弹性管状高电压绝缘体
阅读说明：本技术 弹性管状高电压绝缘体 (Elastic tubular high voltage insulator ) 是由 B·莫里兹 于 2020-02-10 设计创作，主要内容包括：一种用于高电压元件(8)的管状绝缘体(1),绝缘体包括绝缘结构,其中,绝缘体的内表面与高电压元件(8)电接触并且绝缘体的外表面连接到接地电位,并且其中,多个导电层(4)设置在所述外表面和内表面之间。基本上,整个绝缘体具有弹性或可拉伸特性,使得绝缘体可变形或可弯曲为与在没有外力施加到绝缘体的状态下的形状不同的预定形状。(A tubular insulator (1) for a high voltage element (8), the insulator comprising an insulating structure, wherein an inner surface of the insulator is in electrical contact with the high voltage element (8) and an outer surface of the insulator is connected to ground potential, and wherein a plurality of conductive layers (4) are arranged between the outer and inner surfaces. Substantially, the entire insulator has elastic or stretchable characteristics so that the insulator can be deformed or bendable into a predetermined shape different from the shape in a state where no external force is applied to the insulator.)
技术领域
本发明涉及高电压绝缘。更准确地，本发明涉及在具有不同电位的内表面和外表面之间提供绝缘的管状体。本发明尤其涉及具有多个导电层以控制电场分布的管状绝缘体。特别地，本发明涉及具有锥形端部的绝缘体。
背景技术
包括形成电容器元件的多个导电层的绝缘体最常见于电气套管。这种套管是通过接地屏障件(诸如变压器箱)在高电位下传输电流的装置。为了降低和控制电场，已经开发了电容器套管。电容器套管通过插入集成到套管的芯中的浮动均衡板来便于电应力控制。电容器芯降低了电场梯度并沿绝缘体的长度对电场进行分布。因此避免了电场集中，从而避免产生局部放电和闪络。
通常，已知的基本原理是制作用于高电压元件的圆柱形绝缘结构，其中，绝缘结构的一个内表面与高电压元件电接触，绝缘体的外表面连接到接地电位，并且在所述外表面和内表面之间具有若干个导电层，在最内导电层和最外导电层之间，导电层在轴向方向上具有不同的长度，轴向方向上的距离比径向方向上的距离长若干倍。目的是减小绝缘部与环境空气的界面处的电场。原因是空气的比电耐受性比固体绝缘材料低得多。
套管的电容器芯通常由作为间隔件的纸或绉纸缠绕而成。均衡板由金属层构成。金属层通常由铝制成。这些圆柱形板同轴地定位，以实现外部闪络和内部刺穿强度之间的最佳平衡。纸间隔件确保了电极板的限定位置并提供机械稳定性。
电容器芯浸渍有油(OIP，油浸纸)或树脂(RIP，树脂浸渍纸)。RIP套管的优点是它们是干式(无油)套管。RIP套管的芯由纸缠绕而成，其中，铝板插入到相邻的纸缠绕件之间的适当位置。然后在芯的加热和真空过程期间引入树脂。
套管用于对通过接地外壳携带高电压电流的导体进行绝缘。要在没有闪络的情况下安全地完成这种任务是一项挑战，因为与它所连接的设备的尺寸相比，套管的尺寸非常小。套管不仅需要处理电场应力和热应力，还处理机械应力。因此，套管由刚性材料制成以支撑内部的导体。套管的刚性壳体包括最常见的瓷或玻璃纤维管。最常见的是，导电层由铝箔制成。
从US 5227584中，一种用于变压器套管端子中用于场控制类型的电容器的屏障件是先前已知的。屏障件的目的是克服变压器与变压器的导体之间的闪络。这是通过屏障件的几何形状实现的。
