所示。分级电极720可以被包围在外部绝缘体724本身中或者包围在场分级材料724中，如图所示。同轴分级电极720的使用允许间隙708具有更长的长度，同时保持良好的电磁屏蔽。这从制造角度来看可能是有益的，因为它改善了间隙708的尺寸公差。

-外部绝缘材料724可以预先制造，例如可以是冷缩或热缩套筒。

-外部绝缘材料724可以通过在波导700上贴带、铸造、注塑或传递成型来制造。这种制造可以在工厂或现场进行。

-用于填充间隙708和外部绝缘体的材料可以是UV固化的。

-同轴-波导过渡结构730可以集成到导电层706中的一者或两者中，如图21所示。这种同轴-波导过渡结构730可以用于例如通过同轴电缆将波导700连接到各个装置或不同波导的不同段。

-波导700可以形成包括复杂形状的整个连续波导系统。

-绝缘区段702可以位于合适的位置。

-连续波导系统可以通过合适的方法(如注塑成型)生产为一体件。

-在绝缘芯704是中空的情况下，它可以填充有不同的绝缘材料，比如泡沫或凝胶。

-用于填充中空绝缘芯704的绝缘材料可以被选择为增加允许的频率或防止湿气和污垢的进入。

取决于应用，所描述的波导可以具有以下指示性尺寸：10mm²至1000mm²的截面；10nm至2mm的导电层706厚度；0.1mm至10mm的间隙宽度。

间隙708上的典型电压差可以在1kV至100kV的范围内；潜在的频率范围可以从100MHz扩展到数百GHz。

根据所描述的实施例的波导700的关键益处包括以下方面：

-具有内置绝缘区段702的波导700有助于在HV转换器中使用基于波导的通信。

-与用于阻断DC电压的已知装置相比，波导700可以以简单的方式制造。

-因为不需要凸缘来连接波导700的不同功能部分(例如将全导电波导段与绝缘段连接)，波导700被完全密封并且因此在不受控制的室外环境中不易受到干扰。

-在使用实心绝缘芯704的情况下，湿气不会进入通信网络。此外，完全避免了波导700内的水凝结，从而消除了通信网络的不同段之间短路的危险。

-所描述的设计对于提供机械柔性是有用的。例如，在使用中空聚合物绝缘芯704的情况下，波导700可以被弯曲。

-与中空金属波导相比，具有聚合物芯(特别是填充的聚合物芯)的波导700的截面可以减小。

-一个或多个绝缘区段702可以根据需要沿着波导700形成在任何轴向位置处，这提高了设计灵活性。

-具有聚合物芯704的波导700的重量低于不具有支撑芯的对应金属波导的重量。

图22示出了用于制造波导(比如图6的波导600或图17的波导700)的方法的步骤。

在可选的步骤S1中，形成绝缘芯。绝缘芯可以是中空的(如图6所示的绝缘芯612)，或者完全填充的(如图17所示的绝缘芯704)，并且可以通过挤出或类似的制造技术形成。

在步骤S2中，形成中空导电结构，比如中空导体601和602或导电层706a、导电层706。导电结构可以是金属的或者形成在导电聚合物上。导电结构可以通过挤出、化学或物理气相沉积、电解电镀、化学镀、电弧或火焰喷涂、用导电带包裹或其他合适的制造方法施加在绝缘芯612或704上。可选地，在将导电层706沉积在绝缘芯上之前，可以使用底漆、电晕或等离子体放电来激活芯表面，以确保改善的粘附。

在另一步骤S3中，形成一个或多个绝缘间隙708。注意的是，在仅在绝缘芯704的某些区域中形成导电层706的情况下(即通过增材制造)，可以组合步骤S2和S3。可替代地，在导电层706中形成各个间隙708之前(即通过减材制造)，可以首先用导电层706覆盖绝缘芯704的整个表面。因此，步骤S3可以包括在将导电层706施加到芯704上之前，例如通过使用掩模或抗粘附手段来避免在绝缘芯708的外表面的某些区域中施加导电材料。可替代地，绝缘间隙708可以通过例如机械去除(比如机加工、切割或喷砂)或通过热去除(比如激光去除)或化学去除(比如蚀刻)局部去除导电层材料来形成。

