专利名称：用于降低电压微分的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于降低通过电套管与电导体连接的电气元件的电 压微分的装置。该装置是要用于保护电气设备，诸如变压器、电抗器、高 压电路断路器、电动机或发电机中的电气元件免受高的电压微分之害。本发明特别适于要用于1Kv以上的电压的电气设备。
背景技术：
在向诸如变压器、电抗器、高压断路器、发电机和电动机等电气设备 传送高压电流的过程中，在向所述设备传送电流的导体中有时可能出现瞬 态M 。这种瞬态现象例如可能是由向电气设备降送电流的电导体中的雷 击引起的。于是电气设备面临被由于瞬态引起的高的电压微分(du/dt)损坏 的相当大的危险。因此，力图防止这种事件是极为重要的。对于包含线圏的电气设备，例如变压器、电抗器、电动机或发电机等，当发生快速瞬态时由于^:备线圏中最上面的线匝比下面的线匝受到快速 瞬态更大的应力，会引起问题。其结果是引起各线匝中不均匀的电压分布。 这意味着，最上面的线匝与下面的线匝相比受到更高的应力。最上面的线 匝的这种应力引起使线圏受到损害的相当大的危险，其直接结果是造成电 气设备的损坏。于是，线圏必须被设计为可耐受这样的应力。击穿特别引 发供能中断的危险、对环境的消极影响、以及与其相关的修复成本。已经 知道，通过下列方式可实现线圏最上面的线匝之间电容的增加打开最上 面的线匝上所存在线圏的绝缘，然后允许线匝被修改，即所谓"稳定化线 圏(stabilized winding)，，，随后恢复绝缘。以此方式，能够实现线圏线 匝之间的高电容，以及线圏对地的低电容，因此实现针对快速瞬态的保护。 其缺陷是线圏尺寸过大，线圏制造工艺耗时且成本高，并且即使电容增加 之后，在绝缘曾经被打开之处也存在电击穿的危险。此外，先前已知借助于导体和地之间的电涌放电器及其与之并联的保 护电容器来消除当出现快速瞬态时引起的问题。针对瞬态M的最佳保护 方式包括以相到地或相到相方式连接的电涌放电器和保护电容器。电涌放 电器限制瞬态超压的幅度(U)，而保护电容器限制瞬态超压的电压微分 (du/dt)。电涌放电器指的是把电压限制在一定电平的一种具有显著非线性 的电阻器。然而，该解决方案需要安装在变压器之外的两个分开的元件， 即电涌放电器和保护电容器。而且对于诸如高压断路器等电气设备，当它们经受例如当快速断路器操作时会发生的瞬态超压时，将会引起问题。于是存在这样一种危险高 的电压微分(du/dt)会使得断路器的灭弧触点(arcing contact)不能切断电 流。这种状况的一个后果是劣化了断路器的断路性能。随之可能发生的另 一后果是，如果不能切断电流，则断路器只是遭受到完全的击穿。因此， 最重要的是要力图降低电压微分，以获得断路器改进的断路能力。先前已知制造带有灭弧室(interrupting chamber)的高达300Kv的 高压断路器，并且为了能够阻断较高电压，将几个灭弧室串联连接。为了 确保在开路位置(open position)时各灭弧室中良好的电压分布，对每一 个切断点(breaking point)并联使用控制电容器，以便对电压分布进行 容性控制。这些控制电容器通常是外部的分开的电容器，它们在各灭弧室 绝缘体之外被连接。还有一些解决方案，其中电容器位于灭弧室绝缘体之 内，该方法特别地在US 6,091,040中进行了描述。先前还知道，通过使用 在断路器线侧(line side)以相到地方式连接的耦合电容器来保护高压断 路器免受快速瞬态之害。该电容器降低了恢复电压的H因而降低了作 用于断路器上的应力。耦合电容器在外部以分开的绝缘体的方式连接。为 了实现与上勤目同的效果，还已知在断路器壳体中安装保护电容器，这一 方法特别地在US 3,903,388和US 5,266,758中进行了描述。用来保护断路 器免受快速瞬态之害的另 一方法在US 5,235,147中进行了描述，其中一电 容器和一变阻器与一电阻器串联，并且这些元件被设置在断路器壳体内。