СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСИЛОВОГО УСТРОЙСТВА, ЭЛЕКТРОСИЛОВОЕ УСТРОЙСТВО И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСИЛОВОГО УСТРОЙСТВА
METHOD FOR MANUFACTURING AN ELECTRIC POWER DEVICE, ELECTRIC POWER DEVICE AND USE OF AN ELECTRIC POWER DEVICE

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления электросилового устройства, электросиловому устройству и использованию электросилового устройства.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Электросиловые устройства, такие как высокотоковые устройства высокого напряжения DC или АС (постоянного или переменного тока), содержат элементы, которые предназначены для обеспечения надежной электрической изоляции токоведущих частей. Одним из примеров электросилового устройства, выполняющего изолирующую функцию, служит проставка для размыкателя с газовой изоляцией.
Одним из широко используемых способов изготовления элементов электрической изоляции является формование, такое как литье под давлением. Более крупные изолирующие части могут быть изготовлены методом литья в вакууме или методом APG (автоматическое желирование под давлением). Более того, в японской публикации JP 2016031845 А, выложенной для всеобщего ознакомления, описывается проставка для размыкателя с газовой изоляцией, которая изготовлена с помощью устройства трехмерного моделирования. В этом документе предшествующего уровня техники слоистая структура изолирующей проставки содержит разные пластинчатые части, при этом соотношение компонентов смеси в изоляционном материале, который используется для изготовления пластинчатых частей, изменяется таким образом, что диэлектрическая постоянная постепенно уменьшается в направлении от одной стороны изолирующей проставки к другой ее стороне.
Кроме того, часто необходимо, чтобы электросиловые устройства обладали определенными механическими свойствами и/или могли выдерживать большие механические нагрузки. Одним из примеров механических свойств, которыми должны обладать такие электросиловые устройства, служит по существу полная газонепроницаемость, когда электросиловое устройство используется, например, в размыкателе с газовой изоляцией. Таким образом, существует потребность в электросиловом устройстве, которое обеспечивало бы надежную механическую опору, например, для проводника тока, и которое демонстрировало бы высокую механическую прочность, например, при перепадах давления, выполняя при этом соответствующую изолирующую функцию.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложен способ изготовления электросилового устройства из частей, последовательно изготовленных методом послойного аддитивного наращивания. Этот способ предусматривает определение целевого пространственного распределения физического свойства электросилового устройства, причем физическое свойство представляет собой электрическое свойство и/или механическое свойство; формование первой части электросилового устройства; выбор физического свойства последующей части, соответствующего установленному пространственному распределению физического свойства; и формование последующей части методом послойного аддитивного наращивания таким образом, чтобы она, по меньшей мере, частично контактировала с первой частью.
В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что если используется электрическое свойство, то пространственное распределение представляет собой целевую картину силовых линий электрического поля электросилового устройства, когда оно установлено в заданной электромагнитной среде; а если используется механическое свойство, то пространственное распределение представляет собой целевую механическую прочность электросилового устройства.
В контексте настоящего документа «целевая» картина может толковаться как «требуемая» картина. Целевая картина может быть получена, например, методом численного моделирования. Например, целевая картина силовых линий электрического поля получается путем численного моделирования пространственного распределения электрического поля для заданной формы или конфигурации итогового электросилового устройства. В другом примере целевая механическая прочность электросилового устройства получается путем численного моделирования пространственного распределения механической прочности для заданной формы или конфигурации итогового электросилового устройства.
В контексте настоящего документа первая часть может представлять собой часть, сформованную таким же методом, что и последующая часть. Первая часть может также характеризоваться минимально возможными с технической точки зрения размерами; соответственно, последующая часть будет занимать доминирующее положение в электросиловом устройстве.
Первая часть, в качестве исходной части, может быть предусмотрена заранее, и к этой исходной части применяется способ, описанный в настоящем документе, для завершения изготовления электросилового устройства. Также предусмотрена возможность изначального отсутствия исходной части при реализации указанного способа, и в этом случае первая часть будет сформована методом послойного аддитивного наращивания, после чего будет сформована последующая часть или части с использованием такого же метода послойного аддитивного наращивания, который был использован для формования первой части.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения физические свойства при использовании метода послойного аддитивного наращивания изменяются или выбираются, например, за счет применения разных материалов, таким образом, чтобы последующая часть или последующие части обладали надлежащим или целевым физическим свойством для соответствующего положения во время процесса изготовления электросилового устройства.
