CN116235271A - 高压设备和用于提高高压设备中的介电强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压设备(1)，其具有封装壳体(2)和至少一个绝缘套管(3)，绝缘套管用于将至少一个载流导体(4)引入封装壳体(2)和/或引出封装壳体(2)。绝缘套管(3)包括处于自由电位的至少一个电极(5)。处于自由电位的至少一个电极(5)提高高压设备中、特别是绝缘套管(3)的区域中的介电强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压设备和用于提高高压设备中的介电强度的方法，其中，高压设备具有封装壳体和至少一个绝缘套管，用于至少一个载流导体进入封装壳体和/或离开封装壳体。
背景技术
高压设备被设计为用于几十千伏范围直至几百千伏的电压范围内、特别是1200kV的电压，并且用于直至几百千安范围内的电流。高压设备例如包括高压断路器、隔离器、变压器、放电器、测量互感器和/或绝缘套管。高压设备、特别是断路器例如被实施为户外的和/或气体绝缘的断路器，即被实施为气体绝缘的开关设备，其被实施为带电罐(LiveTank)，即处于高压电位，其开关单元布置在绝缘子中，或者被实施为接地罐(Dead Tank)，即其开关单元布置在接地的壳体中。
接地罐气体绝缘的断路器具有：例如由铝制成的封装壳体，其特别是以圆柱形的桶的形式实施；以及用于载流导体的绝缘套管，用于将布置在封装壳体内部的开关单元与电网的用电设备、发电机和/或电力线连接。封装壳体、特别是桶形状的封装壳体被实施为是气密的，例如具有两个特别是圆形的开口，开口以法兰的形式实施，特别是中空圆柱形的绝缘子壳体气密地固定在法兰上。在绝缘子壳体或绝缘子中，载流导体从绝缘子的气密地密封的端部的外部端子接线片开始，延伸到封装壳体中的开口，由此例如延伸到开关单元，用于将开关单元与电网的用电设备、发电机和/或电力线电连接。
高压设备的封装壳体、特别是断路器的封装壳体布置在支撑体上，例如布置在钢支柱上，支撑体特别是机械稳定地锚固在混凝土基座中。封装壳体电气接地，以使针对维护人员和/或环境中的人员的危险最小化。绝缘子、特别是拉长的中空圆柱体形状的绝缘子布置或固定在封装壳体的与支撑体侧相对的一侧，并且例如垂直地或成角度地远离封装壳体，特别是向上远离封装壳体。由此给出端子接线片与接地电位和/或基座之间足够的电绝缘距离，以防止电闪络。在内部，封装壳体和绝缘子充满绝缘气体和/或开关气体、特别是SF6。
绝缘气体例如将高压设备内部的开关单元和载流导体与接地的封装壳体绝缘。在绝缘套管区域中，特别是从封装壳体中的圆形开口(其以法兰的形式实施)到固定的、特别是中空圆柱形的绝缘子的过渡区域中，必须确保接地的封装壳体与载流导体之间有足够的介电强度，特别是在高压电位下。在封装壳体中的圆形开口中，电导体或载流导体相对于封装壳体等距地布置，特别是在圆心处垂直地穿过开口的圆形平面。开口具有一定的大小或周长，其与高压设备的最大电压和所使用的绝缘气体及其压力相关地确保足够的介电强度，以便在导体与封装壳体之间可靠地防止电闪络。
开口区域中的电场或场峰，通过布置在绝缘子内部并且机械地固定在封装壳体的法兰上的接地的电极、特别是圆形的、中空圆柱形的金属电极，从载流导体开始改变或减小、即被屏蔽。由此可以实现高压设备的高电压，特别是几百千伏的范围内的高电压，并且在高压设备中的处于高压电位的电导体或载流导体之间没有电闪络和/或短路，特别是在绝缘套管区域以及接地的封装壳体中。为了实现持续的可靠运行，高压设备的高的电压水平要求封装壳体中的开口的大直径(这与具有大的周长的绝缘子的高成本相关联)，要求具有高介电强度的开关气体、特别是SF6和/或开关气体的高压力(这与绝缘子和封装壳体的大的壁厚的高成本相关联)，以持续地确保足够的机械稳定性。
