УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ОПАСНОСТИ ПРОБОЯ ДИЭЛЕКТРИКА В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ УСТРОЙСТВАХ, ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТЕННОЙ ПРОХОДНОЙ ИЗОЛЯТОР, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО, И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО УСТРОЙСТВА
DEVICE TO REDUCE RISK OF DIELECTRIC BREAKTHROUGH IN HIGH-VOLTAGE DEVICES, HIGH-VOLTAGE WALL THROUGH INSULATOR, COMPRISING SUCH DEVICE, AND METHOD TO MANUFACTURE SUCH DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в основном относится к высоковольтным устройствам, и более конкретно, к снижению опасности пробоя диэлектрика в высоковольтных устройствах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно в технологии, при применении высоковольтного оборудования обеспечивают противокоронные экраны из электропроводящего материала, обычно металла, геометрически и электрически соединенные с высоковольтным проводником или другим высоковольтным оборудованием. В результате распределения электрического заряда по увеличенной площади поверхности экрана максимальная напряженность электрического поля снижается, тем самым сокращая опасность коронного разряда.
Один недостаток такой компоновки состоит в том, что вследствие большой кривизны и геометрической протяженности создается зона относительно сильного и однородного электрического поля. Это обусловливает возможность распространения разрядов, которые могут быть инициированы незначительными случайными возмущающими воздействиями, такими как насекомые, крупные частицы пыли и т.д. Когда приложено высокое напряжение, в особенности постоянного тока (DC), наблюдалось, что этот механизм может вызывать пробой при напряжениях, которые являются значительно более низкими, чем предполагалось бы согласно общепринятым правилам конструирования.
Международная патентная заявка с публикацией № WO 2007/149015 раскрывает подключение резистора между экраном и вентильной группой в вариантах применения постоянного тока высокого напряжения.
В то время как этот резистор снижает опасность такого пробоя, он увеличивает сложность противокоронного экрана.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в представлении более простого и более надежного пути снижения опасности пробоя вследствие коронного разряда.
Согласно первому аспекту изобретения, представлено устройство, содержащее: противокоронный экран; и по меньшей мере один опорный элемент для соединения противокоронного экрана с высоковольтным устройством. Этот по меньшей мере один опорный элемент содержит полупроводящий полимер, который, когда устройство находится в рабочем состоянии, действует в качестве сопротивления между противокоронным экраном и высоковольтным устройством. Кроме того, опорный элемент выполнен с возможностью крепления противокоронного экрана на высоковольтном устройстве.
При использовании опорного элемента с сопротивлением для крепления противокоронного экрана получают менее сложную и более стабильную конструкцию. Она обеспечивает значительно большую свободу в компоновке опорных элементов. Кроме того, поскольку конструкции основанного на полимере резистора могут быть сделаны длинными, падение напряжения по длине уменьшается по сравнению с ситуацией, если применяют обычный резистор. Этим снижается опасность поверхностных разрядов. Для обычного резистора существует опасность в том, что электрический разряд может начинаться на одном из концов его сборки вследствие локальной высокой напряженности электрического поля. Создавая шунтирование по резистору, разряд накоротко замыкает его, подавая по существу все напряжение на противокоронный экран. Можно было бы оснастить концевую сборку обычного резистора экранами для снижения напряженности поля, но это усложняет ситуацию в довольно ограниченном доступном пространстве. По меньшей мере один опорный элемент может иметь величину сопротивления в диапазоне от 100 кОм до 100 МОм.
Полупроводящий полимер может содержать непроводящий полимер с проводящим наполнителем. Непроводящий полимер может быть выбран из группы, состоящей из: полиэтилена, сшитого полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, полиуретана, эпоксидных смол, смол на основе фенолов, полимерных смесей и сополимеров, или любой их комбинации. В принципе полупроводящий полимер может представлять собой полупроводящий по своей природе полимер, такой как полипиррол. Более практичными и экономичными являются общеупотребительные полимеры с проводящим наполнителем, обычно техническим углеродом.