В контексте настоящего документа примером метода послойного аддитивного наращивания служит любой метод трехмерной (3D) печати, такой как фотополимеризация в ванне, выдавливание материала, разбрызгивание материала, 3D-печать на основе порошка или 3D-печать на основе раскатки. В предпочтительном варианте методом послойного аддитивного наращивания служит один из таких методов, как фотополимеризация в ванне, выдавливание материала или разбрызгивание материала. При использовании метода полимеризации в ванне происходит отверждение жидкого полимера или смеси жидких полимеров в ванне в процессе полимеризации, который активируется путем подачи света. При использовании метода выдавливания материала термопластичный материал, каучуковый материал или иной материал подобного рода избирательно наносится через сопло или дросселирующее отверстие. При использовании метода разбрызгивания материала происходит избирательное осаждение капель соответствующего материала. Таким образом, различные методы послойного аддитивного наращивания, приведенные в качестве примера в рамках настоящего описания, хорошо известны, и поэтому их особенности далее по тексту не описываются.
Обычно в рамках послойного аддитивного наращивания последующая часть формуется из полимерного материала. В контексте настоящего документа примером полимерного материала служит термопластичный материал (такой как, помимо прочего, полиэтилен или полиэтилентерефталат), термоотверждающийся материал (такой как, помимо прочего, эпоксиды), эластомерный материал (такой как, помимо прочего, каучуковые материалы или силикон), отверждаемый полимерный изоляционный материал или сочетания перечисленных материалов.
В контексте настоящего документа электромагнитная среда включает в себя, например, электрические свойства и/или размеры аппарата, в котором должно быть использовано электросиловое устройство. Например, электромагнитная среда определяется как электрическое поле или распределение электрического поля между электродом при заданном напряжении и электрическим потенциалом Земли. Одним из примеров аппарата служит автоматический выключатель или распределительное устройство, такое как размыкатель с газовой изоляцией. Электромагнитная среда определяется по результатам измерений и/или численного моделирования.
Целевая картина силовых линий электрического поля может представлять собой требуемую картину силовых линий электрического поля, которая может быть получена, когда электросиловое устройство является или становится частью электромагнитной среды, например, при установке изолирующего устройства, которым служит электросиловое устройство, в электромагнитной среде. Электросиловое устройство обычно влияет на распределение электрического поля в электромагнитной среде. Затем может быть выбрано или отобрано электрическое свойство последующей части с тем, чтобы в электромагнитной среде была обеспечена требуемая картина силовых линий электрического поля, после чего на основании сделанного выбора может быть сформована последующая часть.
Обычно определение пространственного распределения целевой механической прочности электросилового устройства предусматривает идентификацию линии главного механического напряжения электросилового устройства, а выполнение стадии выбора механического свойства последующей части и формования последующей части предусматривает формование одной или нескольких последующих частей, характеризующихся механической прочностью, равной или превышающей заданное пороговое значение прочности вдоль идентифицированной линии главного механического напряжения.
Линия главного механического напряжения обычно возникает во время фактической работы электросилового устройства, установленного в аппарате. Например, линия главного механического напряжения устанавливается за счет определенного распределения давления в размыкателе с газовой изоляцией, где давление газа воздействует на одну или обе стороны изолирующего устройства, которым служит электросиловое устройство. В контексте настоящего документа линия главного механического напряжения может также содержать множество линий сопоставимого уровня механических напряжений, например, на сравнительно узких участках электросилового устройства, в зонах установки электросилового устройства и т.п.
Заданное пороговое значение прочности может быть выбрано таким образом, чтобы оно было достаточно большим, чтобы выдержать, например, определенное усилие, которое, как предполагается, может воздействовать на элемент электросилового устройства вдоль линии главного механического напряжения. Предполагаемое усилие может быть получено, например, по результатам измерительной операции в фактическом аппарате, в котором должно быть установлено электросиловое устройство, и/или путем выполнения численного моделирования.
В вариантах осуществления настоящего изобретения последующая часть или части вдоль линии главного механического напряжения, которые характеризуются механической прочностью, равной или превышающей заданное пороговое значение прочности, охвачены легким материалом. Таким образом, может быть получено электросиловое устройство с относительно плотным высокопрочным материалом вдоль линий главных напряжений, которые возникают во время его функционирования, и более легким материалом, который охватывает высокопрочный материал, в результате чего образуется легкое и высокопрочное электросиловое устройство.
