CN112946341A - 包括防爆装置的高压电气设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种例如电压传感器(10)或断路器的高压电气设备，包括绝缘体(12)、通过绝缘体(12)绝缘的电子设备(13)、以及用于在电弧形成时将气体超压排出电气设备的安全装置(23)。绝缘体(12)包括空心体(18)和覆盖空心体(18)的外壳(19)，电气装置(13)位于空心体中。外壳(19)由比空心体(18)的材料更柔软的材料制成。安全装置(23)与外壳(19)相对地位于绝缘体(12)内，并且设置成允许气体超压局部打通外壳(19)以避免设备失控***。

Description

包括防爆装置的高压电气设备

技术领域

本发明涉及一种用于连接至高压输电线的电气设备。“高压”是指大于1kV、优选地大于10kV的额定电压，其通常为12.5kV(60Hz)，15Kv(16.7Hz)或25kV(50或60Hz)。该电压可以是交流或直流电压。

本发明特别涉及一种用于设置在铁路车辆上或设置在铁路车辆内且用于通过受电弓连接至高压输电线的电气设备。该电气设备例如是电流和/或电压传感器、断路器、切断开关、接触器或浪涌保护器。

背景技术

例如在专利EP3308174中描述了这种类型的电气设备。该电气设备包括设置有电气装置的绝缘体，电气装置在这里是指电阻分压器，该电阻分压器的上部端子连接至高压。绝缘体包括容纳电气装置的空心体和围绕空心体的外壳。外壳限定了用于最大限度地增加散逸曲线的鳍片。绝缘体安装在金属基座上，该金属基座封闭了连接至电气装置的低压电气元件。

在这种设备中，容纳电气设备的绝缘体的空腔被呈胶态、液态、气态或固态的绝缘物质填充。当该绝缘物质和/或绝缘体具有缺陷，或者当接收到的电压超出其能够承受的最高电压时，在设备内部可能形成电弧，该电弧可以燃烧或蒸发在该电弧的路径上的材料。这产生了被电弧加热并在绝缘体内引起压力极速上升的气体，从而可能引爆绝缘体并通过溅出重碎片伤人。

专利US 2529135和US 2703390描述了包括隔膜的高压电气设备，在仪器内超压的情况下，隔膜破裂以允许气体排出并因此避免***。在专利US 2529135中，隔膜位于在绝缘体上方的高压端子处，并位于绝缘体下方的低压箱上。在专利US 2703390中，隔膜被设置在低压箱上。这种隔膜的缺陷是，它们可能在外部环境、特别是湿度和污染物的影响下受损坏，甚至遭受碰撞。在这两种情况下，隔膜有可能在设备正常运行的情况下被穿破或打开，并且让可能损害该设备运行的水分和杂质进入设备。

发明内容

本发明旨在克服该缺陷或者至少减弱该缺陷，并且为此提出了一种根据权利要求1的电气设备，在从属权利要求中限定了特定实施例。

附图说明

通过阅读以下参照附图的详细描述，本发明的其他特征和优点将显现，在附图中：

图1是构成根据本发明的第一实施示例的电气设备的电压传感器(电压测量器)的剖视图；

图2是属于根据本发明的电气设备的一部分的安全环的透视图；

图3是构成根据本发明的第二实施示例的电气设备的断路器的剖视图。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的电气设备10包括导电基座11、安装在导电基座11上的绝缘体12和安装在绝缘体12中的电气装置13。

电气装置13在电气设备10的上部连接至高压端子14。

通常为金属的导电基座11接地并且封闭印刷电路15，印刷电路15包括允许处理由电气装置13接收到的信号的低压元件，诸如半导体元件、电容器、电阻、运算放大器、变压器等。导电基座11上的低压连接器16允许将电气设备10连接至低压电气***。

在本发明的典型应用中，电气设备10安装在铁路车辆上或安装在铁路车辆内，例如安装在铁路车辆的顶部，高压端子14尤其通过受电弓连接至接触网，并且低压连接器16连接至车辆的低压***的其余部分。

在图1中示出的示例中，电气设备10是电压传感器，并且电气装置13是属于电阻分压器的一部分的高压电阻，该电阻分压器的低压电阻在印刷电路15上并通过从导电基座11内部到绝缘体12内部的电缆17连接至高压电阻。在变型中，低压电阻可以位于绝缘体12中。

