專利名稱：電容器元件、制造電容器元件的方法和電力電容器的使用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及電容器元件或交流高電壓的電力電容器， 其中，電容器元件包括多個(gè)串聯(lián)連接的圓柱形子元件，每個(gè)子元件由至少 兩個(gè)被纏繞成多匝的電介質(zhì)材料的條帶形成，其中導(dǎo)電材料層被置于線團(tuán) 的匝之間，且其中子元件被布置成一個(gè)在另一個(gè)的外面，如沿條帶面的橫 截面方向所看到的。
根據(jù)本發(fā)明的第二和第三方面，本發(fā)明分別涉及用于交流高電壓的電 力電容器和電容器電池。
根據(jù)第四方面，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)用于電力電容器的、包括多個(gè)串 聯(lián)連接的圓柱形子元件的電容器元件的方法，通過將至少兩個(gè)電介質(zhì)材料 條帶纏繞成多匝而形成每個(gè)子元件，其中一個(gè)導(dǎo)電材料層被置于所述匝之 間，且其中子元件被布置成一個(gè)在另一個(gè)的外面，如沿條帶面的橫截面方 向所看到的。
根據(jù)第五方面，本發(fā)明涉及所發(fā)明電容器的使用。
背景技術(shù)：
在電力電容器中使用電容器元件是已知的，其中電容器元件由通過薄
膜電介質(zhì)材料的條帶緊密地纏繞成的箍(ho叩)構(gòu)成，其中條帶具有祐:施 加到該條帶一側(cè)或兩側(cè)的金屬層。電容器元件可以具有圓柱形狀。
把這種電容器元件劃分成若干子元件和使這些元件串聯(lián)耦合也是已 知的。子元件圍繞彼此同心地布置， 一個(gè)在另一個(gè)的外面。子元件的數(shù)目 通常為奇數(shù)。子元件被纏繞成使得它們具有相同的電容。所描述的這種電
容器元件在例如WO 01/52284、 WO 01/52285、 WO 01/52286和WO 01/54151中有更具體的描述。電容器元件被非常緊密地纏繞，使得可以避 免在線圏的匝之間的氣隙。這種匪的緊密纏繞意味著已被疊置的綁匝 (binding turns )在纏繞繼續(xù)時(shí)將進(jìn)一步被壓縮。該線圏的最外匝不會(huì)受 到多個(gè)位于外面的匝向里施加的力。所以，電容器元件包括非常緊密纏繞的膜和多個(gè)最外面的匝，其中雖然膜緊密地纏繞，但不完全具有與位于里 面的膜相同的緊密度。
當(dāng)電容器元件包括子元件時(shí)，最外面子元件的外面部分因此將比該最 外面子元件的里面部分纏繞得更+>弛，也比位于內(nèi)部的子元件纏繞得更木> 弛。實(shí)際上，關(guān)于這些后面提到的子元件，所施加的纏繞壓力相對(duì)恒定。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些不太緊密地纏繞的最外面的匝具有比電容器元件的其
余部分更差的電性能。因此，線團(tuán)的這些外面的匝將限制可能的電^h質(zhì)脅 變。因?yàn)椴牧舷呐c電介質(zhì)脅變的平方成反比，因此這對(duì)于電容器元件的 經(jīng)^H吏用具有負(fù)面影響。
本發(fā)明的目的是提供一種克服以上問題的電容器元件。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該目的是通過為相關(guān)的這種電容器元件提供 用于形成最外面的子元件條帶的特殊特性而達(dá)到的，其中最外面的子元件 條帶比每個(gè)位于內(nèi)部的子元件中的每個(gè)條帶更長。
作為將最外面子元件纏繞成具有較長纏繞長度的結(jié)果，該子元件的電 容將相應(yīng)地大于其余子元件的電容。因?yàn)樽杩古c電容成反比，所以阻抗將 減小到相應(yīng)的程度。由此，電介質(zhì)應(yīng)力在外部子元件上較低，這使得電容 器元件能夠被完全最優(yōu)化，以使得外部子元件和位于內(nèi)部的子元件在它們 所能承受的負(fù)荷方面具有基本上相同的容限。電容器元件的總電容將會(huì)多 少更高些，其體積/材料也是這樣。這提供了顯著的優(yōu)點(diǎn)使得電容器元 件能夠被加載更高的電壓，由此產(chǎn)生更大的容性功率。