В частности, операции выбора с целью достижения целевой картины силовых линий электрического поля и с целью достижения целевой механической прочности выполняются одновременно. Одновременный выбор может проводиться в отношении одной и той же последующей части, а в случае невозможности параллельного получения взаимозависимых условий, обусловленных одновременным выбором, может быть выбрана или целевая картина силовых линий электрического поля, или целевая механическая прочность, например, в зависимости от относительной значимости каждого из этих параметров для сравнительного анализа. Кроме того, одновременный выбор может производиться в отношении разных последующих частей таким образом, что некоторые из последующих частей будут способствовать, главным образом, достижению целевой картины силовых линий электрического поля, а другие последующие части будут способствовать, главным образом, достижению целевой механической прочности.
В контексте настоящего документа выбор физического свойства следует понимать как преднамеренное действие, выполняемое например, в рамках процесса проектирования, во время которого соответствующее свойство выбирается в зависимости от конкретной потребности. Соответствующее свойство обычно представляет собой заданное заранее или задаваемое заранее (т.е. выбираемое) свойство, которое может изменяться в определенных пределах. В контексте настоящего изобретения выбор может предусматривать выбор приемлемого или допустимого диапазона для соответствующего свойства, например, диапазона значений, не превышающих определенное верхнее пороговое значение соответствующего свойства и/или не опускающихся ниже определенного нижнего порогового значения соответствующего свойства; при этом соответствующие пороговые значения соответствуют конкретной потребности.
Выбор определенного физического свойства может предусматривать одновременный выбор соответствующего другого физического свойства с тем, чтобы параллельно могли быть удовлетворены конкретные потребности во всех выбираемых физических свойствах. Например, выбор электрического свойства на основании целевой картины силовых линий электрического поля может предусматривать одновременный выбор механического свойства на основании целевой механической прочности с тем, чтобы была удовлетворена конкретная потребность, как в электрическом свойстве, так и в механическом свойстве. Аналогичным образом выбор механического свойства на основании целевой механической прочности может предусматривать одновременный выбор электрического свойства на основании целевой картины силовых линий электрического поля с тем, чтобы была удовлетворена конкретная потребность, как в электрическом свойстве, так и в механическом свойстве.
Выбор определенного физического свойства может предусматривать одновременный выбор соответствующего другого физического свойства и, - в случае, если одновременно невозможно удовлетворить конкретную потребность в различных свойствах, выбор одного или нескольких физических свойств, которые должны быть реализованы, например, когда степень важности удовлетворения конкретной потребности в одном из свойств превышает соответствующую степень важности удовлетворения конкретной потребности в другом свойстве.
Например, выбор электрического свойства на основании целевой картины силовых линий электрического поля может также предусматривать одновременный выбор механического свойства и, в случае, если невозможно удовлетворить конкретную потребность в электрическом свойстве с одновременным удовлетворением конкретной потребности в механическом свойстве, - выбор одного из свойств, подлежащих реализации, из числа электрического свойства и механического свойства, например, когда степень важности удовлетворения конкретной потребности в одном из указанных свойств превышает соответствующую степень важности удовлетворения конкретной потребности в другом из указанных свойств.
Аналогичным образом, например, выбор механического свойства может также предусматривать одновременный выбор электрического свойства и, в случае, если невозможно удовлетворить конкретную потребность в электрическом свойстве с одновременным удовлетворением конкретной потребности в механическом свойстве, -выбор одного из свойств, подлежащих реализации, из числа электрического свойства и механического свойства, например, когда степень важности удовлетворения конкретной потребности в одном из указанных свойств превышает соответствующую степень важности удовлетворения конкретной потребности в другом из указанных свойств.
Обычно физическими свойствами первой части и последующей части служат по существу свойства, изначально присущие материалу. Например, электрическое свойство и механическое свойство первой части и последующей части представляют собой по существу свойства, изначально присущие материалу. Присущие материалу свойства могут быть заданы и/или получены лишь за счет задействованного материала. Однако усилению рассматриваемого физического свойства, например, электрического свойства и/или механического свойства, может способствовать форма последующей части.
В контексте настоящего документа формование последующей части обычно предусматривает обеспечения наличия или нанесение материала и его отверждение или схватывание. Например, при использовании стандартного метода послойного аддитивного наращивания материал наносится и отверждается с помощью лазерного излучения.