По меньшей мере один из по меньшей мере одного опорного элемента может иметь крестообразное поперечное сечение. Трубчатое поперечное сечение обеспечивает опорный элемент с повышенной прочностью в отношении расхода материала и тем самым веса. Могут быть выбраны другие формы поперечного сечения, такие как любая форма из группы, состоящей из: трубчатой формы, квадратной формы, прямоугольной формы, двутавровой формы или круглой формы.
По меньшей мере один из по меньшей мере одного опорного элемента может включать сердечник из полупроводящего полимера и наружный слой, выполненный из наружного материала, который является более долговечным, будучи подверженным воздействию воздуха, чем полупроводящий полимер. Обеспечением более долговечного наружного слоя может быть увеличен срок службы полупроводящего полимера, тем самым увеличивая среднюю продолжительность времени между техническим обслуживанием и/или отказом. Прочность и электропроводность могут быть отрегулированы выбором различных значений толщины материалов и различных комбинаций материалов.
Наружный материал может быть выполнен из такого же полимера, как проводящий полимер, но без наполнителя, других полимеров или из лака/краски, например, алкидного лака.
Опорный элемент дополнительно может содержать: первый проводящий элемент, соединенный с противокоронным экраном на одном конце и с полупроводящим полимером на другом конце.
Опорный элемент дополнительно может содержать: второй проводящий элемент, соединенный с полупроводящим полимером на первом конце, и второй проводящий элемент выполнен с возможностью соединения с высоковольтным устройством на втором конце.
Полупроводящий полимер может быть присоединен к противокоронному экрану, и полупроводящий полимер может быть выполнен с возможностью соединения с высоковольтным устройством.
Противокоронный экран может быть по существу тороидальным, по меньшей мере с одним наружным слоем, содержащим металл.
Второй аспект изобретения представляет высоковольтный стенной проходной изолятор, содержащий устройство согласно первому аспекту.
Третьим аспектом изобретения является способ изготовления устройства. Способ содержит этапы, на которых: обеспечивают по меньшей мере один опорный элемент, содержащий полупроводящий полимер, который, когда устройство находится в рабочем состоянии, действует в качестве сопротивления между противокоронным экраном и высоковольтным устройством; и устанавливают по меньшей мере один опорный элемент между противокоронным экраном и высоковольтным устройством.
Этап обеспечения может дополнительно содержать этапы, на которых: обеспечивают диэлектрический сердечник для каждого из по меньшей мере одного опорного элемента; и наносят полупроводящий полимер путем окрашивания распылением с образованием слоя из полупроводящего полимера на каждом из по меньшей мере одного опорного элемента. Путем окрашивания распылением можно получить тонкий слой полупроводящего полимера с размерами, которые облегчают достижение большого электрического сопротивления.
Этап обеспечения по меньшей мере одного опорного элемента дополнительно может содержать этап, на котором: обеспечивают диэлектрический слой на наружной стороне слоя полупроводящего полимера.
Следует отметить, что любой признак первого, второго и третьего аспектов может быть, насколько это приемлемо, применимым к любому другому аспекту.
В общем, все термины, использованные в патентной формуле, должны быть интерпретированы согласно их обычному значению в технической области, если здесь недвусмысленно не оговорено нечто иное. Все ссылки на «один/этот элемент, устройство, компонент, средство, этап и т.д.», должны быть интерпретированы напрямую как упоминающие по меньшей мере один пример элемента, устройства, компонента, средства, этапа и т.д., если недвусмысленно не оговорено нечто иное. Этапы любого способа, раскрытого здесь, не должны быть исполнены в точном указанном порядке, если только явно не оговорено иное.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает вариант осуществления настоящего изобретения применительно к стенному проходному изолятору;
Фиг. 2а-с схематически изображают, как может быть выполнен опорный элемент;
Фиг. 3а-k схематически изображают поперечные сечения секции опорного элемента, где находится резистор на основе полимера;
Фиг. 4а-b схематически изображают два варианта исполнения, иллюстрирующие, как противокоронный экран может быть закреплен на проводнике.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение теперь будет описано более полно с ссылками на сопроводительные чертежи, на которых показаны определенные варианты осуществления изобретения. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих различных формах и не должно трактоваться, как ограниченное изложенными здесь вариантами исполнения; скорее, эти варианты исполнения представлены в качестве примеров так, что это описание будет обстоятельным и полным, и будет полностью сообщать квалифицированному специалисту в этой области технологии сведения об объеме изобретения. Сходные номера позиций относятся к подобным элементам на всем протяжении описания.
