JP2011530793A - 磁界制御要素を有する高電圧絶縁体 - Google Patents

Abstract

高電圧絶縁体（１）は、第一の電気的な接続部分（２ａ）及び第二の電気的な接続部分（２ｂ）を有し、両者の間には、電気的な絶縁体本体（３）が延びている。接続部分（２ａ，２ｂ）の端部部分（４ａ，４ｂ）は、絶縁体本体（３）に結合されている。端部部分（４ａ，４ｂ）の少なくとも一つには、トーラス状に形成された界磁制御要素（５）が設けられている。界磁制御要素（５）を有する端部部分（４ａ，４ｂ）には、端部部分（４ａ，４ｂ）の周方向に延びるスロット（６）が形成されている。界磁制御要素（５、５ａ）及び各々に対応の端部部分（４ａ，４ｂ）は、一体的に形成されている。スロット（６）を設けることによって、絶縁体本体（３）の縦方向の収縮及び横方向の収縮の際に発生し且つ端部部分（２ａ，２ｂ）の縦軸に対し垂直に作用する引張力及び圧縮力、並びにせん断力も、著しく回避され、作動中に生じる電界の領域の場合には、絶縁区間の領域における高い均一化の同時的な保持が実現される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧技術の分野、特に、高電圧絶縁体に係る。更に、本発明は、冷却要素と、独立請求項の前提部分に記載のかような高電圧絶縁体を有する高出力スイッチとに係る。

明細書の最初の部分に記載のタイプの高電圧絶縁体は、例えば、特許文献１から公知である。この管状に形成された高電圧絶縁体は、エポキシ樹脂絶縁管を有し、このエポキシ樹脂絶縁管の両端は、金属からなる環状の保持手段の中に貼り付けられている。絶縁本体に向いた金属保持手段の端部は、トーラス（Torus：円環体）の形状に形成されており、作動中に作用する電界の均一化のために用いられる。トーラス自体は、トーラスの軸方向及び同時に径方向に延びるスロットを有することが可能である。それ故に、トーラスは、環状に設けられたセグメントに区分される。その目的は、このことによって、トーラスの剛性を低下させるためである。しかしながら、かようにトーラスに形成された開口部またはスロットは、一方では、界磁制御要素としてのトーラスの機能を損ない、他方では、発生する横方向力を絶縁管に逸らすことが可能である。しかし、この絶縁管は、保持手段としっかりと貼着されており、このことによって、絶縁体の損傷が生じてしまう。

特許文献２は、発電機スイッチとしてデザインされており、冷却要素を有する高電圧スイッチを開示している。この高電圧スイッチの場合、冷却要素は、導電性の内部導体と、スイッチのカプセルとの間に延びている。高電圧スイッチ用ハウジングに設けられた冷却要素用蒸発器と、高電圧に接続されている内部導体に設けられた冷却要素用凝縮器との間で電気絶縁するために、蒸発器と凝縮器との間には、ガラスからなる絶縁管が設けられている。絶縁管の両側に設けられた管状の結合部分は、絶縁管を、蒸発器及び凝縮器に接続する。絶縁管は、蒸発器及び凝縮器と共に、冷却要素を形成する。

特許文献３は、スイッチ・ロッドが内部で案内されているスイッチング装置を開示している。スイッチ・ロッドは、シリンダ状の絶縁管を有し、絶縁管の両端には、夫々、中実なコネクティング・ロッドが案内されている。絶縁管及びコネクティング・ロッドは、埋め込まれたボルトによって、互いにロックされている。このことによって、絶縁管とコネクティング・ロッドとの間の軸方向の遊びが阻止される。絶縁管とコネクティング・ロッドとの間の移行領域は、溝を有するメタル・リングによって囲まれている。その目的は、電界を緩和するためである。

特許文献４は、スイッチ・ロッドを有するスイッチング装置を開示している。スイッチングロッドは、杯状のアダプタ部分によって保持される絶縁管を有している。アダプタ部分は、発生する電界を減少するために寄与する。

欧州特許出願公開 EP1 933 347 A1 号公報 欧州特許出願公開 EP 1 657 731 A1 号公報 米国特許第 US 6521839号公報 特開平０１−１５４４１９号公報

