电传导装置、端部电晕防护设备和用于制造端部电晕防护装置的方法

摘要

在具有高的测定电压的电运行装置情况下，可以在其端部处用端部电晕防护装置包围主绝缘部。为了预先给定端部电晕防护装置的电阻，可以以多个层涂敷部分导电的漆。在此情况下可以得到端部电晕防护装置的电阻值在层之间的过渡。于是在此可能出现场强的过高，由此可能在端部电晕防护装置内也出现部分放电。本发明的任务是提供具有高的电强度的端部电晕防护装置。本发明的电传导装置包括导电的传导元件（40）以及至少局部地包围该传导元件（40）的电绝缘外罩（42）。在该外罩（42）上在外侧处布置由以下材料制成的涂层（44）形式的端部电晕防护装置，该材料具有朝着外罩（42）的一个端部（42'）增加的比电阻。本发明还包括一种端部电晕防护设备（44）以及一种用于制造端部电晕防护装置的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有导电的传导元件和至少局部地包围该传导元件的电绝缘外罩的电传导装置，所述传导元件例如是铜棒。在该外罩的外侧上在端部处提供端部电晕防护装置。本发明还涉及一种用于电传导装置的面型端部电晕防护设备以及一种用于为电传导元件的电绝缘外罩制造端部电晕防护装置的方法。所述类型的端部电晕防护装置例如由EP 2362399A1已知。

背景技术

在具有高的测定电压、尤其是超过5kV的测定电压的电运行装置情况下，例如带电压的导体棒必须具有电绝缘部，利用内部的和外部的传导层使所述电绝缘部与空腔和脱落屏蔽开。这样的电运行装置的例子是发电机、电动机、变压器、引线和电缆。

通过传导层避免在主绝缘部内部得到电场强度的不规则分布并由此引起部分放电，所述部分放电可能破坏主绝缘部。位于主绝缘部与导体棒之间的内部传导层也称为内部电势控制装置（IPS）。位于主绝缘部的外侧上的外部传导层也称为外部电晕防护装置（AGS）。从电导体棒出发的电场在主绝缘部中从IPS出发地在径向方向上直至AGS被降低。

为了能将运行装置的导体棒与其它电装置连接，必须对棒端部除去绝缘。换句话说，在棒端部处不可能借助IPS、主绝缘部和AGS在电场的分布图方面以期望的方式控制该电场。下面借助图1更详细阐述就此而言出现的问题。该图示出发电机绕组棒12在绕组棒12的源于用于高电压的发电机的定子铁心16的出射部位14的区域中的棒端部10。与地电势18电连接的外部电晕防护装置AGS在出射部位14处结束。主绝缘部20朝着绕组棒12的除去绝缘的区域22的方向继续。

在图1中示出的该装置是一种典型的滑动装置（Gleitanordnung），该滑动装置不仅能在发电机、而且能在电动机、变压器、引线和电缆处被设置。在图1中针对该装置示出电场的等势线24以及与所述等势线垂直的力线26。电场包围带电压的绕组棒12。在该电场情况下，在出射区域14中的力线在外部电晕防护装置AGS的端部处分别除了径向分量28之外也具有强的非线性正切分量30，该正切分量平行于主绝缘部20的表面。由于等势线24在外部电晕防护装置AGS的边缘32处的非常密集的分布图，电场强度在那里的数值是最大的。在此得到非常低的部分放电使用电压。因此在边缘32的区域中一再出现不期望的蠕缓放电。

为此在图1的下部区域中再次示出如在主绝缘20的外部表面34上沿着绕组棒12的纵向延伸方向36得到的电势的分布图。

在边缘32的区域中，电势从地电势（绕组棒12的电势的0%）在若干毫米的区域中上升到绕组棒12的电势的100%。换句话说，在该比较小的路段区域上5kV及更大的电压下降。