开关气体、例如SF6对气候有害。替换的开关气体、例如Clean Air、即清洁空气具有较低的介电强度。因此，使用气候友好的开关气体、例如清洁空气，需要封装壳体中的开口的更大的开口直径和/或开关气体的更高的压力，这具有前面描述的缺点。诸如使用接地的控制电极和/或在导体和/或封装壳体的法兰上使用绝缘漆等措施仅在一定程度上提高介电强度，这对于特定的电压水平是不够的。由此限制了高压断路器的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，给出一种高压设备和用于提高高压设备中的介电强度的方法，它们解决前面描述的问题。特别是，要解决的技术问题是给出一种高压设备，该高压设备使得能够低成本并且材料节省地实现高的电压水平，特别是在使用替换的开关气体(例如清洁空气)的情况下，在高压设备的绝缘套管的区域中具有高介电强度的情况下，特别是在例如在环境空气的区域中使用具有低气体压力的开关气体的情况下，和/或在绝缘套管的直径处于用SF6填充的高压设备中的绝缘套管的数量级或更小的情况下。
根据本发明，所给出的技术问题通过具有根据权利要求1的特征的高压设备和/或通过根据权利要求13的用于提高高压设备、特别是前面描述的高压设备中的介电强度的方法来解决。根据本发明的高压设备和/或根据本发明的用于提高高压设备、特别是前面描述的高压设备中的介电强度的方法的有利的设计方案在从属权利要求中给出。在此，独立权利要求的主题可以相互组合，并且可以与从属权利要求的特征组合，并且从属权利要求的特征可以相互组合。
根据本发明的高压设备包括用于至少一个载流导体或电导体的至少一个绝缘套管和封装壳体。此外，对于电导体，使用同义词“载流导体”，以便特别是针对导体中的电流流动描述本发明的效果。至少一个导体被引导到封装壳体中和/或从封装壳体引出。绝缘套管包括处于自由电位的至少一个电极。
处于自由电位的至少一个电极使得能够使用小直径的绝缘套管，特别是在使用气候友好的开关气体(例如清洁空气)来替换对气候有害的开关气体(例如SF6)的情况下。因此，具有处于自由电位的至少一个电极的高压设备是低成本并且节省材料的，特别是由于可以使用小直径的绝缘套管，特别是在使用诸如清洁空气的气候友好的开关气体的情况下，并且使得能够使用具有低气体压力的开关气体，例如在环境空气范围中，这允许在高压设备的绝缘套管的区域中具有高介电强度的情况下在高电压水平下具有小的壁厚的封装壳体和绝缘子。
高压设备可以包括高压断路器的至少一个开关单元，至少一个开关单元特别是布置在封装壳体中和/或通过至少一个载流导体与电网的用电设备、发电机和/或导线连接。利用用于至少一个载流导体或电导体的至少一个绝缘套管将高压断路器的开关单元安装在前面描述的类型的封装壳体中，这与前面描述的特别是针对作为高压设备的高压断路器的优点相关联。
处于自由电位的至少一个电极可以被设计为是圆柱形的。柱形的电极、特别是具有圆形横截面的电极是简单并且低成本的，并且可以围绕载流导体或电导体等距地布置。
处于自由电位的至少一个电极可以以中心轴与至少一个载流导体的纵轴一致或相同的方式布置。由此给出对绝缘套管的电场的最佳屏蔽，特别是在封装壳体中的开口区域中。
