CN1198030A - 气体绝缘开关装置 - Google Patents

Abstract

在气体绝缘开关装置中,电压电阻非线性元件14由含有85%—98%氧化锌为主要成分的陶瓷制作,并构造成在其中心处有通孔的盘状,在它的两个主要表面上循元件的通孔制作电极18,玻璃层19则分别制作在盘状元件的外周面和内周面上,并且至少在其中一个电极上整体地固定一块软金属板,该板上带有和盘状元件上的通孔相重合的通孔。此具有电涌电压抑制装置的紧凑的气体绝缘开关装置中的电涌电压抑制装置在工频电压情况下起绝缘体的作用,并可以抑制高频电涌电压。

Description

气体绝缘开关装置

技术领域

本发明涉及一种气体绝缘开关装置，尤其是涉及一种金属外壳容器之间带有绝缘结构的气体绝缘装置，它适于抑制在金属外壳容器之间感应出的电涌电压。

现有技术

在气体绝缘开关装置中通常设置有一个充有绝缘气体，例如SF6气体，的气密金属外壳容器，在其中绝缘安装高电压导体，在这种气体绝缘开关装置中，如果其中包含切断开关和断路器，必须降低在诸如接地系统和控制系统上所感应的开关电涌电平，以防止开关电涌对各系统中控制设备、保护和监测设备产生不良影响。

在这样一种气体绝缘开关装置中，要求各金属外壳容器之间的绝缘结构能防止用于连接各金属外壳容器的螺栓由于流过其中的电流而发热，这通常是因为流经高电压导体的工频电流在金属外壳容器上感应出大约几伏特至几十伏特的感应电压所致。

另一方面，在诸如切断开关和断路器进行切换的时候，在绝缘结构部中可以感应出大约几千伏特至几十千伏特的电涌电压，因此，绝缘结构部需要能够承受住如此高的电涌电压。为了满足这一要求，必须使用大规格尺寸的绝缘结构部，并且到现在为止，为了上述需要设计和提出了如下的各种结构。

例如，这样的绝缘结构的一种已由日本专利申请JP-A-56-139013(1981)公开。图6示出这一结构的示意图，其中导体1安装在一个金属容器中，例如，一个内部充有气体2的密封金属铠装外壳3中，并且导体1由隔离棒4支撑，隔离棒夹在金属外壳3的连接部之间并绝缘。

当安装金属铠装外壳3和隔离棒4各部时，在每一个金属铠装外壳3上整体制作一个法兰5，隔离棒4夹在两个法兰5之间，并且将一个螺栓，例如一个双头螺栓6，穿过隔离棒4和两个法兰5，然后用一个螺母7固定住。

将一绝缘管8装进两个法兰5之一的通孔中，以便使双头螺栓6与相连的法兰5绝缘。在装有绝缘管8的法兰5的外表面配置一个绝缘垫圈9，并进一步在绝缘垫圈9的外表面和螺母7之间配置一个金属垫圈10和一个弹簧垫圈11。

在双头螺栓6的相对一端，在另一个法兰5外表面和另一个螺母7之间配置另一个金属垫圈10和另一个弹簧垫圈11。这样，金属外壳3的连接部就完成了。

在用这种方式将金属外壳3的连接部绝缘之后，在法兰5之一和绝缘垫圈9之间以及在另一个法兰5和另一个金属垫圈10之间，分别插入连杆12，并且在连杆12的各端连接一个电容型的电涌吸收体13，从而形成一个阻抗元件。

另外，在日本专利申请JP-A-60-249808(1985)中公开了另一种金属外壳容器之间的绝缘结构。它的详细构造也在图7中示出。图中在两个法兰5之一上制作的凹槽5a内埋入一个电涌吸收体13，并且此电涌吸收体13的一端同法兰5上的凹槽5a的底部电联接，而电涌吸收体13的另一端同在另一个法兰5上制作的凸起5b接触，此凸起穿过通孔4b，而通孔4b则穿透隔离棒4的间隔法兰4a。

再有，在日本专利申请JP-A-62-144511(1987)中公开了另一种金属外壳容器之间的绝缘构造，其中的绝缘垫圈是采用非线性电阻体制作以抑制在金属外壳容器上感应出的电涌电压。

然而，当在金属外壳上感应出陡升的电涌电压(如切断开关的切换电涌电压)时，如采用图6所示的传统技术的构造，则除了由于提供外部吸收体13而使部件数目增加之外，因为其中存在连杆12，外部吸收体13的总阻抗加大，这就造成发热问题和不能充分抑制电涌电压的结果。

