專利名稱：帶有場(chǎng)控元件的隔離結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及尤其是用于中等電壓裝置的一種隔離結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由至少一個(gè)具有高壓連接端和接地連接端的電功能單元及一個(gè)或多個(gè)設(shè)置在功能單元周圍的、用來(lái)影響功能單元周圍電場(chǎng)的場(chǎng)控元件組成，并且功能單元和這個(gè)或這些場(chǎng)控元件被灌注在絕緣材料中。
背景技術(shù)：
這種隔離結(jié)構(gòu)尤其在中等電壓裝置中是已知的，這里例如測(cè)量變壓器周圍的電場(chǎng)受到影響，并且這里同時(shí)還需要高度的電氣隔離。這里大多應(yīng)用一對(duì)金屬屏蔽來(lái)影響電場(chǎng)。為了形成此隔離結(jié)構(gòu)，這里首先將測(cè)量變壓器灌注在作為絕緣材料的灌注樹脂中。接著在已灌注的測(cè)量變壓器上連接端的區(qū)域中放上預(yù)成形的金屬屏蔽，并且此結(jié)構(gòu)被整個(gè)灌注在灌注樹脂中。此灌注過(guò)程的缺點(diǎn)是經(jīng)常發(fā)生撓曲或類似的機(jī)械位移，或者甚至于發(fā)生金屬屏蔽的變形。這例如由所用樹脂和金屬屏蔽的不同熱膨脹系數(shù)而產(chǎn)生的機(jī)械張力所導(dǎo)致。結(jié)果是在屏蔽或在樹脂中可能出現(xiàn)裂紋。這又造成不希望的相對(duì)于所要得到的電場(chǎng)分布的偏離。屏蔽的變形也會(huì)對(duì)被控制的電場(chǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。此外缺點(diǎn)還在于金屬屏蔽經(jīng)常不被灌注樹脂完全埋入。這可能導(dǎo)致隔離結(jié)構(gòu)與外界的隔離不充分。
在前述隔離結(jié)構(gòu)中應(yīng)用金屬屏蔽的另一缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本很高。這一方面是由于金屬屏蔽的制造本身相當(dāng)昂貴，另一方面是由于上述出現(xiàn)在灌注過(guò)程中的問題使得最終產(chǎn)品的合格率低。然而由于只有在金屬屏蔽與已灌注的測(cè)量變壓器一起被灌注之后才形成金屬屏蔽相對(duì)于測(cè)量變壓器的固定，安裝位置的檢驗(yàn)只能在最終產(chǎn)品中進(jìn)行，而不能在生產(chǎn)的中間步驟中進(jìn)行。然而在已完成最終產(chǎn)品時(shí)已發(fā)生全部的生產(chǎn)費(fèi)用，這是不利的。
此外，由現(xiàn)有技術(shù)中已知基于上述生產(chǎn)過(guò)程基本上不可避免的受控電場(chǎng)分布相對(duì)于所要得到的分布的偏離可以通過(guò)在絕緣材料中加入半導(dǎo)體層來(lái)補(bǔ)償其不均勻性。其缺點(diǎn)是用此方法只能輕微緩解電場(chǎng)的不均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于給出一種開始所述類型的隔離結(jié)構(gòu)，它具有盡可能均勻的電場(chǎng)，并且能特別廉價(jià)地生產(chǎn)。
上述任務(wù)按照本發(fā)明如此完成至少一個(gè)場(chǎng)控元件被構(gòu)造為一個(gè)設(shè)置在絕緣材料內(nèi)部的薄導(dǎo)電層。其優(yōu)點(diǎn)在于該層在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際上總是完全埋在樹脂中。通過(guò)用薄導(dǎo)電層代替金屬屏蔽，可以實(shí)現(xiàn)功能單元周圍電場(chǎng)的精確形狀。