为了防止在边缘32处的部分放电，可以设置另外的外部电晕防护装置，该另外的外部电晕防护装置也在出射部位14另一边包围主绝缘部20。于是该另外的外部电晕防护装置称为端部电晕防护装置或电缆端部封闭装置。这样的端部电晕防护装置由电阻性电势控制装置或场控制装置组成，即端部电晕防护装置具有比AGS高的电阻。端部电晕防护装置可以基于碳化硅或其它半导电的填料通过部分导电的漆或部分导电的绷带来制造。在此情况下，部分电导率被理解为小于金属导体的电导率和大于电绝缘体的电导率的电导率。这样的电势控制的目标是获得主绝缘部20的表面电势的不太陡峭的分布图。

为此迄今已知，利用半导体漆或半导体绷带在外部电晕防护装置AGS的边缘32另一边包围主绝缘体20的表面34（W.P.Schmide等人.:"Umweltvertr?gliche Harzimpr?gnierung elektrischer Maschinen mittels Stromw?rme",Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Berichte aus Energie- und Umweltforschung, 62/2006）。但是必要的是，包围主绝缘部20的端部电晕防护装置的电阻从边缘32出发朝着绕组棒12的除去绝缘的区域22增加。否则可以在端部电晕防护装置与区域22之间构造出电弧。为了预先给定端部电晕防护装置沿着延伸方向36的电阻，可以将部分导电的漆涂敷在多个层中。这些层在此沿着延伸方向36不同远地延伸。由此这样产生的层装置具有可沿着延伸方向36变化的厚度。对应地可以规定，通过多个部分导电的绷带来提供端部电晕防护装置并且在此情况下将绷带在边缘32的区域中比在除去绝缘的区域22附近缠绕得更厚。因此，取决于位置的电阻在两种解决方案中通过漆层或绷带的对应预先给定的传导横截面来实现。

在这些解决方案情况下不利的是，在端部电晕防护装置的区域中得到过渡部位，也就是在漆层之间或者在绷带的各个覆层之间的过渡。于是在此可能出现场强的过高，由此也可能在端部电晕防护装置内部发生部分放电。

发明内容

本发明的任务是提供具有高的电强度的端部电晕防护装置。

该任务通过根据权利要求1的电传导装置、根据权利要求11的端部电晕防护设备和根据权利要求12的方法解决。本发明的有利改进通过从属权利要求给定。

本发明的电传导装置包括导电的传导元件，也就是例如由铜制成的导体棒，以及至少局部地包围该传导元件的电绝缘外罩，例如在导体棒情况下的主绝缘部。在该外罩上，在外侧处布置由以下材料制成的涂层形式的端部电晕防护装置，该材料具有朝着外罩的一个端部增加的比电阻。外罩的该端部例如可以是至除去绝缘的区域的过渡。

换句话说，所述材料在其比电阻方面是非均匀的。代替地规定，该材料的组成是取决于位置的并且由此得到取决于位置的比电阻。因此，如果在涂层中在不同部位处测量涂层的小体积元的电阻，也就是例如涂层的分别一个立方毫米的电阻，则在此情况下对于更靠近外罩端部的体积元得到比在距外罩端部更大距离的体积元更大的电阻值。在此描述的该测量在此出发点是，利用相同的电压、也就是在相同的电场强度情况下测量所有体积元的电阻。总之，在本发明的传导装置的涂层情况下每路段片段的电阻因此不由于多覆层的涂漆或绷带绑扎（Bandagierung）的变化的层厚而增加（如在现有技术情况下情况如此），而是由于其取决于位置的比电阻而增加。

由此得到以下优点：通过涂层形成的端部电晕防护装置不具有层过渡、边缘或材料过渡，在层过渡、边缘或材料过渡处可能得到场过高并由此得到部分放电。

在与本发明的电传导装置的关联中，传导元件可以被理解为在该传导装置的运行中带电压和带电流的导电元件，例如由铜或铝制成的棒、导线或汇流排。电绝缘的外罩例如可以通过由聚合物或云母制成的主绝缘提供。

本发明的传导装置的特别有利的实施方式规定，涂层的比电阻朝着外罩的该端部根据始终可微分的函数从初始值上升到最终值。换句话说，该比电阻的值沿着涂层的延伸方向朝着外罩的端部非跳跃式变化。这被证明特别有利于避免场过高。在此完全特别有利的是，比电阻的值根据直线朝着外罩的端部上升。由此以有利的方式实现了：在涂层的表面上沿着其中比电阻根据直线上升的整个区域的电场强度具有以下电场强度：该电场强度的平行于外罩表面的正切分量是恒定的。

