ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ АППАРАТ С КЕРАМИЧЕСКИМИ ДИСТАНЦИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
HIGH VOLTAGE APPARATUS WITH CERAMIC SPACERS AND ITS APPLICATION

Данное изобретение касается высоковольтного аппарата с корпусом и по меньшей мере одним электрически изолированным от корпуса конструктивным элементом. Этот по меньшей мере один конструктивный элемент расположен на расстоянии от корпуса и механически соединен с корпусом.
Изобретение касается также применения вышеописанного высоковольтного аппарата.
6
Высоковольтные аппараты, в частности измерительные преобразователи, соответственно, измерительные трансформаторы для напряжений до 1200 кВ и/или для токов в несколько тысяч ампер известны, например, из US 3,525,908. Корпус установлен, например, на изоляторе, пространственно содержит устройства, например, катушки для измерения высоких напряжений и/или токов. Катушки размещены в корпусе вокруг проводника, к которому приложено высокое напряжение и/или через который текут измеряемые токи, причем корпус заполнен электроизолирующей средой, например, маслом, SF и/или очищенным воздухом (Clean Air). Указанный проводник электрически контактирует с выводами на изоляторе и/или на корпусе, электрически изолированными от корпуса. Эти выводы выполнены для подключения электрических линий электрических сетей, потребителей электроэнергии и/или генераторов. При работе через этот проводник от одного вывода к другому текут большие токи в диапазоне нескольких тысяч ампер. При этом такие большие токи могут привести к сильному выделению тепла на этих выводах.
Корпус электрически изолирован от выводов и/или подключаемых, соответственно, подключенных электрических линий. Эти выводы выполнены, например, как изолированный конструктивный элемент на корпусе, в частности в форме металлической пластины. Поверхность металлической пластины делает возможным охлаждение окружающим воздухом и отведение тепла в окружающее пространство, соответственно, в окружающую среду. Чтобы снизить нагрев выводов, возможно их выполнение из меди, в частности с покрытием из никеля. Это ведет к высокой стоимости, а ограниченная внешняя поверхность выводов ведет к ограниченному теплоотводу в окружающее пространство. При больших токах в первичной цепи может происходить нагрев до температур выше допустимых предельных значений, и достаточный теплоотвод через эти выводы может стать невозможным.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить высоковольтный аппарат и его применение, которые устраняют вышеописанные проблемы. В частности, задачей является создание высоковольтного аппарата, выводы которого в форме по меньшей мере одного электрически изолированного конструктивного элемента могут быть выполнены экономично, просто, механически стабильными и компактными, при одновременно высоком возможном теплоотводе от изолированного конструктивного элемента.
Поставленная задача, согласно изобретению, решается посредством высоковольтного аппарата с признаками независимого п. 1 формулы изобретения и/или посредством применения этого высоковольтного аппарата согласно независимому п. 12 формулы. Предпочтительные варианты выполнения предлагаемого изобретением высоковольтного аппарата и его применения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы. При этом предметы независимых пунктов формулы могут комбинироваться между собой и с признаками зависимых пунктов, а также признаки зависимых пунктов могут комбинироваться между собой.
Предлагаемый изобретением высоковольтный аппарат содержит корпус и по меньшей мере один конструктивный элемент, электрически изолированный от корпуса. Этот по меньшей мере один конструктивный элемент расположен на расстоянии от корпуса и соединен с корпусом, в частности механически стабильно. Между корпусом и указанным по меньшей мере одним конструктивным элементом расположен по меньшей мере один керамический дистанцирующий элемент.
