TWI529752B - 電氣電源電阻器 - Google Patents

Description

電氣電源電阻器

本發明係關於一種電氣電源電阻器，通常用於發電機和頻率轉換器。這樣的電源電阻器(power resistor)適用於電廠中在特殊運作狀態裡將電能轉換為熱能，其中，在若干毫秒(millisecond)到若干秒之時間期間裡，該電能通常是呈現明顯地減少。舉例來說，對風渦輪機(wind turbines)和水力發電機(water power plants)而言，情況就是這樣。

這樣的電源電阻器可以複數個金屬電阻器板之堆疊所形成，而該堆疊的每一電阻器板具有至少一個曲折(meandering)結構，該曲折結構係以複數個橫向腹板(transverse webs)彼此相接(following)且彼此間隔地連接所形成。藉此提供可以簡單構造輕易地匹配至各別用途之電阻器單元。

然而，機械穩定性問題可能發生在這樣的電阻器單元。亦即，若電流流動通過各別的電阻器板時，該電流以相反方向流動於相互鄰接的橫向腹板中。在這些鄰接的橫向腹板中所引起之磁場互動導致該橫向腹板的相互排斥。然而，由於這些鄰接的橫向腹板之間所造成的中間空間，使得各別的電阻器板為可彎曲的。該橫向腹板的相互排斥因而導致該電阻器板的膨脹(expansion)，該電阻器板是位在垂直於該橫向腹板之定向的平板平面內，即沿著該曲折結構之延伸區的方向(以下亦稱為各別電阻器板之“縱向”)。該各別的電阻器板因而必需插入穩定的支架或其他緊固裝置，以拉緊上述排除力(expulsion)和膨脹力，且給予所形成的該電阻器單元其需要的機械穩定性。特別是這樣的支架或其他緊固裝置，必需防止該各別的電阻器板之端區域的扯掉，且必需確保有關該電源電阻器緊固於另一個結構(例如，在開關櫃)之該電阻器單元充分的形狀穩定性。

本發明之目的係提供一種有複數個電阻器板之堆疊的電氣電源電阻器，該電阻器板具有曲折結構，且儘管於其中產生有膨脹力，該電器電源電阻器容許簡單和低成本設計而穩定配置該電阻器板。

此目的可透過具有請求項1之特徵的電氣電源電阻器達成，且尤其是，在堆疊方向彼此相接的電阻器板相對於彼此旋轉90°。

該電源電阻器包含至少兩個電阻器板之堆疊，該電阻器板沿著堆疊方向配置於彼此之上，特別是彼此平行且彼此分隔開來。每個第二電阻器板之對齊相對於前面電阻器板之對齊在各別的平板平面旋轉90°，且確實地相對於曲折結構延展的各別的方向(即縱向方向)。這表示垂直該各別的電阻器板之橫向腹板的定向所產生之排斥和膨脹力同樣地相對於彼此由電阻器板至電阻器板旋轉90°。設置在該曲折結構之端側且平行該橫向腹板延伸之各別的電阻器板的橫向腹板及/或端連接器腹板可藉此支撐(take up)鄰接的電阻器板(旋轉90°)之排斥和膨脹力。因此，對於支架或緊固裝置的機械需求會少很多，該支架或緊固裝置相較於對齊未改變之電阻器板的配置提供該電阻器板的相互緊固。

該堆疊的所有電阻器板較佳係藉由共同的緊固裝置而彼此緊固。這樣的緊固裝置可具有簡單且低成本構造，因為主要僅需讓發生於縱向方向的一個電阻器板之膨脹力傳遞到鄰接的電阻器板或多個電阻器板(旋轉90°)。由於該電阻器板在橫向方向的內在穩定性，即沿著該各別的曲折結構之該橫向腹板延伸的方向，在此方向的力可藉由電阻器板支撐，不用為此目的而必需對緊固裝置有特殊需求。