具有朝着一个方向增加的比电阻的涂层可以通过不同的方式被提供。由此可以通过板来形成所述涂层，所述板由例如金属氧化物的电绝缘材料组成并且其取决于位置的电导率通过掺杂来产生。如果取决于位置地选择掺杂的程度，则可以在该板上调整对应地取决于位置的比电阻。产生具有取决于位置的比电阻的涂层的另一种可能性在于，用多种其电导率不同的漆浸渍绷带。通过用不同的部分导电的漆浸渍绷带的不同区域，总的来说可以提供单覆层的绷带，该绷带的比电阻同样取决于位置。

但是本发明传导装置的一种完全特别优选的实施方式规定，涂层的材料包括具有第一电导率的颗粒和具有较低的第二电导率的颗粒。比电阻朝着外罩端部的上升在此是通过以下方式引起的，即设置具有较高的第一电导率的颗粒的朝着该端部减小的浓度。同时，具有较低的第二电导率、即较高电阻的颗粒的浓度朝着外罩的端部增加。因此，该材料是分散体，其至少包括两个种类的颗粒。由此得到以下优点：比电阻的空间分布图通过在涂布时控制两个种类的颗粒的浓度可以被简单地调整。在此只需要两个颗粒种类，但是仍然可以实现比电阻的无级上升。在此，颗粒的浓度是指该颗粒在涂层材料中的粒子密度。

颗粒的总份额在此在该材料中优选至少如此大，使得渗滤阈值被超过，也就是说始终使得能够经由所述颗粒形成从涂层的面向外罩端部的边界至涂层的与该边界相对置的边界的电流路径。于是通过制造容差引起的总份额波动仅无关紧要地影响电导率。

本发明的传导装置的另一种实施方式规定，涂层的材料包括电绝缘物质，其中通过该物质形成基质，在该基质中布置导电颗粒。在此情况下被证明特别合适的是聚合物，优选地合成树脂或漆。借助这样的基质物质，可以将导电颗粒作为处于该物质的液态的悬浮液涂敷到外罩上。即使外罩被不规则地成型时，这使涂层的制造仍然是简单的。

对于涂层的材料包括具有不同电导率的导电颗粒的情况，如果这些颗粒具有相同的形状和/或相同的化学组分则得到另外的优点。于是可以按照相同的方式与颗粒的相应电导率无关地处理所述颗粒。该类型的颗粒例如可以通过以下方式提供，即基于类似的电绝缘基体来制造所述颗粒，然后用不同导电的层涂敷所述基体。对应地，本发明的传导装置的改进规定，导电颗粒分别由基体形成，该基体具有由掺杂的金属氧化物制成的层。作为基体例如可以使用云母。作为用于基体的涂层可以使用金属氧化物，例如氧化锡。为了掺杂例如可以使用锑。颗粒的电导率可以通过掺杂的程度来加以调整。该类型的颗粒及其制造方法被描述在已经提到的出版物EP 2362399 A1中。在此情况下，通过使用云母得到以下优点，即由此形成的颗粒具有比较小的耐磨性，并且因此可以将所述颗粒简单地以颗粒漆悬浮液的形式借助喷嘴喷射到外罩上，以获得涂层。

由于在基质中各个颗粒的粒子密度的变化，可能得到涂层的机械材料特性的位置相关性。如果在涂层材料情况下颗粒质量浓度是恒定的，则这被有利地避免。

本发明传导装置的另一种改进规定，在涂层材料情况下提供具有展平形状的导电颗粒。例如可能的是，使用厚度在250nm和350nm之间并且边缘长度在10μm至20μm的范围内的板状颗粒。通过平坦的颗粒得到以下优点，即这些颗粒在涂层中可以相对于彼此移动（例如在对液态载体基质硬化期间），而不由此中断电传导路径。与此不同地，球状或球体颗粒具有以下缺点，即球状或球体颗粒仅点状地触碰，并且由此在球状或球体颗粒的小的相对移动时电传导路径被中断。此外平坦的颗粒具有以下优点：平坦的颗粒在悬浮液中更缓慢地离析。由此可以实现颗粒在涂层内的更为均匀的分布。