如果導(dǎo)電層的熱膨脹系數(shù)值與絕緣材料熱膨脹系數(shù)基本相同，則本發(fā)明是特別有好處的。用此方法具有優(yōu)點(diǎn)地基本消除了加工過(guò)程中灌注時(shí)出現(xiàn)機(jī)械張力的危險(xiǎn)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方案中，在至少一個(gè)導(dǎo)電層上設(shè)置一個(gè)半導(dǎo)體的均勻化層。通過(guò)這個(gè)由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的均勻化層，可以具有優(yōu)點(diǎn)地對(duì)輕微的電場(chǎng)不均勻性進(jìn)行部分補(bǔ)償。另一方面，良好導(dǎo)電層的表面被均勻化。這產(chǎn)生以下優(yōu)點(diǎn)保證了這些層與整個(gè)隔離結(jié)構(gòu)周圍的樹脂的牢固附著。這樣實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電層牢固的機(jī)械固定，同時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn)不出現(xiàn)由于導(dǎo)電層相對(duì)于測(cè)量變壓器的移位而產(chǎn)生的電場(chǎng)不均勻性。
按照本發(fā)明，至少一個(gè)導(dǎo)電層的厚度及覆蓋在此導(dǎo)電層上的均勻化層的厚度具有優(yōu)點(diǎn)地具有基本相同的值。這樣實(shí)現(xiàn)了最佳的場(chǎng)均勻化，并同時(shí)避免了由生產(chǎn)過(guò)程而導(dǎo)致的機(jī)械張力的出現(xiàn)，因?yàn)榫鶆蚧瘜右沧銐虮　?br> 按照本發(fā)明一個(gè)特殊設(shè)計(jì)特別具有優(yōu)點(diǎn)的是，均勻化層的導(dǎo)電率與導(dǎo)電層的導(dǎo)電率有1∶10000的比例關(guān)系。在如此選擇的導(dǎo)電率下，半導(dǎo)體在電磁場(chǎng)中如同電介質(zhì)一樣，這樣由于包含在電介質(zhì)中的束縛載流子的可極化特性，具有優(yōu)點(diǎn)地排除或減弱了功能單元周圍電場(chǎng)的不均勻性。
本發(fā)明的一個(gè)特別有利的特殊變型是，至少一個(gè)導(dǎo)電層被設(shè)計(jì)成屏蔽狀環(huán)繞著高壓側(cè)和/或接地側(cè)連接端。這樣具有優(yōu)點(diǎn)地保證了接地連接端和/或高壓連接端周圍電場(chǎng)可特別有效地被控制。
為了具有優(yōu)點(diǎn)地在所有方向上完全控制測(cè)量變壓器周圍的場(chǎng)，在本發(fā)明另一方案中導(dǎo)電層被構(gòu)造成完全包圍功能單元。
在本發(fā)明的一個(gè)特別具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例中，在圍繞著接地連接端設(shè)置的導(dǎo)電層上存在一個(gè)用于測(cè)量連接端的通道。按照本發(fā)明，用此通道例如可以形成至隔離結(jié)構(gòu)中測(cè)量變壓器的連接，用以讀出測(cè)量值。
按照本發(fā)明的一個(gè)方案，圍繞接地連接端設(shè)置的導(dǎo)電層與功能單元之間的平均距離小于圍繞高壓連接端設(shè)置的導(dǎo)電層與功能單元之間的平均距離。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于，圍繞接地連接端設(shè)置的導(dǎo)電層通過(guò)這種方式具有至用于測(cè)量連接端的通道的一個(gè)更大的平均距離，以保證在讀出設(shè)備和/或評(píng)估設(shè)備的區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)有盡可能精確的、均勻的變化。
此外根據(jù)本發(fā)明，功能單元被構(gòu)造為歐姆分壓器是有利的，因?yàn)橛绕涫窃跉W姆分壓器的情況下均勻的場(chǎng)分布對(duì)于避免擊穿有決定性作用。
