本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年12月2日、申請(qǐng)?zhí)枮?01080054833.6、發(fā)明名稱為“高壓電涌避雷器”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
本發(fā)明涉及高壓電涌避雷器，包括變阻器元件，被設(shè)置成連接到高壓源，并且當(dāng)被放置在它的工作位置時(shí)承載高壓；以及電絕緣體，其封閉所述電氣部件，并形成所述裝置的外表面，其中所述電絕緣體包括硅基橡膠。
典型地，高壓電涌避雷器在室外使用，然而，它也可以在室內(nèi)使用。正如在本上下文中使用的、術(shù)語(yǔ)“室外”涉及到關(guān)于在包圍電涌避雷器的環(huán)境中灰塵顆粒的存在以及在包圍電涌避雷器的空氣中的濕度含量的預(yù)定的條件。灰塵含量和空氣濕度含量的數(shù)值是在典型的室外環(huán)境下可以預(yù)期的那些數(shù)值。室外條件在iec60815中也被稱為每種污染類別的污染嚴(yán)重程度。
這里所涉及的高壓被定義為1kv和更高的電壓。
背景技術(shù)：
高壓電涌避雷器在電力傳輸和輸配領(lǐng)域中是常見(jiàn)的。它們可以形成消散系統(tǒng)的部分，在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)可以通過(guò)它們消散電流。這樣的避雷器可包括多個(gè)變阻器塊，即由在受到預(yù)定的電壓后從高電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電狀態(tài)的材料制成的塊。避雷器可以在一端被連接到地，另一端連接到電網(wǎng)。變阻器塊需要是電絕緣的，它們借助于電絕緣的外殼而與環(huán)境絕緣，并得到保護(hù)，由此形成電涌避雷器。這種電涌避雷器主要放置在開(kāi)放的空氣中，即，在室外的大氣中，這樣，它們經(jīng)受典型的室外條件，諸如在所述外殼/絕緣體上沉積水和灰塵顆粒。
眾所周知，由于在絕緣體的表面上灰塵和水的沉積而在絕緣體的表面上出現(xiàn)泄漏電流，這樣的環(huán)境將在絕緣體中產(chǎn)生漏電和侵蝕的現(xiàn)象。為了克服這樣的問(wèn)題，建議用硅基橡膠作為最外面的電絕緣材料，因?yàn)樗哂凶銐虻氖杷匦砸约敖殡娞匦?。硅橡膠也呈現(xiàn)適合于作為絕緣材料的機(jī)械性能。
除了對(duì)于疏水特性以及介電特性的要求以外，還要求絕緣體在發(fā)生避雷器過(guò)載和隨后的短路時(shí)應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)足夠的阻燃性能。因此，按照現(xiàn)有技術(shù)，將氫氧化鋁顆?；旌系焦柘鹉z中。由于氫氧化鋁比起硅膠本身也具有更高的導(dǎo)熱性，所以，它的添加也導(dǎo)致硅橡膠的導(dǎo)熱性增加。由于在正常運(yùn)行期間，和尤其當(dāng)限制瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)變阻器塊被加熱，由于氫氧化鋁的添加而得到的導(dǎo)熱性的增加是受歡迎的效果，因?yàn)樗龠M(jìn)變阻器塊冷卻，減小變阻器塊過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。然而，硅橡膠的增加的導(dǎo)熱性的貢獻(xiàn)仍舊是有限的，因?yàn)闅溲趸X的導(dǎo)熱性不是太高。對(duì)于適用于室外絕緣應(yīng)用的這種現(xiàn)有技術(shù)的硅橡膠，不能指望大于0.6w/mk的導(dǎo)熱性。
在現(xiàn)有技術(shù)的電涌避雷器中，形成絕緣體的硅基橡膠的導(dǎo)熱性一直不是主要問(wèn)題，因?yàn)橛蓺溲趸X的添加所給予的導(dǎo)熱性和硅膠本身的導(dǎo)熱性對(duì)于由變阻器塊生成的熱的傳輸是足夠的。然而，配備有變阻器塊的將來(lái)的電涌避雷器被設(shè)想為比起今天的電涌避雷器能夠工作在更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此它比起當(dāng)代的避雷器每單位長(zhǎng)度發(fā)出更多的熱。