绝缘套管可以包括、特别是在空间上包括处于地电位的至少一个电极。处于地电位的至少一个电极可以与处于自由电位的至少一个电极间隔开地布置。处于地电位的至少一个电极可以至少部分在空间上包围处于自由电位的至少一个电极。由此给出对封装壳体中的开口区域中的电场的进一步屏蔽，特别是开口相对于载流导体的良好屏蔽。处于地电位的电极与处于自由电位的电极的组合在绝缘套管的区域中和/或在封装壳体中的开口的区域中产生高的介电强度，这具有前面描述的优点。除了仅使用一个电极或一个电极类型之外，该组合还提高了屏蔽。处于地电位的至少一个电极围绕处于自由电位的至少一个电极的布置，使得处于地电位的电极能够以接地的方式布置或固定在封装壳体上或者围绕开口布置或固定在封装壳体的法兰上。
处于自由电位的至少一个电极可以以中心轴与处于地电位的至少一个电极的中心轴一致或相同的方式布置。处于自由电位的至少一个电极可以被构造为沿着中心轴比处于地电位的至少一个电极长。由此给出封装壳体中的开口相对于电导体或载流导体的最佳屏蔽，这具有前面描述的优点。
处于自由电位的至少一个电极可以通过电绝缘的间隔保持件(其特别是由陶瓷、塑料、硅酮、PTFE(聚四氟乙烯)、特氟隆、环氧树脂和/或复合材料制成)特别是相对于至少一个载流导体等距地保持在封装壳体上。电绝缘的间隔保持件确保处于自由电位的至少一个电极不接地，并且处于自由电位，因此得到最佳屏蔽，特别是在相对于至少一个载流导体等距地布置的情况下。诸如陶瓷、塑料、硅酮、PTFE、特氟隆、环氧树脂和/或复合材料的材料具有良好的电绝缘效果，并且是低成本、机械稳定的，并且使得处于自由电位的至少一个电极能够在机械上持续稳定地、特别是相对于至少一个载流导体等距地保持在封装壳体上。
封装壳体可以具有法兰，并且绝缘子、特别是在外周具有特别是肋片的中空管状和/或圆柱形的绝缘子可以机械稳定地固定在法兰上。法兰使得绝缘子能够机械稳定地、持续牢固地并且特别是气密地固定在封装壳体上。因此，具有封装壳体和绝缘子的高压设备的气密的壳体是可能的，高压设备在壳体中具有至少部分电屏蔽的导体。电极，特别是布置在绝缘子和/或封装壳体中的电极，例如针对天气影响受到保护。
绝缘子可以以中心轴与处于自由电位的至少一个电极的中心轴和/或与至少一个载流导体的纵轴一致或相同的方式布置。这得到一种节省空间的低成本的布置，其具有良好的电极屏蔽效果。
处于自由电位的至少一个电极可以突出到封装壳体中和/或突出到绝缘子中。将处于自由电位的电极通过开口引导到封装壳体中和绝缘子中，通过处于自由电位的电极得到封装壳体中的开口的高屏蔽效果，这具有前面描述的优点。
处于自由电位的至少一个电极可以由金属、特别是铜、铝和/或钢构成或制成，和/或由金属合金构成或制成。金属产生良好的电屏蔽效果，并且是低成本的，并且可以容易地以任何形式生产或者可以容易地加工。
可以用清洁空气填充高压设备、特别是封装壳体和/或绝缘套管。清洁空气是低成本并且环境友好的、特别地是气候中性的(Klimaneutral)。清洁空气相对于诸如SF6的传统绝缘气体的较低的介电强度，可以通过特别是在载流导体或电导体通过的封装壳体中的开口区域中使用处于自由电位的至少一个电极来补偿。由此可以针对不同的绝缘气体使用相同的封装壳体，这使得能够在安装处于自由电位的电极时在已有的高压设备中进行简单的替换，具有环境友好的效果，并且使得能够在新设备中低成本地实现高的件数，特别是在使用气候友好的绝缘气体的情况下。可以使用小尺寸的封装壳体和绝缘子，这节省了材料成本，并且具有前面描述的优点。