另外，在采用图7所示的传统技术的构造时，因为法兰5上必须有一个特殊件，这就不能确保对金属外壳3的支撑的可靠性，而且，因为电涌电压抑制元件13是埋入法兰5的内部，埋入的电涌电压抑制元件就无法获得所期望的充分的电涌电压抑制作用。

除此之外还有，在采用利用非线性阻抗体制作的绝缘体垫圈的构造时，并没有公开绝缘垫圈的具体结构，也在没有考虑在紧固螺母的时候阻抗体绝缘垫圈的破裂以及介质击穿，更没有考虑暴露在外部空气的情况下非线性阻抗体绝缘垫圈的可靠性。

也就是说，通常对金属外壳之间的绝缘结构要求如下：

对工频电压的绝缘性能。

对于高频电涌电压的导电性能。

可靠性高、构造紧凑。

通过对上述传统技术的描述可知，上述三项要求都不能充分满足。本发明概述

气体绝缘开关装置要解决的一个问题是改进电涌电压的抑制方法。

本发明的目的是提供一种带有紧凑的电涌电压抑制手段的气体绝缘开关装置，该抑制手段可以有效地抑制在设备中感应出的电涌电压。

本发明的发明人竭尽全力为气体绝缘开关装置开发一种改进的电涌电压抑制手段，并最终发现最好是直接将电涌电压抑制元件连接到金属外壳的法兰部上，并且最好还采用电压电阻非线性陶瓷电阻体制作电涌电压抑制元件，其介电特性通常很高，而在遭受感应电涌电压时，阻抗可降低到金属外壳的水平。

此外，发明人还发现最好是利用一种含有85％-98％氧化锌的陶瓷制作电压电阻非线性陶瓷阻抗体，并将一个软金属片粘在电压电阻非线性陶瓷电阻体的端面，以便防止当陶瓷电阻体被螺母紧固时陶瓷电阻体破裂。

本发明是基于所发现的上述事实而开发出来的。

本发明的概要如下：一种气体绝缘开关装置，其中在一个充有绝缘气体的密封金属容器中包括有一个导电体，相邻的金属容器或其中一个金属容器和一个保持为接地电位的部件通过一个隔离棒依靠一根螺栓、一个弹簧垫圈、一个金属垫圈、一个绝缘部件以及一个螺母连接起来，其特征在于：同金属容器接触的绝缘体部件是采用氧化锌含量为85％-98％的电压电阻非线性电阻体制作的电压电阻非线性元件，电压电阻非线性元件呈盘状，在其中心部位有一个通孔，电极分别在循盘状电压电阻非线性体的通孔的两个表面上形成，各高阻层分别制作在盘状电压电阻非线性元件的内外周面上，并且至少在一个电极上整体固定一个带通孔的加强板，其通孔与盘状的电压电阻非线性元件的通孔重合。

本发明特征还在于：电压电阻非线性元件对工频交流电压表现出一种泄漏电流小于1mA的绝缘特性，并且对高频电涌电压表现出一种电压电阻非线性特性，可以确认在部件保持地电位的情况下，元件的工作电压低于介质的耐压能力。

本发明特征还在于：加强板是金属板并采用黄铜、紫铜、锌、镍、铝和铟中的一种材料制作。

本发明特征还在于：电压电阻非线性元件同金属容器的接触部制作成一个凹槽形以容纳电压电阻非线性元件。

本发明特征还在于：在构成一个连接和绝缘结构的螺栓、弹簧垫圈、金属垫圈、电压电阻非线性元件以及螺母之中至少电压电阻非线性元件是通过树脂模塑制成以便防止电压电阻非线性元件直接暴露在外部空气中。

根据本发明，同金属容器接触的电压电阻非线性元件是由含有85％-98％的氧化锌的电压电阻非线性电阻体制作的，电压电阻非线性元件呈盘状，在其中心部位有一个通孔，电极分别在循盘状的电压电阻非线性元件的通孔的两个表面上形成，各高阻层分别制作在盘状的电压电阻非线性元件的内外周面上，并且至少在一个电极上整体固定一个带通孔的加强板，其通孔与盘状的电压电阻非线性元件的通孔重合。