従って、本発明の課題は、熱的及び機械的な負荷に耐えるだけでなく、高電場均等化を保証する、明細書の最初の部分に記載のタイプの高電圧絶縁体を提供することである。更に、本発明の課題は、ヒートパイプと、明細書の最初の部分に記載の高電圧絶縁体を有する高電圧出力スイッチと、を提供することである。両者は、従来の技術よりも高い信頼性及び大きな寿命を保証する。

この課題は、独立請求項の特徴を有する装置によって解決される。

本発明に係る高電圧絶縁体は、二つの電気的な接続部分と、二つの接続部分の間に電気的な絶縁区間を形成するための一つの電気的な絶縁体本体と、を有している。絶縁体本体は、二つの接続部分の間で延びており、これらの接続部分を、端部部分の領域で物理的に互いに接続する。複数の環状の端部部分のうちの少なくとも一つに、環状に形成された電気的な界磁制御要素が設けられており、一体的に形成された端部部分と界磁制御要素との間には、少なくとも一つのスロットがある。

かようにして、複数の接続部分のうちの少なくとも一つが、端部部分及び界磁制御要素から形成されており、自らの周囲に沿ってこのようなスロットを有している。電気装置または電気プラントにおいて高電圧絶縁体を使用する際に不均一な電界の故に生じる電気的なアーク放電は、界磁制御要素によって回避される。同時に、端部部分の弾性変形の故に、絶縁体本体の、温度変化の故に生じる横方向収縮が、端部部分の領域へ強い機械力を導入しない。

かくして、周方向スロットは、界磁制御要素自体の機能を損なうことなく、界磁制御要素と端部部分の間の機械的な分離を引き起こす。一つのまたは複数のかようなスロット状の開口部を形成することによって、界磁制御要素は、ウェブ状に、幾つかの位置でのみ、端部部分に接続されており、いわば、導電性をもって端部部分上で支持されている。この場合、スロットは、材料部分に形成された長めの開口部を意味することが意図される。このことは、例えば、長孔または並列された複数の孔であっても良い。このことによって、長めの開口部の形状が形成される。

更に、本発明に係るヒートパイプは、本発明に係る高電圧絶縁体を有している。高電圧絶縁体の一方の接続部分は、蒸発器の部分を形成し、第二の接続部分は、凝縮器に接続されている。ヒートパイプは、作動媒体の蒸発熱を利用しつつ、ヒートパイプの、蒸発器と呼ばれる部分と、凝縮器と呼ばれる部分との間の、高い熱流密度を可能にする熱伝達装置を意味しなければならない。ヒートパイプは、作動媒体が循環することができる閉じた循環を形成する。この場合、種々の部分、例えば、蒸発器、高電圧絶縁体及び凝縮器相互の間の硬い結合は、あってはならない。むしろ、本発明のヒートパイプは、例えば管部分または蛇腹による蒸発器、凝縮器及び高電圧絶縁体の間の柔軟に可動な結合部を有している。

接線方向に周囲をめぐるスリットが、界磁制御要素と端部部分との間に設けられていることは好都合である。かくして、スリットは、端部部分を界磁制御要素に対して限定する。トロイダル（toroidal）形状の故に硬くなるように作用する界磁制御要素は、かくして、端部部分からかなり分離される。少なくとも一つのスロットがあることによって、界磁要素と端部部分との間に少なくとも一つのウェブが形成される。このウェブによって、界磁制御要素が、端部部分に電気的に及び機械的に接続されている。端部部分の材料特性及び肉厚に従って、形成されたウェブの数及び長さを変化させることが可能である。例えば、二つの、周方向の及び同一の長さである二つのスロットがあっても良い。このことによって、二つの互いに向かい合っているウェブが形成される。これらのウェブは、界磁制御要素を、端部部分上で支持する。三つの周方向のスロットも形成されていても良い。このことによって、三つのウェブが形成される。スロットの対称的な配置は、端部部分上での界磁制御要素の均等な支持を実現するために、好都合であることが明らかになる。

他の好ましい実施の形態及び好都合な作用は、従属請求項及び図面から明らかになるであろう。

以下、添付された図面に示されている好ましい実施の形態を参照して、本発明の主題を詳述する。
図面に用いられた参照符合及びその意味は、参照符号リストに要約してリストアップしてある。基本的には、これらの図面には、同一のまたは同一に作用する構成部材には、同一のまたは類似の参照符号が付されている。本発明を理解するために、重要でない構成部材は、部分的にしか示されていない。記述した実施の形態は、例として、本発明の主題を表わすものであり、限定的な働きを有していない。