在可选步骤S4中，可以形成一个或多个场整形元件607和608。例如，关于图12至图14描述的场整形元件671、681和691可以形成在导电结构的相应部分的端部处。同样，步骤S4和S2可以彼此整合。

在另一可选步骤S5中，可以在间隙606或708的区域中形成一个或多个分级电极，比如图10所示的金属环661或图20的分级电极720。

在形成分级电极之前、期间或之后，在另一可选步骤S6中，可以用绝缘材料填充导电结构的相应端部之间的间隙606或708。

在另一可选步骤S7中，可以在间隙708的区域中形成外绝缘盖611。例如，可以通过在波导的外部施加另外的绝缘材料来形成伞裙状结构710。

所述的图1至图21所示的实施例代表改进的波导元件和由其形成的通信网络的示例性实施例。它们可以通过图22所示的方法形成。它们不构成根据权利要求的所有实施例的完整列表。用于制造的实际布置和方法可以与例如在布置、装置、尺寸和材料方面所示的实施例不同。

附图标记

100 HV设施

110 第一单元

112 第一电气装置

120 第二单元

122 第二电气装置

130 波导

132 导电段

134 绝缘段

200 HV设施

212 中央控制集线器

222 HV切换装置

230 分段式总线结构

300 HV设施

330 连续总线结构

332 导电总线段

334 导电分支段

400 HV设施

430 菊花链结构

432 导电上行链路段

434 导电下行链路段

500 HV设施

510 控制集线器单元

512 控制单元

520 切换单元

522 HV切换单元

530 网状结构

532 导电单元段

600 波导

601、602 中空导体

603、604 终止区域

605 绝缘元件

606 绝缘间隙

607、608 场整形元件

609、610 台阶

611 绝缘盖

612 绝缘芯

613 绝缘肋

651 凹口

661 金属环

671 圆形场整形元件

681 椭圆形场整形元件

691 曲棍球棍形场整形元件

700 波导

702 (内置)绝缘区段

704 绝缘芯

706 (外)导电层

708 间隙

710 伞裙状结构

712 伞裙

720 分级电极

722 场分级材料

724 外部绝缘材料

730 同轴-波导过渡结构

Claims (15)

1.一种高电压HV设施(100，200，300，400，500)，包括：

-至少一个第一装置(112)，所述至少一个第一装置处于第一电势；

-至少一个第二装置(122)，所述至少一个第二装置处于第二电势；以及

-至少一个波导(130)，所述至少一个波导用于在所述至少一个第一装置(112)与所述至少一个第二装置(122)之间交换信号，每个波导(130)包括：

-第一导电段(132a)，所述第一导电段用于承载和屏蔽高频电磁波；

-第二导电段(132b)，所述第二导电段用于承载和屏蔽所述高频电磁波；和

-绝缘段(134)，所述绝缘段布置在所述第一段(132a)与所述第二段(132b)之间，用于将所述第一电势与所述第二电势电分离。

2.根据权利要求1所述的HV设施(100，200，300，400，500)，其中所述第一导电段(132a)和所述第二导电段(132b)中的至少一个导电段包括同轴电缆和中空导体中的一者。