在正常運(yùn)行期間，僅僅很小的電流流過(guò)變阻器元件，但這個(gè)電流隨著溫度和電壓急劇地增加。今天的避雷器在約80％的它們的額定電壓下連續(xù)工作，這在某種程度上是由于如果避雷器經(jīng)受更高的連續(xù)工作電壓，則連續(xù)的功率損耗太高。如果避雷器的熱特性可以改進(jìn)，則也可以施加更高的相對(duì)連續(xù)的工作電壓，這又給出提高避雷器的保護(hù)性能的可能性。
在現(xiàn)有技術(shù)中有時(shí)使用被放置在各個(gè)變阻器塊之間的所謂的散熱器(例如，鋁或鋼的金屬塊)，以便減少變阻器塊的熱量。然而，散熱器導(dǎo)致電涌避雷器的長(zhǎng)度增加。這是不利的，因?yàn)樗枰圃旄L(zhǎng)的絕緣體，這是更花費(fèi)的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是給出作為初始限定的高壓電涌避雷器，借助于它，與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)應(yīng)的電涌避雷器相比較，增強(qiáng)冷卻變阻器元件和從變阻器元件傳遞熱量的能力。
本發(fā)明的目的還在于完成關(guān)于熱傳遞的上述的改進(jìn)，而不用使得電絕緣體的設(shè)計(jì)復(fù)雜化或不需要增加電涌避雷器的空間。
本發(fā)明的上述的目的是借助于以下的高壓電涌避雷器達(dá)到的，其包括變阻器元件，被設(shè)置成連接到高壓源和當(dāng)被放置在它的工作位置時(shí)承載高壓，電涌避雷器還包括電絕緣體，它封閉所述變阻器元件，并與所述變阻器元件接觸，它形成裝置的外表面，其中所述電絕緣體包括硅基橡膠，以及其中硅基橡膠包括從包含al2o3(氧化鋁),bn(氮化硼)和zno(氧化鋅)的組中選擇的顆粒，以使得所述硅基橡膠的導(dǎo)熱性等于或大于0.8w/mk。
絕緣體的增強(qiáng)的導(dǎo)熱性將改善變阻器元件的冷卻，并且在變阻器元件由一個(gè)或多個(gè)變阻器塊形成的情形下，可以減小在這樣的變阻器塊之間的所謂的散熱器的需要。由此，有可能制作更緊湊的電涌避雷器，它只需要較小的空間，特別是在電涌避雷器的長(zhǎng)度方向上。
在它的工作的位置，電涌避雷器最通常被連接在電力線(電網(wǎng))與地之間，雖然也存在其它連接，諸如相到相。在正常運(yùn)行期間，只有小的電流流過(guò)電涌避雷器的變阻器元件，導(dǎo)致在正常工作電壓和正常工作溫度下由電涌避雷器耗散小量能量。在加到變阻器元件上的電壓增加后，流過(guò)變阻器元件的電流增加，以及當(dāng)該電壓達(dá)到預(yù)定的電平時(shí)，將發(fā)生電流以及由變阻器元件耗散的能量的顯著的增加。由此，由變阻器元件生成的熱量增加，必須將它傳遞走，以免熱擊穿。負(fù)責(zé)這樣的熱傳遞的將是包圍變阻器元件的電絕緣體的硅基橡膠。電絕緣體與變阻器元件接觸的特性不排除變阻器元件上的底漆(primer)的存在，以幫助將硅基橡膠粘接到變阻器元件。
為了得到等于或大于0.8w/mk的要求的導(dǎo)熱性而需要的所述顆粒的準(zhǔn)確的數(shù)量，取決于所選擇的上述的顆粒是哪種類型或哪種混合物(各種類型的材料的組分)以及取決于平均顆粒尺寸、顆粒尺寸分布和顆粒幾何形狀。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒(méi)有任何過(guò)度的負(fù)擔(dān)地實(shí)行本發(fā)明方面將沒(méi)有問(wèn)題?？梢允褂脦в懈郊拥腶l2o3的硅基橡膠，諸如在wo9723555中給出的那些橡膠，該專利在此被合并以供參考，以便得到橡膠的所要求的、增強(qiáng)的導(dǎo)熱性。