專利名稱：絕緣結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕緣結(jié)構(gòu)，特別是用于大氣環(huán)境的氣體絕緣或液態(tài)電介質(zhì)環(huán)境中的電氣系統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)，諸如高電壓裝置的絕緣子、套管、隔套和絕緣罩。
背景技術(shù)：
一般說(shuō)來(lái)，暴露到表面污染或濕氣中的絕緣結(jié)構(gòu)的完整性，可能因跨過(guò)導(dǎo)致?lián)p傷和/或閃絡(luò)(flashover)的不導(dǎo)電帶的放電而受到損害。
室外和工業(yè)用途的絕緣結(jié)構(gòu)，一般包括軸對(duì)稱形狀，通常在其設(shè)計(jì)中包括傘型的傘部。設(shè)計(jì)這些傘部來(lái)增加縱向表面(爬電)長(zhǎng)度，以達(dá)到給定的耐電壓水平和減輕雨雪效應(yīng)。
用于周圍環(huán)境中，無(wú)論是室內(nèi)或室外，特別是在工業(yè)或沿海場(chǎng)所的高電壓裝置的絕緣子、套管和絕緣罩的實(shí)體尺寸，主要由當(dāng)它們受到污染時(shí)安全絕緣性能所需的表面爬電長(zhǎng)度(mm/kv)的大數(shù)值決定。雖然干的污染層(無(wú)論是工業(yè)污染物還是鹽沉積物)通常對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣強(qiáng)度幾乎沒(méi)有什么影響，問(wèn)題出在污染層在霧氣或小雨下變濕時(shí)，結(jié)構(gòu)的濕表面的電導(dǎo)率導(dǎo)致一個(gè)漏電流。雖然漏電流本身一般是無(wú)害的，但是它經(jīng)常會(huì)引起該表面周圍局部干燥(干燥帶)。作用在絕緣子上的電壓的大部分將出現(xiàn)在該帶的兩邊，結(jié)果引起電擊穿損傷(局部電弧或完全閃絡(luò))。
絕緣結(jié)構(gòu)的良好污染性能的重要性具有重要的意義，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了高電壓實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)程序(鹽霧和純水霧試驗(yàn))，以達(dá)到約定的技術(shù)要求。
在過(guò)去，低壓、中壓和高壓絕緣子一般是由陶瓷或玻璃制造的。這些材料在相對(duì)干燥的環(huán)境中是高度絕緣的。然而，在污染的、濕的或潮濕的條件下，這些材料的表面電阻趨于減少約4或5個(gè)數(shù)量級(jí)，由此，大大地降低了它們的絕緣性能。另外，這些材料的大的脆性使其易受意外的損傷和故意破壞。此外，污染物在陶瓷或玻璃外表面上的聚集，能夠?qū)е麻W絡(luò)或起弧，以及從絕緣子終端的一端到另一端的不可接受的高漏電流。
為了限制尤其是用在苛刻環(huán)境中的跨過(guò)干燥帶的放電，在一些類型的絕緣結(jié)構(gòu)上加上半導(dǎo)體釉。然而，雖然這種解決辦法提供了一些改善，它沒(méi)有成功地消除局部起弧。
聚合材料，諸如乙烯-丙烯-二烯烴聚合物(EPDM)和硅橡膠，正在越來(lái)越多地應(yīng)用在制造絕緣子和其他高電壓設(shè)備中。與一直使用的陶瓷和玻璃結(jié)構(gòu)相比，它們具有(利用玻璃纖維增強(qiáng))優(yōu)良的強(qiáng)度重量比，不受環(huán)境限制，和不易受到意外損傷和故意破壞。
更重要地，特別地在污染條件下，這些材料由于其良好的絕緣性能，能夠有助于改善設(shè)備設(shè)計(jì)。這是由于聚合材料的天然疏水性，這種疏水性防止出現(xiàn)連續(xù)的濕表面，由此抑制了漏電流和干燥帶起弧的形成。業(yè)已證實(shí)，清潔的聚合材料表面的疏水性質(zhì)傳到了外覆的污染層，或許是由于油性成分通過(guò)該層的擴(kuò)散。
美國(guó)專利No.5830405描述了一種管狀的聚合材料傘，它包括一個(gè)圍繞細(xì)長(zhǎng)芯子的中央管狀部分。多個(gè)徑向壁環(huán)肋片伸出部從中央管狀部分和一個(gè)裙線延伸部(或傘部)延伸，以增加爬電長(zhǎng)度和減少局部起弧。然而，這個(gè)解決方案沒(méi)有成功地消除局部起弧。