根據(jù)本發(fā)明電容器元件的優(yōu)選實(shí)施例，在置于最外面的子元件中的條 帶長度將是最靠近的位于里面的子元件的條帶長度的110%到120%。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，導(dǎo)電材料層以涂敷的形式施加到條 帶的至少一側(cè)。
該技術(shù)方案對(duì)于在所涉及的那種電容器元件方面的技術(shù)是已知的，在 電容器元件的安4^合(safe-healing)能力方面具有有利的特性，在制造 方面也是成本有效的結(jié)構(gòu)。由這種電容器線圏提供的好處在應(yīng)用本發(fā)明時(shí) 是特別有價(jià)值的。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，每個(gè)子元件包括被纏繞成多匝的兩個(gè)不同的條帶，利用這些條帶，每個(gè)交替的線圏匝由一個(gè)條帶形成，每個(gè) 另 一個(gè)交替的線圏匝由另 一個(gè)條帶形成。
兩個(gè)條帶被涂敷以導(dǎo)電材料的實(shí)施例使得涂敷圖案在所使用的條帶 之間不同，這是實(shí)現(xiàn)電容器元件的所謂"內(nèi)部串^合"的一種方式。內(nèi) 部串聯(lián)耦合在技術(shù)上是已知的。這種過程的使用結(jié)合本發(fā)明的基4MlL念的 益處是使得內(nèi)部串聯(lián)耦合能夠被極高程度地利用。
上述所列的本發(fā)明電容器元件的有益實(shí)施例在從屬于權(quán)利要求1的 權(quán)利要求中闡述。
包括根據(jù)本發(fā)明的電容器元件的電力電容器和包括這種電力電容器 的電容器電池提供了對(duì)于本發(fā)明電容器元件的對(duì)應(yīng)于以上給出的那些種 益處的益處。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，本發(fā)明的目的還借助于在制造電容器元件時(shí) 所涉及的那種方法、借助于包括特定測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)的，在包括特定測(cè)量 的方法中，最外面的子元件由比用來纏繞每個(gè)位于里面的子元件的條帶長 的條帶進(jìn)行纏繞。
本發(fā)明方法提供對(duì)于本發(fā)明電容器元件的對(duì)應(yīng)于以上給出的那些種 益處的益處。
本發(fā)明方法的有益實(shí)施例在從屬于權(quán)利要求7的權(quán)利要求中闡述。這 些實(shí)施例提供與以上對(duì)于本發(fā)明的電容器元件的優(yōu)選實(shí)施例所提到的那 些益處相同的益處。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，本發(fā)明的電力電容器提供的益處在電力系統(tǒng) 中被利用。
存在本發(fā)明的電力電容器可被用于電力系統(tǒng)的許多應(yīng)用，例如
-用于在耗電設(shè)備中產(chǎn)生無功功率，
-用于把有功功率或無功功率傳送到直流網(wǎng)或交流網(wǎng)，
-作為用于經(jīng)過電力線來傳輸高頻信號(hào)的耦合電容器，
-作為電容式電壓互感器中的電容式分壓器，
-作為在電壓剛性(stiff)靜態(tài)換流器或電流剛性靜態(tài)換流器中的部
件，
-作為在交流濾波器中的部件，以及-作為在串聯(lián)補(bǔ)償電容器設(shè)備中的部件，當(dāng)然不限于這些應(yīng)用。
現(xiàn)在參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，以及還參照附圖的圖形更詳細(xì)地描述 本發(fā)明。


圖l是根據(jù)本發(fā)明的電容器元件的縱向截面圖2示出了兩個(gè)互相連接的圖l所示的電容器元件；
圖3是圖1所示的圖的一部分的放大的徑向截面圖4是對(duì)應(yīng)于圖3的截面圖，但示出了可替選的實(shí)施例；