按照所述文獻(xiàn)的教導(dǎo)，為了得到具有增強(qiáng)的導(dǎo)熱性的聚合有機(jī)硅氧烷合成物(硅基橡膠)，該導(dǎo)熱性可以甚至大于1.2w/mk，并且同時(shí)保持在斷裂時(shí)至少30％的延長(zhǎng)，建議使用包括至少一種官能性聚有機(jī)硅氧烷的材料，它通過(guò)加聚反應(yīng)、縮聚反應(yīng)，或借助于自由基的方式而變硬，可能為聚有機(jī)氫化硅氧烷、催化劑、和至少一種適于賦予最后的彈性體以導(dǎo)熱性的粉末裝料(charge)，以及，可能地，機(jī)械地增強(qiáng)的裝料，其中賦予導(dǎo)熱性的裝料以相對(duì)于總的組成的體積30-75(體積)％存在，優(yōu)選地45-65％，和甚至更優(yōu)選地50-60％。具體地，這種裝料的顆粒優(yōu)選包括至少兩組不同的顆粒尺寸，即，第一組具有10-40μm的平均顆粒尺寸，優(yōu)選地15-35μm，形成裝料的主要部分；以及第二組具有小于5μm的平均顆粒尺寸，優(yōu)選地在0.1與5μm之間。這組又可以被再劃分成兩個(gè)子組，第一子組具有1-5μm的平均顆粒尺寸，和第二子組具有0.1-0.5μm的平均顆粒尺寸。第一子組形成全部所述第一和第二子組的85-90(體積)％。介質(zhì)直徑是指該組的顆粒的至少50(重量)％所具有的、在特定的范圍內(nèi)的直徑。主要部分是指60-90％的、用于給橡膠賦予導(dǎo)熱性的顆粒，優(yōu)選地75-90(體積)％。賦予機(jī)械強(qiáng)度的粉末可以是任何的、通常在聚有機(jī)硅氧烷中使用的那些粉末，諸如硅，具體地，燃燒硅或沉淀硅。優(yōu)選地，它們的平均顆粒尺寸小于0.5μm。為了促進(jìn)通過(guò)硅橡膠上的污染層中疏水傳輸過(guò)程，可以加上硅油。這些油可以是基于甲基或羥基封端的聚二甲硅氧烷。這些添加物可以高達(dá)約2(重量)％的量。
按照優(yōu)選實(shí)施例，在硅基橡膠中包括所述顆粒到這樣的程度，以使得所述橡膠的導(dǎo)熱性等于或大于0.9w/mk。對(duì)于0.9w/mk和更高的導(dǎo)熱性，已發(fā)現(xiàn)在帶有作為絕緣體的幾何特征的裙(shed)的組合中達(dá)到增加的冷卻能力。然而。對(duì)于絕緣體材料的較低數(shù)值的導(dǎo)熱性，在絕緣體上的裙對(duì)于絕緣體的冷卻能力似乎不貢獻(xiàn)任何改進(jìn)。在裙下，熱點(diǎn)被形成在硅基橡膠的最厚的部分。這是避雷器設(shè)計(jì)中的另一個(gè)熱約束條件。因此，所述橡膠的導(dǎo)熱性等于或大于0.9w/mk是優(yōu)選的導(dǎo)熱性范圍，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員不容易預(yù)見(jiàn)的。
按照又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述顆粒的主要部分包括al2o3。該材料具有容易以相當(dāng)?shù)偷某杀镜玫降膬?yōu)點(diǎn)，并且還具有給硅橡膠有效地賦予受歡迎的阻燃特性的優(yōu)點(diǎn)，使得添加用于該用途的氫氧化鋁是不必要的，或至少是不太重要的。因此，按照一個(gè)實(shí)施例，硅橡膠可以包括比起認(rèn)為為了達(dá)到預(yù)定的阻燃性所必須的量更少的氫氧化鋁，或甚至完全沒(méi)有氫氧化鋁。
按照另一個(gè)實(shí)施例，所述顆粒唯一地由al2o3組成。也可以認(rèn)為完全用al2o3替代氫氧化鋁，因?yàn)榇蠹抑?，增?qiáng)硅橡膠的導(dǎo)熱性將改進(jìn)抗漏電和抗侵蝕(meyer等人的，ieeetransdielelectrinsul,vol.11,no.4,pp.620-630,2004)。
按照一個(gè)實(shí)施例，所述變阻器元件限定高電場(chǎng)變阻器在它的額定電壓下工作在>200vpeak/mm的電場(chǎng)下。這樣的高電場(chǎng)變阻器很肯定要求絕緣體具有比起今天的絕緣體所提供的更高的導(dǎo)熱性。這可以通過(guò)改變絕緣體的幾何形狀或借助于本發(fā)明所建議的絕緣體的特有的材料的導(dǎo)熱性的增加而達(dá)到。術(shù)語(yǔ)“高電場(chǎng)變阻器材料”被定義為具有預(yù)定的切換電場(chǎng)強(qiáng)度(或擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度)的材料。