电容式套管的制作方法

电气元件制品的制造及其应用技术1.本公开的主题是一种适用于电力工程的电容式套管。背景技术：2.高电压套管是主要被用于将处于高电势的电流从第一高电压部件(诸如，变压器、发电机或断路器)的有源部分通过屏障(如，第一部件的接地壳体)承载到第二高电压部件(诸如，高电压架空线或高电压电缆终端)。这种高电压套管被用于开关设备设施(诸如，气体绝缘开关设备gis、或空气绝缘开关设备ais)、电力或配电变压器，或被用于高电压旋转机器(如，发电机)，用于从几kv到高达几百kv和超过1000千伏的电压水平。为了减小和控制电场，高电压套管包括有利于电场应力控制的电容器芯。电容式套管也可以被用作电缆终端或仪表变压器或互感器的高电压绝缘系统的一部分。3.如图1所示，用于中电压应用或高电压应用的典型的电容式套管包括电容器芯(1)，该电容器芯(1)具有围绕嵌入该电容器芯(1)的隔绝材料中的中央导体(2)布置的多个圆筒形状的同心导电场分级层(3)。套管的电容器芯的最内场分级层经由高电压连接部(5)电连接到套管的导体。其他外部场分级层中的一个和/或最外场分级层经由接地连接部(6)电连接到接地电势。与接地电势的连接部典型地经由金属法兰(4)进行，该金属法兰(4)用于将套管机械地固定到接地装备。场分级层(3)与该场分级层之间的隔绝材料形成电容分压器，该电容分压器将施加到电容器芯的总电压u以固定和限定的部分ui在场分级层之间分配。每对相邻的场分级层(3)与该对相邻的场分级层之间的隔绝材料形成该电容器芯的具有电容ci的区段。每个电压部分ui与区段电容的倒数1/ci成正比，并且这些部分的总和相加为总电压u。结果，由高电压产生的电场沿着该套管的轴线(轴向场应力)以受控方式被分配在沿径向方向(径向场应力)的电容器芯的内侧和靠近套管的外表面的外侧。图1所示的电容器芯具有四个区段，通常可以应用任意数量n个的区段。4.通常通过将间隔材料缠绕在心轴或导体上，并且在间隔材料的缠绕层之间插入导电的场分级层(箔)，来制造现今的电容式套管。或者，使用导电油墨将场分级层直接印刷在间隔材料的表面上。之后，该结构被能够硬化的树脂浸渍，该能够硬化的树脂随后被硬化。这种方法只允许产生圆筒形状的场分级层。然而，增材制造方法允许改善电容式套管的特征。5.wo 1980000762 a1公开了一种高电压充气绝缘套管，其具有外部瓷质防天气影响的外壳，该外壳具有延伸穿过该壳体的中央细长导体。护套的内部至少部分地填充有模块，该模块可以含有电容分级层，以便将套管的外表面上的介电应力分级，从而为相同的电负载允许减小尺寸的套管。gb 339227 a示出了一种包括嵌入绝缘材料中的金属箔的层的电容器类型的绝缘体。箔的端部折叠一次或多次，以降低箔边缘附近的介电应力的强度。us 4370514 a示出了一种具有中央导体的绝缘套管。绝缘体本体围绕导体同心地布置，使得由场分级层形成的所有区段的电容相等。ep 0 085 966 a1涉及一种用于气体绝缘电装备的套管，并且包括套管，其中导体穿过瓷质管，该瓷质管具有连接到该瓷质管的一段的装配法兰，并且其中与导体同心的主电极内置在绝缘构件的层之间，该绝缘构件隔绝导体的外周。gb 953642 a示出了一种具有嵌入在树脂铸件中的电势控制板的绝缘套管。铸件设有从该铸件的内部延伸到控制板的内面的通道，以允许高压力气体进入由控制板与铸件的树脂之间的差异膨胀而形成的任何间隙。控制板可以具有与树脂铸件中的通道的端部对齐的孔，从而可以在铸造过程期间使用定位销，并且具有珠状加强边缘。us 2019/311822 a1涉及使用增材制造来形成制品，并且更具体地但不排他地，涉及使用增材制造过程来形成制品，例如电容式套管、块状类型的套管或其他制品。us 2019/389126 a1公开了一种用于通过增材制造来生产具有绝缘体的电力装置的方法，应用聚合物绝缘材料形成该装置的一部分。该方法还包括，在随后的固结步骤中，在预定的时间段期间使绝缘体经受高温和压力，以固结该绝缘体。6.要待解决的主要问题是降低电容式套管的直径。7.另一问题是场分级层的电连接部，每个电连接部包括使用导电粘合剂胶接到该层的导体件。这种连接部的结构复杂，在制造中容易出错，并且产生相对较高的电感。8.