Размещение этого по меньшей мере одного конструктивного элемента на корпусе с промежутком, с по меньшей мере одним керамическим дистанцирующим элементом между корпусом и указанным по меньшей мере одним конструктивным элементом, обеспечивает хорошую электрическую изоляцию этого по меньшей мере одного конструктивного элемента от корпуса, при одновременно хорошей теплопередаче, соответственно, теплопроводности через этот по меньшей мере один керамический дистанцирующий элемент. Тепло, которое выделяется на выводах высоковольтного аппарата в форме указанного по меньшей мере одного конструктивного элемента, например, при прохождении большого тока, через этот по меньшей мере один керамический дистанцирующий элемент может хорошо передаваться на корпус. Корпус служит поверхностью охлаждения с большой площадью, которая обеспечивает хорошую отдачу тепла в окружающую среду. Через этот электрически изолированный конструктивный элемент компоненты, соответственно, элементы высоковольтного аппарата могут электрически контактировать, в частности внутри корпуса, причем этот электрически изолированный конструктивный элемент образует экономичный, простой, механически стабильный и компактный вывод, соответственно, присоединительный элемент.
Керамический дистанцирующий элемент может представлять собой керамический диск и/или керамическую втулку, и/или керамическую пластину, в частности, может быть закреплен, в частности, может иметь форму полого цилиндра с круговым основанием и/или со сквозным отверстием вдоль средней оси. Указанный по меньшей мере один конструктивный элемент может быть закреплен на корпусе с помощью крепежных средств, в частности с помощью винтов и/или крепежных средств, электрически изолированных от конструктивного элемента. С помощью керамических дисков и/или керамических втулок, и/или керамических пластин, которые имеют, в частности сквозное, в частности круглое и/или прямоугольное отверстие в середине, указанный по меньшей мере один конструктивный элемент может быть хорошо, т.е. механически стабильно закреплен на корпусе посредством винтов и электрически изолирован от него, причем соответствующие винты могут быть пропущены через сквозное, в частности круглое, отверстие керамического диска и/или керамической втулки. Керамические диски и/или керамические втулки поддерживают жесткое, механически стабильное расстояние между указанным по меньшей мере одним конструктивным элементом и корпусом, и делают возможной электрическую изоляцию указанного по меньшей мере одного конструктивного элемента от корпуса при одновременно хорошем теплообмене между этим по меньшей мере одним конструктивным элементом и корпусом. С этим связаны вышеописанные преимущества.
Керамический дистанцирующий элемент может иметь высокое электрическое сопротивление и высокий коэффициент теплопроводности. Благодаря этому гарантирована хорошая электрическая изоляция этого по меньшей мере одного конструктивного элемента от корпуса при одновременно хорошем теплообмене между указанным по меньшей мере одним конструктивным элементом и корпусом.
Может быть предусмотрен по меньшей мере один электрический контактирующий элемент, в частности по меньшей мере один винт для электрического контактирования указанного по меньшей мере одного конструктивного элемента с по меньшей мере одним элементом высоковольтного аппарата внутри корпуса. Указанный высоковольтный аппарат может быть выполнен по типу измерительного трансформатора. Электрические элементы в измерительном трансформаторе, т.е. в корпусе, например, проводник, катушки и/или конденсаторы могут через указанный по меньшей мере один электрический контактирующий элемент, в частности через указанный по меньшей мере один винт электрически контактировать с внешним выводом, соответственно, с указанным по меньшей мере одним конструктивным элементом, и в частности с соединенными с ним электрическими линиями и/или токоведущими шинами.
Указанный по меньшей мере один конструктивный элемент, электрически изолированный от корпуса, может содержать по меньшей мере один присоединительный элемент для подключения электрических линий и/или токоведущих шин, в частности для электрического подключения к линиям электрической сети, потребителям электроэнергии и/или генераторам. Благодаря этому высоковольтный аппарат может подключаться электрически, чтобы выполнять заданную функцию в соответствии с типом этого прибора.
Указанный по меньшей мере один конструктивный элемент, электрически изолированный от корпуса, может содержать по меньшей мере один пластинообразный элемент, в частности по меньшей мере одну прямоугольную пластину и/или один Г-образный элемент, составленный из пластинообразных элементов. Как присоединительные элементы, так и контактирующие элементы могут быть с успехом расположены у пластинообразного элемента, в нем и/или на нем, и хороший электрический контакт между элементами может быть просто и экономично создан посредством этого пластинообразного элемента.
Указанный по меньшей мере один конструктивный элемент, электрически изолированный от корпуса, может быть выполнен из металла, в частности из меди и/или стали, и/или содержать медь и/или сталь, и/или сплавы. Благодаря этому обеспечивается хорошая электропроводность и теплопроводность через электрически изолированный от корпуса конструктивный элемент. С эти связаны вышеописанные преимущества.