绝缘体12包括空心体18和覆盖空心体18的外壳19。空心体18由电绝缘且刚性的材料制成，例如由也是脆性材料(不发生塑性变形的材料)的环氧树脂(环氧聚合物)制成。空心体18使绝缘体12和电气装置13具有机械强度。外壳19由电绝缘且柔软的材料制成，该材料诸如为弹性体，典型地为硅酮弹性体。这种类型的材料具有良好的抗电流特性，以及增强绝缘体12的绝缘性的自净和疏水特性。优选地，外壳19的材料允许至少5％的伸长率。外壳19以常规方式限定鳍片20。

电气装置13通过例如以所示的螺钉紧固的方式紧固至高压端子14而安装在空心体18的空腔21中，高压端子14本身保持在绝缘体12的上部部分的通孔22中。

空心体18的围绕电气装置13的空腔21全部或部分地填充有树脂、胶体、液体或气体形式，优选为硅酮胶形式的电绝缘材料。

根据本发明，通常为金属制的安全环23与绝缘体同轴地安装在外壳19的超出空心体18且优选地还超出电气装置13的部分19a内部。安全环23轴向地位于空心体18和导电基座11之间，并且确保将外壳19的部分19a保持在空心体18的延长部分。安全环23例如通过拧入空心体18且头部压靠导电基座11内壁的螺钉24来紧固。安全环23的侧壁包括交替的较薄部分23a和加厚部分23b(参照图2)。加厚部分23b被螺钉24穿过。较薄部分23a通过局部厚度削减而被减薄，局部厚度削减限定了在由电弧引起的绝缘体内部气体超压时能够断裂的断裂元件。在示出的示例中，该减薄通过凹槽23c实现，凹槽23c例如形成如图所示的在侧壁的外表面和/或内表面上加工的十字形，该凹槽23c的底部构成断裂元件。

当断裂元件在超压的作用下断裂时，侧壁在凹槽23c的区域被打通，并且位于凹槽23c区域对面的外壳19的区域被撕裂，从而使电弧产生的气体能够逸出并因此避免绝缘体12的失控***。如果外壳19的碎片在气体排出期间飞溅，碎片必然微小，并且由于制造外壳19所使用的材料，碎片必然轻，这使人身伤害风险最小化。

在实践中，外壳19可以围绕空心体18、安全环23和高压端子14包覆成型。空心体18在其上部可以围绕高压端子14包覆成型。在变型中，可以通过热收缩材料制造外壳19，将外壳19包裹在由高压端子14、空心体18和安全环23形成的组合件上，然后使外壳19热收缩。在另一变型中，外壳19可以通过其弹性保持围绕由高压端子14、空心体18和安全环23形成的组合件。

优选地，如图中可见的，在外壳的超出空心体18的部分19a，外壳19不包括鳍片20，或者包括少量鳍片20。

优选地，如图所示，安全环23与接地的导电基座11电接触，并因此具有零电势。然而，安全环23可以与导电基座11隔开并具有不同的电势。

如本发明所提出的，将安全环23设置在外壳19的内部可以保护较薄部分23a免受腐蚀、碰撞和任意类型的其他外部侵蚀，这些外部侵蚀能够穿透由凹槽23c的底部构成的断裂元件并使水分和杂质能够渗入电气设备10并损坏电气设备10。

此外，安全环23的存在不一定会增加电气设备10的尺寸，原因在于，在这样的电气设备中，尺寸限制是在外部(绝缘体12的上部与下部之间的最短距离，以及绝缘体12外表面的最短路径，以便保证良好的绝缘)，内部的电气装置13不需要具有较大的尺寸来执行所要求的功能。

还应注意到，安全环23允许避免等离子体和灼热气体穿过电气设备10的低压电子部分。

此外，安全环23提供较大的表面，该表面可以具有迅速排出所有超压的较大断裂区域。

通过被电弧产生的气体弹出并被位于电气设备10上方的电连接电缆和/或汇流条保持，高压端子14还可以作为安全阀使用。

除了安全环23和由高压端子14构成的安全阀之外，电气设备10可以包括在空心体18和外壳19之间的纤维层，用于阻挡空心体18的可能的碎片，该碎片通过经过空心体18的电弧来分离。纤维可以是合成纤维，例如由芳纶或对位芳纶制成；或者可以是矿物纤维，例如由玄武岩制成。

图3示出根据本发明的电气设备的另一示例。图3中示出的标注为30的设备是断路器，通常用于安装在铁路车辆上或安装在铁路车辆内，更特别地安装在铁路车辆的顶部。断路器包括由导电板33分隔的绝缘体的上部部分31和绝缘体的下部部分32。通常为金属制的导电板33被钻孔，以使绝缘体的上部部分31的内部和绝缘体的下部部分32的内部可以连通。在绝缘体的上部部分31的内部存在真空罐34，真空罐34封闭断路器的移动触点35和固定触点36。移动触点35例如通过编织层45与导电板33电连接以形成第一电极。固定触点36与封闭绝缘体的上部部分31和下部部分32的上部导电板37电气且机械地连接，以形成第二电极。与移动触点35连成一体的、由绝缘材料制成的控制杆38延伸穿过绝缘体的下部部分32。