Последующая часть, по меньшей мере, частично контактирующая с первой частью, может включать в себя последующую часть, покрывающую, по меньшей мере, одну поверхность первой части. Более того, последующая часть, по меньшей мере, частично контактирующая с первой частью, может включать в себя последующую часть, охватывающую первую часть, полностью закрывая ее, или обкладывающую первую часть. Термин «частично» в данном контексте обычно означает, что задействована, по меньшей мере, часть площади, т.е. последующая часть контактирует с первой частью, по меньшей мере, на части площади первой части.
В вариантах осуществления настоящего изобретения электрическое свойство включает в себя диэлектрическую проницаемость, электропроводность или сочетание перечисленных свойств. Например, диэлектрическая проницаемость может быть выбрана в качестве электрического свойства с тем, чтобы в момент приложения электрического поля к электросиловому устройству было обеспечено целевое поведение электросилового устройства. В частности, целевое поведение может включать в себя характер изменения электрического поля, например, активное выравнивание поля, регулирование поля или изменение формы поля.
В одном из примеров своего осуществления, не носящего ограничительного характера, электросиловое устройство содержит изолирующий участок, который должен располагаться на стороне заземления, когда устройство находится в собранном состоянии, и за счет определенной формы этого изолирующего участка, например, его кривизны, поверхность изолирующего участка может характеризоваться высокой напряженностью электрического поля. В частности, в сферах применения HVDC (постоянного тока высокого напряжения) высокая напряженность электрического поля может привести к накоплению заряда на этом участке, что может негативно сказаться на работе электросилового устройства.
В стандартных технических решениях признак регулирования поля имеет ограничения по форме и сложности структуры, поскольку соответствующие устройства регулирования поля установлены в электродной области электросилового устройства, или же электросиловое устройство должно иметь открытую (доступную) структуру для обеспечения возможности выполнения процесса литья или формования. Таким образом, в стандартных технических решениях признак регулирования поля может оказаться недостижимым на указанных изолирующих участках стандартного электросилового устройства.
В решениях, описанных в настоящем документе, признак регулирования поля может быть обеспечен в виде последующей части, сформованной методом послойного аддитивного наращивания. Для получения признака регулирования поля (с целью выравнивания электрического поля) может быть сформовано множество последующих частей, при этом материалы с разными значениями диэлектрической проницаемости используются для разных последующих частей в меняющихся концентрациях.
В вариантах осуществления настоящего изобретения механическое свойство включает в себя механическую прочность, упругость, пластичность или сочетание перечисленных свойств. В одном из иллюстративных примеров может быть сформовано множество последующих частей, при этом материалы с разными значениями упругости используются для разных последующих частей в меняющихся концентрациях.
В вариантах осуществления настоящего изобретения физическое свойство включает в себя тепловое свойство, а тепловое свойство включает в себя теплопроводность, теплопередачу, теплоемкость или сочетание перечисленных свойств. В одном из иллюстративных примеров может быть сформовано множество последующих частей, при этом материалы с разными значениями теплопроводности используются для разных последующих частей в меняющихся концентрациях.
В вариантах осуществления настоящего изобретения первая часть и последующая часть представляют собой изолирующие части. Однако первая часть может также представлять собой электрический проводник, такой как электрод, а последующая часть может представлять собой изолирующую часть. Электрический проводник может быть получен обычным способом. В вариантах осуществления настоящего изобретения первая часть сформована методом послойного аддитивного наращивания. В том случае, если первая часть представляет собой электрический проводник, такой как электрод, этот электрический проводник может быть изготовлен методом послойного аддитивного наращивания, предусматривающим металлообработку, такую как избирательное лазерное спекание или прямое лазерное спекание металлов. Метод послойного аддитивного наращивания для получения электрического проводника в качестве первой части и метод послойного аддитивного наращивания для получения изолирующей части в качестве последующей части могут объединять металлообработку и полимерную обработку.
В вариантах осуществления настоящего изобретения выполнение стадии выбора физического свойства последующей части и формования последующей части предусматривает изменение концентрации или соотношения материала, по меньшей мере, двух разных материалов, начиная с формования первой части, и заканчивая формованием, по меньшей мере, одной последующей части, причем два разных материала характеризуются отличиями в соответствующем физическом свойстве.
Изменение может включать в себя резкое изменение, непрерывное изменение или плавное изменение. За счет непрерывного изменения или плавного изменения может быть получена последующая часть, которая характеризуется наличием градиента соответствующего физического свойства.