在制造前面所述的要求保護(hù)的隔離結(jié)構(gòu)的方法中，在第一步中功能單元被灌注在絕緣材料中形成一個(gè)內(nèi)部灌注體。此內(nèi)部灌注體在其外側(cè)面上被形成導(dǎo)電層的形式。在第二步中一個(gè)導(dǎo)電層被涂覆到已被灌注的功能單元上，在接著的第三步中一個(gè)均勻化層被敷設(shè)到導(dǎo)電層上，在后面的第四步中導(dǎo)電層和均勻化層通過(guò)機(jī)械方式圍繞功能單元被環(huán)形切削，使得最終形成一個(gè)圍繞高壓連接端設(shè)置的層區(qū)域和一個(gè)圍繞接地連接端設(shè)置的層區(qū)域，并且接著在第五步中在一個(gè)外部灌注模中灌注已被灌注的功能單元以形成一個(gè)外灌注體，使得導(dǎo)電層和均勻化層被設(shè)置在內(nèi)部灌注體和外灌注體之間。利用這個(gè)過(guò)程，可以意想不到的精確性同時(shí)以低廉的成本制造具有一對(duì)場(chǎng)控元件的隔離結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明方法的一個(gè)特別具有優(yōu)點(diǎn)的變型是在第四步和第五步之間對(duì)隔離結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能檢驗(yàn)。通過(guò)這個(gè)檢驗(yàn)—在此檢驗(yàn)中灌注前的隔離結(jié)構(gòu)被加電并完成其相應(yīng)功能—可在最后的灌注之前實(shí)現(xiàn)廢品的撿出。作為替代或補(bǔ)充，基于這個(gè)檢驗(yàn)的結(jié)果可以具有優(yōu)點(diǎn)地在所用生產(chǎn)設(shè)備中進(jìn)行校正并從而避免了繼續(xù)生產(chǎn)出廢品。這樣得到的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)成本明顯低于生產(chǎn)常規(guī)的具有用金屬屏蔽作為場(chǎng)控元件的隔離結(jié)構(gòu)。
對(duì)于保證隔離非常有好處的是功能檢驗(yàn)在SF6氣體環(huán)境下進(jìn)行。
按照本發(fā)明，在此方法的一個(gè)非常有好處的實(shí)施方式中，內(nèi)部灌注體的外部形狀根據(jù)所需電場(chǎng)的形狀選取，外灌注體的外部形狀根據(jù)所需隔離結(jié)構(gòu)的幾何形狀選取。以這種方法可以通過(guò)對(duì)內(nèi)部灌注體選擇相應(yīng)的灌注形狀具有優(yōu)點(diǎn)地將幾何關(guān)系所決定的需求與電場(chǎng)形狀精確適配。外部灌注形狀—它決定外灌注體的形狀—的選擇具有優(yōu)點(diǎn)地可與內(nèi)部灌注體的形狀無(wú)關(guān)，從而可以例如商業(yè)慣用的和/或由有關(guān)規(guī)范給定的尺寸制造隔離結(jié)構(gòu)。


下面借助附圖所示一個(gè)有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式說(shuō)明本發(fā)明，其中其他具有優(yōu)點(diǎn)的細(xì)節(jié)可由附圖得知。
附圖中功能相同的部件用相同的附圖標(biāo)記表示。
附圖中圖1是整個(gè)隔離結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖2是在第一生產(chǎn)階段中隔離結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出一個(gè)具有一個(gè)歐姆分壓器2的隔離結(jié)構(gòu)1，分壓器通過(guò)一個(gè)接地連接端3和一個(gè)高壓連接端4進(jìn)行接觸。歐姆分壓器2被灌注在一個(gè)內(nèi)部灌注體9中。圍繞接地連接端3設(shè)置一個(gè)接地側(cè)場(chǎng)控元件5，圍繞高壓連接端4設(shè)置一個(gè)高壓側(cè)場(chǎng)控元件6。接地側(cè)場(chǎng)控元件5和高壓側(cè)場(chǎng)控元件6分別由一個(gè)內(nèi)部的、面對(duì)著歐姆分壓器2的導(dǎo)電層7和一個(gè)外部的、背對(duì)著歐姆分壓器2的均勻化層8構(gòu)成。內(nèi)部灌注體9在高壓側(cè)場(chǎng)控元件6的外邊緣10與接地側(cè)場(chǎng)控元件5的外邊緣11之間具有一未被涂覆的區(qū)域12。圍繞著用導(dǎo)電層7和均勻化層8覆蓋的、包圍著歐姆分壓器2的內(nèi)部灌注體9設(shè)置一個(gè)外灌注體13。一個(gè)用于測(cè)量連接端15的通道14穿過(guò)接地側(cè)場(chǎng)控元件5。外灌注體13被外殼16包圍。