絶縁体本体に取り付けられた二つの接続部分を有する、本発明に係る高電圧絶縁体の、第一の実施の形態を表わし、且つ、軸の左側に描かれた部分の、軸に沿って部分的に延びる断面を示す、平面図を略示する。 高電圧スイッチの実施例の平面図を略示する。この高電圧スイッチでは、本発明に係る高電圧絶縁体の第二の実施の形態が、内部導体と外部導体との間に延びている。

図１に示した高電圧絶縁体１は、軸対称に中空シリンダとしてデザインされた絶縁体本体３を有している。絶縁体本体３は、一般的には、セラミック（例えばＡｌ_２Ｏ_３）、ガラスからなるが、エポキシ樹脂で製造されていても良い。エポキシ樹脂には、粒子、例えば、シラン化された石英粉末、ワラストナイト、ガラス繊維が充填されている。電気的に絶縁された中空体３の各々の端部には、金属製の環状の接続部分２ａ，２ｂが取り付けられている。これらの接続部分は、例えば、アルミニウムまたはスチールから製造されている。高電圧絶縁体１は、高電圧中空絶縁体１として実現されている。絶縁体本体３への接続部分２ａ，２ｂの取付けは、例えば、絶縁体本体３の端部を各々の中空の接続部分２ａ，２ｂの中に気密に貼り付けることによって、実現されることが可能である。

絶縁体本体３は、この場合、二つの接続部分２ａと２ｂの間の所定の絶縁区間を保証する。この絶縁区間は、スイッチに永続的に印加される定格電圧（典型的には約１０ｋＶから４０ｋＶ）及び短時間にスイッチに印加される過渡の過電圧、例えば開閉インパルス電圧または雷インパルス電圧（典型的には１００ｋＶから数１００ｋＶ）に耐えることが可能である。接続部分２ａは、接地電位に接続されており、金属ハウジングに導電接続されることが可能である。これに対し、接続部分２ｂは高電圧電位に接続されることが可能であり、高電圧スイッチの接点装置に接続されることが可能である。接続部分２ａは、絶縁体本体３に離隔した側で、ねじ山を有している。このねじ山によって、接続部分２ａを、管状の結合部分７にフランジで取り付けることが可能である。かようにして、接続部分２ａに接続されるコンポーネントの簡単な交換が実現可能である。ネジによるシールの取付けのためには、複数のねじ連結個所の間に位置している複数のパッキングが追加的に設けられていても良い。

結合部分７には、エルボ８が取り付けられている。このエルボは、互いに或る角度で設けられた接続管９ａ，９ｂを有している。二つの接続管９ａ，９ｂは、一つのチャンネルによって互いに接続されている。接続管９ｂには、金属製の管部分１３が取り付けられている。この管部分は、絶縁体本体３の縦軸に対し垂直に導かれる。管部分１３が脇へ導かれるときの角度が、９０°であることは好ましい。管分部１３は、高電圧絶縁体１を、例えば高電圧スイッチのハウジングに気密に結合するためと同時に、機械的にハウジングから分離するために用いられる。この目的のために、管部分１３が、例えば、金属製の蛇腹または可撓性の金属管としてデザインされていても良い。エルボ８と、結合部分７と、接続部分２ａ，２ｂとを介して管部分１３と気密及び圧密に結合された高電圧絶縁体１の内部には液体が導かれる。

接続部分２ａは、絶縁体本体３に向いた側で、端部部分４ａを有している。この端部部分を通って、絶縁体本体３が導かれ、端部部分と絶縁体本体３が接着されている。接着層１６は、管状の端部部分４ａの内壁と、絶縁体本体３の外壁の管状の部分との間にあって、後者の管状の部分は、接続部分２ａの中に延びている。接着層１６によって、気密であり且つ絶縁体本体３と接続部分２ａとの間の結合が実現される。同様に、接続部分２ｂの端部部分４ｂも、絶縁体本体３と気密に結合することが可能である。

