CN105745799B - 蘑菇型高压电极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压电极布置。本发明的高压电极布置包括穹顶状顶部(10)、环形底部(11)，以及用于连接顶部(10)和底部(11)的中间部(12)，所述中间部(12)包括用于收容要互连的高压设备的引导槽(13)。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压电极布置。
背景技术
除其他参数之外，高压装置和高压站的绝缘设计由开关脉冲承受等级和漏电距离(creepage distance)要求来确定。高压传输等级的增加已经产生了开关承受要求的提升。为了减小电极表面应力并且改进电压承受能力，具有大曲率半径的电极广泛地使用在高压装置、母线端子和互连中。这些电极应提供无电晕点，并且也根据站电压等级实现击穿要求。从绝缘观点，在介电气体中的电极最重要的电气特性是电晕放电的初始以及击穿电压特性。电晕放电是靠近高应力电极的自持局部放电。对于户内条件，电极形状和间隔长度应该如此确定，使得在最大操作电压下将不发生电晕放电。电晕放电的初始电压由气隙几何形状以及大气条件决定，大气条件例如密度和湿度。
电晕放电随着所应用电压的增加进一步的发展将导致气隙击穿。对于外绝缘设计，电极形状和间隔长度应如此确定，使得在过压情况下将不发生间隔击穿。气隙击穿将从电晕初始开始，并且然后进行更强的放电活动的进一步发展。
球形电极用于例如高压直流(HVDC)阀场中，用于互连各种电器设备，例如汇流条、变压器和阀、汇流条和套管、以及支承绝缘体。这类球形电极的直径取决于在绝缘协调要求(即与能够出现在设备预计所用***上的电压相关的设备的电气强度要求)所确定的电极互连点处要处理的最大电压。这种球形电极的目的在于在互连点处提供更温和电场，并且防止诸如电晕放电的电气应力以及气隙击穿。
阀场中电气设备的间隔距离的计算基于开关脉冲承受电压要求，即所应用的、绝缘介质在开关脉冲操作时应该能够承受的过电压。间隔距离取决于由电极所提供的所谓的间隙因子(该布置在一定距离处的击穿电压与点面布置在相同间隙距离处的击穿电压的关系)以及击穿介质(绝缘体或者空气)。如果该电极能够提供高的开关脉冲承受电压，那么将实现绝缘要求的间隔距离将小于较低开关脉冲承受等级能力的电极所计算的间隔距离。
电气设备对地面的绝缘距离主要由柱状绝缘体和顶部电极的组合和/或柱状绝缘体、底座绝缘体和顶部电极的组合来形成。因此，球形/冠状电极通常布置在一个或多个垂直布置的柱状绝缘体顶部。可能地，柱状绝缘体布置在基座绝缘体顶部，该基座绝缘体布置在阀场的地板上。使用球形电极的现场测试已经示出，为了实现如在800kV DC的高压下对于户内状态的绝缘要求，该柱状绝缘体的长度应该为八米或更大，并且所使用的基座绝缘体应该至少为2.4米，暗示了球形电极布置在阀场中10.4米的高度处。
当HVDC操作电压已增加时，绝缘要求日益更加苛刻。为了能够满足绝缘要求，无电晕电极(corona free electrode)(例如，球形电极)的直径已增加。对于阀场中的互连，初始项目的球形电极使用1.3米直径，并且目前800kV DC项目使用1.8米直径或者更大直径的球形电极。随着绝缘要求的增加，该站中所使用的电极直径和柱状绝缘体的长度已增加。
然而，电极直径的增加既不与间隙因子的增加直接成比例，也不与电极承受电压的增加成比例。另外，击穿电压与基座和柱状绝缘体的整个长度的关系不是线性的，并且因此柱状绝缘体长度的增加将不直接增加该结构的击穿电压能力。实验和理论研究已示出球形电极的击穿电压和间隙距离之间的关系具有饱和的趋势，即，实际上无论高压电极布置在多高处，电极的击穿电压将不会增加超过一定高度。然而，预测这个饱和点是非常困难的，并且对于这种设置的击穿的物理行为是复杂的，并且因此难于建模。