圍繞接地連接端3設(shè)置的導(dǎo)電層7與歐姆分壓器2之間的平均距離17小于圍繞高壓連接端4設(shè)置的導(dǎo)電層7與歐姆分壓器2之間的平均距離18。
圖2示出圖1中的隔離結(jié)構(gòu)在第一生產(chǎn)階段的剖面圖。在此階段中內(nèi)部灌注體9在整個(gè)表面上全部被導(dǎo)電層7覆蓋。導(dǎo)電層7完全被均勻化層8覆蓋。
為了制造隔離結(jié)構(gòu)1，在第一步中歐姆分壓器在一個(gè)內(nèi)灌注模中被灌注絕緣的灌注樹脂，形成一個(gè)內(nèi)部灌注體9。接著導(dǎo)電層7被完全覆蓋在內(nèi)部灌注體9上。在下一生產(chǎn)步驟中均勻化層8被涂覆到導(dǎo)電層7的整個(gè)表面上。這時(shí)的隔離結(jié)構(gòu)具有圖2所示的形式。在下一步中導(dǎo)電層7和均勻化層8圍繞著功能單元被機(jī)械切削，從而形成最終圍繞高壓連接端4設(shè)置的層區(qū)域6和最終圍繞接地連接端3設(shè)置的層區(qū)域5，其中層區(qū)域5、6相互電氣絕緣。接著在下一步中隔離結(jié)構(gòu)1形成外灌注體。這樣高壓側(cè)場(chǎng)控元件6和接地側(cè)場(chǎng)控元件5被設(shè)置于內(nèi)部灌注體9和外灌注體13之間。
這樣，用本發(fā)明的方法以意想不到簡(jiǎn)單的方式特別有效地制造如開始處所述類型的隔離結(jié)構(gòu)，它具有盡可能均勻的圍繞功能單元的電場(chǎng)。
附圖標(biāo)記列表1隔離結(jié)構(gòu)2歐姆分壓器3接地連接端4高壓連接端5接地側(cè)場(chǎng)控元件6高壓側(cè)場(chǎng)控元件7導(dǎo)電層
8均勻化層9內(nèi)部灌注體10高壓側(cè)外邊緣11接地側(cè)外邊緣12未被涂覆的區(qū)域13外灌注體14通道15測(cè)量連接端16外殼17接地側(cè)層平均距離18高壓側(cè)層平均距離
權(quán)利要求
1.隔離結(jié)構(gòu)，尤其是用于中等電壓裝置的隔離結(jié)構(gòu)，它由至少一個(gè)具有高壓連接端(4)和接地連接端(3)的電功能單元(2)及一個(gè)或多個(gè)圍繞功能單元(2)設(shè)置的場(chǎng)控元件(5、6)構(gòu)成，所述場(chǎng)控元件用于影響功能單元(2)周圍的電場(chǎng)，其中功能單元(2)和場(chǎng)控元件(5、6)被灌注在絕緣材料(9、13)中，其特征在于，至少一個(gè)場(chǎng)控元件(5、6)被構(gòu)造成設(shè)置在絕緣材料(9、13)內(nèi)的薄導(dǎo)電層(7)的形式。
2.如權(quán)利要求1所述的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，導(dǎo)電層(7)的熱膨脹系數(shù)值與絕緣材料(9、13)的熱膨脹系數(shù)基本相同。
3.如權(quán)利要求1或2所述的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，在至少一個(gè)導(dǎo)電層(7)上設(shè)置一個(gè)半導(dǎo)體的均勻化層(8)。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一個(gè)導(dǎo)電層(7)的厚度和設(shè)置在此導(dǎo)電層(7)上的均勻化層(8)的厚度基本一致。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，均勻化層(8)的導(dǎo)電率與導(dǎo)電層(7)的導(dǎo)電率具有1∶10000的比例關(guān)系。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一個(gè)導(dǎo)電層(7)被設(shè)計(jì)為以屏蔽形狀圍繞著高壓連接端(4)和/或接地連接端(3)。