接続部分２ａの管状の端部部分４ａは、界磁制御要素５を有している。この界磁制御要素は、管状の端部部分４ａの直径よりも大きい直径を有するトーラス状の環状体としてデザインされている。界磁制御要素５によって、端部部分４ａは、絶縁体本体３に対して限定される。トーラス状の界磁制御要素５の幅及び直径は、高電圧絶縁体１の作動中に作用する電界が、絶縁区間で均等化して、電界ピーク従ってまた電気的なアーク放電が絶縁区間で回避されるように、選択されている。界磁制御要素５のトーラス状の壁部は、連続的に閉じた表面を有している。それ故に、窪み、穴またはスロットを有する表面を備えており、従って、複数の部分表面またはセグメント化された表面が形成されている界磁制御電極に比較して、作用する電界のかなり改善された均一化が実現される。

接続部分２ａ，２ｂの、絶縁体本体３に向いた部分では、接続部分２ａ，２ｂの肉厚は、絶縁体本体の縦の収縮及び横方向の収縮の際に、端部部分４ａ，４ｂの弾性変形が生じるように、及び硬く形成された保持手段に比べてかなり減じられている力が、端部部分４ａ，４ｂにかけられるように、決められている。かような力は、とりわけ、接着層１６に対し垂直に作用する引張力及び圧縮力である。

横方向の収縮は、切換操作の故または曲げ力の故の、高電圧絶縁体１の、強い機械的な負荷の際に生じることがあるが、とりわけ、温度変化によって引き起こされる。かような温度変化は、作動中に生じ、あるいは、高電圧絶縁体１が曝されている周囲温度に起因される。絶縁体本体３の熱膨張係数が、一般的には、端部部分４ａ，４ｂのそれよりも著しく大きいので、温度上昇の際には、絶縁体本体３は、硬く形成された端部部分４ａ，４ｂによって区画された環状空間の中で圧縮される。これに対し、絶縁体本体１は、絶縁区間の領域で、即ち、端部部分４ａ，４ｂの外側で、スムーズに膨張することが可能である。絶縁体本体においてこの際に生じる応力は、端部部分４ａ，４ｂの接着剤層１６に作用し、径方向に向いた力を発生する。

絶縁体本体３が、接着剤層１６によって、弾性変形可能な端部部分４ａ，４ｂと結合されていることによって、絶縁体本体１が、温度上昇の際に、端部部分４ａ，４ｂの領域で膨張することが可能である。しかし、そこでは、許容されないほどの高い応力は生じない。従って、端部部分４ａ，４ｂには、高い局所的なせん断力及び引張力、従ってまた、接着剤層１６の、端部部分に発生する剥離あるいは絶縁体本体３の亀裂が回避される。

接続部分２ａの管状の端部部分４ａと、トーラス状の界磁制御要素５との間には、端部部分４ａの周方向に、二つのスロット６が形成されている。それ故に、界磁制御要素５は、スロット６によって形成される二つのウェブ１７によって、端部部分４ａから離れて、確実に支持されており、且つ端部部分４ａに導電接続されている。例えばフライス削りによって端部部分４ａから製造されるスロット６は、二つのウェブが互いに向かい合っており、端部部分４ａの直径を有し、且つ互いに間隔をあけて設けられているように、デザインされている。端部部分４ａの周方向に形成されたスロット６は、界磁制御要素５のトロイダル（toroidal）形状によって生じられた、接続部分２ａの機械的剛性を、絶縁体本体３に向いた領域で低下させ、従って、接続部分の弾性変形を改善する。かくして形成されており、且つ只一つの部分からなる端部部分２ａを有することが好ましい界磁制御要素５は、ほぼ、端部部分４ａの弾性挙動を保つ。この弾性挙動は、他の場合には、界磁制御要素５の存在なしにのみ、実現され得る。界磁制御要素５の内径は、或る部分では、端部部分４ａの内径と同一である。

図２は、発電機スイッチのスイッチ極１００の断面図を示す。スイッチ極１００は、管状の、内部の導体１４を有している。この導体は、外部導体として作用するハウジング状のカプセル１５によって、囲まれている。作動の場合には、内部導体と各々の外部導体との間に、高電圧ＨＶが印加されており、外部導体は、接地電位Ｇに接続されている。一般的には外部導体よりも小さい横断面を有する内部導体には、排出される損失熱が生じ、他方、周囲空気に曝された外部導体は、比較的熱くならない。