根据本发明，电压电阻非线性元件对工频交流电压表现出一种泄漏电流小于1mA的绝缘特性，并且对高频电涌电压表现出一种电压电阻非线性特性，可以认定在部件保持地电位的情况下，元件的工作电压低于介质的耐压能力。

根据本发明，加强板是金属板并采用黄铜、紫铜、锌、镍、铝和铟中的一种材料制作。

根据本发明，电压电阻非线性元件同金属容器的接触部制作成一个凹槽形以容纳电压电阻非线性元件。

根据本发明，在构成一个连接和绝缘结构的螺栓、弹簧垫圈、金属垫圈、电压电阻非线性元件以及螺母之中至少电压电阻非线性元件是通过树脂模塑制成以便防止电压电阻非线性元件直接暴露在外部空气中。

由于电压电阻非线性元件连接在相邻的金属容器之间或者连接在其中的一个金属容器和同如上所述的螺栓、弹簧垫圈、金属垫圈和螺母一起组合而成的一个接地的元件之间，就可以做出一个体积紧凑的电涌电压抑制装置，该装置可在工频交流电压的情况下用作一个绝缘体，并可有效地抑制高频电涌电压。

附图简介

图1是代表本发明的一个实施例的气体绝缘开关装置中的用于金属容器部的绝缘结构的截面图；

图2示出的是图1的实施例中所包括的一个电压电阻非线性元件的结构截面图；

图3是在代表本发明的另一个实施例的气体绝缘开关装置中安装了一组电压电阻非线性元件的金属容器的法兰部的平面图；

图4是沿图3中的IV-IV线剖开的截面图；

图5是本发明的再一实施例的气体绝缘开关装置中的用于金属容器部的绝缘结构的截面图，该金属容器有一个带有埋头孔的法兰部，孔内安装了图2中示出的电压电阻非线性元件；

图6是通常的气体绝缘开关装置的绝缘部分的结构截面图；并且

图7是另一通常的气体绝缘开关装置的绝缘部分的结构截面图。

实施例详述

下文中，结合附图解释本发明的代表实施例的气体绝缘的开关装置。

图1示出在本发明的一个实施例的气体绝缘开关装置中的用于金属容器部的绝缘结构。

如图1所示，导体1装在金属容器中间，例如装在一个其中充有绝缘气体2并密封的金属外壳3之中，并且导体1设计成为由一个隔离棒4支撑，该隔离棒夹在金属外壳3的连接部之间并绝缘。

在金属外壳3和隔离棒4的固定部分处设置一个与金属外壳3一起整体制作的法兰5，并把隔离棒4夹在这两个法兰5之间，将一个螺栓，例如一个双头螺栓6，穿过隔离棒4和两个法兰5，然后用一个螺母7固定住。并且再将一绝缘管8装进两个法兰5之一的一个通孔中，以便使双头螺栓6与相连的法兰5绝缘。

在装有绝缘管8的法兰5的外面配置一个由含有以氧化锌为主要成分的非线性电阻体构成的电压电阻非线性元件14，并且在电压电阻非线性元件14的外面和在螺母7之间还设置有金属垫圈10及弹簧垫圈11。

采用这种方法，就可直接安装电涌电压抑制元件代替传统绝缘垫圈9，也就没有必要设置外部分立式的电压吸收体。

并且，在与安装绝缘管8的法兰5相对的那个法兰5和另一个螺母7之间，安装另一个金属垫圈10以及另一个弹簧垫圈11，并穿过一个双头螺栓6。由此，金属外壳3就被所描述的这种结构固定。

参考图2进一步详细说明电压电阻非线性元件14。

电压电阻非线性元件14的基本部件是一个盘状的陶瓷体16，如图2所示，有一个通孔17从其中心穿过。沿着通孔17的盘状陶瓷体16的两个面制作有电极18。另外，在其中一个电极18的表面设置一个金属板15，该金属板的中心有一个重合通孔17以便同陶瓷体16连结成一个整体。

尽管在图2中的实施例中陶瓷体16只有一侧有金属板15，但这样的金属板可以装在陶瓷体的两侧。金属板15最好是软的导电材料如黄铜、紫铜、锌、镍、铝和铟。

由于采用软材料制作的金属板15，当螺母7紧固时施加到陶瓷体16上的应力得以缓和，从而可以确保结构元件的可靠性。另外，虽然在本实施例中采用了金属板15，但是如果一种材料有足够的导电性，例如柔性树脂，那么也可以用它取代金属板15。