使用套管来通过接地壁传导高电压。用于变压器或电抗器的套管可被 描述为是设置在导体和线圏之间的绝缘连接装置，其目的是为了把电流从 导体传送到线圏，由此使飞弧的危险最小化。还已知，套管包括内置电容， 其用来控制在高电位时套管的导体与地之间的电场，于是使电场均衡。希 望获得这样的效果，以防止在套管与地之间出现局部过高的电场。内置电 容大小是可变的，但通常为几百PF。然而，套管中的内置电容仅仅保护 实际的套管免受瞬态^S之害。用于断路器的套管可被描述为是设置在导体与断路器的开关触点之 间的绝缘连接装置。另夕卜，相对于用于变压器或电抗器的套管，用于断路 器的套管具有与先前行文中所勤目同的功能、目的和限制
发明内容
本发明的目的是要提供一种改进的瞬态保护装置，该装置没有现有技 术解决方案的任何缺陷。这一目的是以权利要求1中限定的装置实现的。根据本发明，该目的是通过如下方式实现的该装置包括连接在套管 和地之间的电容器，该电容器的电容量适用于在瞬态超压时可降低电压微 分，由此在瞬态期间在所连接的电气元件上实现更均匀的电压分布，所述 的电气元件例如可以是线圈或开关触点。瞬态妙指的是例如由雷击或断 路器操作引起的电压的快速增加。根据本发明，内置电容器被配置在套管中。因为电容器被配置在套管 中，所以保护了套管和所连接的电气元件两者免受快速瞬态之害，而不需 要配备任何外部电容。如果电气元件是变压器或电抗器的一部分，则使用本发明获得的一个 优点在于，不需要如背景技术中所述那样增加在设备线圏的上部线匝中的 电容。这又意味着线圏尺寸不必过大，使得生产成本降低，并降低线圏被 电击穿的危险。这又意味着改善了根据本发明的装置的服务的可靠性。此 外，还获得如下的优点这将能够把现有的套管用于线圏，这意味着不必 再安装套管，使得降低电气设备的生产成本。如果电气元件是断路器的一部分，则使用本发明获得的一个优点在 于灭弧室的尺寸不必过大。这引起生产成本降低以及开关触点电击穿的 危险降低，使得改善了根据本发明的装置的服务可靠性。根据本发明的一个优选实施例，电容器包含逐层缠绕的多层导电材 料，以及逐层缠绕的多层电绝缘材料。所述材料有益地由金属化膜组成。 金属化膜指的是涂敷以非常薄的金属镀层的塑料箔。这一解决方案的优点 在于套管中已有的电容可以被增加到希望的大小，于是在出现快速瞬态 时对所连接的电气元件的应力可被降4氐。根据本发明的另一实施例，套管包括导体元件，其适用于承载通过套 管从导体到电气元件的电流，因而金属化膜被i殳置为以多层的方式缠绕导 体元件。由此实现的优点在于易于计算为了获得所希望的电容，金属化 膜层应有多厚。
根据本发明的另一实施例，围绕导体元件设置绝缘管，金属化膜的各 层被设置在绝缘管之外。安装在套管中的该绝缘管例如由玻璃纤维制成。根据本发明的又一实施例，套管由绝缘材料所组成的壳体体围绕，且 金属化膜被设置在套管壳体内部。套管的壳体例如是瓷体或聚合物绝缘 体。根据本发明的另一实施例，套管包括导体元件，其中所述电容连接在 导体元件与地之间。该导体元件适用于承载通过套管从导体到所连接的电 气元件的电流，所连接的电气元件例如是变压器或高压断路器的一部分。内置电容器的大小有益地在lnF-lpF的区间内。这一数量级大小的 电容量能够降低瞬态超压情形下相对于时间的电压微分，使得在所连接的 电气元件中获得大体均匀的电压分布，所连接的电气元件例如是变压器或 高压断路器的一部分。内置电容器的大小有益地在5nF-25nF的区间内。这一区间特别适合 于要用于高于1Kv的电压的断路器中的开关触点。所使用的领域有益地适于要用于高于1Kv的电压的变压器或电抗器 中的线圏。本发明对下面这种瞬态保护装置是特别有用的，该瞬态保护装置适于 要用于高于36Kv的电压的变压器或电抗器中的线圏，因为目前还没有市 售的对这一类型线圏的保护电容器。所使用的领域有益地适于要用于高于1Kv的电压的断路器中的开关 触点。本发明对下面这种瞬态保护装置是特别有用的，该瞬态保护装置适于 要用于高于36Kv的电压的断路器中的开关触点。