附圖的圖1和2表示一個(gè)常規(guī)絕緣結(jié)構(gòu)100的一部分，示出了一個(gè)單獨(dú)的傘部102和絕緣柄104的一部分。當(dāng)該結(jié)構(gòu)在不利條件下載有縱向表面電流I時(shí)，甚至在污染層具有均勻的電導(dǎo)率σ(Siemens/m)和厚度T的地方，電流密度J(A/m2)也是不均勻的。這是因?yàn)榘霃絩和因此圓形表面輪廓的周長(zhǎng)S沿該結(jié)構(gòu)的傘部變化。
在這種情況下，污染層中的電流密度由下式給出J＝I/(ST)＝I/(2πrT)對(duì)于這個(gè)均勻的污染條件，表面電場(chǎng)E(v/m)也是縱向的和不均勻的，由下式給出
E＝I/(σST)＝J/σ潮濕污染層的加熱是不均勻的，由此引起干燥帶的形成。這個(gè)表面層加熱的功率密度耗散P(W/m3)，由下式給出P＝EJ＝J2/σ＝I2/(σS2T2)這個(gè)方程顯示均勻污染層的最大加熱將出現(xiàn)在該絕緣結(jié)構(gòu)的最小輪廓周長(zhǎng)S(min)的區(qū)域上。干燥帶將最容易地在該結(jié)構(gòu)的柄104處形成。結(jié)果，在常規(guī)的采用這樣的不均勻外形的聚合材料絕緣子、套管和罩的情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于局部起弧活動(dòng)最強(qiáng)的柄部區(qū)域的損傷，這種聚合材料結(jié)構(gòu)時(shí)常失效。
另外，有關(guān)聚合材料的長(zhǎng)期耐久性的研究正在進(jìn)行。能夠不利地影響這些材料表面狀況的老化和降級(jí)問(wèn)題出現(xiàn)，引起疏水性的喪失。干燥帶局部起弧的出現(xiàn)比傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料結(jié)構(gòu)的情況可能更容易地導(dǎo)致更多的漏電痕跡的形成或表面腐蝕，這明顯地是不可接受的。

發(fā)明內(nèi)容
我們現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種裝置，它克服了上述的一些問(wèn)題。這樣，按照本發(fā)明，提供了一種絕緣結(jié)構(gòu)，其絕緣表面的至少一部分具有圖案形態(tài)。
對(duì)于一個(gè)二維圖案形態(tài)，該絕緣結(jié)構(gòu)表面是優(yōu)選地帶有溝槽的，并且優(yōu)選地包括一般為優(yōu)選地帶有縱向溝槽的細(xì)長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該絕緣結(jié)構(gòu)的寬度、半徑或周長(zhǎng)沿其長(zhǎng)度是不均勻的，在所述結(jié)構(gòu)的任何點(diǎn)上的溝槽深度，隨在該點(diǎn)處的所述結(jié)構(gòu)的寬度、半徑或周長(zhǎng)變化，以致該絕緣結(jié)構(gòu)的所有橫向斷面的周邊長(zhǎng)度沿其長(zhǎng)度基本上是恒定的。可選地，可以選擇受控變化的周邊長(zhǎng)度。
溝槽外形可以是任何合適的形狀，例如，包括正弦曲線或直邊鋸齒形。
對(duì)于三維圖案形態(tài)，優(yōu)選地，絕緣結(jié)構(gòu)表面形成有突起和/或凹槽，并且優(yōu)選地包括一般為細(xì)長(zhǎng)形的結(jié)構(gòu)，該細(xì)長(zhǎng)形的結(jié)構(gòu)優(yōu)選地具有帶一列突起或凹槽的表面優(yōu)選的幾何斷面為球形的、橢球形的、拋物線體的、雙曲線體的、圓錐體的或其他對(duì)稱的形狀。突起或凹槽的形狀可以是這樣的，以致絕緣結(jié)構(gòu)的每單位軸向長(zhǎng)度的表面積沿其長(zhǎng)度基本上是恒定的。可選地，可以選擇受控變化的表面積。


