场控制电极制造技术

一种适用于控制在电极表面和在电极附近的气体电绝缘介质中的电场强度的电极，它包括一个导电内电极（１′）和至少在部分内电极表面上的非导电层（８），特征是非导电层的厚度至少为内电极平均直径的５％以及非导电层的相对介电常数小于３。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及适用于控制气体电绝缘介质中电场的电极。
技术介绍
相对于周围介质处于高电位的导电物体在其附近产生高电场强度。这特别适合于具有小的曲率半径和从其突出伸向周围绝缘介质中部分的物体。如果该电场强度超过介质的介电强度Eo，依赖于电场的不均匀程度和电压随时间的变化，这导致从电极表面的局部放电和/或穿过介质到另一导电物体或地平面的电击穿。电击穿不可避免地必须被防止，这因为它们引起包含电极设备的电短路。局部放电也是不希望有的。因为，与其它事物一样，它们产生无线电干扰，能量损耗和材料的化学分解。因为局部放电生成化学侵蚀性的和有毒物质，如在空气中的臭氧和氮氧化物以及用工业方式生产的绝缘气体硫六氟化物中的若干氟和硫化合物。本身无害的局部放电会使设备其他部分的局部放电的测量成为不可能。为减小导电物体附近的电场强度而普遍使用的方法包括总结构方面的选择和供高电压用的装置、导电物体间的相互距离以及其表面曲率半径的尺寸选定，以致在该装置中任何部位都达不到介质的介电强度。由于这样的尺寸选定经常导致很大的设备尺寸，有特别高的局部场强的区域，如在气体绝缘开关装置(GIS)中的套管或导体弯头的高压侧，被提供有屏蔽电极，这样的电极有足够的曲率半径为保持电场强度低于介质的介电强度。在导电物体附近的电场强度E为E=U/R数量级，其中U为对于设备的代表性电位差，R为曲率半径。这意味着最小的可允许曲率半径Ro约为U/Eo。曲率半径也是关于屏蔽电极尺寸的计算尺寸，它常常成为整个装置尺寸的重要部分。大的屏蔽电极增加屏蔽部分的电容。对于许多使用的电场，增加的电容意味着不必要的电压/电流源上的负载。在例如由电击穿引起的短路期间释放的装置的静电能量随增加的电容而增加。大的屏蔽电场减少其附近的最大电场强度。然而，在与较小的电极相比的大的距离上引起较高的电场强度，这经常是干扰，因为在一个装置以外的最大场强常常是被规定的并且必须不得超过。这些情况借助于按附图说明图1的模型以一个最简单的方式来说明。在图1上，假定屏蔽电极1是具有半径ro，处于对着远距地面2的电位U的球状体。在这些假定下，在距电极中心距离r的电场强度为E=U(ro/r2)，它与电极的半径ro成正比增加。电极的电容C为C=4πεrεoro其中εr为介质的相对介电常数，ε0为介电常数。于是电容也与电极的半径ro成正比增加。一个典型的按照目前工艺水平的屏蔽电极实施例被示于图2，在图上一个高压装置3，例如一个电容器，被端接于环形屏蔽电极1。对于高电压，经常使用组合屏蔽电极，典型的实施例被示于取自EP专利说明书EP0075884B1的图3a,3b和3c。图3a表示由12个圆盘形电极段1a组成的屏蔽电极1，该电极段被固定到按图3b由杆6组成的正二十面体形框架5上，用安置在电极元件中的凹陷4的固定元件将电极固定到正二十面体的隅角7。带有凹陷4的电极段1a被在图3上按横截面表示。按照EP075884的组合电极比由相干电极组成的对应电极轻便、制造简单，但它的尺寸没有被减小。当从例如作为内导体在这里被解释为电极的GIS线的2维电极变到例如线弯管的3维构形时，场强度增加，因为表面的弯曲对于球体比对于有相同半径的圆柱体大。图7表示按照目前工艺水平用于GIS的90°线弯管。圆柱形内导体10有半径rc，管状外导体/屏蔽11有半径Rc。在实际的线弯管中，屏蔽假定为有半径Rs的球体12的形状，内导体(电极)成为有半径rs的球体1。对于无放电的线弯管，下面条件必须适合，即rs＞rc且Rs＞Rc；通常线弯管处的半径比在直线的半径约大50％。还知道例如为使从电极表面发射光电子困难或作为腐蚀保护提供带有非导电覆盖层的电极。然而，这些覆盖层同电极尺寸比较很薄，它们对围绕电极的电场的影响因而可忽略。由此可见，电极的尺寸不能被减小。专利技术概要按本专利技术的场控制电极解决以减小的外部尺寸和减小的电容防止在气体绝缘介质中的击穿或局部放电的任务。按本专利技术的场控制电极包含一个内电极。该内电极有导电表面，导电表面被很厚一层有很低相对介电常数的电绝缘材料包围。这种绝缘材料最好是聚合泡沫塑料，它含有气泡或在其中埋置中空充气微球的衬质。厚层在这里意指这种层，即在其中层的厚度d与内电极的直径2r之比大于0.05。最好大于0.15，更好是0.25。对于非球形电极，内电极的直径2r被考虑为电极的平均直径。平均直径的足够好的近似在这里是在互相垂直的2个方向上的直径平均值。内电极在这里也意指组合电极中的一个电极元件。为达到本专利技术的效果，只出现电场强度激烈增加的内电极的那些部分需要用非导电层覆盖。最好是至少电极的三分之一表面被覆盖，如果这部分不覆盖绝缘层会呈现最高的场强。本专利技术的工作方式借助于按图4的模型能够最容易地被说明。在该模型中，内电极被假定为直径r1的球体l′并处在对远距地面2的电位U，内电极被(r2-r1)厚度的电绝缘材料同心层8包围。其中，r2为绝缘层的外径，9是外边缘。为简单起见，绝缘材料被假定为有如此高的泡或中空微球的内部孔穴比例以致材料的相对介电常数如同气体介质的介电常数为εr≈1。由于内部孔穴的直径被选得如此小以致包含在孔穴中的气体的介电强度按照帕斯森(Paschen)定律显著大于在相同气体内的肉眼可见间隙的介电强度，这种绝缘材料具有显著大于包围电极的气体的介电强度的介电强度。典型的平均直径小于300微米。关于聚合泡沫塑料中的介电强度的更详细分析，参考下列文章D.Koenig,B.Bayer和H.J.Heller，“在短时应力下聚铵脂硬泡沫塑料绝缘的击穿”，IEEETransactions on Electrical Insulation,Vol.24,No.2,1989年4月，pp.239-248。在εr≈1这种情况下，同样关系应用于在距电极中心距离r处的场强和关于具有半径r1的处于对远距地面的电位U的导电球体的电容，如在技术背景部分讨论的那样E=U(ro/r2),C=4πεrεoro现在可以表明，对于具有介电强度K·E0(E0作为气体介质的介电强度)的绝缘介质，按照本专利技术的电极可被设计，其中在内电极表面的场强落在绝缘材料的介电强度K·E0以下，在绝缘层的外表面的场强落在气体介质的介电强度以下，如果下列条件被满足r1＞r0/k且 其中r0为按照现有技术的电极(导电球体)的半径，在这种电极的表面达到气体介质的介电强度Eo。例如，内电极的半径，从而电容减小到原量的1/4绝缘层的外半径减小到原量的1/2，如果K=4。如果绝缘材料的相对介电常数是εr＞1，外半径r2可能变成稍大。当保持比率r2/r1=2，如上例所示，应用下列关系。r2=r0/(1+εr-1)对于εr=1.3，泡沫塑料的典型值，r2=0.57r0这仍旧是电极尺寸的显著的减小。对于按本专利技术的有显著的效果的绝缘层，其相对介电常数应小于3，最好小于2，最好小于1.5。按照本专利技术的电极最好用于适用于超过lkV的电压的电气设备。附图的简要说明图1表示按现有技术的一个导电球体的屏蔽电极的说明性草图。图2表示按现有技术的环状屏蔽电极。图3a表示按现有技术的由圆盘形电极段组成的屏蔽电极。图3b表示按图3a的电极段附在其上的正二十面体形框架。图3c表示按图3a的屏蔽电极的圆盘形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：U·弗罗姆，M·莱永，黎明，D·温德马，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：