電容器元件、製造電容器元件的方法和電力電容器的使用的製作方法

2023-05-17 10:39:06

專利名稱：電容器元件、製造電容器元件的方法和電力電容器的使用的製作方法
技術領域：
根據第一方面，本發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串聯連接的圓柱形子元件，每個子元件由至少 兩個被纏繞成多匝的電介質材料的條帶形成，其中導電材料層被置於線團 的匝之間，且其中子元件被布置成一個在另一個的外面，如沿條帶面的橫 截面方向所看到的。
根據本發明的第二和第三方面，本發明分別涉及用於交流高電壓的電 力電容器和電容器電池。
根據第四方面，本發明涉及一種生產用於電力電容器的、包括多個串 聯連接的圓柱形子元件的電容器元件的方法，通過將至少兩個電介質材料 條帶纏繞成多匝而形成每個子元件，其中一個導電材料層被置於所述匝之 間，且其中子元件被布置成一個在另一個的外面，如沿條帶面的橫截面方 向所看到的。
根據第五方面，本發明涉及所發明電容器的使用。
背景技術：
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
膜電介質材料的條帶緊密地纏繞成的箍(ho叩)構成，其中條帶具有祐:施 加到該條帶一側或兩側的金屬層。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耦合也是已 知的。子元件圍繞彼此同心地布置， 一個在另一個的外面。子元件的數目 通常為奇數。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 )在纏繞繼續時將進一步被壓縮。該線圏的最外匝不會受 到多個位於外面的匝向裡施加的力。所以，電容器元件包括非常緊密纏繞的膜和多個最外面的匝，其中雖然膜緊密地纏繞，但不完全具有與位於裡 面的膜相同的緊密度。
當電容器元件包括子元件時，最外面子元件的外面部分因此將比該最 外面子元件的裡面部分纏繞得更+>弛，也比位於內部的子元件纏繞得更木> 弛。實際上，關於這些後面提到的子元件，所施加的纏繞壓力相對恆定。
已經發現，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
餘部分更差的電性能。因此，線團的這些外面的匝將限制可能的電^h質脅 變。因為材料消耗與電介質脅變的平方成反比，因此這對於電容器元件的 經^H吏用具有負面影響。
本發明的目的是提供一種克服以上問題的電容器元件。

發明內容
根據本發明的第一方面，該目的是通過為相關的這種電容器元件提供 用於形成最外面的子元件條帶的特殊特性而達到的，其中最外面的子元件 條帶比每個位於內部的子元件中的每個條帶更長。
作為將最外面子元件纏繞成具有較長纏繞長度的結果，該子元件的電 容將相應地大於其餘子元件的電容。因為阻抗與電容成反比，所以阻抗將 減小到相應的程度。由此，電介質應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化，以使得外部子元件和位於內部的子元件在它們 所能承受的負荷方面具有基本上相同的容限。電容器元件的總電容將會多 少更高些，其體積/材料也是這樣。這提供了顯著的優點使得電容器元 件能夠被加載更高的電壓，由此產生更大的容性功率。
根據本發明電容器元件的優選實施例，在置於最外面的子元件中的條 帶長度將是最靠近的位於裡面的子元件的條帶長度的110%到120%。
根據本發明的另 一個優選實施例，導電材料層以塗敷的形式施加到條 帶的至少一側。
該技術方案對於在所涉及的那種電容器元件方面的技術是已知的，在 電容器元件的安4^合(safe-healing)能力方面具有有利的特性，在製造 方面也是成本有效的結構。由這種電容器線圏提供的好處在應用本發明時 是特別有價值的。
根據本發明的再一個優選實施例，每個子元件包括被纏繞成多匝的兩個不同的條帶，利用這些條帶，每個交替的線圏匝由一個條帶形成，每個 另 一個交替的線圏匝由另 一個條帶形成。
兩個條帶被塗敷以導電材料的實施例使得塗敷圖案在所使用的條帶 之間不同，這是實現電容器元件的所謂"內部串^合"的一種方式。內 部串聯耦合在技術上是已知的。這種過程的使用結合本發明的基4MlL念的 益處是使得內部串聯耦合能夠被極高程度地利用。
上述所列的本發明電容器元件的有益實施例在從屬於權利要求1的 權利要求中闡述。
包括根據本發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於本發明電容器元件的對應於以上給出的那些種 益處的益處。
根據本發明的第四方面，本發明的目的還藉助於在製造電容器元件時 所涉及的那種方法、藉助於包括特定測量的方法實現的，在包括特定測量 的方法中，最外面的子元件由比用來纏繞每個位於裡面的子元件的條帶長 的條帶進行纏繞。
本發明方法提供對於本發明電容器元件的對應於以上給出的那些種 益處的益處。
本發明方法的有益實施例在從屬於權利要求7的權利要求中闡述。這 些實施例提供與以上對於本發明的電容器元件的優選實施例所提到的那 些益處相同的益處。