从US 7742676中，高电压套管的生产方法是先前已知的。该方法的目的是提供更省时的套管生产。这是通过使用具有开口的电层、从而提供要刺穿的基体材料来实现的。
发明内容
本发明的主要目的是寻求方法来提供可弯曲且非常柔性的管状体，用于将高电压元件/导体与接地电位绝缘。
根据本发明，此目的通过由独立权利要求1中的特征限定的管状绝缘体来实现。
简而言之，用于高电压元件的管状绝缘体包括绝缘结构，其中，绝缘体/结构的内表面与高电压元件电接触并且绝缘体/结构的外表面连接到接地电位。多个导电层设置在所述外表面和内表面之间并被电绝缘材料层隔开。导电颗粒或粉末材料以分子水平嵌入到基体材料中，基体材料是与绝缘材料基本相同的分子，从而绝缘体具有弹性特性，使得绝缘体可变形为与在没有外力施加到绝缘体/结构的状态下的形状不同的预定形状。
从属权利要求中描述了优选实施例。
根据本发明，管状绝缘体由弹性且可拉伸的绝缘材料制成，绝缘材料包括含有碳粉或其他导电粉末或颗粒的导电层。在实施例中，导电层形成在可拉伸绝缘材料中。可拉伸绝缘材料可以包含弹性化合物以及塑性化合物。在实施例中，绝缘材料包含弹性体、硅橡胶或EPDM橡胶。表述“弹性”最好被理解为橡胶材料。在本发明的实施例中，柔性管状体具有第一锥形端和第二锥形端。根据导体是终止在大气中还是终止在流体中，锥形可能不同。通过锥形端，电场梯度可以平滑地分布。因此可以避免电场集中，否则电场集中可能导致局部放电。
导电层端部的场应力很高。目的是将电场水平降低到低于绝缘边界处空气中的闪络耐受性。
另一目的是将导电层的数量减少到最低的成本和制造原因。
实现对高电压电缆端子的电应力控制的一种常用方法是所谓的应力锥。基本上，绝缘厚度在高应力区域处增加，从而允许电场在到达绝缘部和空气之间的边界时变低。
本发明通过将使用非常少的导电层的应力控制与导电层的端部外的绝缘材料的厚度增加的部分相结合，解决了实现所有目标的要求。本发明还解决了在不破坏绝缘特性的情况下使形状适应另一种形状的问题。通过施加外力来改变形状的原因是使制造和组装中的一者或两者更容易。
在本发明的实施例中，可弯曲管状体被制成直线体，然后被成型以配合弯曲导体。在可弯曲导体的情况下，绝缘体穿设到导体上，然后导体和绝缘体被弯曲在一起。在弯曲的实心电极的情况下，可拉伸绝缘体穿设到弯曲的结构上。
在实施例中，这些层是倒置的，意味着轴向方向上最短的层位于绝缘体的内径处，而最长的层位于绝缘体的外径处。这种设计适用于电缆端子和电缆接头。
在本发明的另一实施例中，外绝缘部包括凸缘以增加爬电距离。凸缘正好位于导电层的端部的外侧，以允许降低绝缘部/空气边界处的电场水平。
在本发明的进一步发展中，可弯曲绝缘体构成用于高电压用途的电流互感器的组成部分。电流互感器包括可弯曲芯，该芯形成带有开口的环，以夹在高电压导体周围。需要指出的是，可打开的环只包括一个开口，并且没有接头。可弯曲绝缘体包围芯的一部分并承载次级绕组。因此，次级绕组接收接地电位并且可以在接地电平读取电流。
在本发明的一方面，该目的通过一种用于高电压元件的管状绝缘体来实现，绝缘体包括绝缘结构，其中，绝缘结构的内表面与高电压元件电接触并且绝缘结构的外表面连接到接地电位，并且在所述外表面和内表面之间提供若干导电层，其中，基本上整个绝缘结构材料优选地是均质的并且具有弹性或可拉伸特性，使得绝缘结构可变形或弯曲为与在没有外力施加到绝缘结构的状态下的形状不同的预定形状。
本发明的优选实施例和特征如下列出。
-绝缘体/结构包含具有橡胶特性的弹性材料，
-导电层包含分散在弹性材料中的碳颗粒或粉末或其他导电材料，
-导电层具有与非导电材料(即绝缘结构)的材料基本相同的弹性特性，
-在最内导电层和最外导电层之间，导电层在轴向方向上具有不同的长度，轴向方向上的距离比径向方向上的距离长，优选地轴向方向上的距离比径向方向上的距离长若干倍，
-最内导电层的轴向方向上的长度比最外导电层的长度长，反之亦然，
-导电层的轴向方向上的长度从所述内表面到所述外表面连续增加或逐级增加，反之亦然，
-导电层的轴向方向上的长度基本相等，并且导电层从所述内表面到所述外表面相对于彼此轴向移位，反之亦然。
-导电层之间的绝缘材料部分或中间绝缘部分在每个导电层之间的厚度不同，