现在将通过参照附图描述本发明的不同的实施例来更详细地说明本 发明。图1示出包括有根据本发明的瞬态保护装置的结构的电路图。图2示出包括根据本发明第一实施例的瞬态保护装置的套管的截面图。
图3示出包括根据本发明第二实施例的瞬态保护装置的套管的截面图。图4示出包括才艮据本发明可替换实施例的瞬态保护装置的结构的电 路图。图5示出根据本发明的瞬态保护装置的应用。图6示出根据本发明的瞬态保护装置的可替换的应用。
具体实施方式
图1示出包括连接到与地4相连接的电气元件2的套管1的一种电气 结构。根据本发明，与地连接的电容器3被设置在套管1中。电容器3 要用来保护套管1以及与套管1连接的电气元件2两者免受瞬态M之 害。这是通#套管1中设置适当层数的金属化膜或金属箔来实现的。当 例如由于雷击或快速断,作引起导体6中的瞬态时，电容器3按取决于 电容器3的大小和导体6的波阻抗的时间常数被充电。由于所希望的时间 常数及导体6的波阻抗大小是已知的，因而易于计算电容器3的电容量的 大小。增大的时间常数(RC)引起所连接的电气元件2的充电较慢地进行， 这意味着电压微分(du/dt)降低。这进一步意味着为所连接的电气元件加载 的电压被显著降低，这导致瞬态期间在所连接的电气元件中均衡的电压分 布。电容器3的大小例如约为lnF-100 nF。现在将以各实施例说明本发明。图2示出本发明的第一实施例，这是 按如图1所示的套管(l)的截面图来观察的。套管1包括一个伸长的圆柱 形壳体ll，其圏起一个内部空间。导体元件8通过内部空间的中心延伸， 并构成电气元件与i^v导体之间的电连接。管形绝缘件12配置在导体元 件8与壳体11之间。绝缘件12由某种适合于此目的的电绝缘材料例如玻 璃纤维制成。管形绝缘件12与导体元件8之间的空间充以适合于此目的 的电绝缘介质，例如SF6。根据本发明的电容器3配置在壳体11与绝缘 件12之间，并包括适当层数、逐层缠绕的金属化膜13，所述层缠绕在绝 缘件12的外部。金属化膜#1设置成一个或多个圆柱形管，该一个或多个 圆柱形管在绝缘件12外部以适当数目被设置成彼此接触。作为电容器3 包括金属化膜的代替方案，电容器3例如可包括交替的金属箔和电绝缘材 料。图3示出本发明另一实施例，这是按如图l所示的套管1的截面来观 察的。套管1包括一个伸长的圆柱形壳体11,其圏起一个内部空间。导体元件8通过内部空间的中心延伸，并构成电气元件与进入导体之间的电 连接。导体元件8与壳体11之间的空间充以适合于此目的的电绝缘介质， 例如SF6。根据本发明的电容器3设置在壳体11与导体元件8之间，并 包括适当层数的、逐层缠绕的金属化膜层13，所述层缠绕在壳体11内部。 通过应用逐层缠绕、设置在套l的壳体ll内部的多层金属化膜来获得所 希望的电容。作为电容器3包括金属化膜的代替方案，电容器3例如可包 括交替的金属箔和电绝缘材料。图4示出本发明一可替换实施例，包括连接到电气元件2的套管1， 电气元件2与地4连接。根据本发明，与地4连接的电容器3被设置在套 管1与所连接的电气元件2之间。电容器3要用于保护套管1及与套管1 连接的电气元件2两者免受瞬态超压之害。这是通过设置由适当层数的金 属化膜或金属箔形成的电容器来实现的。图5示出作为对电气设备中的线圏的瞬态保护装置的第一应用的本 发明。导体6连接到套管1，线圏7连接到地4。根据本发明，电容器3 被设置成从套管1到地4。导体6例如要用来进行高压传输。线圈7包括 多个线匝，并例如安装在变压器或电抗器中。套管1特别包括导体8，该 导体把线圏7连接到进入导体6。根据本发明，电容器3通过围绕套管的 导体元件8应用包括金属化膜或金属箔的多匝来设置。电容器3借助于接 地电缆9与地4连接。当在导体6中例如由于雷击或快速断5^Mt而出现 瞬态时，电容器3按由电容器3的大小和导体6的波阻抗决定的时间常数 被充电。在这方面的一个例子中，导体6的波阻抗大小等于400Q，而电 容器3的大小为25nF。