Например, выполнение стадии выбора электрического свойства последующей части и формования последующей части на основании установленной целевой картины силовых линий электрического поля предусматривает изменение концентрации или соотношения материала, по меньшей мере, двух разных материалов, начиная с формования первой части, и заканчивая формованием, по меньшей мере, одной последующей части. Кроме того, в этом же примере, дополнительно или в качестве альтернативного варианта, выполнение стадии выбора механического свойства последующей части и формования последующей части на основании установленного пространственного распределения целевой механической прочности также предусматривает изменение концентрации или соотношения материала, по меньшей мере, двух разных материалов, начиная с формования первой части, и заканчивая формованием, по меньшей мере, одной последующей части. Изменение может включать в себя резкое изменение, непрерывное изменение или плавное изменение. По меньшей мере, два разных материала обычно характеризуются разной диэлектрической проницаемостью, разной электропроводностью, разной гибкостью или их сочетанием.
В вариантах осуществления настоящего изобретения предложенный способ предусматривает формование методом послойного аддитивного наращивания множества последующих частей, причем для получения множества последующих частей концентрация материала, по меньшей мере, двух разных материалов изменяется, в частности, изменяется плавно.
Согласно еще одному из аспектов настоящего изобретения предложено электросиловое устройство. Электросиловое устройство может быть изготовлено или изготавливается методом, описанным выше в настоящем документе.
В вариантах осуществления настоящего изобретения электросиловое устройство содержит часть выравнивания электрического поля, сформованную в качестве одной или нескольких последующих частей, причем часть выравнивания электрического поля выполнена с возможностью ослабления напряженности электрического поля в момент времени, когда электросиловое устройство подвергается воздействию электрического поля, в частности, поля высокого напряжения, такого как электрическое поле HVAC (переменного тока высокого напряжения) или HVDC. Часть выравнивания электрического поля обычно соответствует признаку выравнивания поля, описанному в настоящем документе, благодаря чему может быть обеспечено свойство выравнивания или регулирования поля.
В вариантах осуществления настоящего изобретения электросиловое устройство содержит часть упругой релаксации, сформованную в качестве одной или нескольких последующих частей, причем часть упругой релаксации выполнена с возможностью преобразования прикладываемого снаружи напряжения в пластическую деформацию части упругой релаксации.
Согласно еще одному из аспектов настоящего изобретения предложено использование электросилового устройства. Электросиловое устройство может быть изготовлено или изготавливается методом, описанным выше в настоящем документе. Использование предусматривает использование электросилового устройства в качестве изолятора переменного тока (DC) или постоянного тока (АС) в аппарате HVAC или HVDC, в частности, в распределительном устройстве HVAC или HVDC или автоматическом выключателе HVAC или HVDC.
Согласно еще одному из аспектов настоящего изобретения предложен еще один вариант использования электросилового устройства. Электросиловое устройство может быть изготовлено или изготавливается методом, описанным выше в настоящем документе. Использование предусматривает использование электросилового устройства в качестве устройства выравнивания поля в структурах HVAC или HVDC, в частности, в кабельном соединителе HVAC or HVDC.
С помощью аспектов, признаков и вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, электросиловому устройству, такому как изолирующее устройство, могут быть приданы заданные механические и электрические свойства. При этом может быть снижена себестоимость, в частности, в сравнении со стандартными процессами литья или формования. В частности, отпадает необходимость в пресс-формах, которые обеспечивали бы быструю объемную печать и возможность быстрого внесения изменений в электросиловое устройство. Кроме того, могут быть получены сравнительно сложные формы (например, полые структуры) и/или конструктивные профили. Более того, разные материалы могут быть объединены в единый композитный материал.
Краткое описание фигур
Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны в привязке к прилагаемым чертежам, где:
На фиг. 1а-1 с показаны схематические виды в разрезе электросиловых устройств согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 2 представлено схематическое перспективное изображение электросилового устройства согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 3 показан схематический вид в разрезе электросилового устройства согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, установленного в распределительном устройстве; а
На фиг. 4 показан схематический вид в разрезе электросилового устройства согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, установленного в кабельном соединителе.