通常，工作電場(chǎng)強(qiáng)度是切換電場(chǎng)強(qiáng)度的約80％。切換電場(chǎng)強(qiáng)度是材料特性，它分別由材料的顆粒尺寸或顆粒邊界的密度確定。這里，切換電場(chǎng)強(qiáng)度被定義為在0.1ma/cm2的電流密度下的電場(chǎng)強(qiáng)度。大多數(shù)市面上買到的變阻器材料具有在150-250vpeak/mm的范圍內(nèi)的切換電場(chǎng)強(qiáng)度。因此，具有這樣的切換電場(chǎng)強(qiáng)度的變阻器可被稱為“常規(guī)電場(chǎng)變阻器”或“中等電場(chǎng)變阻器”。因此，具有低于150vpeak/mm的切換電場(chǎng)強(qiáng)度的變阻器可被稱為“低電場(chǎng)變阻器”，和具有高于250vpeak/mm的切換電場(chǎng)強(qiáng)度的變阻器可被稱為“高電場(chǎng)變阻器”。因此根據(jù)該實(shí)施例，本發(fā)明涉及這種“高電場(chǎng)變阻器”。而且還可以作出在術(shù)語(yǔ)“高電場(chǎng)變阻器(切換電場(chǎng)強(qiáng)度＝250-400vpeak/mm)”與“超高電場(chǎng)變阻器(切換電場(chǎng)強(qiáng)度>400vpeak/mm)”之間的附加區(qū)分。因此，本發(fā)明可以涉及高電場(chǎng)變阻器或超高電場(chǎng)變阻器。
按照另一個(gè)實(shí)施例，所述變阻器元件包括由散熱器隔開(kāi)的多個(gè)變阻器塊。散熱器由金屬—優(yōu)選為鋁合金或鋼—制成的盤或塊形成，它快速吸收和去除來(lái)自變阻器塊的熱量。結(jié)合這樣的散熱器，本發(fā)明的絕緣體將非常有效地冷卻變阻器塊。
按照另一個(gè)實(shí)施例，由硅基橡膠形成的電絕緣體形成固體電絕緣體的唯一的層，來(lái)自變阻器元件的熱量通過(guò)它被傳遞到周圍環(huán)境。由硅基橡膠形成的電絕緣體形成固體電絕緣體的唯一的層的特性不排除變阻器元件上底漆的存在，以幫助將硅基橡膠粘接到變阻器元件。
按照一個(gè)實(shí)施例，電絕緣體具有配備有被設(shè)置來(lái)增加抗漏電和抗侵蝕性的裙的外殼的形狀。
按照一個(gè)實(shí)施例，顆粒以相對(duì)于電絕緣體的硅基橡膠的總的組成的體積25-75(體積)％的量存在，優(yōu)選地30-65(體積)％，和甚至更優(yōu)選地30-55(體積)％。由此，得到具有優(yōu)越的抗漏電和抗侵蝕特性的電絕緣體。另外，在電絕緣體的硅基橡膠中，滲透關(guān)于達(dá)到導(dǎo)熱性>0.8w/mk的所使用的顆粒分布之間的比值結(jié)合滿意的機(jī)械和電特性進(jìn)行最佳化。
按照一個(gè)實(shí)施例，顆粒具有0.1-100μm的介質(zhì)直徑。在替換的實(shí)施例中，優(yōu)選地，顆粒包括至少兩組不同的顆粒尺寸，其中第一組具有5-100μm的平均顆粒尺寸，優(yōu)選地5-40μm，最優(yōu)選地10-30μm，其形成單位體積的顆粒的主要部分，以及第二組具有小于5μm的平均顆粒尺寸，優(yōu)選地在0.1與5μm之間，最優(yōu)選地0.1-3μm。
按照一個(gè)實(shí)施例，顆粒在電絕緣體的硅基橡膠的總的組成的體積中均勻地分布。由此，在電絕緣體中達(dá)到最佳化的導(dǎo)熱性。
按照一個(gè)實(shí)施例，將硅基橡膠絕緣體直接模注入到變阻器元件上。變阻器元件由此被封閉在硅基橡膠中，這樣，變阻器元件的整個(gè)外表面幾乎都與硅基橡膠接觸。由此，電絕緣體將非常有效地冷卻變阻器元件。這也使得有可能在變阻器元件中不帶有被設(shè)置在變阻器塊之間的附加散熱器而制作出更緊湊的電涌避雷器。絕緣體與變阻器塊接觸的特性不排除在變阻器元件上底漆的存在，以幫助將硅基橡膠粘接到變阻器元件。
按照一個(gè)實(shí)施例，在電絕緣體中具有硅基橡膠的具體的熱容量在180℃溫度下等于，或大于，2.3j/(k*cm3)。這增強(qiáng)從變阻器元件到電絕緣體的熱傳導(dǎo)，以及在變阻器元件中的溫度在電涌事件后很快減小。
在以下的詳細(xì)說(shuō)明和所附權(quán)利要求中將給出本發(fā)明的進(jìn)一步的特性和優(yōu)點(diǎn)。