Корпус, в частности цилиндрический корпус, может состоять из металла, в частности чугуна, и/или содержать металл, в частности чугун. Благодаря этому обеспечивается хорошая теплопроводность корпуса, и тепло, которое выделяется на электрически изолированном от корпуса конструктивном элементе, например, в электрических соединениях и/или на соединительных поверхностях с присоединительными элементами, и/или контактирующими элементами, а также в самом конструктивном элементе в состоянии пропускания тока, может хорошо отводиться через корпус и, в частности, хорошо отводиться в окружающую среду через большую поверхность корпуса.
12
10
Указанный по меньшей мере один керамический дистанцирующий элемент может представлять собой керамику на основе оксида алюминия, керамику на основе карбида кремния, керамику на основе нитрида бора или керамику на основе нитрида алюминия, и/или содержать керамику на основе оксида алюминия, керамику на основе карбида кремния, керамику на основе нитрида бора или керамику на основе нитрида алюминия. Эти материалы обладают высокой теплопроводностью, в частности, свыше 30, соответственно, более 100 Вт/(м x K), и низкой электрической проводимостью, соответственно, высоким удельным сопротивлением, в частности, более 10 Ом∙м, соответственно, более 10 Ом∙м при 20°C. Благодаря этому обеспечивается хорошая электрическая изоляция между корпусом и конструктивным элементом, электрически изолированным от этого корпуса, с хорошей теплопроводностью, соответственно, с отводом избыточного тепла через керамический дистанцирующий элемент.
Предлагаемое изобретением применение вышеописанного высоковольтного аппарата включает в себя передачу от конструктивного элемента на корпус через указанный по меньшей мере один керамический дистанцирующий элемент тепла, которое выделяется в присоединительных элементах указанного по меньшей мере одного конструктивного элемента, электрически изолированного от корпуса, в частности, для подключения электрических линий и/или токоведущих шин, и отведение тепла от корпуса в окружающую среду.
Электрический контакт между указанным по меньшей мере одним электрически изолированным от корпуса конструктивным элементом и элементами в корпусе, в частности частями трансформатора, может происходить через по меньшей мере один электрический контактирующий элемент, в частности через по меньшей мере один винт, в частности с предельно допустимой силой тока в диапазоне нескольких тысяч ампер.
Преимущества предлагаемого изобретением применения высоковольтного аппарата согласно независимому п. 12 формулы изобретения аналогичны вышеописанным преимуществам предлагаемого изобретением высоковольтного аппарата согласно независимому п. 1 формулы изобретения и наоборот.
Ниже более подробно описывается пример осуществления изобретения, схематично представленный на единственном чертеже.
При этом на чертеже показано следующее.
На чертеже изображенен схематичный вид под углом части корпуса 2 предлагаемого изобретением высоковольтного аппарата 1 с конструктивным элементом 3, электрически изолированным от корпуса 2, расположенным на расстоянии от корпуса 2 с помощью керамических дистанцирующих элементов.
На единственном чертеже представлен вид под углом части корпуса 2 предлагаемого изобретением высоковольтного аппарата 1 с конструктивным элементом 3, установленным на расстоянии от корпуса 2.
Конструктивный элемент 3 служит в качестве вывода, соответственно, присоединительного элемента высоковольтного аппарата 1, к которому подключаются, например, электрические линии, токоведущие шины и/или устройства, как, например, потребители электроэнергии и/или генератор. Они могут, например, привинчиваться, припаиваться, привариваться и/или прикрепляться с зажимом к конструктивному элементу 3. Конструктивный элемент 3 имеет форму пластины, в частности отогнутой пластины. Угол между двумя частями пластин составляет 90 градусов, причем каждая часть выполнена прямоугольной. Отогнутая часть пластины обращена от корпуса 2, в частности перпендикулярно соседней поверхности корпуса, причем другая часть пластины расположена параллельно соседней поверхности корпуса.