3.根据权利要求1或2所述的HV设施(100，200，300，400，500)，其中：

-所述至少一个第一装置(112)包括至少一个控制集线器(212)或控制集线器单元(510)的控制单元(212)；

-所述至少一个第二装置(122)包括对应的切换单元(520)的至少一个HV切换装置(222)；以及

-在所述至少一个第一装置(112)与所述至少一个第二装置(122)之间交换的信号包括所述切换单元(520)的控制信号和操作状态信号中的至少一个信号，所述控制信号特别是发射信号和/或同步信号，所述操作状态信号特别是录写信号、故障记录信号和/或健康监测信号。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的HV设施(100，200，300，400，500)，其中，所述HV设施(100，200，300，400，500)包括处于多个不同电势的多个装置，所述多个装置使用分段式总线结构(230)、连续总线结构(330)、菊花链结构(430)、星形结构、环形结构或网状结构(530)中的一种来连接，其中：

-在所述分段式总线结构(230)中，每个装置(222)连接到所述分段式总线结构(230)的不同导电段(132)，并且所述分段式总线结构(230)的每个导电段(132)通过至少一个绝缘段(134)与相邻导电段(132)电绝缘；

-在所述连续总线结构(330)中，每个装置(222)经由导电分支段(334)通过至少一个绝缘段(134)连接到导电总线段(332)；

-在所述环形结构或菊花链结构(430)中，每个装置能够连接到导电上行链路段(432)和导电下行链路段(434)，并且每个导电上行链路段(432)通过至少一个绝缘段(134)与对应的导电下行链路段(434)电绝缘；

-在所述星形结构中，所述至少一个第一装置(112)连接到集线器单元的多个第一导电段(132a)，每个另一装置连接到至少一个第二导电段(132b)，并且每个第二导电段(132b)通过至少一个绝缘段(134)与对应的第一导电段(132a)电绝缘；和/或

-在所述网状结构(530)中，每个装置连接到对应单元(510，520)的一个或多个导电单元段(532)，并且每个导电单元段(532)通过至少一个绝缘段(134)与相邻单元(510，520)的对应的导电单元段(532)电绝缘。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的HV设施(100，200，300，400，500)，其中，所述至少一个波导(130)被配置成：

-传输频率在100MHz至100GHz范围内的电磁信号；和/或

-将超过至少1kV、10kV或18kV中的一者的电势分离。

6.一种在HV设施中使用的波导(600)，所述HV设施特别是根据权利要求1至5中任一项所述的HV设施(100，200，300，400，500)，所述波导包括：

-第一中空导体(601)，所述第一中空导体具有第一终止区域(603)，其中所述第一终止区域(603)包括电连接到所述第一中空导体(601)的至少一个第一场整形元件(607)；

-第二中空导体(602)，所述第二中空导体具有第二终止区域(604)，其中所述第二终止区域(604)包括至少一个第二场整形元件(608)，并且其中所述第二中空导体(602)通过一个或多个绝缘间隙(606)与所述第一中空导体(601)电绝缘；以及

-绝缘元件(605)，所述绝缘元件至少部分地包围所述第一终止区域(603)和所述第二终止区域(604)并将所述第一终止区域和所述第二终止区域对准，以使在所述第一中空导体(601)内行进的电磁波能够行进通过所述第二中空导体(602)，并且反之亦然。

7.根据权利要求6所述的波导(600)，其中：

-所述第一场整形元件(607)从所述第一中空导体(601)的周边向外突出；和/或

-所述第二场整形元件(608)从所述第二中空导体(602)的周边向外突出。

8.根据权利要求6或7所述的波导(600)，其中，

-所述第一中空导体(601)包括其几何轮廓的第一变化、特别是所述第一中空导体(601)的直径中的第一台阶(609)；

-所述第二中空导体(602)包括其几何轮廓的第二变化、特别是所述第二中空导体(602)的直径中的第二台阶(610)；以及

-相应轮廓的所述第一变化和所述第二变化用于将所述波导(600)的阻抗与所述一个或多个绝缘间隙(606)匹配。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的波导(600)，其中，