依照特別有利的實施例，該電阻器板為四角形的，且帶有尖角或圓角。較佳地，該電阻器板為矩形，特別是正方形，儘管有不同側邊長度的情況-較長側邊長度並非必要定義為前述的縱向方向(僅以該電阻器板之曲折結構延伸的方向來決定)。在這樣四邊形電阻器板的情況下，較佳地提供用於容置各別的緊固元件之緊固開口在至少每一角落之區域。在此，電阻器板與彼此之間特別簡單且仍然穩定的緊固是可能的。不同的電阻器板之緊固開口較佳地係彼此對齊的配置。如此可使用共同的緊固元件，該緊固元件係受引導而通過該對齊的緊固開口。

舉例來說，該堆疊之電阻器板可經緊固桿(fastening bar)而緊固於彼此，該緊固桿係受引導而通過該電阻器板之緊固開口。該緊固桿可為帶螺紋的桿或螺釘。於此以簡單方式形成該堆疊之自我支撐(self-supporting)結構而無需外部支架，例如以框架形式，對於該電阻器板之相互緊固是必需的。

所述的緊固元件，特別是所述的緊固桿，較佳地係與該電阻器板電性絕緣。例如，此可透過塞入雲母導管(mica pipes)而產生。

依照實施例，所述的緊固開口和緊固元件的配置係相對於該各別的電阻器板以90°旋轉而旋轉對稱。此表示當所述之一個電阻器板相對於另一個電阻器板旋轉90°時，電阻器板之緊固開口也和與其鄰接的另一電阻器板之緊固開口對齊。以此方式，該電源電阻器可更輕易地重新組構供其他應用，因為該電阻器板可以特別彈性的方式彼此結合且可設計該電阻器板作為共同的部分。

此外，最好是若至少兩個電阻器板具有至少一個各別的連接器構件用於該電阻器板的電接觸。舉例來說，此連接器構件可形成為如同開口(例如內孔)或如同接通、安置及/或銲接栓。若提供該堆疊之複數個電阻器板，或所有電阻器板相同的連接器構件，產生該電源電阻器以特別彈性的方式匹配至所需的電阻值。舉例來說，每一電阻器板可具有用以在該曲折結構的兩端電接觸之連接器構件。

此外，較佳是若該電阻器板之至少一者具有至少一個各別的連接構件以緊固絕緣器。舉例來說，所述的連接構件可為開口、螺釘或栓。緊固於該各別的電阻器板之絕緣器允許該電源電阻器配置與緊固於另一結構，例如開關櫃(switch cabinet)。

只要各別的電阻器板設有所述的緊固開口、連接器構件及連接構件，便能藉由相同工具(例如，若是就內孔而言)以簡單方式引進可得之三組不同的機械及/或電性的構件。

依照進一步有利的實施例，在堆疊方向彼此相接的兩個電阻器板透過各別的間隔件而彼此間隔分離，而該間隔件係選擇性地能被製成電性絕緣或電性傳導。該間隔件造成該電阻器板的預定間隔，較佳地彼此相對以平面平行(planoparallel)方式配置。因此在該堆疊方向的兩個鄰接電阻器板之間形成各別的中間空間，特別適用於冷卻目的(氣態冷卻或液態冷卻)。依照使用各別的間隔件於所需的應用，可彈性地設定兩個鄰接電阻器板之間的各別的間隔。可形成該間隔件為套管，以允許在該電阻器板之間有特別好的空氣循環並因而對環境的空氣有好的熱消散。或者，也可提供貫穿(throughgoing)間隔件，例如以腹板或平板形式。特別是陶瓷、雲母、橡膠、矽樹脂或塑膠可考慮作為電性絕緣材料。該電源電阻器可藉由電性絕緣或電性導通間隔件的對應選擇，以形成該堆疊之個別的電阻器板之並聯電路或串聯電路，或一些個別的電阻器(若所有電阻器板彼此電性絕緣)。

較佳地，該電阻器板具有各別的端連接器腹板(所謂的終端)，係製成較該曲折結構之橫向腹板寬，並位於該曲折結構的兩端，即沿著各別的縱向方向而安置。因而在特別穩定的端連接器腹板可提供先前所謂的用於緊固裝置之緊固開口，從而能支撐所說明之該各別的鄰接電阻器板的膨脹力。替代地或附加地，仍然也可在該橫向腹板提供所述的緊固開口。