通过端部电晕防护装置引起的场控制导致：通过典型地从传导元件发出的电交变场（例如在50Hz或60Hz电网交变电压的情况下）在涂层中引起交变电流，该交变电流必须从涂层朝着地电势被引出。该交变电流应当尽可能地小，以便将传导装置的电损耗保持得小。为此本发明的传导装置的一种改进规定，涂层的方块或面电阻在该涂层的背离外罩端部的边界处是在8000Ω和12000Ω之间，尤其是10000Ω。在此情况下，面电阻单位的另一种常用标注是                                                。在此优选地，涂层的相对置的、面向外罩端部的边界所具有的比电阻与绝缘外罩本身的材料的比电阻对应。这样的涂层被证明是特别有利于在小的泄散电流情况下在涂层表面处获得沿着该涂层线性下降的期望电势分布图。

在本发明的传导装置中特别有利的是，由单覆层的层来形成所述涂层。这使得与一般多覆层的端部电晕防护设备相比可以改善从电传导元件的散热，如所述一般多覆层的端部电晕防护设备根据现有技术通过多覆层地涂敷部分导电的漆或者用部分导电的绷带多次缠绕来形成。

在用于传导装置的外罩的涂层中不需要的是，涂层首先以液态形式存在以便能在完成外罩之后将所涂层涂敷到该外罩上。还可以例如以具有取决于位置的比电阻的导电薄膜或绷带的形式制造本发明的端部电晕防护装置并且于是事后将该薄膜或绷带布置在外罩上。就此而言，本发明的另一方面规定一种用于电传导装置的端部电晕防护设备，该端部电晕防护设备包括（例如以薄膜形式）平面地沿着延伸方向延伸并且在此情况下具有沿着该延伸方向根据单调上升的函数升高的比电阻的层。该设备如已经提到的那样例如可以作为薄膜或绷带来提供，然后可以将所述薄膜或绷带作为涂层例如粘合到传导元件的外罩上，也就是粘合到绝缘部上。本发明的端部电晕防护设备具有以下优点，即该层可以在单独的制造步骤中被制造并且必须事后才作为涂层被涂敷到外罩上。提供这样的端部电晕防护设备的可能性在于，用已描述的漆涂抹或喷射薄膜或绷带。

本发明的第三方面涉及一种用于制造电传导装置的电绝缘外罩的端部电晕防护装置的方法。根据该方法，可以基于至少一个种类的颗粒提供端部电晕防护装置，其中一个种类的颗粒具有相同的预先给定的电导率。如果在此谈及各个颗粒的“相同”电导率，则当两个颗粒的传导值仅相差通过针对这些颗粒的制造工艺而引起的容差值时，也将这两种颗粒视为相同导电的。根据本发明的方法，借助喷嘴装置产生由漆和这些颗粒组成的喷射束，所述喷嘴装置在此期间沿着传导装置的绝缘外罩的表面运动。在该喷嘴装置的运动期间，改变喷射束中至少一个种类的颗粒的浓度。

本发明的方法具有以下优点：基于该方法可以最大程度上与外罩形状无关地简单制造具有取决于位置的比电阻的端部电晕防护装置。

该方法的改进规定，第一种类的颗粒和漆的第一部分作为第一悬浮液被提供，而第二种类的颗粒和漆的第二部分作为第二悬浮液被提供。由此这两种悬浮液可以经由分离的喷嘴喷射到外罩上。在此，这两种悬浮液借助喷嘴装置的两个喷嘴在喷射束中或者在外罩上被混合。该改进具有以下优点：为了调整一个种类的颗粒的浓度只须简单地控制对应喷嘴的喷嘴压力。

本方法的另一种实施方式规定，至少两种不同的颗粒漆悬浮液在喷嘴装置的共同的喷嘴中被混合。就此而言也可将喷嘴理解为其引入系统。这种喷嘴也称为原地混合器。在这样的混合器情况下，可以通过混合相应的液态悬浮液达到不同颗粒的浓度。该混合在此有利地非常均匀并且可以用仍然比较简单的装置加以提供。

在由现有技术已知的、用于端部电晕防护装置的涂层中，对应的漆或绷带人工地由专门为此配置的专业人员涂敷。由此确保在发电机系列的情况下这些发电机的端部电晕防护设备具有尽可能相似的电特性。在本发明的用于制造端部电晕防护装置的方法的改进中规定，所描述的喷嘴装置由机器人运动。在试验系列中得到：由此可以比通过专业人员涂敷快直至50%地涂敷涂层。尽管如此，在使用机器人的情况下仍然可以提供具有期望电特性的均匀构造的涂层。

本发明还包括端部电晕防护设备的与本发明的传导装置的所述改进对应的改进。同样，本发明还包括本发明方法的与本发明传导装置的所述改进对应的改进。本发明端部电晕防护设备和本发明方法的这些改进因此在此未再次分开地被描述。

附图说明

下面借助实施例更详细阐述本发明。为此：

图1示出具有没有端部电晕防护装置的主绝缘部的发电机定子绕组的剖面的示意图，以及

图2示出本发明传导装置的实施方式的剖面的示意图。

具体实施方式

这些例子是本发明的优选实施方式。

在图2中示出传导装置38，其具有导电的传导元件40、局部包围该传导元件的外罩42以及布置在外罩42上的以层44形式的端部电晕防护装置。传导元件40例如可以是由铜或铝制成的棒或者可以是由这些材料制成的导线。外罩42可以是由聚合物或云母制成的电绝缘装置。层44在此可以是单覆层的。该层44由具有取决于位置的比电阻的材料制成。

在传导元件40中，相对于地电势18产生例如可以具有50Hz的频率和超过5kV的有效值的交变电压。通过层44的非均匀分布的比电阻，引起场控制。由此包围传导元件40的电场的等势线46与等势线24（参见图1）相比被变形。由此电势从外罩42的外端部42'从传导元件40的电势的100%沿着层44的延伸方向48的反方向下降到层44的边缘50处的地电势18，所述边缘50背离外罩42的端部42'。边缘50与外部电晕防护装置AGS连接，而该外部电晕防护装置AGS与地电势18连接。外部电晕防护装置AGS的电阻如此小，使得经由外部电晕防护装置AGS将边缘50保持在地电势18上。

层44的材料的比电阻从边缘50出发朝着延伸方向48根据始终可微分的函数上升直至面向外罩42的端部42'的边缘52。层44沿着延伸方向48的长度54在所示出的例子中可以在15cm和25cm之间。

在图2的下部部分中示出如在传导装置10、也就是由传导元件40、外罩52、层44和外部电晕防护装置AGS组成的设备的外表面上得到的电势分布图60。通过将外部电晕防护装置AGS与地电势18耦合，在该外部电晕防护装置的表面上得到与地电势18、即传导元件40的电势的0%对应的电势。从层44的边缘50出发，该电势几乎线性地沿着层44的延伸方向48上升直至传导元件40在层44的边缘52处的电势的100%的值。对应地，传导元件40在层44的表面处的电压在其整个长度54上下降。电势降在此在层44的表面处由于所选择的、层44的取决于位置的比电阻的分布图而是非常均匀的。因此在层44的表面处，电场具有力线56，所述力线沿着层44的延伸方向48具有按数值几乎相同大小的正切分量58。由此沿着层44不存在局部的场过高，通过该局部场过高可能导致部分放电。

与图1中所示的情形相比较，通过在图2的传导装置38情况下的层44沿着绝缘物质表面均匀地进行正切电势减小。在理想情况下，该正切电势减小被理想化。这是通过以下方式实现的，即沿着延伸方向48的每个长度单位总是在层44上有相同的电压数值下降。为此在传导元件40的轴向方向上、即在层44的延伸方向48上通过层44提供取决于位置并且取决于电压的单位长度电阻。

层44是由两种具有不同部分导电的颗粒的漆制造的。第一漆包含部分导电的颗粒，利用该部分导电的颗粒可以在层44中产生最高的单位长度电阻。层44在此在边缘52处具有最高的单位长度电阻。第二漆包含可以在层中展示出最低单位长度电阻的部分导电的颗粒。层44在其边缘50处具有最低单位长度电阻。

两种漆可以按照相同方式加以处理，因为两种部分导电填料的颗粒、也就是两个颗粒种类的颗粒在漆中具有相同的几何尺寸以及相同的化学表面和相同的密度。两种漆例如可以是基于在出版物EP 2362399 A1中描述的方法制造的。层44通过喷射被施加在外罩42上，其中在外部电晕防护装置AGS和层44之间的过渡处喷射具有低欧姆填料的漆并且然后在延伸方向48上在层44的长度54上直到边缘52逐渐地降低低欧姆填料的浓度。同时，在喷射漆时从边缘50出发直到边缘52提高层44中的高欧姆填料的浓度。由此实现了：层44的所得到的端部电晕保护装置单位长度电阻在整个长度54上连续上升，而不存在电阻跃变。对应地，在电势分布图60中沿着层44中的延伸方向48不得出电势跃变。

层44的喷射可以通过两种方法来进行。一方面可以使用两个喷射喷嘴，所述喷射喷嘴中的分别一个喷射两种漆中的一种。在外部电晕防护装置AGS的过渡处，以100%喷射强度运行具有包含低欧姆颗粒的漆的喷射喷嘴，而与其平行布置的第二喷射喷嘴以0%喷射强度被运行，该第二喷射喷嘴可以喷射具有高欧姆填料的漆。在由两个喷射喷嘴组成的喷嘴装置沿着延伸方向48运动时，具有低欧姆填料的喷射喷嘴的喷射强度被减小，而同时具有高欧姆填料的喷射喷嘴的喷射强度被提高。在达到边缘52时，以100%喷射强度运行具有高欧姆填料的喷射喷嘴，而以0%喷射强度运行具有低欧姆填料的喷射喷嘴。

也可以使用仅一个喷射喷嘴并且分别位置分辨地将两种部分导电的漆输送给该喷射喷嘴。在此情况下，两种部分导电的漆直接在喷射喷嘴之前被混合，而且是按照以下方式被混合，即在外部电晕防护装置AGS至端部电晕防护装置的过渡处喷射100%低欧姆漆并且在层44的相对置的端部处、即在边缘52处喷射100%高欧姆漆。

借助两种所述施加方法可以提供层44形式的端部电晕防护装置，该端部电晕防护装置具有空间上（?rtlich）定义的单位长度电阻并且同时具有从边缘50处的端部电晕防护装置起始部直到边缘52处的端部电晕防护装置结尾部的连续过渡。由此可以保证不在端部电晕防护装置长度54上出现电阻跃变并且由此也不出现电势跃变。否则作为电势跃变的结果将会出现部分放电，现在该部分放电被避免，由此整个端部电晕防护装置结构经历电强度方面的明显升高。

通过使层44形式的端部电晕防护装置是单覆层的，得到另外的优点。部分导电层的越多覆层被涂抹，端部电晕防护装置就越厚。对应地，同时更少的热能够从传导元件40被放出到环境中。由于端部电晕防护装置可以加热（短暂地直至180℃），因此大大有利的是尽可能快速地引出所产生的热，以避免端部电晕防护装置降解。由于传导装置38只需要一个唯一的端部电晕防护装置层44，因此保证与现有技术相比较特别好的散热。

总之展示了如何能够通过本发明通过使用两个分别具有高欧姆的部分导电漆库和低欧姆的部分导电漆库的涂漆喷嘴来实现单覆层端部电晕防护装置层的施加，其中一个喷嘴的喷射强度与另一个喷嘴的喷射强度间接成比例地被改变，而喷嘴装置在外罩42上被运动。由此得到取决于位置的混合比例。另一种可能的施加方法在于，使用具有原地混合器的一个唯一的喷射喷嘴，该原地混合器又将高欧姆的部分导电漆与低欧姆的部分导电漆取决于位置地混合，也就是说根据喷射喷嘴在外罩42上的位置来调整混合比例。