導体１４から損失熱を排出するために、導体１４を、ヒートパイプ１０として設計されている少なくとも一つの冷却要素によって冷却する。ヒートパイプ１０は、作動媒体を有している。この作動媒体は、ヒートパイプ１０の、蒸発器１１と呼ばれる部分の中で蒸発され、ヒートパイプ１０の、凝縮器１２と呼ばれる部分の中で凝縮される。凝縮器１２は、カプセル１５の外面に冷却リブ構造を有し、カプセル１５と導電接続されている。カプセル１５及び管部分１３を介して、接続部分２ａは、接地電位に保たれ、且つ導体１４の方向に指形に突出している。かくして、接続部分２ａは、導体１４の電界領域に露出している。従って、絶縁区間の領域で、または、電気的な絶縁体本体３と金属製の端部部分４ａとの間の接続個所である接着層１６で、望ましくない電場ピークの形成、従ってまた電気的なアーク放電が生じてしまう。このアーク放電の回避及び電界の均一化は、図１に示す高電圧絶縁体１と、第二に示す他の実施の形態とによって、実現される。図２では、凝縮器１２及び蒸発器１１は、高電圧絶縁体１を介して互いに接続されている。

ヒートパイプ１０が組み込まれた状態では、高電圧絶縁体１の縦軸は、スイッチ極１００の垂直軸に対し角度αだけ傾斜されている。管部分１３を高電圧絶縁体１の縦軸に対し横設することによって、今や、ヒートパイプ１０の重力作用の改善を得るのは、凝縮された作動媒体の、管部分１３の領域における逆流を容易化することによってである。

図２に示すように、高電圧絶縁体１は、製造及び組み立て上好都合な形態で、自らの両端の各々に、ねじ山を備えた接続部分２ａ及び２ｂを有している。更に、二つの端部部分４ａ，４ｂの各々は、絶縁体本体３の方向に、界磁制御要素５によって区画される。界磁制御要素は、スロット６によって形成されたウェブ１７を介して、各々の端部部分４ａ及び４ｂに接続されている。かような構造によって、高電圧絶縁体１の容易な交換性も保証される。

１…高電圧絶縁体、２ａ…接続部分、２ｂ…接続部分、３…絶縁体本体、４ａ…端部部分、４ｂ…端部部分、５…界磁制御要素、５ａ…界磁制御要素、６…スロット、スロット状の開口部、７…結合部分、８…エルボ、９ａ…接続管、９ｂ…接続管、１０…ヒートパイプ、冷却要素、１１…蒸発器、１２…凝縮器、１３…管部分、１４…導体、１５…カプセル、１６…接着剤層（Adhesiveschichten）、接着剤層（Klebstoffschichten）、接着層、１７…ウェブ、１００…スイッチ極。

Claims (14)