为了计算时间常数(RC)，釆用方程式Z*C=RC ， 在当前的例子中这就意味着400Q乘以25nF，即时间常数大小为10ps。 由于所希望的时间常数和导体6波阻抗的大小是已知的，因而易于计算所 希望的电容器3的大小。增加的时间常数(RC)使得线圏7充电较慢，即较 长的电压微分(du/dt)。这就意味着为线圏最上面的线匝加载的电压被显著 降低，因此在瞬态期间获得线圏7中均衡的电压分布。电容器3例如大约 在lnF-100nF。图6示出应用于包含开关触点的电气设备例如高压断路器的本发明。 本实施例包括与导体6以及开关接触点10连接的套管1。套管1特别包 括导体元件8，该导体元件连接开关触点10和i^v导体6。根据本发明， 电容器3通过围绕套管的导体元件8应用由金属膜或金属箔组成的多匝来 配置。电容器3借助于接地电缆9被连接到地4。本实施例还包括从开关 接触点10连接的套管11，所述套管还连接到导体12。在套管11中可配 备与上i^目同类型的电容器。
权利要求
1.一种用于对通过套管(1)与导体(6)连接的电气元件(2)降低电压微分的装置，包括适于承载通过电套管(1)从导体(6)到电气元件(2)的电流的导体元件(8)，其特征在于，该装置包括连接在所述导体元件(8)和地(4)之间的电容器(3)，其中所述电容器(3)的电容适于当出现瞬态超压时降低相对于时间的电压微分，该电容器(3)被配置在所述套管(1)中。
2. 根据权利要求1的装置，其特征在于，所述电容器(3)包括逐层缠绕 的多层导电材料，以及逐层缠绕的多层电绝缘材料。
3. 根据权利要求2的装置，其特征在于，所述导电材料连同所述绝缘 材料由金属化膜(13)组成。
4. 根据权利要求2的装置，其特征在于，所述各层(13)被设置成缠绕 导体元件(8)。
5. 根据权利要求4的装置，其特征在于，围绕所述导体元件(8)设置绝 缘管(12)，且所述各层(13)被设置在所述绝缘管(12)外部。
6. 根据权利要求4的装置，其特征在于，所述套管(l)由绝缘材料所组 成的壳体(ll)围绕，所述各层(13)被设置在所述套管(1)的壳体(ll)内部。
7. 根据以上权利要求中任何一项的装置，其特征在于，所述电容器(3) 连接在所述导体元件(8)与地(4)之间。
8. 根据以上权利要求中任何一项的装置，其特征在于，所述电容器(3) 的大小在区间lnF-l^F内。
9. 根据以上权利要求中任何一项的装置，其特征在于，所述电气元件 (2)包括通过所述套管与所述电导体(8)连接的线圏(7),其中所述电容器(3) 的电容适于当出现瞬态^时降低相对于时间的电压微分，所述电容器(3) 被配置在所述套管(l)中。
10. 根据权利要求1-8中任何一项的装置，其特征在于，所述电气元 件(2)是高压断路器，所述电容器(3)的电容在区间5nF - 25nF内。
11. 使用根据权利要求1 - 9中任何一项的装置来降^^用于高于1Kv 的电压的变压器中线圏(7)的电压微分。
12. 使用根据权利要求1-9中任何一项的装置来降低要用于高于 36Kv的电压的变压器中线圏(7)的电压微分。
13. 使用根据权利要求1-9中任何一项的装置来降低电抗器中线團(7) 的电压微分。
14. 使用根据权利要求1-8,10中任何一项的装置来降低要用于高于 1Kv的电压的高压断路器的电压微分。
15. 使用根据权利要求1-8,10中任何一项的装置来降低要用于高于 36Kv的电压的高压断路器的电压微分。
全文摘要
本发明涉及用于降低电气元件(2)的电压微分的装置，该电气元件与电导体(6)通过电套管(1)连接。该装置用于保护诸如变压器、电抗器、高压断路器、电动机或电抗器等电气设备中的电气元件(2)免受高的电压微分之害。
文档编号H02H9/04GK101167227SQ200680014292
公开日2008年4月23日 申请日期2006年4月27日 优先权日2005年4月27日
发明者拉尔斯·利耶斯特兰德, 芒努斯·贝克曼 申请人:Abb技术有限公司