再一问题是由于靠近表面的场分级层的尖锐边缘导致的电容器芯的表面处的电场增强。为了使这种增强最小化，需要将绝缘材料的厚的过度构建层在与边缘相邻的整个轴向距离上覆盖场分级层的边缘。由于在电容器芯的制造过程中箔的径向位置和轴向位置两者的典型的宽公差，这种过度构建的厚度必须更大。技术实现要素：9.在图1中示出具有圆筒形场分级层(箔)的电容式套管。为了在轴向方向和径向方向上产生电场的可能均匀的分级，所有区段的层间距δ1’至δn’和区段的轴向长度l1至ln必须相应地调整。例如，它们被调整成使得电容器芯的由此形成的区段的电容c1至cn相等。这导致通过电容器芯的区段的相等的分电压，并且当区段的轴向长度被线性地分配时，导致所有区段的基本上均匀的轴向场应力。然而，层间距δi’通常不相等，并且箔之间的径向方向上的场应力值也不相等，该场应力值是区段电压ui与层间距δi’的比率。这意味着只有一个或两个区段的应力可以被设置到最大能够允许的值。其他区段是应力不足的，这意味着电容器芯的直径大于可能的最佳值。该问题集中在层的轴向端部处的尖锐边缘处，这会局部地增强场应力，并且使每个单个区段中的场在箔的边缘与该区段的相邻箔之间的距离上高度地不均匀。由于这种不均匀性，箔的边缘区域最容易在层之间发生电击穿。为了避免这种击穿，电容器芯必须被设计成使得对于每个区段，该区段的电压ui与该区段的在区段的端部处(即在该区段的沿轴向较短的层的边缘处)的径向宽度的比率小于限定的安全设计极限值。在贯穿本发明的整个描述中，该比率将被称为平均边缘场应力。对于具有圆筒形层的电容器芯，层边缘处(即在区段的轴向端部处，)的径向区段宽度等于层间距δi’，但通常不需要如此，并且贯穿本发明的描述，我们将使用名称δi’或δi来表示区段在区段的轴向端部处的径向宽度。通常，该宽度在区段的两个轴向端部处可以不同；在描述中，我们只讨论一个端部，但本发明等效地涉及第二端部。由于层的尖锐边缘，平均边缘场应力的安全设计值受到强烈地限制，这意味着设计具有相对大的δi’，并且因此套管的总体直径相对较大。10.使用增材制造技术，其中形成电容器芯的绝缘材料和形成场分级层的导电材料可以以受控的方式逐层地沉积在所制造的电容器芯的累积表面的限定的位置上，通过提供具有非圆筒形的弯曲的场分级层的套管的电容器芯，来解决所有区段的应力不相等的问题和平均边缘场应力的强限制的问题。以此方式，增材制造允许优化电容器芯中的场应力分配，从而导致可能减小电容器芯的直径，并且相应地减少材料使用、加工时间和部件的成本。11.在一个示例中，场分级层的形状被设置成使得区段的平均边缘场应力值之间的差减小，或者使得所有平均边缘场应力值相等。例如，场分级层中的一个场分级层形成在优化设计中具有应力被设置为最大、达到安全设计极限值的圆筒形层的区段，该场分级层的形状被设置成使得该区段的层间距在大部分的层表面积上被维持，但在靠近形成该区段的第二层的边缘的区域中，层之间的距离增加。以这种方式，该区段的电压基本上不变，但该区段的平均边缘场应力降低。同时，相邻区段的平均边缘场应力增加，但未达到安全设计极限。这种改变允许电容器芯的所有层间距成比例地减小，并且由此减小电容器芯的总直径，直到最大平均边缘场应力再次达到安全设计极限值。以这种方式，所有层的优化还可以使平均边缘场应力对于所有区段基本上相等，从而允许电容器芯的总直径的显着减小。12.在另一示例中，场分级层的边缘向外弯曲，使得电场的集中在区段的轴向端部处降低，并且在边缘附近的层之间的路径上的场应力值变得更均匀。随着场应力越均匀，区段的击穿电压变得越大，并且因此平均边缘场应力值的安全设计极限也可以设定在更高的点处。这允许层间距的距离显着减小，并且因此允许电容器芯的总直径的减小。13.此外，增材制造技术可以提供电连接部，该电连接部是场分级层的成一体的部分，被制成基本上沿轴向对称的形状，其中导电材料体积从层到达电容器芯的外表面或内表面。这简化了连接部的结构，因为使用了较少数量的部件，并且因为与用于生产芯的绝缘层和场分级层的那些制造程序相比，它不需要额外的制造程序。与用导线将在一个点处制成的连接部相比，这也使得连接部的电感显着地要小得多。14.此外，使用增材制造技术允许对电容器芯的外表面进行成形，使得场分级层的边缘上的绝缘材料的过度构建的厚度被制成大于边缘之间的区段中的厚度。