附圖說(shuō)明
此后，將參照附圖通過(guò)示例更詳細(xì)地描述高壓電涌避雷器的優(yōu)選實(shí)施例，其中：
圖1是按照本發(fā)明的高壓電涌避雷器的局部截面?zhèn)纫晥D。
具體實(shí)施方式
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高壓電涌避雷器1顯示于圖1。電涌避雷器1包括變阻器元件2和封閉變阻器元件2的絕緣體3。絕緣體3由被注射鑄模到變阻器元件2的單個(gè)殼或單層的硅基橡膠形成。因此，硅基橡膠絕緣體3被直接施加到變阻器元件2上，它也形成面對(duì)周圍環(huán)境的裝置的外表面。
變阻器元件2包括變阻器塊4的堆疊。變阻器塊4由取決于某個(gè)電壓電平的高電阻的材料制成，在超過(guò)所述某個(gè)電壓電平時(shí)，所述材料變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)。這樣的材料例如包括zno，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)許多替換材料將是顯而易見(jiàn)的。
變阻器塊4在兩個(gè)末端法蘭5，6之間延伸。在變阻器塊4與絕緣體3之間，被嵌入在后者中，并且被附著在法蘭5，6的相對(duì)的末端，裝置1包括由纖維增強(qiáng)樹脂串形成的支架7。支架7用來(lái)固定變阻器塊堆疊在上述的法蘭5，6之間的適當(dāng)?shù)奈恢?。環(huán)繞支架的繞組是保護(hù)構(gòu)件8，它也是由纖維增強(qiáng)樹脂形成，用來(lái)保護(hù)變阻器塊和支架7，萬(wàn)一設(shè)備故障，防止整個(gè)設(shè)備燃燒。在圖1上，僅僅沿變阻器塊4的堆疊的一部分長(zhǎng)度顯示保護(hù)構(gòu)件8。然而，應(yīng)當(dāng)看到，通常，它們將沿所述堆疊的全部長(zhǎng)度被提供。這些是通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)本身已知的設(shè)計(jì)特性。
在電涌避雷器1的制造期間，變阻器塊4的堆疊被放置在法蘭5，6之間，并借助于支架7被鎖定到后者。隨后，保護(hù)構(gòu)件8圍繞支架7纏繞。此后，目前為止生產(chǎn)的部件被放置在模具中，將硅基橡膠澆注制模在這些部件上，由此造成與變阻器塊4直接接觸，并嵌入支架7和保護(hù)構(gòu)件8?？赡苄枰灼?，以保證在硅基橡膠與避雷器的內(nèi)部部件之間的良好的粘接。
絕緣體3包括裙，用來(lái)沿裝置的縱向方向延長(zhǎng)表面，以便限制表面上的泄漏電流和避免在污染條件和大雨下產(chǎn)生閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)和即將到來(lái)的、由在所述表面上的泄漏電流造成的漏電和侵蝕。這種幾何關(guān)系是自從長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)被建立為對(duì)于室外使用的絕緣體優(yōu)選的，在室外使用時(shí)，絕緣體經(jīng)受灰塵和潮濕，這將促進(jìn)即將到來(lái)這樣的漏電和侵蝕。
絕緣體3是均質(zhì)的，即，它在它的厚度上具有相同的材料特征。它包括硅基橡膠基質(zhì)，在其中混合有預(yù)定的百分?jǐn)?shù)的顆粒，包括來(lái)自包含al2o3,bn,zno的組的材料，或它們的混合物。為了在絕緣體的厚度上達(dá)到相同的材料特征，顆粒被均勻地分布在硅基橡膠中。這個(gè)均勻分布在材料制造時(shí)達(dá)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員在進(jìn)行實(shí)行硅基橡膠與顆粒的混合，達(dá)到顆粒的均勻分布時(shí)不會(huì)有問(wèn)題。所述顆粒的預(yù)定的量高到足以賦予最終得到的硅基橡膠的0.8w/mk的導(dǎo)熱性。優(yōu)選地，al2o3被唯一地使用于為橡膠賦予這樣的增強(qiáng)的導(dǎo)熱性橡膠的目的。