另外，在陶瓷体16沿通孔17的外周面和内周面上制作有高阻玻璃层19，籍此可防止沿陶瓷本体材料16的端面发生电涌飞弧放电。

作为可用于陶瓷体16的材料，有已知具有电涌吸收能力的陶瓷，如氧化锌和钛酸锶(通常称为变阻器)。考虑到在正常工作期间要求泄漏电流小并在吸收电涌电压时有良好的保护能力，最好是采用一种氧化锌含量为85％-98％、并有少量氧化物，如铋、镨、锰、钴、锑、镍、铬和硅的陶瓷(氧化锌变阻器)。

具有上述成份的陶瓷16，对工频交流电压表现出小于1mA的泄漏电流的绝缘特性，并对高频电涌电压表现出充分的电涌电压吸收特性，因此在元件保持接地电位的情况下，可认为元件的工作电压小于介质的耐压能力。

图3示出另一安装有电压电阻非线性元件14的法兰部5，图4是图3沿IV-IV线所取的截面图。

如图3和图4所示，通过将双头螺栓6、螺母7、金属垫圈10、弹簧垫圈11和电压电阻非线性元件14组合，就可将法兰5固定，并且，沿法兰5同电压电阻非线性元件14的接触表面设置有一个环形槽20。

另外，如图5所示，在法兰5同电压电阻非线性元件14的接触表面制作一组埋头孔21。

采用上面这种电压电阻非线性元件的法兰结构时，电压电阻非线性元件14的容纳凹槽厚度可以加大，籍此可减小紧固螺栓时造成电压电阻非线性元件14破裂的可能性。

虽然可以只增加电压电阻非线性元件14的厚度而不设置此种环形槽20和埋头孔21，但是在这种情况下，双头螺栓6的长度相应增加，这可能减小连接和绝缘结构的机械强度可靠性。

如本实施例中所描述的气体绝缘开关装置经常并且一般是安装在户外。因此，当由陶瓷16组成的电压电阻非线性元件14直接暴露在外部大气中时，电压电阻非线性元件14的电涌电压抑制能力可能会由于诸如湿度变化和雨雪的影响而降低。

因此，最好是至少把作为主要部件的包含氧化锌的电压电阻非线性元件14采用树脂模塑制作并对其结构进行同样设计以避免受外部大气的影响。在这个例子中，包括弹簧垫圈、双头螺栓、螺母和电压电阻非线性元件的整个结构都可以在不影响本发明的优点情况下采用树脂模塑制作。

另外，由于用于模塑的材料最好是具有良好的耐天候能力及良好的电绝缘特性的材料，所以可以采用，例如，无机粘结剂而不致影响本发明的优点。

进而，在上述实施例中，虽然是采用由包含氧化锌作为主要成分的电压电阻非线性电阻体所构成的单个的电压电阻非线性元件14作为螺接部分，也可以在各螺接部分的各相对法兰侧安装另一个电压电阻非线性元件14而不影响本发明的优点。

在下文中将详细描述有关本发明更具体的示例。例1

下列粉末形的初始材料经称重按重量构成下列混合组成；纯度超过99.9％的氧化锌：97.4mol％，三氧化锑：0.45mol％，二氧化锰：0.5mol％，氧化钴：0.5mol％，氧化镍：0.4mol％，二氧化硅：0.1mol％，以及氧化铝：0.05mol％，而且将总共1公斤的粉末混合物在使用直径为Φ15树脂球作为媒介的球磨机中混合20小时，同时使用离子交换水作为媒体。最终获得的粉末混合物在大型烘干炉中在120℃的温度下烘干，然后在一个大气压、800℃的温度下煅烧4小时以制备出包含氧化锌作为主要成份的电压电阻非线性电阻体所使用的粉末料。

在最终获得的粉末料中加入适量为5％的聚乙烯醇(PVA)，然后通过一种喷雾干燥法制备其颗粒化粉末。将最终获得的颗粒化粉末填入金属模并采用单轴向压力制作出外径为Φ50、内径为Φ25而厚度为4mm的环形压坯。

随后，将最终获得的压坯在大气中在1145℃的温度下烧结三小时，并且在压坯的两面烘焙一层高阻玻璃层而制出样品。为了达到预先确定的平面度，在将所获得的样品两面简单磨光之后，在弄平的表面上通过喷射熔融的铝制作出电极用以测量样品的电特性。将预先制备好的铟金属板整体粘在制作出的电极之一上以制备电压电阻非线性元件。