Фиг. 1 изображает вариант осуществления настоящего изобретения, применимый к стенному проходному изолятору. По высоковольтному проводнику 2 проходит электрический ток высокого напряжения. Например, напряжение может составлять величину порядка от 50 кВ до 1000 кВ или даже выше. Следует отметить, что настоящее изобретение применимо как к DC (постоянному току), так и к АС (переменному току), в той мере, насколько напряжение является достаточно высоким для потенциальной возможности возникновения пробоя диэлектрика в данных условиях окружающей среды.
Вокруг проводника 2 на всем пути прохождения сквозь стену 1 предусмотрен изолятор 3. На одном конце изолятора 3 расположен противокоронный экран 4. Как правило, противокоронный экран является по существу тороидальным по меньшей мере с одним наружным слоем, содержащим металл. Альтернативно, противокоронный экран может быть по существу сферическим.
Противокоронный экран 4 соединен с проводником 2 через опорный элемент 6. Опорный элемент 6 содержит полупроводящий полимер. Будучи полупроводящим, полимер является проводящим, но имеет значительную величину сопротивления. Общая величина сопротивления между проводником 2 и противокоронным экраном 4 предпочтительно варьируется между около 100 кОм и около 100 МОм. Точное значение будет зависеть от геометрических и емкостных параметров, и может потребовать проверки в каждом отдельном случае. Если величина сопротивления слишком низка, падение напряжения в момент начала пробоя диэлектрика является слишком малым. Если величина сопротивления слишком велика, затруднительно удерживать противокоронный экран 4 при таком же потенциале, как и у проводника 2. Полимер может представлять собой любой полупроводящий полимер, обеспечивающий общую величину сопротивления в пределах указанного рабочего диапазона. Полупроводящий полимер может содержать непроводящий полимер с проводящим наполнителем, в котором непроводящий полимер может быть общеупотребительным полимером, выбранным из группы, состоящей из: полиэтилена (РЕ), сшитого полиэтилена (РЕХ), полипропилена (PP), поливинилхлорида (PVC), полистирола (PS), полиуретана (PUR), эпоксидных смол, смол на основе фенолов (бакелит), также включающей в себя смеси полимеров и сополимеры, или любые их комбинации. Полупроводящий полимер в принципе может представлять собой полупроводящий по своей природе полимер, такой как полипиррол. Более практичными и экономичными являются традиционные полимеры с проводящим наполнителем, как описано выше, где проводящим наполнителем обычно является технический углерод.
Следует отметить, что величина сопротивления может значительно варьироваться в пределах заданного рабочего диапазона, обеспечивая возможность применения резисторов на основе полимеров. Например, даже если величина сопротивления многих современных полимерных материалов варьируется с температурой, эти материалы по-прежнему применимы в качестве сопротивлений для такого варианта использования. Кроме того, если применяют несколько опорных элементов 6, общая эквивалентная величина сопротивления должна оставаться в пределах вышеуказанных диапазонов.
Вследствие сопротивления опорного элемента 6 противокоронный экран обеспечивает лучшую защиту от пробоя диэлектрика. Это проявляется в значительном снижении опасности пробоя вследствие аномальных обстоятельств.