Подробное раскрытие вариантов осуществления настоящего изобретения
На каждой из фигур 1а-1 с показан схематический вид в разрезе электросилового устройства 100. Части, характерные для электросиловых устройств 100, показанных на фиг. 1а-1 с, описаны всего один раз, и для отдельных электросиловых устройств их описание не повторяется. Электросиловое устройство 100 содержит тело 50 изолирующего основания, через которое проходит проводник-электрод 200, фиксируемый с обеих сторон. Электрод 200 выполнен, например, из металла и выдерживает высокое подаваемое на него напряжение, при этом он должен быть изолирован посредством тела 50 изолирующего основания электросилового устройства 100, например, напротив заземляющего электрода (не показан). Заземляющий электрод представляет собой, например, часть корпуса размыкателя с газовой изоляцией (GIS). В одном из примеров осуществления GIS электросиловое устройство 100 должно быть газонепроницаемым в направлении от одной стороны к другой стороне (слева направо на чертежах).
Таким образом, электросиловые устройства 100 в вариантах осуществления заявленного изобретения, проиллюстрированные в настоящем документе, обеспечивают механическую опору для электрода 200, выполняют электроизоляционную функцию между землей и фазой (в других вариантах применения также практикуется межфазная изоляция) и представляют собой механическое средство, препятствующее негативному воздействию перепадов давления при использовании в GIS.
В вариантах осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных на чертежах, тело 50 изолирующего основания сформовано как неотъемлемая часть электросилового устройства 100. Часть 50 может быть сформована, например, методом послойного аддитивного наращивания, таким как 3D-печать, например, методом фотополимеризации в ванне, выдавливания материала, разбрызгивания материала, 3D-печати на основе порошка или 3D-печати на основе раскатки. Часть 50 может характеризоваться заданными физическими свойствами из числа одного или нескольких таких свойств, как электрическое свойство, механическое свойство, тепловое свойство и магнитное свойство. Одно или несколько физических свойств могут представлять собой по существу равномерно распределенные свойства; а в альтернативном варианте одно или несколько физических свойств могут меняться на разных участках части 50, например, характеризоваться градиентным поведением. Обычно градиентное поведение части 50 проявляется в направлении, по существу перпендикулярном направлению, в котором проходит электрод 200.
Кроме того, электрод 200 или части электрода 200, такие как электродная вставка электросилового устройства 100, могут быть также сформованы методом послойного аддитивного наращивания, пригодным для металлообработки, таким как 3D-печать на основе порошка. Электрод 200 может быть также получен в ходе выполнения стандартного процесса формования электродов.
В каждом из вариантов осуществления настоящего изобретения, которые показаны на фиг. 1а-1 с, по меньшей мере, одна последующая часть 51, 52, 53 или 54 сформована методом послойного аддитивного наращивания, таким как 3D-печать, например, методом фотополимеризации в ванне, выдавливания материала, разбрызгивания материала, 3D-печати на основе порошка или 3D-печати на основе раскатки.
Электросиловые устройства 100 в вариантах осуществления настоящего изобретения преимущественно характеризуются осесимметричной конструкцией. Таким образом, послойное аддитивное наращивание может предусматривать обеспечение вращающейся подложки (например, части электрода 200, такой как электродная вставка) и перемещение головки 3D-принтера вдоль вращающейся подложки, т.е. в двух направлениях переноса, перпендикулярных оси вращения. Таким способом могут быть наращены части 50, 51, 52, 53 и 54. Однако электросиловые устройства 100 не ограничены осесимметричной формой и методом послойного аддитивного наращивания, предусматривающим задействование вращающейся подложки.
Сразу после завершения формования одной их частей 50, 51, 52, 53 и 54 часть, которая должна быть сформована следующей, становится последующей в контексте настоящего документа частью относительно предшествующей ей части. До начала выполнения процесса послойного аддитивного наращивания любой из последующих частей 51, 52, 53 и 54 выбирается физическое свойство, такое как электрическое свойство и механическое свойство, для соответствующей последующей части 51, 52, 53 и 54. Физическое свойство может быть выбрано таким образом, чтобы оно отличалось от соответствующего физического свойства первой (предшествующей) части. В общем, при переходе к последующей части от соответствующей предшествующей ей части изменяется (т.е. выбрано таким образом, чтобы оно было иным), по меньшей мере, одно физическое свойство, обычно, по меньшей мере, одно свойство из числа электрического свойства и механического свойства.
Физическое свойство первой (предшествующей) части не обязательно должно быть равномерно распределенным. Например, как было указано выше, физическое свойство части 50 может характеризоваться градиентным поведением, обычно в направлении, проходящим по существу перпендикулярно электроду. Соответствующее физическое свойство последующей части 51, 52, 53 и 54 также может характеризоваться градиентным поведением, т.е. выбираться таким образом, чтобы оно отличалось от соответствующего физического свойства на примыкающем участке первой (предшествующей) части 50.