根据本发明的用于提高高压设备中、特别是前面描述的高压设备中的介电强度的方法包括：处于自由电位的至少一个电极被至少一个绝缘套管包围，绝缘套管用于将至少一个载流导体引入高压设备的封装壳体和/或引出封装壳体，这种绝缘套管相对于没有处于自由电位的电极的绝缘套管提高介电强度。
根据权利要求13的根据本发明的用于提高高压设备中、特别是前面描述的高压设备中的介质强度的方法的优点类似于前面描述的根据权利要求1的根据本发明的高压设备的优点，反之亦然。
附图说明
下面在唯一的附图中示意性地示出了本发明的实施例，并且下面对其进行更详细地描述。在此，
图1示意性地以剖视图示出了根据本发明的高压设备1的一个片段，其具有封装壳体2中的开口，并且具有通过开口的用于载流导体4的绝缘套管3，其中，绝缘套管3包括处于自由电位的电极5。
具体实施方式
在图1中示意性地以剖视图示出了根据本发明的高压设备1的一个片段，其具有高压设备1的封装壳体2中的开口。开口包括法兰9，法兰9被构造为是环形或凸缘形的。在法兰9中形成有用于固定装置、例如螺钉的孔。中空管状的绝缘子10以垂直地竖立在法兰9上的方式布置，并且通过固定装置、特别是螺钉机械稳定地固定在法兰9上。具有法兰9的封装壳体2例如由金属、特别是铝形成。绝缘子9例如由陶瓷、硅酮和/或复合材料制成。在绝缘子10的外周上特别是形成有用于延长爬电路径的凸缘形的肋片。
具有圆形横截面的中空管状的绝缘子10具有垂直于圆形开口的开口平面的纵轴6，并且在圆心处与封装壳体2中的开口相交或穿过开口。例如根据本发明的高压设备1所包括的高压断路器的开关单元布置在封装壳体2中，并且通过导体4与封装壳体2外部的电网的用电设备、发电机和/或电力线电连接。此外，在高压设备1运行时或者在开关单元闭合的状态下是载流导体4的电导体4(将其一般地针对高压设备的所有开关位置或状态都称为载流导体4，以表明其相对于开口和电极的作用)，特别是被设计为是棒状或杆状的，其纵轴与绝缘子的纵轴6一致或相同。载流导体4例如由铜、铝和/或导电钢制成。
在电流流过载流导体4时，在导体4周围存在电场和磁场。导体4处于高压电位、特别是直至1200kV的高压电位，并且封装壳体2接地、即处于地电位。接地的封装壳体2和载流导体4之间的电位差可能导致电压闪络和/或短路。为了防止这种情况，封装壳体2中的开口具有足够的半径，该半径保证导体4与封装壳体4之间的最小距离，该最小距离足够大，以防止电压闪络。所需要的最小距离取决于用来填充封装壳体4和绝缘子10的绝缘气体、例如清洁空气以及绝缘气体的压力、例如1bar。其它措施、例如导体4上和/或封装壳体4内部的绝缘漆使得能够减小最小距离。
在封装壳体4中的开口区域中具有足够的介电强度的情况下用于减小最小距离的一种可能性，是使用处于地电位的电极7，如图所示。电极7由金属、特别是铝、铜和/或钢制成，并且被构造为是中空圆柱形或中空管状的，并且具有圆形横截面。具有圆形横截面的中空管状的电极7具有纵轴或中心轴6，其垂直于圆形开口的开口平面，并且在圆心处与封装壳体2中的开口相交或穿过开口。处于地电位的电极7的纵轴或中心轴与绝缘子10的纵轴6一致或相同。电极7利用固定装置、例如螺钉机械稳定地并且导电地固定在封装壳体2的法兰9上，并且突出到绝缘子10中。电极7改变封装壳体2与载流导体4之间的电场，使得封装壳体2或法兰9的开口处的电压过高被电极7屏蔽或转移到绝缘子10的内部。