Этот механизм действует следующим образом. В условиях нормальной работы на противокоронном экране 4 разряда нет. Нет тока, протекающего из противокоронного экрана 4, и никакой ток не протекает через опорный элемент 6. Поскольку нет тока, нет и значительного перепада напряжения на опорном элементе 6, и тем самым противокоронный экран 4 находится под таким же напряжением, что и проводник 2. Когда инициируется разряд 7, например, в аномальных обстоятельствах, ток протекает из противокоронного экрана в разряд, который развивается в сторону удаленного объекта, например, стены 1. Ток забирает энергию с проводника 2, вследствие чего ток протекает через опорный элемент 6. Ввиду высокой величины сопротивления опорного элемента 6 возникает результирующее падение напряжения от проводника 2 до противокоронного экрана 4. По меньшей мере в некоторых случаях, это падение напряжения является достаточным для гашения разряда 7 вследствие недостаточного перепада напряжения между противокоронным экраном и удаленным объектом, например, стеной 1.
Следует отметить, что опорный элемент 6 представляет собой достаточно жесткую конструкцию, чтобы обеспечивать фиксирование противокоронного экрана на проводнике 2.
Фиг. 2а-с схематически изображают, как может быть выполнен опорный элемент 6. На Фиг. 2а опорный элемент 6 содержит резистор 10 на основе полимера. Резистор является более тонким в центральной секции для обеспечения сопротивления, величина которого достаточно высока для этого варианта применения. Резистор 10 на основе полимера снабжен наружным слоем 9, изготовленным из материала, который является более долговечным, чем полупроводящий полимер. Тем самым этот наружный слой 9 предотвращает или по меньшей мере сокращает старение резистора на основе полимера вследствие окисления и т.д. Наружный слой 9 выполняют из любого пригодного материала, который является более долговечным, будучи подверженным воздействию воздуха, чем полупроводящий полимер. Например, наружный слой 9 может быть выполнен из такого же полимера, как и проводящий полимер, но без наполнителя, из других полимеров или из лака/краски, например, алкидного лака. Наружный слой мог бы быть изготовлен также из силиконового каучука, этилен-пропилен-диенового каучука (EPDM), этилен-винилацетатного сополимера (EVA), эпоксидной смолы и т.д. Толщина и жесткость наружного слоя 9 также способствуют обеспечению стабильной механической структуры.
На Фиг. 2b изображен вариант исполнения, где резистор 10 на основе полимера составляет весь опорный элемент 6, будучи соединенным как с противокоронным экраном 4, так и с проводником 2, в результате чего противокоронный экран 4 закреплен на проводнике 2.
В варианте исполнения, показанном в Фиг. 2с, опять же резистор 10 на основе полимера в опорном элементе 6 непосредственно соединен как с противокоронным экраном 4, так и с проводником 2. Однако здесь экран на основе полимера снабжен защитным наружным слоем 9.
Следует отметить, что резистор 10 на основе полимера из любого из вариантов исполнения, иллюстрированных в Фиг. 2а-с, может иметь любую форму поперечного сечения, например, любой вариант из форм поперечного сечения, показанных в Фиг. 3а-k, как подробно изложено ниже.
Фиг. 3а-k схематически изображают поперечные сечения секции опорного элемента 6, где присутствует резистор 10 на основе полимера, в различных вариантах исполнения. Следует отметить, что опорный элемент может представлять собой, например, опорный элемент 6, показанный в любой из фиг. 2а-с.
Фиг. 3а изображает опорный элемент 6, где поперечное сечение резистора 10 на основе полимера является по существу круглым. Фиг. 3b изображает такой же опорный элемент, как Фиг. 3а, но здесь опорный элемент содержит наружный защитный слой 9.
Фиг. 3с изображает опорный элемент 6, где поперечное сечение резистора 10 на основе полимера является трубчатым. Фиг. 3d иллюстрирует такой же опорный элемент, как Фиг. 3с, но здесь опорный элемент содержит наружный защитный слой 9. Следует отметить, что защитный слой необязательно предусматривают с обеих сторон трубчатой формы резистора 10 на основе полимера. Трубчатая форма обеспечивает хорошую стабильность в отношении количества материала (и поэтому также веса), которая требуется для резистора 10 на основе полимера.