圖5是對(duì)應(yīng)于圖3的截面圖，但示出了另一個(gè)可替選的實(shí)施例；
圖6是本發(fā)明電容器的第一實(shí)施例的透視圖7是根據(jù)本發(fā)明的電容器電池的側(cè)視圖8示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的制造步驟。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的圓柱形電容器元件。電容器元件被劃分成關(guān) 于由A表示的公共軸同心的三個(gè)子元件101、 102、 103。最外面的子元件 101基本上為筒形，其具有圍繞中間子元件102的內(nèi)表面104，該內(nèi)表面 104與中間子元件102呈稍微隔開的關(guān)系。同樣地，該中間子元件具有緊 密地圍繞最里面的子元件103的內(nèi)表面105。該最里面的子元件103包括 中央通過通道106。
每個(gè)子元件IOI、 102、 103包括緊密纏繞的、涂敷以金屬的聚合物薄 膜條帶。這些條帶的長度對(duì)于兩個(gè)最里面的子元件102、 103來說通常是 相同的，而用于纏繞最外面的子元件101的條帶比其它條帶約長15%。 在子元件之間提供有絕緣件107。
在圖1所示的電容器元件的可替選的實(shí)施例中，每個(gè)子元件的線圏由 兩個(gè)相互為不同設(shè)計(jì)的條帶構(gòu)成。
這些子元件被串聯(lián)耦合。兩個(gè)徑向相鄰的子元件中的每個(gè)在相對(duì)于彼 此的同一端具有相應(yīng)的耦合點(diǎn)。從而，最外面的子元件101借助于在電容器元件1的一端的耦合器件110與中間子元件102連接，中間子元件103 在電容器元件l的另一端被連接。這樣，在所述元件的各端得到電容器元 件連接部件112、 113。
如果子元件的數(shù)目大于3，例如是5個(gè)或7個(gè)，則子元件各端的耦合 點(diǎn)以與上勤目同的方式被交替地連接。
圖2示出了多個(gè)圖l所示的那種電容器元件相互串聯(lián)連接的方式。該 圖示出了兩個(gè)這種電容器元件la、 lb。下方電容器元件lb的內(nèi)部子元件 103的上端連接部件112被耦合到上方電容器元件la的外部子元件101 的下端連接部件113。絕緣材料114被放置在電容器元件之間，以克服這 種電容器元件產(chǎn)生的電位差。
圖3示出了才艮據(jù)所述可替選實(shí)施例的、通過圖1的一個(gè)子元件的放大 的徑向局部截面。該局部截面示出了相鄰的兩匝金屬涂歉度。各膜8a和 8b的厚度約為10nm，其材料是聚丙烯。金屬層9a、 9b具有納米量級(jí)的 厚度，由鋁或鋅或其混合物組成，金屬層在條帶巻起之前被氣相沉積在聚 丙烯膜上。利用這種金屬化膜可以在交流情況下達(dá)到大約80V/nm大小的 電應(yīng)力E。用這種方式生產(chǎn)電容器元件的技術(shù)在本領(lǐng)^A已知的，這使得 不必要更詳細(xì)地描述這種技術(shù)。使用金屬化膜具有自愈的好處，其具有比 在薄膜(filmfoil)技術(shù)的情況下更高的電應(yīng)力和更高的能量密度。
金屬層從塑料膜的一側(cè)邊緣直到距離塑料膜的另一側(cè)邊緣的短距離 處覆蓋該塑料膜。因此，膜8a的邊緣區(qū)域或邊界區(qū)域16a沒有金屬涂層。 相應(yīng)地，膜8b的邊界區(qū)域16b也沒有金屬涂層。然而，膜8b的自由邊 界區(qū)域16b位于膜8a的自由邊界區(qū)域的相對(duì)端邊緣。如圖所示，層9a 的電連接部件在元件的上端，層9b的電連接部件在元件的下端，以便得 到一個(gè)方向上的正電極和相反方向上的負(fù)電極。可以在末端部分噴涂鋅， 以提供有效的電接觸。
在根據(jù)圖4的修改的實(shí)施例的情況下，電容器元件包括所謂的"內(nèi)部 串^合"。在這種情況下，每個(gè)塑料膜8a、 8b上的金屬層9a、 9b被分 別劃分成分別被非涂敷部分17a和17b隔開的兩個(gè)部分9a，、9a"以及9b，、 9b"。也可以把金屬層劃分成兩個(gè)以上的部分。每對(duì)金屬層部分，例如9a， 和9b，，形成串聯(lián)連接的電容器子元件。