除了所述的端連接器腹板，該電阻器板可具有至少一個中心連接器腹板，其同樣地製成寬於該橫向腹板，並位於各別的中心區域。形成該電源電阻器之主動區的各別的電阻器板之曲折結構係藉此劃分為複數個區段。這些區段可為相同或不同的形狀且可具有相同或不同的電阻。這樣的中心連接器腹板也提供機械穩定性在橫向方向的增加。再者，除了在該端連接器腹板的緊固開口外，較佳地在該中心連接器腹板提供用於容置各別的緊固元件之緊固開口。此外，較佳情況是若提供至少一個連接器構件(例如開口或栓)在該各別的中心連接器腹板用以電接觸。

依照進一步有利的實施例，各別的電阻器板之該曲折結構的橫向腹板係沿著形成於兩個鄰接橫向腹板之間之中間空間而彼此電性絕緣，且確實只有部分地或橫跨該各別的中間間隔之全部長度。因此可防止不想要的電弧點燃。由於磁交互作用或也由於熱膨脹或外部震動，個別的橫向腹板的形變會非常強烈，使得彼此鄰接配置的橫向腹板彼此接觸或至少短暫地幾乎彼此接觸。此效果會導致電弧的點燃，其可能損害或毀壞該電源電阻器或相連的電廠。相反地，藉由該橫向腹板之相互電性絕緣以避免此危險，且在兩個鄰接橫向腹板之間可製造狹窄的中間空間，以提供穩定性的增加及緊密構造。

尤其，藉由絕緣條(即電性絕緣條狀平板)可造成該橫向腹板的相互電性絕緣，該絕緣條係插入兩個鄰接橫向腹板之間的中間空間，且特別是包括陶瓷、雲母或塑膠，例如聚苯並咪唑(polybenzimidazole，PBI)。代替這樣的絕緣條，可將粒狀(granulate)或其他填充材料壓入至兩個鄰接橫向腹板之間的中間空間，例如加熱聚苯並咪唑。或者，可使用充分硬化的液體絕緣材料，藉由倒入、注入或發泡例如矽樹脂、水泥(cement)或混凝土(concrete)，從而完全地或部分地填充於兩個鄰接橫向腹板之間的中間空間。此外，可使用充分硬化的液體絕緣材料覆蓋該橫向腹板當作塗層，例如以薄的聚苯並咪唑薄膜形式，形成除了電性絕緣外還有防潮的保護(防腐蝕)。

當每一電阻器板之曲折結構透過較佳係彼此偏移配置之交替切口而形成時，個別的電阻器板係能以特別簡單且低成本的方式製成。舉例來說，可引進在鄰接橫向腹板之間的切口，例如藉由雷射光束、高壓水刀、鋸子(saw)或銑刀(mill)，特別是在較大平板裁切成各別的電阻器板的同一工作步驟中。

依照較佳實施例，該堆疊之所有電阻器板，或除了底板外的該堆疊之所有電阻器板，係製成彼此相同，即成為共同的部分。藉此產生特別低成本製造及蓄電，且可以彈性方式組構各別的電源電阻器。

在第1圖中，電源電阻器包含以相對於彼此平面平行方式配置的電阻器板之堆疊，即有形成底板的第一電阻器板11(第2圖)，第二電阻器板12(第3圖)和第三電阻器板13(第4圖)。該矩形電阻器板11、12、13包含金屬、典型地不繡鋼或其他合適的合金，且也可具有不同於第1至4圖所呈現的圓角。該電阻器板11、12、13係彼此緊固且電性傳導地連接至彼此，將在下列作說明。