Фиг. 3е изображает опорный элемент 6, где поперечное сечение резистора 10 на основе полимера является по существу прямоугольным или имеет квадратную форму. Фиг. 3f изображает такой же опорный элемент, как Фиг. 3е, но здесь опорный элемент содержит наружный защитный слой 9.
Фиг. 3g изображает опорный элемент 6, где поперечное сечение резистора 10 на основе полимера имеет двутавровую форму. Фиг. 3h изображает такой же опорный элемент, как Фиг. 3g, но здесь опорный элемент содержит наружный защитный слой 9. Двутавровая форма представляет собой еще один профиль с высокой стабильностью в отношении расхода материала.
Фиг. 3i изображает опорный элемент 6, где поперечное сечение имеет двутавровую форму, но центральная секция 9 сделана из диэлектрического материала, например, материала наружного слоя, как описано ранее. Во внутренних секциях резистор 10 на основе полимера размещен в виде тонкого слоя. Тонкий слой может быть уложен как тонкая твердая деталь. Альтернативно, тонкий слой может быть нанесен путем окрашивания распылением центральной секции. В этом варианте исполнения толщина резистора на основе полимера предпочтительно составляет между 0,1 мм и 2 мм. Если толщина составляет менее 0,1 мм, есть опасность механического разрушения резистора на основе полимера, которое также разрывало бы электрическое соединение. Если толщина составляет более 2 мм, может оказаться более простым обеспечение резистора на основе полимера другим способом, чем окрашивание распылением. Следует отметить, что способ окрашивания распылением применим к любой подходящей форме поперечного сечения, а не только к двутавровому профилю, как здесь описано.
Фиг. 3j изображает опорный элемент 6, где поперечное сечение резистора 10 на основе полимера имеет крестообразный профиль. Фиг. 3k изображает такой же опорный элемент, как Фиг. 3j, но здесь опорный элемент содержит наружный защитный слой 9.
Фиг. 4а-b схематически изображают два варианта исполнения, иллюстрирующие, как противокоронный экран 4 может быть закреплен на проводнике 2.
На Фиг. 4а противокоронный экран 4 закреплен на проводнике 2 с использованием трех опорных элементов 6а-с. Как известно из уровня техники, если каждый индивидуальный опорный элемент имеет одинаковую величину сопротивления, то эквивалентное сопротивление между проводником 2 и противокоронным экраном 4 составляет треть величины сопротивления одного опорного элемента. Следует отметить, что опорные элементы могут составлять сочетание опорных элементов с полупроводящим полимером, как описанными выше, и общепринятых диэлектрических опорных элементов, в такой мере, насколько по меньшей мере один опорный элемент содержит полупроводящий полимер.
На Фиг. 4b противокоронный экран 4 закреплен на проводнике 2 с использованием четырех опорных элементов 6а-d. Следует отметить, что может быть использовано любое число опорных элементов, обеспечивающее согласование между стабильностью и стоимостью/сложностью.
В то время как изобретение иллюстрировано выше как реализованное в стенном проходном изоляторе, любое высоковольтное устройство, где полезно размещение противокоронного экрана, также имело бы преимущество настоящего изобретения. Например, настоящее изобретение может быть реализовано при изоляции высоковольтного силового трансформатора, высоковольтного измерительного трансформатора, высоковольтного распределительного устройства, высоковольтного линейного изолятора, высоковольтного разрядника для защиты от атмосферных перенапряжений или в сочетании с вентилями HVDC (постоянного тока высокого напряжения).
Изобретение главным образом было описано выше со ссылкой на немногие варианты исполнения. Однако, как это без труда понятно квалифицированному специалисту в этой области технологии, другие варианты исполнения, иные, нежели представленные здесь, в равной мере возможны в пределах области изобретения, как определенной прилагаемыми пунктами формулы изобретения.