-所述绝缘元件(605)包括绝缘盖(611)、绝缘芯(612，704)、以及连接所述绝缘盖(611)和所述绝缘芯(612)的至少一个绝缘肋(613)；

-所述绝缘盖(611)覆盖所述第一终止区域(603)和所述第二终止区域(604)的外表面的至少一部分，以使外部爬电距离增加到超过所述第一中空导体(601)与所述第二中空导体(602)之间的物理距离；

-所述绝缘芯(612，704)至少部分地延伸到所述第一中空导体(601)的内部和所述第二中空导体(602)的内部，以使内部爬电距离增加到超过所述第一中空导体(601)与所述第二中空导体(602)之间的物理距离；以及

-所述第一终止区域(603)通过所述至少一个绝缘肋(613)与所述第二终止区域(604)电绝缘，所述至少一个绝缘肋由介电材料、特别是环氧树脂或其他聚合物材料制成。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的波导(600)，其中，

-所述绝缘元件(605)形成用于将所述第一中空导体和所述第二中空导体(601，602)对准的外骨架；以及

-所述第一终止区域(603)通过介电材料、空气、真空或绝缘气体与所述第二终止区域(604)电绝缘。

11.一种在HV设施中使用的波导(700)，特别是根据权利要求6至9中任一项所述的波导(600)和/或在根据权利要求1至5中任一项所述的HV设施(100，200，300，400，500)中使用的波导，所述波导包括：

-绝缘芯(612，704)；

-第一导电层(706)，所述第一导电层形成在所述绝缘芯(612，704)的第一表面区域上；以及

-第二导电层(706)，所述第二导电层形成在所述绝缘芯(612，704)的第二表面区域上；

-其中所述第一导电层(706)通过填充有绝缘材料的一个或多个间隙(606，708)与所述第二导电层(706)电绝缘。

12.根据权利要求11所述的波导(700)，进一步包括：

-绝缘盖(611)或外部绝缘材料(724)，特别是伞裙状结构(710)，所述绝缘盖或外部绝缘材料至少形成在所述绝缘材料的外表面上并且可选地形成在所述第一导电层和/或所述第二导电层(706)的外表面上。

13.根据权利要求12所述的波导(700)，其中，所述绝缘盖(611)或外部绝缘材料(724)在所述一个或多个间隙(606，708)的区域中包括至少一个突起、特别是伞裙(712)，以增加所述第一导电层(706)与所述第二导电层(706)之间的爬电距离。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的波导(700)，进一步包括：

-至少一个分级电极(720)，所述至少一个分级电极嵌入到所述绝缘材料中并与所述第一导电层和所述第二导电层(706)电绝缘；

-至少一个场整形元件(607，608)，所述至少一个场整形元件电连接到所述第一导电层或所述第二导电层(706)并且布置在所述间隙(708)附近；和/或

-至少一个同轴-波导过渡结构(730)，所述至少一个同轴-波导过渡结构电连接到所述第一导电层或所述第二导电层(706)。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的波导(700)，其中：

-所述绝缘芯(704)是实心芯、中空芯和填充芯中的一种，所述填充芯包括填充物和由第一绝缘材料形成的中空外芯；

-所述绝缘芯(704)具有方形、矩形、圆形和椭圆形截面中的一种；

-所述绝缘芯(704)包括介电材料、特别是聚合物材料、比如PTFE、陶瓷材料或玻璃；

-所述第一导电层(706)和/或所述第二导电层(706)包括金属或导电聚合物材料或它们的组合；

-所述第一导电层和/或所述第二导电层(706)包括具有方形、矩形、圆形和椭圆形截面中的一种的中空导体(601，602)；

-所述绝缘材料包括电场分级材料(722)；

-所述绝缘材料包括以下中的至少一种：胶粘剂、凝胶、油脂、热熔聚合物材料、热塑性材料、热固性材料、环氧树脂、硅橡胶、EPDM、EVA和聚氨酯材料、或它们的组合；和/或

-所述绝缘材料具有高介电常数和/或非线性电导率。