Закрепленный на расстоянии от корпуса 2 конструктивный элемент 3 выполнен, например, из стали, меди и/или покрыт слоем никеля. Из соображений стоимости могут использоваться и более дешевые материалы, например, алюминий и/или чугун. Корпус 2 выполнен из металла, например, стали, чугуна, меди и/или алюминия. Корпус 2 и конструктивный элемент 3 выполнены с хорошей электропроводностью, а также хорошей теплопроводностью. Через небольшую поверхность конструктивного элемента 3 мало тепла отводится от этого конструктивного элемента 3 прямо в окружающую среду, например, в окружающий воздух. Корпус 2 благодаря своей большой поверхности в состоянии отдавать в окружающее пространство, соответственно, в окружающую среду большое количество тепловой энергии и может служить, тем самым, поверхностью охлаждения.
Предлагаемый изобретением высоковольтный аппарат 1 представляет собой, например, измерительный трансформатор, в частности измерительный трансформатор тока для измерения токов в высоковольтных линиях. На изоляторе, например, оребренном столбчатом керамическом и/или кремниевом изоляторе, который служит опорой и простоты ради не представлен на чертеже, расположен корпус 2. Корпус 2 выполнен, например, шарообразным или стаканообразным, по существу, с круглым или четырехугольным дном. На противоположных сторонах установлено по одному находящемуся на расстоянии от корпуса 2 конструктивному элементу 3, например, с подключенной надземной линией электропередачи. Предлагаемый изобретением высоковольтный аппарат 1, например, электрически подключен промежуточно к высоковольтной линии, чтобы измерять ток в этой высоковольтной линии. При этом к предлагаемому изобретением высоковольтному аппарату 1 могут прикладываться напряжения вплоть до 1200 кВ и, соответственно, через предлагаемый изобретением высоковольтный аппарат 1 могут течь токи в несколько тысяч ампер.
Для измерения, в частности, больших токов, например, в корпусе 2 вокруг проводника расположены катушки, посредством которых может измеряться ток в линии, в частности индуктивно. Проводник в корпусе 2, который простоты ради на чертеже не показан, через электрические контактирующие элементы 7 электрически соединен с конструктивным элементом 3. Например, винты и/или болты, например, из меди и/или стали, и/или в частности сварные соединения, электрически изолированные от корпуса 2, могут быть проведены через корпус 2 изнутри наружу и электрически соединять проводник с конструктивным элементом 3. На чертеже в качестве примера шесть винтов как электрические контактирующие элементы 7 расположены в параллельной корпусу 2, пластинообразной части конструктивного элемента 3, т.е. через эту пластину привинчены и/или проведены, и электрически изолированы от корпуса, пропущены через корпус 2 снаружи внутрь, и электрически соединены с проводником в корпусе 2.
Электрически изолированный от корпуса 2 конструктивный элемент 3 посредством крепежных средств 5 механически стабильно соединен с корпусом 2, т.е., например, привинчен к корпусу 2. В примере осуществления по чертежу на корпусе 2 предусмотрены втулки 4, например, с внутренней резьбой, в которые ввинчены винты 5 для крепления конструктивного элемента 3. Четыре винта 5 - два на левой стороне конструктивного элемента 3 и два на правой стороне конструктивного элемента 3 - служат для механического крепления конструктивного элемента 3 на корпусе 2. Для предотвращения электрического контакта между винтами и этим конструктивным элементом, т.е. для электрической изоляции конструктивного элемента 3 от корпуса 2, например, между головками винтов на конструктивном элементе 3 и этим конструктивным элементом 3 расположена изоляция 8, в частности в форме пластмассовых подкладных шайб.