圖5示出了修改的實(shí)施例的一種變形，其中，僅在一個(gè)塑料膜8a上 的金屬層9a被劃分成由非涂敷部分17a隔開的兩個(gè)部分9a，、 9a"，而在另一個(gè)塑料膜8b上的金屬層9b不被劃分。每個(gè)部分9a，和9a"完全延伸 到膜8a的邊緣，在這種情況下，使得在同一個(gè)膜8a上發(fā)生電連接。在上 部塑料膜上的金屬層9b終結(jié)在膜的兩側(cè)，未達(dá)到如16a、 16b所指示的膜 的邊緣，因此在任何方向上都沒有被電連接。
圖6示出了由根據(jù)本發(fā)明的電容器元件構(gòu)建的電力電容器2的設(shè)計(jì)實(shí) 例。在所示情況下，該電力電容器由裝有4個(gè)電容器元件la-ld的外部聚 乙烯容器7構(gòu)成。容器7以及電容器元件la-ld都是圓柱形狀。電容器元 件la-ld串聯(lián)連接。連接端子3、 4被提供于電容器的每一端。每個(gè)端子 由導(dǎo)電片構(gòu)成，其被固定在容器材料中，并延伸通過該容器材料。每個(gè)電 容器元件1可以被提供有用于冷卻目的的軸向通孔6。
圖7示出了多個(gè)具有圓柱形容器2的電力電容器如何相互連接而形成 電容器電池12。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8描述一種生產(chǎn)才艮據(jù)本發(fā)明的電容器元件的方法，圖8 示意性地示出了適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)i殳備。
在所示情況下，電容器元件的每個(gè)子元件由涂敷以金屬的兩個(gè)不同的 聚合物膜條帶41、 42構(gòu)成。在所示實(shí)例中，電容器元件是這種元件其 中一個(gè)條帶41的膜在除了其邊緣的整個(gè)表面上被涂敷以金屬層，而另一 個(gè)條帶的金屬層被劃分成中間具有非涂敷區(qū)域34的兩個(gè)平行的層35、36。 生產(chǎn)設(shè)備包括第一可旋轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)軸29，條帶40被巻在該存儲(chǔ)軸上，以 形成電容器元件30;以及兩個(gè)相互鄰接的導(dǎo)輥32。在產(chǎn)生電容器元件30 的過程中，條帶巻41放置在軸25上，條帶巻42放置在軸27上。條帶 41、 42移動(dòng)到導(dǎo)輥32，在導(dǎo)輥32處條帶41、 42被結(jié)合以形成合成條帶 40。合成條帶40被纏繞在存儲(chǔ)軸29上，使得第一條帶41形成內(nèi)匝，第 二條帶42形成外匝，換句話說，將使得第一膜的涂lt^面面向存儲(chǔ)軸29， 第二膜的非涂lt^面面向電容器元件30的圓筒表面。
在電容器元件中的每個(gè)子元件都以這種方式纏繞。用于最外面子元件 的條帶比用于其余子元件的條帶約長15%。以與^f吏用典型電容器的相應(yīng) 的方式在不同的電系統(tǒng)中使用本發(fā)明的電容器，因此這種應(yīng)用的更具體的 描述被認(rèn)為是不必要的。在這點(diǎn)上，例如參照WO 01/54152，其中描述和 說明了電力電容器的不同應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于交流高電壓的電力電容器的電容器元件(1)，其中電容器元件(1)包括多個(gè)串聯(lián)連接的圓柱形子元件(101，102，103)，每個(gè)子元件(101，102，103)包括至少兩個(gè)被纏繞成多匝以提供線圈的電介質(zhì)材料條帶(8a，8b)，其中導(dǎo)電材料層(9a，9b)被置于所述線圈的匝之間，其中子元件(101，102，103)被布置成一個(gè)在另一個(gè)的外面，正如沿條帶面的橫截面方向所看到的，其特征在于在最外面的子元件(101)中的條帶比在每個(gè)位于里面的子元件(102，103)中的每個(gè)條帶更長。