現(xiàn)在僅通過(guò)示例參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的絕緣子的一部分的視圖(局部剖視)；圖2是圖1現(xiàn)有技術(shù)的絕緣子的平面視圖；圖3是按照本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的絕緣子的一部分的視圖(局部剖視)；圖4是圖3的絕緣子的平面視圖；圖5是用于圖3和4所示的絕緣子的柄的簡(jiǎn)要橫斷面示意圖；圖6是表示圖3到5中的絕緣子溝槽深度隨絕緣子半徑的變化圖；圖7是按照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的絕緣子的側(cè)視圖；圖8是經(jīng)過(guò)圖7絕緣子的球形幾何體的表面突起的斷面圖；圖9是圖7絕緣子表面突起的平面視圖；圖10是經(jīng)過(guò)圖7絕緣子的半橢球幾何體的表面突起的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖的圖3和4，按照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的絕緣結(jié)構(gòu)10，包括一個(gè)柄12和一個(gè)或多個(gè)傘部14。柄12和傘部14的絕緣表面都是縱向開(kāi)溝槽，如圖所示。溝槽外形的設(shè)計(jì)可以包含任意數(shù)目的基本形狀。一種合適的形狀是正弦曲線，如圖5所示，它在一些情況中可以認(rèn)為是優(yōu)越于例如直邊鋸齒形溝槽。直邊鋸齒形溝槽的尖銳邊會(huì)引起大數(shù)值的徑向電場(chǎng)和可能的放電活動(dòng)。然而，可以設(shè)想，包括鋸齒在內(nèi)的許多不同形狀的溝槽外形。本說(shuō)明書(shū)在這個(gè)方面沒(méi)有限制。
尺寸被適當(dāng)確定的絕緣表面的縱向溝槽(對(duì)于沿該結(jié)構(gòu)的所有橫向斷面，實(shí)現(xiàn)基本上恒定的周長(zhǎng))，導(dǎo)致一個(gè)基本上恒定周長(zhǎng)的表面輪廓。在包括傘部在內(nèi)的該絕緣結(jié)構(gòu)表面上所有點(diǎn)處，對(duì)于均勻電導(dǎo)率的污染層，該恒定周長(zhǎng)的表面輪廓提供一個(gè)基本上恒定的漏電流密度和基本上恒定的電場(chǎng)。由于I，σ和T的大小隨環(huán)境條件變化，P的最佳控制能夠通過(guò)使輪廓周長(zhǎng)S保持在一個(gè)基本上恒定的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，表面層加熱速率盡可能地保持接近恒定，因而防止或至少延遲干燥帶的形成，而不會(huì)有害地影響爬電長(zhǎng)度。
在圖5所示的正弦曲線溝槽形狀中最佳設(shè)計(jì)要求是選擇溝槽波幅h的數(shù)值。對(duì)于沿絕緣結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的所有半徑r數(shù)值，波幅h將保持恒定的周邊長(zhǎng)度S。在這種情況下，h隨r的變化能夠通過(guò)估計(jì)合適的第二類橢圓積分來(lái)計(jì)算。圖6示出對(duì)于一個(gè)絕緣柄/傘部結(jié)構(gòu)，例如傘部的外半徑是85mm和柄的內(nèi)半徑是20mm，將如何設(shè)計(jì)可變化的溝槽深度。外半徑將確定周邊長(zhǎng)度，周邊長(zhǎng)度等于周長(zhǎng)S＝2π·85mm＝534mm。溝數(shù)目N可以選擇，以限定一個(gè)合適的最大溝槽深度H。一般地，半徑r越大，溝槽波幅h(max)越小。
參照附圖的圖7，按照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的絕緣結(jié)構(gòu)200，包括一個(gè)柄202和一個(gè)或多個(gè)傘部204。柄202和傘部204的絕緣表面都形成有一列突起或凹槽，如圖所示。突起或凹槽能夠是任何數(shù)目的基本形狀。一個(gè)合適的形狀是部分球形的，如圖8所示，它表示出由半徑為b的一部分球所形成的高度為c的一個(gè)突起，在平面視圖中它形成半徑為a的突起。
在這種情況下a2＝c(2b-c)突起的表面積是A(p)＝2πbc如果圖9現(xiàn)在代表這種形狀的三個(gè)相鄰的突起，那么突起的存在將增加邊長(zhǎng)2a的基本三角形平表面的表面積，三角形平表面的表面積A(t)＝a2到下式的數(shù)值A(chǔ)(p，t)＝A(p)/2+A(t)-πa2/2＝a2[πr/(2b-c)+-π/2]由于球形突起的存在，表面積增加一個(gè)因子，該因子由下列比來(lái)限定A(p，t)/A(t)＝1+πc/[2(2b-c)]