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，導(dǎo)電層(7)被設(shè)置成完全遮蓋功能單元(2)。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，在一個(gè)圍繞接地連接端(3)設(shè)置的導(dǎo)電層(7)上設(shè)置有一個(gè)用于測(cè)量連接端(15)的通道(14)。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，圍繞接地連接端(3)設(shè)置的導(dǎo)電層(7)與功能單元(2)之間的平均距離(17)小于圍繞高壓連接端(4)設(shè)置的導(dǎo)電層(7)與功能單元(2)之間的平均距離(18)。
10.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，功能單元(2)被設(shè)計(jì)為歐姆分壓器(2)
11.制造如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的隔離結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在第一步中功能單元(2)用絕緣材料(9、13)灌注成一個(gè)內(nèi)部灌注體(9)，在第二步中導(dǎo)電層(7)被涂覆在內(nèi)部灌注體(9)上，在第三步中一個(gè)均勻化層(8)被涂覆在導(dǎo)電層(7)上，在第四步中導(dǎo)電層(7)和均勻化層(8)通過(guò)機(jī)械方式圍繞著功能單元(2)被切削，使得形成一個(gè)最終圍繞高壓連接端(4)設(shè)置的層區(qū)域(6)和一個(gè)最終圍繞接地連接端(3)設(shè)置的層區(qū)域(5)，以及最后在第五步中內(nèi)部灌注體(9)在一個(gè)外灌注模中被灌注為一個(gè)外灌注體(13)，使得導(dǎo)電層(7)和均勻化層(8)被設(shè)置在內(nèi)部灌注體(9)和外灌注體(13)之間。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在第四步和第五步之間對(duì)隔離結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能檢驗(yàn)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，功能檢驗(yàn)在SF6氣體環(huán)境下進(jìn)行。
14.如權(quán)利要求11至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，內(nèi)部灌注體(9)的外部形狀根據(jù)所需電場(chǎng)的形狀選取，并且外灌注體(13)的外部形狀根據(jù)所需的隔離結(jié)構(gòu)的幾何形狀選取。
全文摘要
本發(fā)明涉及隔離結(jié)構(gòu)(1)，尤其是用于中等電壓裝置的隔離結(jié)構(gòu)，它由至少一個(gè)具有高壓連接端(4)和接地連接端(3)的電功能單元(2)及一個(gè)或多個(gè)圍繞功能單元(2)設(shè)置的場(chǎng)控元件(5、6)構(gòu)成，所述場(chǎng)控元件用于影響功能單元(2)周圍的電場(chǎng)，其中功能單元(2)和至少一個(gè)場(chǎng)控元件(5、6)被灌注在絕緣材料(9、13)中，為了得到盡可能均勻的電場(chǎng)并可以特別廉價(jià)地生產(chǎn)，本發(fā)明建議至少一個(gè)場(chǎng)控元件(5、6)被構(gòu)造為設(shè)置在絕緣材料(9、13)中的薄導(dǎo)電層(7)的形式。
文檔編號(hào)H01B17/64GK1642404SQ20041008242
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2004年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月22日
發(fā)明者艾萊克爾·喬吉, 卓臣·厄密斯, 高特佛萊德·舒斯特 申請(qǐng)人:迪羅墨塑料加工股份有限公司