已显示对于具有直径为2米以及绝缘距离15米或更多的球形电极的1100kV DC***的研究，不能实现所要求的最小50％的开关脉冲承受电压。另外，通过增加绝缘长度、到地板的距离或者电极直径来达到间隙饱和，并且不能到达更高的电压。
发明内容
本发明的目的要解决或者至少减轻本领域中的这个问题，并且要提供一种改进的高压电极布置。
该目的根据本发明的一个方面通过高压电极布置来获得，该高压电极布置包括穹顶状顶部、环形底部以及用于连接该顶部和该底部的中间部，所述中间部包括用于收容要互连的高压设备的引导槽。
有利地，采用了穹顶状顶部，例如抵靠结构(该电极布置被布置在其中)(例如阀场)中的顶板的电极顶部处电场的应力被减小，并且在顶部避免了任何不均匀的电场。该电极的穹顶状部分平滑了朝向电极顶部附近的任何物体的等电位线，以这样的方式使得从靠近电极顶部的物体的任何不规则或者干扰将不明显地干扰该电场，避免了电晕的产生。该布置的顶部减小了电场在电极顶部的集中(与其中电场均匀分布在球体周围的球相反)，并且因此小孔或突起的存在将仅对在电极顶部的电场分布有很小的影响。进一步的优点在于底部是环形的，具有足够的内径以平滑对着周围设备(例如，壁或者地面)的电场。将底部以有助于电场线从该布置向壁和地面平滑下降的方式进行设计。整个布置的等电位线均匀分布，避免了电场的集中点。因此，向电极侧面、底部和顶部的应力变得更加均匀，并且不会干扰该电极的静电行为。尽管顶部作为椭圆形示意，但是其他的穹顶状能够被预想。
在高压测试和击穿模拟之后，本发明的电极布置已经示出能够比球形电极承受更高的电压。该电极布置提供了良好的开关脉冲承受电压能力。因此，与球形电极的必须的绝缘长度相比，实现该绝缘要求所需的绝缘长度将是更短。现场测试已经例如示出对于本发明的电极布置为了实现2650kV的击穿耐受电压要求，要求柱状绝缘体的整个长度为6米，并且底座绝缘体的长度为2.4米，从而意味着该电极布置将定位于阀场地板之上的8.4米的高度，这有利地降低了高度。
本发明的电极布置以这种不均匀的电场能够隐藏在其“蘑菇”形配置内部的方式来减小电场，使得周围电气环境将经历准均匀电场。换言之，该电极平滑了电场。由本发明的蘑菇形电极布置所产生的等电位线是椭圆形的。因此，从位于电极顶部或底部的接地物体的观点，不存在明显的电场集中，并且电场将被认为是均匀分布的。整个布置的水平轴线直径大到足以避免电场集中以及避免电晕或击穿的产生，所述水平轴线的所述直径与底部直径一致。整个布置向着侧面的等电位线的形状是抛物面的，其具有足够大的底面半径，防止产生电场向着电极的集中，这种集中可能产生电晕产生和/或电击穿。该电极布置的底部和顶部以这种方式进行附连，使得连接或接合的不规则能够隐藏在电极布置内部，并且将不干扰由该布置的几何形状所生成的电场分布。
有利地，由于本发明的电极布置提供了比本领域中的那些更好的开关脉冲承受电压，因此阀场的间隔距离能够减小，即，阀场的尺寸能够因为要求到壁和地板的距离更短而减小。这在购买土地和阀场建造给出经济上的好处。这还将进一步有利地隐含了由于间隔距离的减小，而需要更少的柱状绝缘体，这进而将导致更稳定的布置，对于例如地震原因是有利的。
减小柱状绝缘体数量进一步具有的优点是：标准型柱状绝缘体能够用于更宽的范围；如果由于更大间隔距离，而使得柱状绝缘体的数量过高，那么它们也必须具有更大的直径，从而为该电极布置提供稳定性。因此，当间隔距离增加时，使用现成的柱状绝缘体将是不可能的。
此外，柱状绝缘体的数量越低，安装越容易，并且安装时间越短。
在本发明的一个实施例中，该高压电极布置进一步包括设置在环形底部中的筒形部分，所述筒形部分沿着环形底部的内部周向接触环形底部。因此，该环形底部布置有围绕其旋转轴线的板，该板用于有利地在向着阀场中的地板的方向上均匀化该电场，并且隐藏存在于该电极布置的中间部(其中互连电气设备)的任何连接或接合。该筒形部/板具有屏蔽功能并且进一步容纳和隐藏导线和其他类型的连接。
在本发明进一步的实施例中，该高压电极布置这样进行布置，使得该穹顶状顶部的直径大于该环形底部的直径。有利地，这减小了在该蘑菇型电极布置的圆形边缘处具有电场集中点的风险。
