(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(43)申请公布日(21)申请号8.X(22)申请日2020.12.22(30)优先权数据19220097.02019.12.30EP(85)PCT国际申请进入国家阶段日2022.06.21(86)PCT国际申请的申请数据PCT/EP2020/0876752020.12.22(87)PCT国际申请的公布数据WO2021/136730EN2021.07.08(71)申请人日立能源瑞士股份公司地址瑞士巴登(72)发明人(74)专利代理机构北京市汉坤律师事务所11602专利代理师王其文张涛(51)Int.Cl.H01B17/28(2006.01)B33Y80/00(2006.01)H01G4/32(2006.01)H02G15/072(2006.01)(54)发明名称电容式套管(57)摘要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)的在允许电压下不导电的材料中、并且被布置在沿着限定轴向方向的轴线)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所述电容器芯的具有轴向长度L区段，其特征是，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L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。权利要求书2页说明书6页附图6页CN1152804331.一种电容式套管，所述电容式套管包括电容器芯(1)和导电的场分级层(3)，所述导电的场分级层(3)嵌入在所述电容器芯(1)的在允许电压下不导电的材料中并且被布置在用于沿着限定轴向方向的轴线)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在允许电压下不导电的材料形成轴向长度L的所述电容器芯的区段，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L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，并且其中所述场分级层(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，其特征是，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。2.依据权利要求1所述的电容式套管，其中，平均边缘场应力水平被限定为区段的电压，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δ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C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。3.依据权利要求2所述的电容式套管，其中，的绝对值比绝对值小至少20％，其中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。4.根据前述权利要求中任一项所述的电容式套管，其中，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。5.根据前述权利要求中任一项所述的电容式套管，其中，最内场分级层和/或最外场分级层是圆筒形的。6.根据前述权利要求中任一项所述的电容式套管，其中，由所述场分级层(3)形成的所有区段的电容是相等的。7.根据前述权利要求中任一项所述的电容式套管，其中，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所述的电容式套管，其中，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，优选地等于至少五个层厚度。9.根据前述权利要求中任一项所述的电容式套管，其中，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。10.根据前述权利要求中任一项所述的电容式套管，其中，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CN115280433在允许电压下不导电的材料的厚度大于所述场分级层(3)的边缘之间的中点与所述电容器芯(1)的外表面之间的在允许电压下不导电的材料的厚度。11.使用增材制造方法来制造根据前述权利要求中任一项所述的电容式套管的用途。CN115280433电容式套管技术领域[0001]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[0002]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。[0003]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U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C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，通常能应用任意数量n个的区段。[0004]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[0005]WO1980000762A1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 085966 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 CN115280433 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。控制板可具有与树脂铸件中的通道的端部对齐的孔， 从而能够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，涉及使用增材制作的完整过程来形成制品，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，应用聚合物在允许电压下不导电的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。 [0006] 要待解决的主体问题是降低电容式套管的直径。 [0007] 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。这种连接部的结构较为复杂，在制造中容易出错，并且产生相比来说较高的电感。 [0008] 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作的完整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。 发明内容 [0009] 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δ 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δ ’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U ’的比率。这在某种程度上预示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，这在某种程度上预示着 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。为了尽最大可能避免这 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U 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δ ’，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δ 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，这在某种程度上预示着设计具有相对大的δ ’，并且因此套管的总体直径相对较大。[0010] 使用增材制造技术，其中形成电容器芯的在允许电压下不导电的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 CN115280433