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的電容器元件，其特征在于最外面的子元件(101) 中的每個(gè)條帶的長度是最靠近的位于里面的子元件(102)中的每個(gè)條帶 長度的110%到120%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的電容器元件，其特征在于導(dǎo)電材料層以 涂敷(9a， 9b)的形式被布置在每個(gè)條帶的至少一側(cè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的電容器元件，其特征在于每個(gè)子元件(101， 102， 103)包括被纏繞成多匝的兩個(gè)相互不同的條帶(8a, 8b),其中每 個(gè)交替的線圏匝由一個(gè)條帶(8a)形成，每個(gè)另一個(gè)交替的線圏匝由另一 個(gè)條帶(8b)形成。
5. —種用于交流高電壓的電力電容器(2),其特征在于所述電力 電容器包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1-4的任一項(xiàng)的電容器元件(la-ld)，所 述電容器元件(la-ld)沿在圓柱形子元件的軸向延伸的公共軸被布置成 并置關(guān)系。
6. —種電容器電池(7)，其特征在于所述電池包括至少一個(gè)^l據(jù) 權(quán)利要求5的電力電容器(2)。
7. —種制造用于電力電容器的電容器元件的方法，其中電容器元件 包括多個(gè)串聯(lián)連接的圓柱形子元件，其中每個(gè)子元件是通過將至少兩個(gè)電介質(zhì)材料的條帶纏繞成多匝以形成線圏而形成的，其中導(dǎo)電材料層被置于 線圏的匝之間，子元件被布置成一個(gè)在另一個(gè)的外面，如沿條帶面的橫截 面方向所看到的，其特征在于利用比用于纏繞每個(gè)位于里面的子元件的 條帶更長的條帶來纏繞最外面的子元件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于利用長度是用于纏繞最靠 近的位于里面的子元件的條帶長度的110%到120%的條帶來纏繞最外面的子元件。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其特征在于通過在纏繞所述條帶 之前，用導(dǎo)電材料涂層涂敷每個(gè)電介質(zhì)材料條帶的至少一側(cè)而施加導(dǎo)電材 料層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于通過同時(shí)纏繞兩個(gè)不同的 電介質(zhì)材料條帶而形成每個(gè)子元件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5的、作為電力系統(tǒng)的部件的電力電容器的使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電力電容器的電容器元件(1)。電容器元件包括多個(gè)串聯(lián)連接的圓柱形子元件(101，102和103)。每個(gè)子元件(101，102和103)包括至少兩個(gè)纏繞成多匝的電介質(zhì)材料條帶。導(dǎo)電材料層被置于線圈的匝之間。子元件被布置成一個(gè)在另一個(gè)的外面，如沿條帶面的橫截面方向所看到的。根據(jù)本發(fā)明，最外面的子元件(101)中的條帶長于在每個(gè)位于里面的子元件(102，103)中的條帶。本發(fā)明還涉及配備有根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)電容器元件的電力電容器和配備有根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)電力電容器的電容器電池。本發(fā)明還涉及制造本發(fā)明的電容器元件的方法和本發(fā)明的電力電容器的使用。
文檔編號(hào)H01G4/38GK101300650SQ200680041268
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月7日
發(fā)明者埃斯比約恩·埃里克森 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司