На фиг. 1а показано, что на тело 50 изолирующего основания нанесена последующая часть 51, охватывающая всю длину электросилового устройства 100 в радиальном направлении (направлении z). При выборе для примера было принято решение изменить множество физических свойств, например, как электрическое, так и механическое свойство. Таким образом, пример осуществления последующей части 51 обладает электрическим и механическим свойствами, выбранными таким образом, что они отличаются от соответствующих свойств предшествующей ей части 50. Можно было бы также принять решение об изменении только одного физического свойства, например, или электрического свойства, или механического свойства с тем, чтобы пример реализации еще одной последующей части 51 обладал только одним соответствующим свойством, измененным относительно предшествующей ей части 50.
На фиг. 1b показано, что на тело 50 изолирующего основания электросилового устройства 100 нанесена последующая часть 51, частично охватывающая его длину в радиальном направлении z, и далее в этом же радиальном направлении г нанесена последующая часть 52. Как и в предыдущем примере, описанном выше в привязке к фиг. 1а, последующая часть 51 обладает физическим свойством, таким как электрическое свойство, механическое свойство или оба эти свойства, которые отличаются от соответствующих свойств предшествующей ей части 50. Аналогичным образом последующая часть 52 обладает соответствующим физическим свойством или свойствами, такими как электрическое свойство, механическое свойство или оба указанных свойства, которые отличаются от соответствующих свойств предшествующей ей части 51.
На фиг. 1 с приведен еще один пример осуществления электросилового устройства 100. На тело 50 изолирующего основания указанного устройства нанесена последующая часть 51, частично охватывающая его длину в радиальном направлении z. Далее в этом же радиальном направлении нанесена сборка, - уложенная в направлении z - из последующих частей 52 и 53. Еще далее в этом же радиальном направлении нанесена последующая часть 54. Как и в предыдущем примере, описанном выше в привязке к фиг. 1а, последующая часть 51 обладает физическим свойством, таким как электрическое свойство, механическое свойство или оба эти свойства, которые отличаются от соответствующих свойств предшествующей ей части 50. Аналогичным образом последующая часть 52 обладает соответствующим физическим свойством или свойствами, например, электрическим свойством, механическим свойством или обоими этими свойствами, отличными от соответствующих свойств предшествующей ей части 51. Аналогичным образом последующая часть 53 обладает соответствующим физическим свойством или свойствами, например, электрическим свойством, механическим свойством или обоими этими свойствами, отличными от соответствующих свойств предшествующей ей части 52. Аналогичным образом последующая часть 54 обладает соответствующим физическим свойством или свойствами, например, электрическим свойством, механическим свойством или обоими этими свойствами, отличными от соответствующих свойств предшествующей ей части 53.
На фиг. 2 представлено схематическое перспективное изображение электросилового устройства 100 согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Электросиловое устройство 100 содержит тело 50 основания, выполненное из изоляционного материала, причем тело 50 основания характеризуется наличием электродной вставки 200 из электропроводящего материала. На тело 50 основания наносится слой 51 изоляционного материала, причем слой 51 образует последующую часть электросилового устройства (где тело 50 основания служит предшествующей частью), а изоляционный материал выбирается таким образом, чтобы он обладал физическим свойством, отличным от соответствующего физического свойства тела основания. Например, изоляционный материал слоя 51 выбирается таким образом, чтобы он обладал электрическим свойством, отличным от соответствующего электрического свойства тела 50 основания, механическим свойством, отличным от соответствующего механического свойства тела 50 основания или обоими указанными свойствами.
На фиг. 3 показан схематический вид в разрезе электросилового устройства 100, проиллюстрированного на фиг. 2, которое установлено в размыкателе с газовой изоляцией. Внутренние токопроводящие опорные части 220а и 220b размыкателя с газовой изоляцией удерживают электрод, соединенный с электродной вставкой 200 электросилового устройства 100, причем электрод находится под высоким напряжением. Внешние токопроводящие опорные части 210а и 210b, образующие корпус размыкателя с газовой изоляцией, удерживают часть электросилового устройства 100, отходящую радиально наружу. Пространство слева и справа от электросилового устройства 100, показанного на фиг. 3, заполнено изолирующим газом, таким как газ SF6, для получения улучшенных изолирующих характеристик.