在本发明的又一实施例中，该高压电极布置还这样进行设置，使得椭圆柱形顶部在x方向上的直径基本等于该椭圆形顶部在y方向上的直径。因此，该顶部将具有在水平截取方向上所取的基本上圆形的横截面。
在本发明的又一实施例中，该高压电极布置还这样进行设置，使得该椭圆形顶部在面对该环形底部的该顶部的末端处的x-y方向上是平面的。
在本发明的又一实施例中，该高压电极布置还包括一个或多个柱状绝缘体以及甚至还包括底座绝缘体。
注意，本发明涉及权利要求书中所述的特征的所有可能组合。当研究所附权利要求以及下面的说明书时，本发明的进一步的特征以及带来的好处将变得显而易见。本领域技术人员意识到，本发明不同的特征能够进行组合，从而形成与下面所述的实施例不同的实施例。
附图说明
现在通过实施例的方式，参考附图描述本发明，其中：
图1以侧视图的方式示出了根据本发明的实施例的高压电极布置。
图2示出了安装在绝缘体结构上的根据本发明一个实施例的高压电极布置。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明某些的实施例。然而，本发明可以以各种不同形式实施，并且不应解释为限制于本文中所提出的实施例；而是，这些实施例作为示例来提供，使得本公开可以更加彻底和完整并且全面地传达本发明的范围给本领域技术人员。相同的数字在整个说明书中表示相同的元件。
图1以侧视图的方式示出了根据本发明一个实施例的高压电极布置。该电极布置包括穹顶状顶部10、环形底部11、以及用于连接该顶部10和该底部11的中间部12，所述中间部12包括用于收容要互连的电气设备的引导槽13。该电气设备可包括要求保护避免电晕击穿的任何设备，例如电涌放电器、套管、汇流条、支承绝缘体、变压器、以及阀，等等。图1还示出了附连到该电极布置上的多个柱状绝缘体15。
如前所述，采用穹顶状顶部，有利地减小了电极顶部处的电场应力，并且在顶部10处避免了任何不均匀的电场。本发明的电极布置的穹顶状顶部10平滑向着位于该电极顶部附近处的任何物体的等电位线，因此避免了靠近顶部10的物体对电场的干扰。进一步的优点在于该布置的穹顶状减小了在电极的顶部10处的电场集中。这与其中电场在球体的周围均等分布的现有技术的球形电极是相反的。有利地，根据一个实施例，该顶部10是椭圆形的。
根据本发明的还有另一个实施例，该椭圆形顶部(10)在x方向上的直径基本等于该椭圆形顶部(10)在y方向上的直径。
进一步的优点是，底部11是环形的，具有足够内径以平滑对着周围设备(例如，壁和地板表面)的电场。底部11以有助于电场线从该布置向着壁和地面平滑降落的方式进行设计。该电极布置的等电位线均匀分布，避免了电场集中点。因此，朝向该电极侧面、底部和顶部的应力变得更加均匀，并且不干扰电极的静电行为。根据一个实施例，该椭圆形顶部在该顶部面向环形底部的端部处的x-y方向上是平面的。
图2示出了以多个柱状绝缘体15和底座支承16的形式安装在绝缘体结构布置上的根据本发明一个实施例的高压电极布置。进一步示出的是汇流条17，例如在实践中，其可连接到阀场中的变压器套管(未示出)，在该阀场中，可使用该电极布置。因此，该电极布置包括穹顶状顶部10、环形底部11、以及用于连接该顶部10和该底部11的中间部12，所述中间部12包括用于收容要互连的电气设备的引导槽13。在这种情形下，汇流条17连接到变压器套管以及另外的导体18，用于从将HVDC从阀场通过穿墙套管(未示出)输出。
本发明的电极布置这样的方式减小了电场，使得非均匀电场能够隐藏在其“蘑菇”形配置内。这具有的效果是所包围的电场环境将经历准均匀电场。换言之，该电极平滑了电场。该电极布置的底部11和顶部10以这种方式附连，使得连接和接合的不规则结构能够隐藏在该电极布置内并且不干扰该布置的几何结构所生成的电场分布。