-在绝缘层和导电层二者中提供相同或基本相同的分子和聚合物基体，使绝缘体或结构在任何方向上可变形优选地超过约10％的伸长率，而不会在层内或层之间、绝缘层和导电层之间产生任何分离和/或空隙。
-绝缘结构或绝缘体在至少一个端部、优选地在两个端部处具有锥形形状，
-绝缘结构或绝缘体进一步包含附加绝缘材料，诸如在轴向上位于导电层的端部区域处或附近的径向延伸的凸缘或盘，
-绝缘结构在两个端部类似地逐渐变细，以减少绝缘结构在中间部分的两侧的具有与内部导电元件不同的电位的表面处的电场，
-绝缘结构在一端(在所述一端，导电层在靠近内部高电压元件处具有连续更长的延伸部)逐渐变细，而在相对端相反地逐渐变细。
在本发明的另一方面，可以提供一种用于将高电压导体与接地电位绝缘的管状绝缘体，管状绝缘体包括绝缘结构，绝缘结构包含多个同轴定向的导电层以控制电场分布，其中，绝缘结构具有弹性或可拉伸特性，使得绝缘体可变形或可弯曲以呈现预定形状的结构，诸如预定弯曲的结构。
在本发明的另一方面，可以提供一种用于高电压电力线路的电流互感器，电流互感器包括电力线路封闭芯、管状绝缘体以及由绝缘体承载的次级绕组，管状绝缘体包括绝缘结构，绝缘结构包括多个同轴定向的导电层以控制电场分布，其中，绝缘结构具有弹性或可拉伸特性，使得绝缘体可变形或可弯曲以呈现预定形状的结构。
在本发明的另一方面，可以提供一种用于高电压电缆的电缆端子或电缆接头，电缆端子或电缆接头包括管状绝缘体，管状绝缘体包括绝缘结构，绝缘结构包括多个同轴定向的导电层以控制电场分布，其中，绝缘结构具有弹性或可拉伸特性，使得绝缘体可变形或可弯曲以呈现预定形状的结构。
另一个重要方面是每个导电层的电压的电容性分布。每层之间的电压与电容成比例。如果导电层之间的绝缘部的厚度与层的长度成反比地变化，则所有层之间的电压分布可以相等。本发明使得可以优化轴向长度和厚度二者以实现绝缘材料的最佳可能使用。
最后，目的是即使在整个绝缘体变形，即例如弯曲、拉伸和/或挤压时也能保持电耐受性。本发明在整个绝缘体中使用相同或基本相同的分子来满足此目的。碳粉或其他导电材料集成在此分子的基体中，导电层之间的绝缘材料和外绝缘部二者具有相同或基本相同的分子。当进行最终固化时，所有界面之间的交联产生单个巨分子。在成形/变形过程中施加的任何机械应力都不会导致内部分离或形成空隙或间隙。在成形或变形后也保持绝缘特性。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从以下结合附图的详细描述中对本领域技术人员变得更加明显，在附图中：
图1是根据本发明的绝缘体的横截面，
图2是包含根据本发明的绝缘体的电流互感器的横截面，其中绝缘体在弯曲成整圆之前呈直线形状，
图3是根据本发明的电流互感器的透视图，并且
图4是安装在电缆上的根据本发明的电缆端子的横截面。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的绝缘体1。绝缘体1由弹性材料制成，并且包括绝缘结构，绝缘结构包括中间绝缘部分2和导电层4。用于容纳高电压系统的导体的中空通道布置在绝缘体的中央。穿过与导体具有不同电压的孔的任何类型的导体(诸如变压器套管)都可以适用于本发明。
绝缘体1包括形成通道的第一导电层。此层将与将被接纳在中空通道中的导体接触。绝缘体进一步包括限定绝缘体的外表面的第二导电层。在所示的实施例中，绝缘体包括在第一导电层和第二导电层之间呈圆柱形或同轴地定向在绝缘体中的若干中间导电层4。最外导电层比最内导电层短。绝缘体由弹性材料制成并且具有可拉伸特征。弹性材料应理解为具有明显伸长和/或压缩能力的材料，诸如橡胶类材料或橡胶基材料。可拉伸能力允许绝缘体弯曲以呈现弯曲结构。因此，导电层也应该是可拉伸的，因此不能是实心的。尽管在附图中以实线示出，但导电层4包含碳或其他导电粉末或颗粒。在实施例中，将导电材料引入到类似于绝缘材料的聚合物材料中。在实施例中，聚合物材料包含硅橡胶。
导电材料(例如碳粉)以分子水平嵌入到基体材料中，该基体材料是与导电层4之间的绝缘材料2相同或基本相同的分子。如本文所用，“嵌入”是指碳颗粒不可移动地固定在弹性体化合物的基体中的分子之间。当完全固化后，导电层和绝缘层之间的交联形成单个弹性分子，该弹性分子可以成形或变形，而不会在导电层和绝缘层之间产生任何空隙或间隙。