根据本发明，可以通过使用处于自由电位的电极5，来进一步屏蔽电场或改变封装壳体2和载流导体4之间的电场。电极5由金属、特别是铝、铜和/或钢制成，被构造为是中空圆柱形或中空管状的，并且具有圆形横截面。该横截面小于电极7的横截面。具有圆形横截面的中空管状的电极5具有垂直于圆形开口的开口平面的纵轴或中心轴6，并且在圆心处与封装壳体2中的开口相交或穿过开口。处于自由电位的电极5的纵轴或中心轴与接地电位上的绝缘子10的纵轴6和电极7的中心轴一致或相同。
电极5通过间隔保持件8机械稳定地并且电绝缘地固定在封装壳体2的法兰9上，并且突出到绝缘子10和封装壳体2中。电极5比电极7更长地突出到绝缘子10中，并且相对于载流导体4屏蔽处于地电位的电极7。间隔保持件8由电绝缘材料、特别是陶瓷、塑料、硅酮、PTFE、特氟龙、环氧树脂和/或复合材料制成。间隔保持件特别是相对于载流导体4并且相对于封装壳体2、即相对于法兰9等距地固定处于自由电位的电极5。
处于自由电位的电极5改变封装壳体2和载流导体4之间的电场，使得封装壳体2或法兰9的开口处以及处于地电位的电极7处的电压过高被处于自由电位的电极5屏蔽，或者以减弱的方式进一步转移到绝缘子10的内部和封装壳体2中。由此，在使用替换的绝缘气体、例如清洁空气和/或在高压设备1运行时电压水平升高的情况下，即使在封装壳体2或法兰9中的开口的尺寸减小、绝缘气体压力低的情况下，也防止封装壳体2和载流导体4之间的电压闪络和/或短路。
这与在封装壳体2和绝缘子10的更小的尺寸和壁厚的情况下的材料节省和材料的更低的成本相关联，与在载流导体4通过封装壳体2中的开口的绝缘套管3的区域中的介电强度提高的情况下的更轻的重量相关联，并且可以在更小的压力、例如1bar的情况下使用替换的开关气体、例如清洁空气。提高了高压设备1的可靠性和使用寿命，并且减少了维护开销。
可以将前面描述的实施例相互组合和/或与现有技术组合。因此，高压设备1例如可以包括高压断路器、隔离器、变压器、放电器、测量互感器和/或绝缘套管。高压设备、特别是断路器例如被实施为气体绝缘断路器，即气体绝缘开关装置(Gas-Insulated-Switchgear)。导体的绝缘套管中的处于自由电位的电极穿过处于地电位的开口的基本原理，也可以在户外断路器或户外高压设备中使用。本发明可以在Dead-Tank(接地罐)设备、即开关单元布置在接地的壳体中的设备中使用。然而，基本原理同样可以在Live-Tank(带电罐)设备、即处于高压电位的开关单元布置在绝缘子中的设备中使用。处于自由电位的电极5例如被构造为是中空圆柱形的。其它形状，例如具有椭圆横截面的形状和/或被构造为截锥的形状同样是可以的。
高压设备的封装壳体2例如被构造为是桶形的，并且通过绝缘子10气密地密封。桶例如被构造为是球形或圆柱形的，其它形状同样是可以的。高压设备的元件之间的连接例如通过固定装置、特别是螺钉以及至少一个法兰来机械稳定地进行。同样可以应用其它或替换的连接技术、特别是粘合连接、焊接连接和/或钎焊连接。可以使用用于对元件进行气密连接的密封件、特别是铜密封件。间隔保持件例如是由一个部件构成的圆盘形的。替换地，可以使用具有相同或不同的部件形状的多部件的间隔保持件。电极端部例如是倒圆的，以避免电场过高。电极端部的其它形状，例如直线地延伸、成角度、具有不同的圆半径的倒圆，是可以的。
附图标记：
1 高压设备
2 封装壳体
3 绝缘套管
4 载流导体
5 处于自由电位的电极
6 纵轴或中心轴
7 处于地电位的电极
8 间隔保持件
9 法兰
10 绝缘子