由于部分球形突起，使得該表面積能夠增加一個(gè)因子。該因子的范圍為1到1.907，對(duì)應(yīng)于突起高度c與球半徑r之比選擇在范圍0＜c/r＜1內(nèi)。其中，半球形突起將有的c/r值為1。在這種情況下，面積比的限制值[A(p，t)/A(t)](半球形)＝1+π/2顯然與突起的半徑b無(wú)關(guān)，并且接近于由半球形面積與圓形面積之比給出的限制值2。這個(gè)限制值能夠用具有下列半徑的附加間隙的半球形突起更接近地逼近，該半徑為a＝b[2-1]它將面積比增加到1.97。選擇突起的數(shù)目以便限定半徑b的合適范圍。
更高的因子可通過(guò)的其他幾何形狀的突起來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于半橢球形突起，如圖10所示，它的長(zhǎng)軸y垂直于絕緣結(jié)構(gòu)的表面，它的短軸x處在該表面上，突起的表面積是[A(p)(半橢球形)＝π[x2+(xy/e)(sin-1e)]式中橢球的偏心率是e=(1-x2/y2)]]>例如，y＝2x的半橢球形突起具有表面積3.42πx2，與半球形突起的值為2相比，它給出了一個(gè)增加值的表面積因子3.42。在這種情況下，選擇突起的數(shù)目以限定半徑x和偏心率e的合適范圍。
適當(dāng)?shù)卮_定絕緣表面的帶有突起和/或凹槽的三維圖案形態(tài)的尺寸，以實(shí)現(xiàn)沿該結(jié)構(gòu)的恒定的或受控變化的表面積，這將在絕緣結(jié)構(gòu)的所有點(diǎn)上為均勻電導(dǎo)率的污染層，提供一個(gè)基本上恒定的或受控變化的漏電流密度和表面電場(chǎng)。它還將有重要的優(yōu)點(diǎn)，即增加絕緣結(jié)構(gòu)的縱向表面(爬電)長(zhǎng)度，而不增加該結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度。
本發(fā)明能夠適用于所有絕緣材料，但特別適合于可以使用模制、擠壓和加工技術(shù)的聚合材料制造。它同樣與絕緣子、套管和罩的目前的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、防霧設(shè)計(jì)或螺旋設(shè)計(jì)相容。對(duì)于帶有半導(dǎo)體釉或表面處理的絕緣結(jié)構(gòu)，可以使用二維或三維圖案形態(tài)，以提供一個(gè)受到控制的電場(chǎng)分布。
也可以設(shè)想具有部分圖案形態(tài)的絕緣結(jié)構(gòu)，通過(guò)保護(hù)絕緣結(jié)構(gòu)的特殊區(qū)域(例如柄)，來(lái)簡(jiǎn)化絕緣結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。
雖然觀察到的海洋和內(nèi)陸污染通常引起一個(gè)均勻的污染層，但是一般說(shuō)來(lái)，表面污染的電導(dǎo)率將是不均勻的，這是由于其特性和潮濕狀況的變化。然而，即使在不均勻的情況下，按照本發(fā)明增加的絕緣結(jié)構(gòu)的表面周長(zhǎng)，將基本上抑制完整的干燥帶的建立，因?yàn)樗婕暗妮^大表面積促使干燥的污染區(qū)域重新濕潤(rùn)。這樣，初始干燥帶的跨接(bridging)將至少抑制局部起弧活動(dòng)。
使用合適的圖案形態(tài)，還將增加絕緣結(jié)構(gòu)的表面爬電長(zhǎng)度的數(shù)值，因?yàn)樵黾拥目v向表面路徑長(zhǎng)度。這個(gè)增加在使絕緣結(jié)構(gòu)尺寸減小或在改善絕緣結(jié)構(gòu)的使用性能方面將是有益的。
如果圖案形態(tài)被設(shè)計(jì)成具有足夠小的尺寸，那么該表面能夠具有由表面張力效應(yīng)引起的防水性能。這將幫助阻止與聚合材料的天然疏水性有關(guān)聯(lián)的表面濕潤(rùn)。
本發(fā)明的實(shí)施例已經(jīng)在上面參照附圖加以說(shuō)明。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，顯然，在不離開(kāi)本發(fā)明的范圍的情況下能夠?qū)λ鰧?shí)施例做修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種絕緣結(jié)構(gòu)，其包括一個(gè)表面，所述表面的至少一部分具有圖案形態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中，所述圖案形態(tài)是二維的。