与当今的间隔件缠绕浸渍和固化制造技术相反，增材制造允许层边缘的位置和电容器芯的外部形状的突出部分的位置的精确同步。因此，可以通过使用最少量的绝缘材料来解决电容器芯的表面处的电场增强的问题，该绝缘材料仅施加到需要降低表面处的电场的地方。15.本公开涉及一种电容式套管，所述电容式套管包括电容器芯(1)和导电的场分级层(3)，所述导电的场分级嵌入在所述电容器芯(1)的绝缘材料中并且被布置在用于沿着限定轴向方向的轴线延伸的导体(2)的中央通道周围，同时向所述场分级层(3)中的至少一个场分级层设置电连接部(6)，其中成对的相邻的场分级层(3)与该成对的相邻的场分级层之间的隔绝材料形成轴向长度l1至ln且具有电容c1至cn的所述电容器芯的区段，其中，所述场分级层(3)中的至少一个场分级层的形状偏离圆筒形，以便与具有形成轴向长度l1至ln且具有电容c1至cn的区段的圆筒形场分级层的对应的电容式套管相比，减小所述电容式套管的电场应力的不均匀性，其中所述场分级层(3)中的至少一个场分级层的形状被设置成使得所述场分级层(3)的直径沿着轴向方向变化，其特征在于，所述场分级层(3)的直径在所述场分级层(3)的边缘之间具有至少一个最大值。16.所述电容式套管还可以包括以下任何特征或这些特征的技术上可行的组合中的任一个：17.·所述场分级层(3)中至少一个场分级层的形状被设置成使得所述场分级层的直径沿着轴向方向变化；18.·所述场分级层(3)的直径在所述场分级层(3)的边缘之间具有至少一个最大值。19.·平均边缘场应力水平被限定为区段的电压ui与所述区段的在该区段的端部处的，即在该区段的沿轴向较短的场分级层的边缘处的，径向宽度δi的比率；由非圆筒形场分级层所形成的至少一个区段中的平均边缘场应力水平小于具有形成相同的电容c1至cn和相同的轴向长度l1至ln的区段的圆筒形场分级层的电容式套管的对应区段中的平均边缘场应力水平；20.·的绝对值比绝对值小至少20％，其中和是两个相邻区段的平均边缘场应力水平，其中至少一个区段是由非圆筒形场分级层形成的；以及和是具有圆筒形场分级层的对应的电容式套管的两个对应的相邻区段的平均边缘场应力水平；21.·所述区段的在该区段的轴向端部处的径向宽度是基本上相等的；22.·最内场分级层和/或最外场分级层是圆筒形的；23.·由所述场分级层(3)形成的所有区段的电容是相等的；24.·所述场分级层(3)中的至少一个场分级层的至少一个边缘相对于所述轴线向外弯曲；25.·所述场分级层的弯曲边缘的曲率半径等于至少三个层厚度，优选地至少五个层厚度；26.·至少一个电势连接部(5、6、7)是场分级层(3)的成一体的部分，并且具有基本上沿轴向对称的形状，其中导电材料体积从所述场分级层到达所述电容器芯(1)的外表面或内表面；27.·所述电容器芯(1)的形状被设置成使得相邻的场分级层(3)的边缘中的每个边缘与所述电容器芯(1)的外表面之间的绝缘材料的厚度大于所述相邻的场分级层(3)的边缘之间的中点与所述电容器芯(1)的外表面之间的绝缘材料的厚度。28.本公开还涉及使用增材制造方法来制造电容式套管的用途。附图说明29.在示例性实施例中描绘了电容式套管，其中以截面呈现附图：30.图1——现有技术的电容式套管；31.图2——第一实施例；32.图3——第二实施例；33.图4和图5——包括电连接部的电容式套管，34.图6——包括跟随场分级层边缘的隔绝材料表面的电容式套管。具体实施方式35.使用增材制造方法制造套管允许制造任意形状的场分级层(3)。在图2中示出这种套管的示例。在该实施例中，场分级层的形状被设置成使得所有区段在其端部处的径向宽度δi相等。最内层和最外层是圆筒形的。其他层的形状被设置成使得所有区段的电容也相等。这使得所有区段的平均边缘场应力值相等，所有都达到安全设计极限，并且允许使电容器芯的总体直径明显小于具有圆筒形层的等效设计，在该等效设计中，平均边缘场应力值仅在一个或两个区段中达到安全设计极限。36.在附图所示的设计中，由圆筒形场分级层形成的等效分级系统，具有相同电容c1至c4以及层的相同轴向长度l1到l4的所有区段，区段c4将是具有达到安全设计极限的平均边缘场应力水平的唯一个区段。