1. 高電圧絶縁体（１）であって、
   第一の中空の電気的な接続部分（２ａ）と、
   第二の中空の電気的な接続部分（２ｂ）と、
   電気的な絶縁体本体（３）と、を有し、
   前記絶縁体本体は、前記第一の接続部分（２ａ）と前記第二の接続部分（２ｂ）との間に延びており、前記絶縁体本体（３）は、前記第一の接続部分（２ａ）の端部部分（４ａ）及び前記第二の接続部分（２ｂ）の端部部分（４ｂ）と気密に結合されており、少なくとも一つの端部部分（４ａ，４ｂ）には、環状に形成された界磁制御要素（５）が設けられている、
   高電圧絶縁体（１）において、
   前記端部部分（４ａ，４ｂ）及び前記界磁制御要素（５）は、一体的に形成されており、前記端部部分（４ａ，４ｂ）と前記界磁制御要素（５）の間には、前記界磁制御要素（５）を前記端部部分（４ａ，４ｂ）から機械的に分離するための、前記端部部分（４ａ，４ｂ）の周方向に延びる少なくとも一つのスロット（６）が形成されていること、
   を特徴とする高電圧絶縁体（１）。
2. 前記少なくとも一つのスロット（６）は、前記界磁制御要素（５）に向いた前記端部部分（４ａ，４ｂ）を区画すること、を特徴とする請求項１に記載の高電圧絶縁体（１）。
3. 前記少なくとも一つのスロット（６）によって、少なくとも一つのウェブ（１７）が形成され、このウェブによって、前記界磁制御要素（５）及び前記端部部分（４ａ，４ｂ）が互いに接続されていること、を特徴とする請求項１または２に記載の高電圧絶縁体（１）。
4. 前記環状の界磁制御要素（５）によって引き起こされる、径方向における機械的硬化が、前記スロット（６）によって著しく回避されること、を特徴とする請求項３に記載の高電圧絶縁体（１）。
5. 前記端部部分（４ａ、４ｂ）は、環状に形成されており、前記環状の界磁制御電極（５）はトロイダル状に形成されていること、を特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の高電圧絶縁体（１）。
6. 前記端部部分（４ａ、４ｂ）は、前記端部部分（４ａ，４ｂ）の内壁と、前記絶縁体本体（３）の外壁の部分との間に設けられている接着剤層（１６）によって、前記絶縁体本体（３）にしっかりと取り付けられていること、を特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の高電圧絶縁体（１）。
7. 凝縮器（１２）と、蒸発器（１１）と、高電圧絶縁体（１）と、を有するヒートパイプ（１０）であって、
   前記高電圧絶縁体は、前記蒸発器（１１）と前記凝縮器（１２）との間に絶縁区間を形成し、第一の電気的な接続部分（２ａ）と、第二の電気的な接続部分（２ｂ）と、電気的な絶縁体本体（３）と、を有し、
   この絶縁体本体（３）は、前記第一の接続部分（２ａ）と前記第二の接続部分（２ｂ）との間に延びており、前記第一の接続部分（２ａ）の端部部分（４ａ）及び前記第二の接続部分（２ｂ）の端部部分（４ｂ）と気密に結合されており、少なくとも一つの端部部分（４ａ，４ｂ）には、界磁制御要素（５）が設けられている、
   ヒートパイプ（１０）において、
   前記端部部分（４ａ，４ｂ）と前記界磁制御要素（５）との間の結合部は、前記端部部分（４ａ，４ｂ）の周辺方向に延びる、前記界磁制御要素（５）を前記端部部分（４ａ，４ｂ）から機械的に分離するための少なくとも一つのスロット（６）を有すること、を特徴とするヒートパイプ（１０）。
8. 前記第一の接続部分（２ａ）は、前記蒸発器（１１）の部分を形成し、前記高電圧絶縁体（１）の前記第二の接続部分（２ｂ）を凝縮器（１２）に接続すること、を特徴とする請求項７に記載のヒートパイプ（１０）。
9. 前記接続部分（２ａ）は、可撓性の管部分（１３）を介して、前記蒸発器（１１）に接続されていること、を特徴とする請求項８に記載のヒートパイプ（１０）。
10. 前記少なくとも第一の接続部分（２ａ）は、前記管部分（１３）を取外し可能に取り付けるための接続フランジ（７）を有すること、を特徴とする請求項９に記載のヒートパイプ（１０）。
11. 前記管部分（１３）は、前記絶縁体本体（３）の縦軸に対し垂直に延びていること、を特徴とする請求項９または１０に記載のヒートパイプ（１０）。
12. 前記第一の接続部分（２ａ）が前記界磁制御要素（５）と一体的に形成されているだけでなく、前記第二の接続部分（２ｂ）も他の界磁制御要素（５）と一体的に形成されており、双方の接続部分（２ａ，２ｂ）は、前記スロット（６）を有すること、を特徴とする請求項７から１１の何れか１項に記載のヒートパイプ（１０）。
13. 請求項７から１２の何れか１項に記載のヒートパイプ（１０）を有する発電機スイッチ（１００）であって、
    前記蒸発器（１１）は、熱的に及び電気的に、導体（１４）に接続されており、
    前記凝縮器（１２）は、熱的に及び電気的に、前記導体（１４）を取り囲んでいるカプセル（１５）に接続されている、
    発電機スイッチ（１００）。
14. 前記第一の接続部分（２ａ）は、前記接地電位に接続されている前記カプセル（１５）から指形に突出していること、を特徴とする請求項１３に記載の発電機スイッチ（１００）。

Images