根據本發明的第五方面，本發明的電力電容器提供的益處在電力系統 中被利用。
存在本發明的電力電容器可被用於電力系統的許多應用，例如
-用於在耗電設備中產生無功功率，
-用於把有功功率或無功功率傳送到直流網或交流網，
-作為用於經過電力線來傳輸高頻信號的耦合電容器，
-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)靜態換流器或電流剛性靜態換流器中的部
件，
-作為在交流濾波器中的部件，以及-作為在串聯補償電容器設備中的部件，當然不限於這些應用。
現在參照本發明的優選實施例，以及還參照附圖的圖形更詳細地描述 本發明。


圖l是根據本發明的電容器元件的縱向截面圖2示出了兩個互相連接的圖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是對應於圖3的截面圖，但示出了可替選的實施例；
圖5是對應於圖3的截面圖，但示出了另一個可替選的實施例；
圖6是本發明電容器的第一實施例的透視圖7是根據本發明的電容器電池的側視圖8示意性地示出了根據本發明的製造步驟。
具體實施例方式
圖1示出了根據本發明的圓柱形電容器元件。電容器元件被劃分成關 於由A表示的公共軸同心的三個子元件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的內表面104，該內表面 104與中間子元件102呈稍微隔開的關係。同樣地，該中間子元件具有緊 密地圍繞最裡面的子元件103的內表面105。該最裡面的子元件103包括 中央通過通道106。
每個子元件IOI、 102、 103包括緊密纏繞的、塗敷以金屬的聚合物薄 膜條帶。這些條帶的長度對於兩個最裡面的子元件102、 103來說通常是 相同的，而用於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施例中，每個子元件的線圏由 兩個相互為不同設計的條帶構成。
這些子元件被串聯耦合。兩個徑向相鄰的子元件中的每個在相對於彼 此的同一端具有相應的耦合點。從而，最外面的子元件101藉助於在電容器元件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。
如果子元件的數目大於3，例如是5個或7個，則子元件各端的耦合 點以與上勤目同的方式被交替地連接。
圖2示出了多個圖l所示的那種電容器元件相互串聯連接的方式。該 圖示出了兩個這種電容器元件la、 lb。下方電容器元件lb的內部子元件 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 種電容器元件產生的電位差。
圖3示出了才艮據所述可替選實施例的、通過圖1的一個子元件的放大 的徑向局部截面。該局部截面示出了相鄰的兩匝金屬塗歉度。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到大約80V/nm大小的 電應力E。用這種方式生產電容器元件的技術在本領^A已知的，這使得 不必要更詳細地描述這種技術。使用金屬化膜具有自愈的好處，其具有比 在薄膜(filmfoil)技術的情況下更高的電應力和更高的能量密度。
金屬層從塑料膜的一側邊緣直到距離塑料膜的另一側邊緣的短距離 處覆蓋該塑料膜。因此，膜8a的邊緣區域或邊界區域16a沒有金屬塗層。 相應地，膜8b的邊界區域16b也沒有金屬塗層。然而，膜8b的自由邊 界區域16b位於膜8a的自由邊界區域的相對端邊緣。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 到一個方向上的正電極和相反方向上的負電極。可以在末端部分噴塗鋅， 以提供有效的電接觸。
在根據圖4的修改的實施例的情況下，電容器元件包括所謂的"內部 串^合"。在這種情況下，每個塑料膜8a、 8b上的金屬層9a、 9b被分 別劃分成分別被非塗敷部分17a和17b隔開的兩個部分9a，、9a"以及9b，、 9b"。也可以把金屬層劃分成兩個以上的部分。每對金屬層部分，例如9a， 和9b，，形成串聯連接的電容器子元件。
圖5示出了修改的實施例的一種變形，其中，僅在一個塑料膜8a上 的金屬層9a被劃分成由非塗敷部分17a隔開的兩個部分9a，、 9a"，而在另一個塑料膜8b上的金屬層9b不被劃分。每個部分9a，和9a"完全延伸 到膜8a的邊緣，在這種情況下，使得在同一個膜8a上發生電連接。在上 部塑料膜上的金屬層9b終結在膜的兩側，未達到如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示出了由根據本發明的電容器元件構建的電力電容器2的設計實 例。在所示情況下，該電力電容器由裝有4個電容器元件la-ld的外部聚 乙烯容器7構成。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串聯連接。連接端子3、 4被提供於電容器的每一端。每個端子 由導電片構成，其被固定在容器材料中，並延伸通過該容器材料。每個電 容器元件1可以被提供有用於冷卻目的的軸向通孔6。