绝缘体的上部部分31和下部部分32各自包括空心体39、40，空心体39、40由刚性绝缘材料制成，该刚性绝缘材料是例如还作为脆性材料的玻璃纤维及环氧树脂的复合材料。绝缘体的上部部分31和下部部分32各自还包括围绕空心体39、40的外壳41、42，外壳41、42由诸如弹性体、通常为硅酮弹性体的柔性绝缘材料制成。

每个空心体39、40的分别围绕真空罐34和控制杆38的空腔39a、40a被空气填充。然而，空腔39a、40a也可以填充有树脂、胶体、液体或气体形式的另一绝缘材料。

绝缘体的上部部分31和下部部分32通过通常是金属制的导电支撑板43支撑，导电支撑板43将设备30的高压部分与低压部分分隔，并且通常接地。

外壳42的超出空心体40的部分42a围绕轴向地位于空心体40和导电支撑板43之间的安全环44。安全环44与第一实施示例的安全环23相似并执行相同的功能。

绝缘体31、32可以是围绕导电板33包覆成型的单个部分，而不是两个部分。

本发明不限于上述实施例。显而易见的是，可以在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下进行任意修改。特别是：

安全环23、44可以设置在绝缘体12、31-32的其他部分，例如在绝缘体12、31-32的上部部分；

在图1和图2的示例中，安全环23可以没有加厚部分23b以增加可用于断裂元件的面积，并且可以通过与空心体18和导电基座11进行凹槽-肋条型配合来径向地定位，并且通过螺钉24在空心体18和导电基座11之间所实现的紧固来轴向地保持；

安全环23、44可以通过螺钉以外的其他装置来紧固；

可以设置多个安全环；

虽然优先使用断裂元件来保证绝缘体在正常使用时的机械强度，但这些断裂元件可以被安全环23、44中形成的开口替代；

安全环23、44可以是圆形的或非圆形的，这特别取决于绝缘体12、31-32的形状；

尽管金属的安全环23、44具有易于加工的有利特性，但也可以通过在绝缘体的空心体18、39-40中形成的开口来替代该安全环，该开口可以构成根据本发明的安全装置；

空心体18、39-40可以是围绕电气装置13、34包覆成型的树脂或其他固体绝缘材料。

Claims (12)

1.一种用于连接至高压的电气设备，包括绝缘体(12；31、32)、通过所述绝缘体(12；31、32)绝缘的电气装置(13；34)、以及用于在电弧形成时将气体超压排出所述电气设备的安全装置(23；44)，所述绝缘体(12；31、32)包括空心体(18；39、40)和覆盖所述空心体(18；39、40)的外壳(19；41、42)，所述电气装置(13；34)位于所述空心体中，所述外壳(19；41、42)由比所述空心体(18；39、40)的材料更柔软的材料制成，其特征在于，所述安全装置(23；44)与所述外壳(19；41、42)相对地位于所述绝缘体(12；31、32)中，并且设置成允许所述气体超压局部打通所述外壳(19；41、42)。

2.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述安全装置(23；44)是环的形式。

3.根据权利要求1或2所述的电气设备，其特征在于，所述安全装置(23；44)包括一个或多个断裂元件。

4.根据权利要求3所述的电气设备，其特征在于，所述一个或多个断裂元件包括一个或多个凹槽(23c)的底部。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电气设备，其特征在于，所述安全装置(23；44)是金属的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电气设备，其特征在于，所述空心体(18；39、40)由包括环氧树脂的材料制成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电气设备，其特征在于，所述空心体(18；39、40)由脆性材料制成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电气设备，其特征在于，所述外壳(19；41、42)由弹性体制成，优选地由硅酮弹性体制成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电气设备，其特征在于，所述绝缘体(12；31、32)安装在将所述电气装置(13；34)与低压电子部分(15)分隔开的导电支撑件(11；43)上。

10.根据权利要求9所述的电气设备，其特征在于，所述安全装置(23；44)设置在所述导电支撑件(11；43)和所述空心体(18；39、40)之间。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电气设备，其特征在于，所述电气设备是电压传感器(10)和/或电流传感器、断路器(30)、切断开关、接触器或浪涌保护器。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的电气设备，用于铁路领域。

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