经过这样的制备所制作的电压电阻非线性元件的尺寸，其外径、内径和厚度分别为Φ45、Φ22和3.5mm。观察如此制作的电压电阻非线性元件的电压/电流特性，可确定其开始电涌吸收的工作电压为200V/mm，而工作电压的泄漏电流小于1mA。

通过使用这样制作的电压电阻非线性元件并结合使用双头螺栓、螺母和金属垫圈将法兰固定，并将其连接强度调节到1000Kgf/cm²。在样品的断面上施加8×20μsec及30KA的脉冲电流进行了一次放电试验。结果在陶瓷垫圈件上没有观察到电弧放电，并且电压电阻非线性元件本身未发热，也无破裂。例2

如图5所示，在法兰的螺栓紧固件上制作出一个直径为45.8mm、深度为2mm的埋头孔。将外径为Φ45、内径为Φ22、厚度为5mm的按照与例1同样加工方法制作的电压电阻非线性元件插入孔中并用螺栓紧固。在此例中，螺栓连接强度提高到1,500kgf/cm²。对组装件进行与例1中类似的脉冲试验，但其脉冲电流为40KA。

结果在埋头孔周围没有观察到电弧放电，并且陶瓷垫圈也没有发热和异常。例3

法兰件的构造与例1一样，并且电压电阻非线性元件的可见表面用环氧树脂涂覆并进行模塑包封。在这样的组装条件下，对组装件进行与例1中的类似试验，但试验中的相对湿度提高到80％。

结果没有观察到电弧放电，并且证实即使在其上使用了树脂模塑包封，也能够保证电压电阻非线性元件的电涌电压抑制作用。

根据本发明，由于采用了以氧化锌为主要成份、含有电压电阻非线性体的电压电阻非线性元件，可以得到具有可靠的电涌电压抑制装置的紧凑的气体绝缘开关装置，它可以限制在工频的正常电压下的泄漏电流，并对电涌电压具有极好的抑制能力，对输配电系统工业有莫大的益处。

Claims (8)

1.一种气体绝缘开关装置，其中，在一个充有绝缘气体的密封金属容器中包括有一个导电体，相邻的金属容器或其中一个金属容器和一个保持为接地电位的部件通过一个隔离棒依靠螺栓、弹簧垫圈、金属垫圈、绝缘部件以及螺母连接起来，其特征在于：同上述金属容器接触的上述绝缘体部件是采用氧化锌含量为85％-98％的电压电阻非线性电阻体制作的电压电阻非线性元件，上述电压电阻非线性元件呈盘状，在其中心部位有一个通孔，电极分别在循上述盘状电压电阻非线性体的通孔的两个表面上形成，各高阻层分别制作在上述盘状电压电阻非线性元件的内外周面上，并且至少在一个电极上整体固定一个带通孔的加强板，其通孔与上述盘状的电压电阻非线性元件的通孔重合。

2.如权利要求1中所述的气体绝缘开关装置，其特征在于：上述电压电阻非线性元件对工频交流电压呈泄漏电流小于1mA的绝缘特性，并且对高频电涌电压呈电压电阻非线性特性，可以认定在上述部件保持地电位的情况下，上述元件的工作电压低于介质的耐压能力。

3.如权利要求1中所述的气体绝缘开关装置，其特征在于：加强板是金属板并采用黄铜、紫铜、锌、镍、铝和铟中的一种材料制作。

4.如权利要求1中所述的气体绝缘开关装置，其特征在于：上述电压电阻非线性元件同上述金属容器的接触部制作成一个凹槽形以容纳上述电压电阻非线性元件。

5.如权利要求1中所述的气体绝缘开关装置，其特征在于：在构成一个连接和绝缘结构的上述螺栓、上述弹簧垫圈、上述金属垫圈、上述电压电阻非线性元件以及上述螺母之中至少上述电压电阻非线性元件是通过树脂模塑制成以便防止上述电压电阻非线性元件直接暴露在外部空气中。

6.如权利要求4中所述的气体绝缘开关装置，其中，在上述各金属容器上所形成的凹槽都是形成于法兰表面上的为上述金属容器设置的环形凹槽。

7.如权利要求4中所述的气体绝缘开关装置，其中，在上述各金属容器上形成的凹槽都是形成于法兰表面上的为上述金属容器设置的一组埋头孔。

8.如权利要求1中所述的气体绝缘开关装置，其中，上述加强板是软金属板。

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