每一電阻器板11、12、13具有曲折結構，該曲折結構係以複數橫向腹板15緊接彼此而形成。相互鄰接的橫向腹板15係藉由條狀中間空間17而彼此間隔地分離，且用短連接腹板19連接至彼此。例如在第4圖之第三電阻器板13所示，該橫向腹板15沿著橫向方向Q延伸，而因此形成之該各別的電阻器板的曲折結構朝垂直於該橫向腹板15定向及該橫向方向Q而延伸，即沿著縱向方向L。在這所表示的實施例中，該橫向腹板15沿著該各別的電阻器板11、12、13的整個側邊長度延伸。替代所示之單一各別的曲折結構，該電阻器板11、12、13仍然亦可包含複數個曲折結構，且該複數個曲折結構係緊鄰著彼此延伸。

每一電阻器板11、12、13具有位於該曲折結構之兩端之各別的端連接器腹板21，該端連接器腹板21係製成寬於該橫向腹板15。再者，每一電阻器板11、12、13具有位於中心區域之中心連接器腹板23，該中心連接器腹板23係製成寬於該橫向腹板15。該中心連接器腹板23將該各別的電阻器板11、12、13之該曲折結構劃分為兩個主動區25。

依照第1圖之斜視圖可理解，在堆疊方向彼此相接的該電阻器板11、12、13相對該曲折結構延伸範圍的各別的方向(依照第4圖中各別的縱向方向L)而言係彼此旋轉90°。換言之，該第二電阻器板12相對於該第一電阻器板11在平板平面內旋轉90°，而該第三電阻器板13係接著相對於該第二電阻器板12在平板平面內旋轉90°。該兩鄰接的電阻器板11、12(或12、13)之橫向腹板15的定向係相應地旋轉90°。

每一電阻器板11、12、13具有九個緊固開口31：提供四個緊固開口13於該各別的電阻器板11、12、13之角落的區域。另外提供各別的緊固開口31於該端連接器腹板21之中心區域。最後，該各別的中心連接器腹板23也具有三個緊固開口31，亦即位在兩端且在中心區域內。因而產生一個緊固開口31的3×3矩陣。

該三電阻器板11、12、13之該各別的緊固開口31係配置成彼此對齊，且適用於容置共同的緊固裝置，該共同的緊固裝置包含三個電阻器板11、12、13共用的複數個緊固元件。在於此所示範例中，僅提供六個緊固元件33，換言之，該各別的電阻器板11、12、13之三個緊固開口31仍然未使用。於此實施例中所示的緊固元件33形成作為六角形螺釘，與六角形螺帽35相配合以將電阻器板11、12、13之堆疊保持在一起。

在此方面，間隔件確保該電阻器板11、12、13配置彼此間隔開來。一方面，提供電性絕緣間隔件37，例如具有通道開口的雲母小片(mica platelets)，該通道開口係用於該各別的緊固元件33。另一方面，電性傳導間隔件39(例如金屬套管)確保電阻器板之端連接器腹板21電性傳導地連接至另一電阻器板11、12、13之端連接器腹板21。

除了所述的緊固開口31之外，在該第一電阻器板11之端連接器腹板21及該第三電阻器板13之端連接器腹板21處提供連接器構件，該連接器構件適用於該電源電阻器與相連的電廠之電接觸。該各別的連接器構件包含連接器開口41(第2和4圖)及插入其中的連接器栓43(第1圖)。例如，可將電纜接線頭(未圖示)緊固至該各別的連接器栓43。這樣的連接器構件(連接器開口41和連接器栓43)也可設置在至少該第三電阻器板13之中心連接器腹板23，以便能更有彈性地匹配所示之該電源電阻器的電阻值以及能利用該電源電阻器作為分壓器(potential divider)。

此外，在第一電阻器板11設置連接構件，用以緊固絕緣器使得該電源電阻器能緊固至相連的支撐結構(例如開關櫃(switch cabinet))。該些連接構件包含六個連接開口45(第2圖)及插入其中的各別的連接螺釘47，引進該連接螺釘47以螺合至各別的絕緣塊49(第1圖)。

第5圖係表示依照第1圖中該電源電阻器的橫截面之局部圖。可以確認的是，由雲母導管(mica pipe)51圍繞的緊固元件33，即該六角形螺釘，該雲母導管51同樣地穿過該電阻器板11、12、13之該緊固開口31且從而讓該六角形螺釘與該電阻器板11、12、13電性絕緣。