在本发明的一个实施例中，该高压电极布置还包括设置在该环形底部11中的筒形部，所述筒形部沿着该环形底部的内部周向接触该环形底部。因此，该环形底部11布置有绕着其旋转轴线的板，用于有利地在向着阀场地板的方向均匀该电场，并且将电极布置的中间部处存在的任何连接或接合进行隐藏，其中汇流条17从该变压器套管互连到其他的导体18上，用于连接到穿墙套管。该筒形部/板具有屏蔽功能，并且进一步容纳和隐藏导线和其他类型的连接。该筒形部/板在一个实施例中在其中心布置有开口，用于收容绝缘体15。
图2示出了安装在绝缘体结构(以多个柱状绝缘体15和底座支承16的形式)上的根据本发明一个实施例的高压电极布置。该穹顶状顶部10的直径d1大于环形底部11的直径d2。有利地，这减小了该蘑菇型电极布置在圆周边处电场集中点的风险(与可能在电极的外周集中电场的相等长度的直径d1、d2相比)。
在高压测试和击穿模拟之后，本发明的电极布置有利地示出能够比球形电极承受更高的电压。该电极布置提供良好的开关脉冲承受电压能力。因此，与球形电极的必需的绝缘长度相比，实现绝缘要求的所需要绝缘长度将是更小。现场测试例如已经示出，对于本发明的电极布置为了实现2650kV的击穿承受电压要求，要求柱状绝缘体的整体长度Li为6米，并且底座支承的长度Lp为2.4米，从而意味着电极布置将定位于阀场地板之上的8.4米高处，这有利地降低了高度。
有利地，与本领域的那些相比，由于本发明的电极布置提供了更好的开关脉冲承受电压，能够减小阀场的间隔距离，即，阀场的尺寸能够减小，这是因为到墙壁的距离(Lw)、到天花板的距离(Lc)以及到地板的距离(Li+Lp)要求更短。这在购买土地和阀场建造给出经济上的好处。这样还将进一步有利地，隐含了由于减小的间隔距离，而需要更少的柱状绝缘体，这进而将导致更容易更快速安装，更稳定布置对于例如地震原因是有利的。减小柱状绝缘体的数量进一步具有的好处是标准型柱状绝缘体能够用于更宽的范围；如果由于更大间隔距离，而使得绝缘体的数量过高，那么它们也必须具有更大的直径，从而为该电极布置提供稳定性。因此，当间隔距离增加时，使用现成的柱状绝缘体将是不可能的。
尽管本发明已经参考其特定示例实施例进行了描述，但是许多不同的变更、修改等对于本领域技术人员来说将变得显而易见。所述的实施例因此并未旨在限制本发明的范围，本发明范围由所附的权利要求所限定。
Claims (11)
1.高压电极布置，用于比球形电极耐受更高的电压，所述高压电极布置包括：
穹顶状顶部；
环形底部；以及
用于连接所述穹顶状顶部和所述环形底部的中间部，
其中所述中间部包括用于收容要互连的电气设备的引导槽，其中所述穹顶状顶部为椭圆形的，并且所述穹顶状顶部的直径大于所述环形底部的直径。
2.如权利要求1所述的高压电极布置，其中所述中间部为筒形的。
3.如权利要求2所述的高压电极布置，还包括布置在所述环形底部中的筒形板，所述筒形板周向接触所述环形底部的内部。
4.如权利要求2所述的高压电极布置，其中所述穹顶状顶部在面向所述环形底部的所述穹顶状顶部的末端处在x-y方向上是平面的。
5.如权利要求1所述的高压电极布置，进一步包括设置在所述环形底部中的筒形板，所述筒形板周向接触所述环形底部的内部。
6.如权利要求5所述的高压电极布置，其中所述筒形板收容绝缘体。
7.如权利要求5所述的高压电极布置，其中所述穹顶状顶部在面向所述环形底部的所述穹顶状顶部的末端处在x-y方向上是平面的。
8.如权利要求1所述的高压电极布置，其中所述穹顶状顶部在面向所述环形底部的所述穹顶状顶部的末端处在x-y方向上是平面的。
9.如权利要求1所述的高压电极布置，还包括至少一个柱状绝缘体。
10.如权利要求9所述的高压电极布置，还包括至少一个支座绝缘体，在所述支座绝缘体上布置所述至少一个柱状绝缘体。
11.如权利要求1所述的高压电极布置，其中要互连的所述电气设备包含汇流条、套管、变压器、阀、电涌放电器和支承绝缘体中的一个或多个。
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