3.如權(quán)利要求2所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中，所述絕緣結(jié)構(gòu)的寬度、半徑或周長(zhǎng)沿所述絕緣結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度是不均勻的。
4.如權(quán)利要求2或3所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中，所述圖案形態(tài)中刻有溝槽。
5.如權(quán)利要求3所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述絕緣結(jié)構(gòu)是細(xì)長(zhǎng)形的且刻有縱向的溝槽。
6.如權(quán)利要求4或5所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)的任何點(diǎn)上的溝槽深度，隨所述結(jié)構(gòu)的寬度、半徑或周長(zhǎng)而變化。
7.如權(quán)利要求6所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述絕緣結(jié)構(gòu)的所有橫向斷面的周邊長(zhǎng)度，沿該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度基本上是恒定的。
8.如權(quán)利要求4所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述溝槽具有正弦曲線或鋸齒的形狀。
9.如權(quán)利要求1所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述圖案形態(tài)是三維的。
10.如權(quán)利要求9所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述絕緣結(jié)構(gòu)形成有一列突起。
11.如權(quán)利要求9或10所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述絕緣結(jié)構(gòu)形成有一列凹槽。
12.如權(quán)利要求9至11的任何一項(xiàng)所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述突起和/或凹槽具有球形的、橢球形的、拋物線體的、雙曲線體的、圓錐體的或其它對(duì)稱形狀的幾何斷面。
13.如權(quán)利要求9至12的任何一項(xiàng)所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述突起和/或凹槽的形狀是這樣的，即所述絕緣結(jié)構(gòu)的表面積沿所述絕緣結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度基本上是恒定的。
14.如權(quán)利要求9至12的任何一項(xiàng)所述的絕緣結(jié)構(gòu)，其中所述突起和/或凹槽的形狀是這樣的，即所述絕緣結(jié)構(gòu)的表面積受到控制，以沿所述絕緣結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度產(chǎn)生一個(gè)限定的變化。
全文摘要
一種電絕緣子(10)，它包括細(xì)長(zhǎng)柄(12)和沿柄(12)的長(zhǎng)度設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)傘(14)。絕緣子的表面包括縱向延伸的溝槽，溝槽深度沿絕緣子的長(zhǎng)度變化，以致沿絕緣子長(zhǎng)度的所有橫向截面的周向距離是基本上相等的且受到控制。除溝槽外，該表面可以形成有一列突起和/或凹槽。因此，絕緣子沿其長(zhǎng)度提供限定的周邊和表面區(qū)域，以致優(yōu)選地表面區(qū)域不被表面電流加熱而形成干燥帶并因此起弧。這樣的形狀還使絕緣子不易發(fā)生表面污染的退化效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01B17/50GK1868007SQ200480030260
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月18日
發(fā)明者R·沃特斯, A·哈達(dá)德 申請(qǐng)人:加的夫大學(xué)學(xué)院咨詢有限公司