导电层可以比绝缘层薄得多。例如，导电层的厚度可以在从约0.2mm至约0.02mm的范围内，而绝缘层的厚度可以在几mm的量级，诸如从约0.5mm至约5mm，例如，在实施例中，导电层的厚度在0.05mm和0.02mm之间。
附加绝缘材料6填充具有靠近导电层的端部的较厚绝缘部的形状。在实施例中，此附加绝缘材料可以是在轴向上位于导电层的端部区域处或附近的径向延伸的凸缘或盘7的形式。这种布置沿着绝缘部与空气的界面延伸了爬电距离。空气中的电场强度也将以这种方式基本上降低，这是因为最高的电场可以在导电端部降低到空气中。
图2示出了实施例，其中绝缘体1被模制成完整的绝缘结构以容纳磁芯8和次级绕组10。外轮廓由绝缘部6和凸缘7形成。次级绕组线从圆柱体9中引出。绝缘材料层和导电材料层在固化后交联以形成绝缘体1。就此而言，可以注意到固化(聚合领域中众所周知的过程)通常涉及在催化剂存在或不存在的情况下加热。
特别地，整个绝缘体可弯曲以呈现预定形状的结构。这种形状可以具有任意设计，但最便利的是弯曲部或曲线。绝缘体还可以在径向方向上拉伸或扩展。弯曲能力可以具有在第一角腿(angular leg)和第二角腿之间形成角。第一角腿具有从一个端点到绝缘体的中点的线。第二角腿具有从另一端点到绝缘体的中点的线。此中间角可以为至少45度的量级。
在本发明的发展中，绝缘体用作电流互感器的一部分。图3示出了安装在高电压线路5上的电流互感器。例如，可以以线或带的形式实现的磁芯8呈现与高电压线路相同的电位并且次级绕组呈现接地电位。绝缘体模制为原始直线形状。将绝缘体模制为直线形状的优点是更容易插入直线电片芯。此外，次级绕组更容易缠绕在直线圆柱形表面上。然后整个电流互感器可以以任何形式弯曲，最终使端部磁性连接。
在使用中，电流互感器挂在高电压导体上。从而芯也接收高电压电位。为了将次级绕组绝缘，芯用根据本发明的绝缘体包覆。绝缘体遵循芯的弯曲形状(曲线)。
图4示出了本发明用于电缆端子的实施例。绝缘体11仅在形状方面与绝缘体1不同。层的台阶在内径上是相反的。绝缘体的左侧和右侧是镜像的。这可能是可以应用于电缆端子的基本形状。电场分级是类似的。然而，本实施例可以在每层上具有几乎相同的轴向长度，如果每层具有相同的厚度，则产生均匀的电压分布。
剥离高电压电缆的导电层12。导体14和电缆绝缘部15延伸超过电缆导电层12。一体式绝缘体11和6在松弛状态下具有比电缆绝缘部15小的内径。结果是绝缘体11和6可以充分挤压电缆以排出任何空气并排除了在二者之间形成任何空隙。导体13连接在电缆导电层12与绝缘体11的外导电层之间。以类似的方式，导体13连接导体14和绝缘体11的最内导电层。
因此，对于绝缘体1和11，在导电层和电绝缘层二者中优选的是具有橡胶或合成橡胶特性的材料。在合成橡胶中，硅橡胶(基于交联聚硅氧烷或聚二甲基硅氧烷)和EPDM橡胶(三元乙丙橡胶)由于它们的机械特性(通常是拉伸强度)、耐温性和耐候性、当然还有它们的绝缘能力和弹性特性而被认为是优选的化合物。然而，其他合成橡胶也可以被视为替代品，诸如例如丁二烯橡胶、氯丁橡胶或氯丁二烯橡胶、或丁腈橡胶以及其他未提及的橡胶。
进一步优选的是，导电层和绝缘层是相同的或基本相同的分子和聚合物基体。即，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，只要化合物在固化时相容以在层之间形成交联，组成上的轻微差异是可以接受的。作为对表述“相同或基本相同”的分子和聚合物基体的非限制性说明，可以引用包含丁二烯CH2＝CH-CH＝CH2、异戊二烯或甲基丁二烯CH2＝C(CH3)-CH＝CH2和二甲基丁二烯CH2＝C(CH3)-C(CH3)＝CH2的聚合物的弹性体化合物和合成橡胶，例如，如果合适的话，为了形成绝缘体的目的，该弹性体化合物和合成橡胶将被认为是相同或基本相同的分子和聚合物基体。
导电聚合物可商购获得，并且通常掺杂碳(C)至在碳颗粒之间形成接触的程度。将碳颗粒分散在聚合物材料中的技术是由业内公司开发和完善的。然而，如果合适的话，在本发明中可以使用除碳之外的其他导电性元素，诸如铜或铝。尽管是有利的，但本发明的范围不限于所呈现的实施例，而是还涵盖在阅读本公开之后对于本领域技术人员而言可能变得自然的其他实施例。
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