在分级系统中，通过对区段c4的内层进行非圆筒形的成型，该区段的边缘宽度δ4与圆筒形设计相比是增加的。以此方式，该区段的平均边缘场应力水平降低，并且所有层的集合的径向尺寸可以按比例缩小到更小的直径，从而使区段c4的平均边缘场应力值带回到安全设计极限。以这种方式，电容器芯的直径可以被制成小于根据已知技术制造的电容器芯的直径。场分级层(3)的直径在该场分级层(3)的边缘之间具有至少一个最大值(maximum)。因此，可以通过调节每个场分级层(3)的最大值的位置、宽度或幅度(amplitude)来改变相邻的场分级层(3)之间的电容。以该方式，可以调整相邻的场分级层之间的距离，并且由此也调整电容和平均边缘场应力。由于场分级层(3)的最大值减小了相邻的场分级层(3)之间的距离，因此在该最大值处存储更强的电场，因此降低了边缘处的电场强度。在图2所示的实施例中，场分级层(3)的最大值已经被设计成使得，随着距电容器芯(1)的距离的增加，该场分级层(3)的最大值在幅度方面变得更大，但在宽度方面变得更窄。在图2的示例中，所有的层都以所描述的方式被优化，使得与具有圆筒形层的设计相比，在所有区段中将平均边缘场应力达到相等值，并且提供显着减小的直径。37.在图3中示出另一实施例。场分级层的边缘向外弯曲，从而减少靠近边缘的电场应力，与具有圆筒形层的电容器芯相比，使得场应力在区段的端部处的层之间的距离上更加均匀，并且允许以更高的值设定该平均边缘场应力水平的安全设计极限。38.图4和图5示出了电连接部、高电压连接部(5)、接地连接部(6)和电压抽头(voltage-tap)连接部(7)，这些连接部被制成沿轴向对称的块状导电材料物体的形式，以增材制造过程生产的，与电容器芯的隔绝材料平行。内场分级层(3)的直径在该场分级层(3)的边缘之间具有最大值。因此，电场在最大值处累积，并且场分级层(3)的边缘处的电场减小。通过相应地形成最大值来调节和平衡场分级层之间的电容。39.图6示出了电容器芯(1)的形状，该电容器芯的外表面跟随场分级层(3)的边缘。隔绝材料的厚度在靠近层的边缘处增大。电容器芯(1)的表面呈台阶状，使得相邻的场分级层(3)的每个边缘与电容器芯(1)的外表面之间的绝缘材料的厚度大于该场分级层(3)的边缘之间的中点与电容器芯(1)的外表面之间的绝缘材料的厚度。因此，电容器芯(1)的台阶形状的外表面的角部定位在相邻的场分级层(3)之间的水平处。以此方式，省略了场分级层(3)的边缘与电容器芯(1)的外表面之间的过度的电场。隔绝材料和导电层两者都可以在增材制造过程中制成，从而允许层的位置与绝缘材料的突出部分的位置的精确相关。40.电势连接部(5、6、7)也适用于其他类型的电容式套管，例如用于具有圆筒形场分级层的电容式套管。因此，本公开还涉及一种包括电容器芯(1)和导电的场分级层(3)的电容式套管，所述导电的场分级层(3)嵌入在电容器芯(1)的绝缘材料中、并且被布置在沿着限定轴向方向的轴线延伸的导体(2)的中央通道周围，同时向场分级层(3)中的至少一层设置电连接部(6)，该连接部是场分级层(3)的成一体的部分，并且具有基本上沿轴向对称的形状，其中导电材料的体积从场分级层到达电容器芯(1)的外表面或内表面。41.这同样适用于跟随场分级层(3)的边缘的外表面。本公开还涉及一种包括电容器芯(1)和导电的场分级层(3)的电容式套管，所述导电的场分级层(3)嵌入在电容器芯(1)的绝缘材料中、并且被布置在用于沿着限定轴向方向的轴线延伸的导体(2)的中央通道周围，同时向场分级层(3)中的至少一层设置电连接部(6)，其中电容器芯(1)的形状被设置成使得场分级层(3)的边缘与电容器芯(1)的外表面之间的绝缘材料的厚度大于该场分级层(3)的边缘之间的区段与电容器芯(1)的外表面之间的绝缘材料的厚度。42.附图标记列表：43.1-电容器芯44.2-导体45.3-场分级层46.4-法兰47.5-高电压连接部48.6-接地连接部49.7-电压抽头连接部50.8-场分级层的弯曲部51.9-场分级层的向外弯曲的边缘52.10-电容器芯的外表面的弯曲部，其中隔绝材料的表面跟随场分级层的边缘。









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