Для электрической изоляции между корпусом 2 и конструктивным элементом 3 размещены керамические дистанцирующие элементы 6. Дистанцирующие элементы 6 могут быть выполнены тоже в форме круглых подкладных шайб, или в форме полых цилиндрических гильз. В частности, круглые сквозные отверстия вдоль средней оси дистанцирующих элементов 6 позволяют проводить винты 5 через эти дистанцирующие элементы 6, т.е. эти винты 5 пропущены через дистанцирующие элементы 6, и дистанцирующие элементы 6 пространственно содержат область винтов 5. Толщина, соответственно, высота дистанцирующих элементов 6 и втулок 4 вместе определяют расстояние между конструктивным элементом 3 и корпусом 2. На стороне конструктивного элемента 3, обращенной к корпусу 2, дистанцирующие элементы 6 электрически изолируют конструктивный элемент 3 от корпуса 2. На стороне конструктивного элемента 3, обращенной от корпуса 2, изоляция 8, в частности в форме пластмассовых подкладных шайб электрически изолирует конструктивный элемент 3 от корпуса 2 и, соответственно, винты 5 от конструктивного элемента 3.
Для электрической изоляции от конструктивного элемента 3 винтов 5 в области ввода через конструктивный элемент 3, эти винты 5 могут быть покрыты изолирующим слоем, например, тефлоном, и/или указанный ввод имеет значительно больший диаметр, чем тело винта, и винты 5 проводятся через ввод посередине, и/или ввод снабжен изолирующим слоем, например, покрыт лаком, и/или указанные дистанцирующие элементы 6 имеют по меньшей мере два диаметра: больший, чем ввод, и меньший, чем ввод, причем дистанцирующие элементы 6 меньшим диаметром, соответственно, в суженной области выступают в ввод или, соответственно, выходят через него. Благодаря этому возможна хорошая изоляция между конструктивным элементом 3 и корпусом 2 посредством керамических дистанцирующих элементов 6.
Через контактную поверхность, в частности поверхность прилегания конструктивного элемента 3 к дистанцирующим элементам 6 и через контактную поверхность, в частности поверхность прилегания дистанцирующих элементов 6 к корпусу 2, соответственно, в втулкам 4 корпуса 2, обеспечивается хорошая теплопроводность. Тепло, выделяющееся на конструктивном элементе 3 или в нем, например, за счет больших токов в диапазоне нескольких тысяч ампер и в контактных сопротивлениях, и/или в линейном сопротивлении конструктивного элемента 3, передается через обладающие хорошей теплопроводностью керамические дистанцирующие элементы на корпус 2. Через большую внешнюю поверхность корпуса 2 тепло хорошо отводится в окружающую среду. Благодаря этому при очень больших значениях силы тока могут соблюдаться стандартные значения максимальных температур выводов 3 высоковольтного аппарата 1.
Вышеописанные примеры осуществления могут комбинироваться между собой и/или комбинироваться с уровнем техники. Так, может быть предусмотрен лишь один керамический дистанцирующий элемент 6, или может быть предусмотрено несколько керамических дистанцирующих элементов 6. Керамические дистанцирующие элементы 6 выполнены, например, из керамики на основе оксида алюминия, керамики на основе карбида кремния, керамики на основе нитрида бора или керамики на основе нитрида алюминия. Могут использоваться и другие виды керамики, в частности, с большим удельным электрическим сопротивлением и высокой теплопроводностью. Изоляция 8 может быть реализована посредством пластмассовых подкладных шайб или тоже посредством изолирующей керамики, и работать аналогично керамическим дистанцирующим элементам 6. Могут быть предусмотрены втулки 4, или крепежные средства 5, в частности винты, могут помещаться, соответственно, ввинчиваться прямо в стенку корпуса. Конструктивный элемент 3 может быть угловатым или, например, пластинообразным без углов, в частности, с поверхностью основания прямоугольной, круглой или эллиптической. Высоковольтные аппараты 1 могут представлять собой, например, преобразователи тока, преобразователи напряжения, комбинированные трансформаторы напряжения/тока, измерительные преобразователи для коммутационных установок с газовой изоляцией, оптические преобразователи и/или высоковольтные выключатели.
Перечень ссылочных обозначений
1 - высоковольтный аппарат, в частности измерительный преобразователь
2 - корпус
3 - электрически изолированный конструктивный элемент
4 - втулка
5 - крепежное средство, в частности винт
6 - керамический дистанцирующий элемент, в частности керамический диск
7 - электрический контактирующий элемент в корпусе, в частности винт
8 - изоляция, в частности пластмассовые подкладные шайбы.