如第1至5圖所示的電源電阻器係具有簡單設計且可以低成本方式製造。該電阻器板11、12、13可由較大平板裁切出來，而同時可引進該中間間隔17作為切口以形成該各別的曲折結構之該橫向腹板15。可以簡單方式設計該緊固開口31、該連接器開口41及連接開口45作為內孔(bores)。該各別的電阻器板11、12、13其所需電阻值可透過適當選擇該電阻器板11、12、13之材料、大小及厚度、該橫向腹板15和中間間隔17之數量以及該橫向腹板15之寬度而決定。該橫向腹板15之寬度對該電阻器板11、12、13之厚度的任何所需比例，在這一方面可廣泛地被實現，例如比例為1(即正方形的橫截面)。也可以透過沖壓(stamping)來製造該電阻器板11、12、13，不過，之後必需提供腹板寬度對平板厚度有較大比例。

該電源電阻器可彈性地與不同需求相匹配，例如因為改變該堆疊之電阻器板11、12、13的數量或者因為藉由改變電性絕緣間隔件37或電性傳導間隔件39的配置而選擇地實現串聯電路或並聯電路。另外，由於透過該各別的電阻器板11、12、13之該中心連接器腹板23分割為兩個主動區25，所以可利用該電源電阻器作為分壓器。若在該電源電阻器或在部分該電源電阻器量測到電壓下降時，可使用該電源電阻器作為電流感測器。該電源電阻器之電阻值可以簡單方式透過電性傳導橋(electrically conductive bridge)而均化，例如，該電性傳導橋連接橫越中間間隔17的兩個橫向腹板15(例如藉由夾持或焊接)。

以簡單方式透過該電阻器板11、12、13的相互張力產生穩定、自我支撐結構，以形成如第1圖所示之該緊固元件33的堆疊。在此方面之特殊優點係該電阻器板11、12、13沿著該堆疊方向相對於彼此而各別旋轉90°。藉由在該橫向腹板15內的電流流動而產生磁性排斥力，即導致方向垂直於該橫向腹板15之定向(依照第4圖中沿著該各別的縱向方向)的膨脹力。這些膨脹力透過各別的鄰接的電阻器板11、12、13之相對寬的端連接器腹板31(以及隨意地透過該中心連接器腹板23)經由該緊固元件33而被支撐。因而所述的膨脹力無需藉由外部支撐結構來支撐，且僅需關注該緊固元件33(例如六角形螺釘)具有足夠大的尺寸。

在所示實施例中，該三個電阻器板之緊固開口31的3×3矩陣係相對於該各別的電阻器板11、12、13以90°旋轉而旋轉對稱。由於複數個電阻器板之可能型態可在此以特別彈性方式彼此結合，故以此方式該電源電阻器可更輕易地重新組構供其他應用。特別地，對於堆疊之鄰接的電阻器板可能在此使用共同的部分，藉以減少製造和蓄電作用。然而，或者，可在此依序提供該緊固開口31之非旋轉對稱配置，藉此以實現方向編碼(direction encoding)且確保各個電阻器板11、12、13僅可相對彼此以唯一預定對齊而組裝。因而可藉此以簡單方式確保該鄰接的電阻器板11、12、13在相對於彼此旋轉90°下，該鄰接的電阻器板11、12、13之曲折結構延伸之各別的方向永遠維持對齊。

最後，關於所示實施例應注意到，位於鄰接的橫向腹板15之間的中間間隔17也可依舊以電性絕緣材料完全地或部分地填滿。此填充材料可作為鄰接的橫向腹板15之間的間隔件以及防止不想要的電弧點燃，其中，假若鄰接的橫向腹板15由於磁交互作用、熱效應及/或外部震動而彼此太接近則可能產生該電弧。