Электрические свойства тела 50 основания обладают изолирующими характеристиками, достаточными для изолирования электрода 200 напротив корпуса 210а и 210b. Электрические свойства слоя 51 выбраны таким образом, чтобы была обеспечена возможность выравнивания электрического поля, существующего внутри размыкателя с газовой изоляцией. К примеру, благодаря свойствам выравнивания поля силовые линии E электрического поля, показанные на фиг. 3, не заканчиваются на поверхности изолятора, предотвращая накопление зарядов, в частности, при использовании в аппаратах HVDC.
На фиг. 3 величина P обозначает пример линии главного механического напряжения электросилового устройства 100. Примером силы, воздействующей на электросиловое устройство 100, служит сила F. Механические свойства слоев 50 и 51 выбраны таким образом, чтобы обеспечивать механическое выравнивание электросилового устройства 100 за счет разной гибкости используемых материалов. Благодаря этому достигается более высокая общая механическая прочность вдоль линии Р. За счет такого избирательного распределения разных материалов можно не только уменьшить напряжение; при этом могут быть также обеспечены зоны упругой релаксации, в которых напряжения, действующие снаружи, могут макроскопически преобразовываться в пластическую деформацию и, таким образом, сниматься с опорной конструкции изолятора.
На фиг. 4 показан схематический вид в разрезе электросилового устройства 450 как части кабельного соединителя 400, такого как кабельный соединитель высокого напряжения DC. На фиг. 4 символ z обозначает радиальное направление, а символ z обозначает осевое направление. Во включенном состоянии токоведущая жила 410 кабеля и кабельный разъем или дефлектор 420 находятся под высоким напряжением, тогда как экран 430 замкнут на землю. Токоведущая жила 410 кабеля и кабельный разъем 420 примыкают друг к другу в осевом направлении z. Кабельная изоляция 445 охватывает токоведущую жилу 410 кабеля в осевом направлении z до кабельного разъема 420. Изоляция 440 разъема отходит от области кабельного разъема 420 на заданное расстояние в осевом направлении z.
Электросиловое устройство 450 зажато между кабельной изоляцией 445 или кабельным разъемом 420, соответственно, с одной стороны в радиальном направлении z, и экраном 430 или изоляцией 440 разъема, соответственно, с противоположной стороны в радиальном направлении z. В варианте осуществления настоящего изобретения, который проиллюстрирован на фиг. 4, электросиловое устройство 450 служит элементом выравнивания поля или трубкой выравнивания поля. Более того, электросиловое устройство 450 вынуждено воспринимать значительную механическую нагрузку.
В варианте осуществления настоящего изобретения, который проиллюстрирован на фиг. 4, для заданной геометрической и электрической конфигурации электросилового устройства 450 в кабельном соединителе 400 определяется целевое пространственное распределение (требуемое пространственное распределение) электрического поля. Аналогичным образом для заданной конфигурации электросилового устройства 450 в кабельном соединителе 400 определяется целевое пространственное распределение (требуемое пространственное распределение) механической прочности.
Электросиловое устройство 450 изготавливается способом, описанным в настоящем документе, на основании установленного пространственного распределения электрического поля и на основании установленного пространственного распределения механической прочности. Например, определяется целевая картина силовых линий электрического поля (требуемая картина силовых линий электрического поля) электросилового устройства 450 в установленном состоянии, например, методом численного моделирования. Аналогичным образом определяется, например, линия главного механического напряжения электросилового устройства 450, например, методом численного моделирования.
Для соответствующего положения во время процесса изготовления методом послойного аддитивного наращивания выбирается, по меньшей мере, одно электрическое свойство, такое как удельная проводимость или диэлектрическая проницаемость, электропроводность или сочетание перечисленных свойств, которое соответствует целевой картине силовых линий электрического поля электросилового устройства 450.
Аналогичным образом для соответствующего положения во время процесса изготовления методом послойного аддитивного наращивания выбирается, по меньшей мере, одно механическое свойство, такое как механическая прочность, упругость, пластичность или сочетание перечисленных свойств, которое соответствует линии главного механического напряжения электросилового устройства 450.
Таким образом, обеспечивается получение электросилового устройства 450 согласно варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 4, т.е. трубки 450 выравнивания поля для кабельного соединителя 400.
Настоящее изобретение раскрыто, главным образом, на примере вариантов его осуществления; однако специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что частью заявленного изобретения также являются и другие варианты его осуществления, отличные от тех, которые описаны выше, причем объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой.