本申請是申請日為2010年12月2日、申請號為201080054833.6、發明名稱為“高壓電涌避雷器”的發明專利申請的分案申請。
本發明涉及高壓電涌避雷器，包括變阻器元件，被設置成連接到高壓源，并且當被放置在它的工作位置時承載高壓；以及電絕緣體，其封閉所述電氣部件，并形成所述裝置的外表面，其中所述電絕緣體包括硅基橡膠。
典型地，高壓電涌避雷器在室外使用，然而，它也可以在室內使用。正如在本上下文中使用的、術語“室外”涉及到關于在包圍電涌避雷器的環境中灰塵顆粒的存在以及在包圍電涌避雷器的空氣中的濕度含量的預定的條件。灰塵含量和空氣濕度含量的數值是在典型的室外環境下可以預期的那些數值。室外條件在iec60815中也被稱為每種污染類別的污染嚴重程度。
這里所涉及的高壓被定義為1kv和更高的電壓。
背景技術：
高壓電涌避雷器在電力傳輸和輸配領域中是常見的。它們可以形成消散系統的部分，在電力系統中出現瞬時過電壓時可以通過它們消散電流。這樣的避雷器可包括多個變阻器塊，即由在受到預定的電壓后從高電阻狀態轉變成導電狀態的材料制成的塊。避雷器可以在一端被連接到地，另一端連接到電網。變阻器塊需要是電絕緣的，它們借助于電絕緣的外殼而與環境絕緣，并得到保護，由此形成電涌避雷器。這種電涌避雷器主要放置在開放的空氣中，即，在室外的大氣中，這樣，它們經受典型的室外條件，諸如在所述外殼/絕緣體上沉積水和灰塵顆粒。
眾所周知，由于在絕緣體的表面上灰塵和水的沉積而在絕緣體的表面上出現泄漏電流，這樣的環境將在絕緣體中產生漏電和侵蝕的現象。為了克服這樣的問題，建議用硅基橡膠作為最外面的電絕緣材料，因為它具有足夠的疏水特性以及介電特性。硅橡膠也呈現適合于作為絕緣材料的機械性能。
除了對于疏水特性以及介電特性的要求以外，還要求絕緣體在發生避雷器過載和隨后的短路時應當呈現足夠的阻燃性能。因此，按照現有技術，將氫氧化鋁顆粒混合到硅橡膠中。由于氫氧化鋁比起硅膠本身也具有更高的導熱性，所以，它的添加也導致硅橡膠的導熱性增加。由于在正常運行期間，和尤其當限制瞬時過電壓時變阻器塊被加熱，由于氫氧化鋁的添加而得到的導熱性的增加是受歡迎的效果，因為它促進變阻器塊冷卻，減小變阻器塊過熱的風險。然而，硅橡膠的增加的導熱性的貢獻仍舊是有限的，因為氫氧化鋁的導熱性不是太高。對于適用于室外絕緣應用的這種現有技術的硅橡膠，不能指望大于0.6w/mk的導熱性。
在現有技術的電涌避雷器中，形成絕緣體的硅基橡膠的導熱性一直不是主要問題，因為由氫氧化鋁的添加所給予的導熱性和硅膠本身的導熱性對于由變阻器塊生成的熱的傳輸是足夠的。然而，配備有變阻器塊的將來的電涌避雷器被設想為比起今天的電涌避雷器能夠工作在更高的電場強度，因此它比起當代的避雷器每單位長度發出更多的熱。
在正常運行期間，僅僅很小的電流流過變阻器元件，但這個電流隨著溫度和電壓急劇地增加。今天的避雷器在約80％的它們的額定電壓下連續工作，這在某種程度上是由于如果避雷器經受更高的連續工作電壓，則連續的功率損耗太高。如果避雷器的熱特性可以改進，則也可以施加更高的相對連續的工作電壓，這又給出提高避雷器的保護性能的可能性。
在現有技術中有時使用被放置在各個變阻器塊之間的所謂的散熱器(例如，鋁或鋼的金屬塊)，以便減少變阻器塊的熱量。然而，散熱器導致電涌避雷器的長度增加。這是不利的，因為它需要制造更長的絕緣體，這是更花費的。
技術實現要素：
本發明的目的是給出作為初始限定的高壓電涌避雷器，借助于它，與現有技術的對應的電涌避雷器相比較，增強冷卻變阻器元件和從變阻器元件傳遞熱量的能力。
本發明的目的還在于完成關于熱傳遞的上述的改進，而不用使得電絕緣體的設計復雜化或不需要增加電涌避雷器的空間。
本發明的上述的目的是借助于以下的高壓電涌避雷器達到的，其包括變阻器元件，被設置成連接到高壓源和當被放置在它的工作位置時承載高壓，電涌避雷器還包括電絕緣體，它封閉所述變阻器元件，并與所述變阻器元件接觸，它形成裝置的外表面，其中所述電絕緣體包括硅基橡膠，以及其中硅基橡膠包括從包含al2o3(氧化鋁),bn(氮化硼)和zno(氧化鋅)的組中選擇的顆粒，以使得所述硅基橡膠的導熱性等于或大于0.8w/mk。
絕緣體的增強的導熱性將改善變阻器元件的冷卻，并且在變阻器元件由一個或多個變阻器塊形成的情形下，可以減小在這樣的變阻器塊之間的所謂的散熱器的需要。由此，有可能制作更緊湊的電涌避雷器，它只需要較小的空間，特別是在電涌避雷器的長度方向上。
在它的工作的位置，電涌避雷器最通常被連接在電力線(電網)與地之間，雖然也存在其它連接，諸如相到相。在正常運行期間，只有小的電流流過電涌避雷器的變阻器元件，導致在正常工作電壓和正常工作溫度下由電涌避雷器耗散小量能量。在加到變阻器元件上的電壓增加后，流過變阻器元件的電流增加，以及當該電壓達到預定的電平時，將發生電流以及由變阻器元件耗散的能量的顯著的增加。由此，由變阻器元件生成的熱量增加，必須將它傳遞走，以免熱擊穿。負責這樣的熱傳遞的將是包圍變阻器元件的電絕緣體的硅基橡膠。電絕緣體與變阻器元件接觸的特性不排除變阻器元件上的底漆(primer)的存在，以幫助將硅基橡膠粘接到變阻器元件。
為了得到等于或大于0.8w/mk的要求的導熱性而需要的所述顆粒的準確的數量，取決于所選擇的上述的顆粒是哪種類型或哪種混合物(各種類型的材料的組分)以及取決于平均顆粒尺寸、顆粒尺寸分布和顆粒幾何形狀。然而，本領域技術人員在沒有任何過度的負擔地實行本發明方面將沒有問題。可以使用帶有附加的al2o3的硅基橡膠，諸如在wo9723555中給出的那些橡膠，該專利在此被合并以供參考，以便得到橡膠的所要求的、增強的導熱性。按照所述文獻的教導，為了得到具有增強的導熱性的聚合有機硅氧烷合成物(硅基橡膠)，該導熱性可以甚至大于1.2w/mk，并且同時保持在斷裂時至少30％的延長，建議使用包括至少一種官能性聚有機硅氧烷的材料，它通過加聚反應、縮聚反應，或借助于自由基的方式而變硬，可能為聚有機氫化硅氧烷、催化劑、和至少一種適于賦予最后的彈性體以導熱性的粉末裝料(charge)，以及，可能地，機械地增強的裝料，其中賦予導熱性的裝料以相對于總的組成的體積30-75(體積)％存在，優選地45-65％，和甚至更優選地50-60％。具體地，這種裝料的顆粒優選包括至少兩組不同的顆粒尺寸，即，第一組具有10-40μm的平均顆粒尺寸，優選地15-35μm，形成裝料的主要部分；以及第二組具有小于5μm的平均顆粒尺寸，優選地在0.1與5μm之間。這組又可以被再劃分成兩個子組，第一子組具有1-5μm的平均顆粒尺寸，和第二子組具有0.1-0.5μm的平均顆粒尺寸。第一子組形成全部所述第一和第二子組的85-90(體積)％。介質直徑是指該組的顆粒的至少50(重量)％所具有的、在特定的范圍內的直徑。主要部分是指60-90％的、用于給橡膠賦予導熱性的顆粒，優選地75-90(體積)％。賦予機械強度的粉末可以是任何的、通常在聚有機硅氧烷中使用的那些粉末，諸如硅，具體地，燃燒硅或沉淀硅。優選地，它們的平均顆粒尺寸小于0.5μm。為了促進通過硅橡膠上的污染層中疏水傳輸過程，可以加上硅油。這些油可以是基于甲基或羥基封端的聚二甲硅氧烷。這些添加物可以高達約2(重量)％的量。
按照優選實施例，在硅基橡膠中包括所述顆粒到這樣的程度，以使得所述橡膠的導熱性等于或大于0.9w/mk。對于0.9w/mk和更高的導熱性，已發現在帶有作為絕緣體的幾何特征的裙(shed)的組合中達到增加的冷卻能力。然而。對于絕緣體材料的較低數值的導熱性，在絕緣體上的裙對于絕緣體的冷卻能力似乎不貢獻任何改進。在裙下，熱點被形成在硅基橡膠的最厚的部分。這是避雷器設計中的另一個熱約束條件。因此，所述橡膠的導熱性等于或大于0.9w/mk是優選的導熱性范圍，這是本領域技術人員不容易預見的。
按照又一個優選實施例，所述顆粒的主要部分包括al2o3。該材料具有容易以相當低的成本得到的優點，并且還具有給硅橡膠有效地賦予受歡迎的阻燃特性的優點，使得添加用于該用途的氫氧化鋁是不必要的，或至少是不太重要的。因此，按照一個實施例，硅橡膠可以包括比起認為為了達到預定的阻燃性所必須的量更少的氫氧化鋁，或甚至完全沒有氫氧化鋁。
按照另一個實施例，所述顆粒唯一地由al2o3組成。也可以認為完全用al2o3替代氫氧化鋁，因為大家知道，增強硅橡膠的導熱性將改進抗漏電和抗侵蝕(meyer等人的，ieeetransdielelectrinsul,vol.11,no.4,pp.620-630,2004)。
按照一個實施例，所述變阻器元件限定高電場變阻器在它的額定電壓下工作在>200vpeak/mm的電場下。這樣的高電場變阻器很肯定要求絕緣體具有比起今天的絕緣體所提供的更高的導熱性。這可以通過改變絕緣體的幾何形狀或借助于本發明所建議的絕緣體的特有的材料的導熱性的增加而達到。術語“高電場變阻器材料”被定義為具有預定的切換電場強度(或擊穿電場強度)的材料。通常，工作電場強度是切換電場強度的約80％。切換電場強度是材料特性，它分別由材料的顆粒尺寸或顆粒邊界的密度確定。這里，切換電場強度被定義為在0.1ma/cm2的電流密度下的電場強度。大多數市面上買到的變阻器材料具有在150-250vpeak/mm的范圍內的切換電場強度。因此，具有這樣的切換電場強度的變阻器可被稱為“常規電場變阻器”或“中等電場變阻器”。因此，具有低于150vpeak/mm的切換電場強度的變阻器可被稱為“低電場變阻器”，和具有高于250vpeak/mm的切換電場強度的變阻器可被稱為“高電場變阻器”。因此根據該實施例，本發明涉及這種“高電場變阻器”。而且還可以作出在術語“高電場變阻器(切換電場強度＝250-400vpeak/mm)”與“超高電場變阻器(切換電場強度>400vpeak/mm)”之間的附加區分。因此，本發明可以涉及高電場變阻器或超高電場變阻器。
按照另一個實施例，所述變阻器元件包括由散熱器隔開的多個變阻器塊。散熱器由金屬—優選為鋁合金或鋼—制成的盤或塊形成，它快速吸收和去除來自變阻器塊的熱量。結合這樣的散熱器，本發明的絕緣體將非常有效地冷卻變阻器塊。
按照另一個實施例，由硅基橡膠形成的電絕緣體形成固體電絕緣體的唯一的層，來自變阻器元件的熱量通過它被傳遞到周圍環境。由硅基橡膠形成的電絕緣體形成固體電絕緣體的唯一的層的特性不排除變阻器元件上底漆的存在，以幫助將硅基橡膠粘接到變阻器元件。
按照一個實施例，電絕緣體具有配備有被設置來增加抗漏電和抗侵蝕性的裙的外殼的形狀。
按照一個實施例，顆粒以相對于電絕緣體的硅基橡膠的總的組成的體積25-75(體積)％的量存在，優選地30-65(體積)％，和甚至更優選地30-55(體積)％。由此，得到具有優越的抗漏電和抗侵蝕特性的電絕緣體。另外，在電絕緣體的硅基橡膠中，滲透關于達到導熱性>0.8w/mk的所使用的顆粒分布之間的比值結合滿意的機械和電特性進行最佳化。
按照一個實施例，顆粒具有0.1-100μm的介質直徑。在替換的實施例中，優選地，顆粒包括至少兩組不同的顆粒尺寸，其中第一組具有5-100μm的平均顆粒尺寸，優選地5-40μm，最優選地10-30μm，其形成單位體積的顆粒的主要部分，以及第二組具有小于5μm的平均顆粒尺寸，優選地在0.1與5μm之間，最優選地0.1-3μm。
按照一個實施例，顆粒在電絕緣體的硅基橡膠的總的組成的體積中均勻地分布。由此，在電絕緣體中達到最佳化的導熱性。
按照一個實施例，將硅基橡膠絕緣體直接模注入到變阻器元件上。變阻器元件由此被封閉在硅基橡膠中，這樣，變阻器元件的整個外表面幾乎都與硅基橡膠接觸。由此，電絕緣體將非常有效地冷卻變阻器元件。這也使得有可能在變阻器元件中不帶有被設置在變阻器塊之間的附加散熱器而制作出更緊湊的電涌避雷器。絕緣體與變阻器塊接觸的特性不排除在變阻器元件上底漆的存在，以幫助將硅基橡膠粘接到變阻器元件。
按照一個實施例，在電絕緣體中具有硅基橡膠的具體的熱容量在180℃溫度下等于，或大于，2.3j/(k*cm3)。這增強從變阻器元件到電絕緣體的熱傳導，以及在變阻器元件中的溫度在電涌事件后很快減小。
在以下的詳細說明和所附權利要求中將給出本發明的進一步的特性和優點。
附圖說明
此后，將參照附圖通過示例更詳細地描述高壓電涌避雷器的優選實施例，其中：
圖1是按照本發明的高壓電涌避雷器的局部截面側視圖。
具體實施方式
按照本發明的一個實施例的高壓電涌避雷器1顯示于圖1。電涌避雷器1包括變阻器元件2和封閉變阻器元件2的絕緣體3。絕緣體3由被注射鑄模到變阻器元件2的單個殼或單層的硅基橡膠形成。因此，硅基橡膠絕緣體3被直接施加到變阻器元件2上，它也形成面對周圍環境的裝置的外表面。
變阻器元件2包括變阻器塊4的堆疊。變阻器塊4由取決于某個電壓電平的高電阻的材料制成，在超過所述某個電壓電平時，所述材料變為導電狀態。這樣的材料例如包括zno，但對本領域技術人員來說許多替換材料將是顯而易見的。
變阻器塊4在兩個末端法蘭5，6之間延伸。在變阻器塊4與絕緣體3之間，被嵌入在后者中，并且被附著在法蘭5，6的相對的末端，裝置1包括由纖維增強樹脂串形成的支架7。支架7用來固定變阻器塊堆疊在上述的法蘭5，6之間的適當的位置。環繞支架的繞組是保護構件8，它也是由纖維增強樹脂形成，用來保護變阻器塊和支架7，萬一設備故障，防止整個設備燃燒。在圖1上，僅僅沿變阻器塊4的堆疊的一部分長度顯示保護構件8。然而，應當看到，通常，它們將沿所述堆疊的全部長度被提供。這些是通過現有技術本身已知的設計特性。
在電涌避雷器1的制造期間，變阻器塊4的堆疊被放置在法蘭5，6之間，并借助于支架7被鎖定到后者。隨后，保護構件8圍繞支架7纏繞。此后，目前為止生產的部件被放置在模具中，將硅基橡膠澆注制模在這些部件上，由此造成與變阻器塊4直接接觸，并嵌入支架7和保護構件8。可能需要底漆，以保證在硅基橡膠與避雷器的內部部件之間的良好的粘接。
絕緣體3包括裙，用來沿裝置的縱向方向延長表面，以便限制表面上的泄漏電流和避免在污染條件和大雨下產生閃絡的風險和即將到來的、由在所述表面上的泄漏電流造成的漏電和侵蝕。這種幾何關系是自從長時間以來被建立為對于室外使用的絕緣體優選的，在室外使用時，絕緣體經受灰塵和潮濕，這將促進即將到來這樣的漏電和侵蝕。
絕緣體3是均質的，即，它在它的厚度上具有相同的材料特征。它包括硅基橡膠基質，在其中混合有預定的百分數的顆粒，包括來自包含al2o3,bn,zno的組的材料，或它們的混合物。為了在絕緣體的厚度上達到相同的材料特征，顆粒被均勻地分布在硅基橡膠中。這個均勻分布在材料制造時達到，本領域技術人員在進行實行硅基橡膠與顆粒的混合，達到顆粒的均勻分布時不會有問題。所述顆粒的預定的量高到足以賦予最終得到的硅基橡膠的0.8w/mk的導熱性。優選地，al2o3被唯一地使用于為橡膠賦予這樣的增強的導熱性橡膠的目的。