圖7示出了多個具有圓柱形容器2的電力電容器如何相互連接而形成 電容器電池12。
現在參照圖8描述一種生產才艮據本發明的電容器元件的方法，圖8 示意性地示出了適當的生產i殳備。
在所示情況下，電容器元件的每個子元件由塗敷以金屬的兩個不同的 聚合物膜條帶41、 42構成。在所示實例中，電容器元件是這種元件其 中一個條帶41的膜在除了其邊緣的整個表面上被塗敷以金屬層，而另一 個條帶的金屬層被劃分成中間具有非塗敷區域34的兩個平行的層35、36。 生產設備包括第一可旋轉的存儲軸29，條帶40被巻在該存儲軸上，以 形成電容器元件30;以及兩個相互鄰接的導輥32。在產生電容器元件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移動到導輥32，在導輥32處條帶41、 42被結合以形成合成條帶 40。合成條帶40被纏繞在存儲軸29上，使得第一條帶41形成內匝，第 二條帶42形成外匝，換句話說，將使得第一膜的塗lt^面面向存儲軸29， 第二膜的非塗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子元件都以這種方式纏繞。用於最外面子元件 的條帶比用於其餘子元件的條帶約長15%。以與^f吏用典型電容器的相應 的方式在不同的電系統中使用本發明的電容器，因此這種應用的更具體的 描述被認為是不必要的。在這點上，例如參照WO 01/54152，其中描述和 說明了電力電容器的不同應用。
權利要求
1.一種用於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)包括多個串聯連接的圓柱形子元件(101，102，103)，每個子元件(101，102，103)包括至少兩個被纏繞成多匝以提供線圈的電介質材料條帶(8a，8b)，其中導電材料層(9a，9b)被置於所述線圈的匝之間，其中子元件(101，102，103)被布置成一個在另一個的外面，正如沿條帶面的橫截面方向所看到的，其特徵在於在最外面的子元件(101)中的條帶比在每個位於裡面的子元件(102，103)中的每個條帶更長。
2. 根據權利要求1的電容器元件，其特徵在於最外面的子元件(101) 中的每個條帶的長度是最靠近的位於裡面的子元件(102)中的每個條帶 長度的110%到120%。
3. 根據權利要求1或2的電容器元件，其特徵在於導電材料層以 塗敷(9a， 9b)的形式被布置在每個條帶的至少一側。
4. 根據權利要求3的電容器元件，其特徵在於每個子元件(101， 102， 103)包括被纏繞成多匝的兩個相互不同的條帶(8a, 8b),其中每 個交替的線圏匝由一個條帶(8a)形成，每個另一個交替的線圏匝由另一 個條帶(8b)形成。
5. —種用於交流高電壓的電力電容器(2),其特徵在於所述電力 電容器包括多個根據權利要求1-4的任一項的電容器元件(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 並置關係。
6. —種電容器電池(7)，其特徵在於所述電池包括至少一個^l據 權利要求5的電力電容器(2)。
7. —種製造用於電力電容器的電容器元件的方法，其中電容器元件 包括多個串聯連接的圓柱形子元件，其中每個子元件是通過將至少兩個電介質材料的條帶纏繞成多匝以形成線圏而形成的，其中導電材料層被置於 線圏的匝之間，子元件被布置成一個在另一個的外面，如沿條帶面的橫截 面方向所看到的，其特徵在於利用比用於纏繞每個位於裡面的子元件的 條帶更長的條帶來纏繞最外面的子元件。
8. 根據權利要求7的方法，其特徵在於利用長度是用於纏繞最靠 近的位於裡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. 根據權利要求7或8的方法，其特徵在於通過在纏繞所述條帶 之前，用導電材料塗層塗敷每個電介質材料條帶的至少一側而施加導電材 料層。
10. 根據權利要求9的方法，其特徵在於通過同時纏繞兩個不同的 電介質材料條帶而形成每個子元件。
11. 根據權利要求5的、作為電力系統的部件的電力電容器的使用。
全文摘要
本發明涉及用於電力電容器的電容器元件(1)。電容器元件包括多個串聯連接的圓柱形子元件(101，102和103)。每個子元件(101，102和103)包括至少兩個纏繞成多匝的電介質材料條帶。導電材料層被置於線圈的匝之間。子元件被布置成一個在另一個的外面，如沿條帶面的橫截面方向所看到的。根據本發明，最外面的子元件(101)中的條帶長於在每個位於裡面的子元件(102，103)中的條帶。本發明還涉及配備有根據本發明的多個電容器元件的電力電容器和配備有根據本發明的多個電力電容器的電容器電池。本發明還涉及製造本發明的電容器元件的方法和本發明的電力電容器的使用。
文檔編號H01G4/38GK101300650SQ200680041268
公開日2008年11月5日 申請日期2006年11月2日 優先權日2005年11月7日
發明者埃斯比約恩·埃裡克森 申請人:Abb技術有限公司