Claims (13)
1.一种高压设备(1)，所述高压设备具有封装壳体(2)和至少一个绝缘套管(3)，所述绝缘套管用于将至少一个载流导体(4)引入所述封装壳体(2)和/或引出所述封装壳体(2)，其特征在于，所述绝缘套管(3)包括处于自由电位的至少一个电极(5)。
2.根据权利要求1所述的高压设备(1)，其特征在于，包括高压断路器的至少一个开关单元，所述开关单元特别是布置在所述封装壳体(2)中和/或通过所述至少一个载流导体(4)与电网的用电设备、发电机和/或导线连接。
3.根据上述权利要求中任一项所述的高压设备(1)，其特征在于，所述处于自由电位的至少一个电极(5)被构造为是圆柱形的。
4.根据上述权利要求中任一项所述的高压设备(1)，其特征在于，所述处于自由电位的至少一个电极(5)以中心轴(6)与所述至少一个载流导体(4)的纵轴一致的方式布置。
5.根据上述权利要求中任一项所述的高压设备(1)，其特征在于，所述绝缘套管(3)包括处于地电位的至少一个电极(7)，所述处于地电位的至少一个电极特别是与所述处于自由电位的至少一个电极(5)间隔开地布置，和/或至少部分在空间上包围所述处于自由电位的至少一个电极(5)。
6.根据权利要求5所述的高压设备(1)，其特征在于，所述处于自由电位的至少一个电极(5)以中心轴(6)与所述处于地电位的至少一个电极(7)的中心轴一致的方式布置，和/或所述处于自由电位的至少一个电极(5)被构造为沿着中心轴(6)比所述处于地电位的至少一个电极(7)长。
7.根据上述权利要求中任一项所述的高压设备(1)，其特征在于，所述处于自由电位的至少一个电极(5)通过电绝缘的间隔保持件(8)特别是相对于所述至少一个载流导体(4)等距地特别是保持在所述封装壳体(2)上，所述间隔保持件特别是由陶瓷、塑料、硅酮、PTFE、特氟龙、环氧树脂和/或复合材料制成。
8.根据上述权利要求中任一项所述的高压设备(1)，其特征在于，所述封装壳体(2)具有法兰(9)，并且绝缘子(10)、特别是在外周具有特别是肋片的中空管状和/或圆柱形的绝缘子机械稳定地固定在所述法兰(9)上。
9.根据权利要求8所述的高压设备(1)，其特征在于，所述绝缘子(10)以中心轴与所述处于自由电位的至少一个电极(5)的中心轴(6)和/或与所述至少一个载流导体(4)的纵轴一致的方式布置。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的高压设备(1)，其特征在于，所述处于自由电位的至少一个电极(5)突出到所述封装壳体(2)中和/或所述绝缘子(10)中。
11.根据上述权利要求中任一项所述的高压设备(1)，其特征在于，所述处于自由电位的至少一个电极(5)由金属、特别是铜、铝制成和/或钢和/或由金属合金制成。
12.根据上述权利要求中任一项所述的高压设备(1)，其特征在于，用清洁空气填充所述高压设备(1)、特别是所述封装壳体(2)和/或所述绝缘套管。
13.一种用于提高高压设备(1)中、特别是根据权利要求1至12中任一项所述的高压设备(1)中的介电强度的方法，其特征在于，至少一个绝缘套管(3)包括处于自由电位的至少一个电极(5)，所述绝缘套管用于将至少一个载流导体(4)引入所述高压设备(1)的封装壳体(2)和/或引出所述封装壳体(2)，所述绝缘套管相对于没有处于自由电位的电极(5)的绝缘套管提高介电强度。
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