11．．．第一電阻器板

12．．．第二電阻器板

13．．．第三電阻器板

15．．．橫向腹板

17．．．中間空間、中間間隔

19．．．連接腹板

21．．．端連接器腹板

23．．．中心連接器腹板

25．．．主動區

31．．．緊固開口

33．．．緊固元件

35．．．六角形螺帽

37．．．電性絕緣間隔件

39．．．電性傳導間隔件

41．．．連接器開口

43．．．連接器栓

45．．．連接開口

47．．．連接螺釘

49．．．絕緣塊

51．．．雲母導管

L．．．縱向方向

Q．．．橫向方向

本發明將藉由範例並參照圖式來說明。

第1圖係表示電氣電源電阻器的斜視圖；

第2圖係表示第一電阻器板的俯視圖；

第3圖係表示第二電阻器板的俯視圖；

第4圖係表示第三電阻器板的俯視圖；以及

第5圖係表示局部橫截面圖。

11．．．第一電阻器板

12．．．第二電阻器板

13．．．第三電阻器板

15．．．橫向腹板

17．．．中間空間、中間間隔

19．．．連接腹板

21．．．端連接器腹板

23．．．中心連接器腹板

25．．．主動區

31．．．緊固開口

33．．．緊固元件

35．．．六角形螺帽

37．．．電性絕緣間隔件

39．．．電性傳導間隔件

43．．．連接器栓

47．．．連接螺釘

49．．．絕緣塊

Claims (15)

1. 一種電氣電源電阻器，係具有複數個金屬電阻器板(11、12、13)之堆疊，其中，每一電阻器板具有至少一個曲折結構，該曲折結構係由複數個間隔地相互連接的橫向腹板(15)所形成，其特徵在於：朝該堆疊方向彼此相接的電阻器板(11、12、13)相對於彼此旋轉90°。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源電阻器，其中：該堆疊之所有電阻器板(11、12、13)係以共同的緊固裝置彼此緊固。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源電阻器，其中：該電阻器板(11、12、13)為四角形，而在每一角落之區域設置用以容置各別的緊固元件(33)之緊固開口(31)。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電源電阻器，其中：該電阻器板(11、12、13)係經緊固桿而彼此緊固，該緊固桿係經引導而通過該電阻器板之該緊固開口(31)。
5. 如申請專利範圍第3項所述之電源電阻器，其中：該緊固元件(33)係與該電阻器板(11、12、13)電性絕緣。
6. 如申請專利範圍第3項所述之電源電阻器，其中：該緊固開口(31)與緊固元件(33)的配置係相對於該各別的電阻器板(11、12、13)以90°旋轉而旋轉對稱。
7. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源電阻器，其中：至少兩個該電阻器板(11、13)具有至少一個各別的連接器構件(41、43)以用於電接觸。
8. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源電阻器，其中：至少一個該電阻器板(11)具有至少一個各別的連接構件(45、47)以用於緊固絕緣器(49)。
9. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源電阻器，其中：在該堆疊方向彼此相接的兩個電阻器板(11、12、13)藉由間隔件(37、39)彼此分隔，該間隔件係被製成選擇性電性絕緣或電性傳導。
10. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源電阻器，其中：該電阻器板(11、12、13)具有位於該曲折結構之兩端之各別的端連接器腹板(21)，係製成寬於該橫向腹板(15)。
11. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源電阻器，其中：該電阻器板(11、12、13)具有於中心區域中的至少一個中心連接器腹板(23)，係製成寬於該橫向腹板(15)。
12. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源電阻器，其中：該橫向腹板(15)係部分地或沿著中間間隔(17)橫跨整個長度而彼此電性絕緣，該中間間隔係形成於兩個鄰接的橫向腹板之間。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電源電阻器，其中：該橫向腹板(15)係沿著該中間間隔(17)藉由條狀 插入物、藉由壓製、模製或發泡填充材料或藉由塗層而彼此電性絕緣。
14. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源電阻器，其中：每一電阻器板(11、12、13)之該曲折結構係由交替切口所形成。
15. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源電阻器，其中：該堆疊之所有電阻器板，或除了底板外的該堆疊之所有電阻器板，係製成彼此相同。