电容器元件、制造电容器元件的方法和电力电容器的使用

摘要

本发明涉及用于电力电容器的电容器元件(1)。电容器元件包括多个串联连接的圆柱形子元件(101，102和103)。每个子元件(101，102和103)包括至少两个缠绕成多匝的电介质材料条带。导电材料层被置于线圈的匝之间。子元件被布置成一个在另一个的外面，如沿条带面的横截面方向所看到的。根据本发明，最外面的子元件(101)中的条带长于在每个位于里面的子元件(102，103)中的条带。本发明还涉及配备有根据本发明的多个电容器元件的电力电容器和配备有根据本发明的多个电力电容器的电容器电池。本发明还涉及制造本发明的电容器元件的方法和本发明的电力电容器的使用。

说明书

技术领域

根据第一方面，本发明涉及电容器元件或交流高电压的电力电容器，其中，电容器元件包括多个串联连接的圆柱形子元件，每个子元件由至少两个被缠绕成多匝的电介质材料的条带形成，其中导电材料层被置于线圈的匝之间，且其中子元件被布置成一个在另一个的外面，如沿条带面的横截面方向所看到的。

根据本发明的第二和第三方面，本发明分别涉及用于交流高电压的电力电容器和电容器电池。

根据第四方面，本发明涉及一种生产用于电力电容器的、包括多个串联连接的圆柱形子元件的电容器元件的方法，通过将至少两个电介质材料条带缠绕成多匝而形成每个子元件，其中一个导电材料层被置于所述匝之间，且其中子元件被布置成一个在另一个的外面，如沿条带面的横截面方向所看到的。

根据第五方面，本发明涉及所发明电容器的使用。

背景技术

在电力电容器中使用电容器元件是已知的，其中电容器元件由通过薄膜电介质材料的条带紧密地缠绕成的箍(hoop)构成，其中条带具有被施加到该条带一侧或两侧的金属层。电容器元件可以具有圆柱形状。

把这种电容器元件划分成若干子元件和使这些元件串联耦合也是已知的。子元件围绕彼此同心地布置，一个在另一个的外面。子元件的数目通常为奇数。子元件被缠绕成使得它们具有相同的电容。所描述的这种电容器元件在例如WO 01/52284、WO 01/52285、WO 01/52286和WO01/54151中有更具体的描述。电容器元件被非常紧密地缠绕，使得可以避免在线圈的匝之间的气隙。这种匝的紧密缠绕意味着已被叠置的绑匝(binding turns)在缠绕继续时将进一步被压缩。该线圈的最外匝不会受到多个位于外面的匝向里施加的力。所以，电容器元件包括非常紧密缠绕的膜和多个最外面的匝，其中虽然膜紧密地缠绕，但不完全具有与位于里面的膜相同的紧密度。

当电容器元件包括子元件时，最外面子元件的外面部分因此将比该最外面子元件的里面部分缠绕得更松弛，也比位于内部的子元件缠绕得更松弛。实际上，关于这些后面提到的子元件，所施加的缠绕压力相对恒定。

已经发现，这些不太紧密地缠绕的最外面的匝具有比电容器元件的其余部分更差的电性能。因此，线圈的这些外面的匝将限制可能的电介质胁变。因为材料消耗与电介质胁变的平方成反比，因此这对于电容器元件的经济使用具有负面影响。

本发明的目的是提供一种克服以上问题的电容器元件。

发明内容

根据本发明的第一方面，该目的是通过为相关的这种电容器元件提供用于形成最外面的子元件条带的特殊特性而达到的，其中最外面的子元件条带比每个位于内部的子元件中的每个条带更长。

作为将最外面子元件缠绕成具有较长缠绕长度的结果，该子元件的电容将相应地大于其余子元件的电容。因为阻抗与电容成反比，所以阻抗将减小到相应的程度。由此，电介质应力在外部子元件上较低，这使得电容器元件能够被完全最优化，以使得外部子元件和位于内部的子元件在它们所能承受的负荷方面具有基本上相同的容限。电容器元件的总电容将会多少更高些，其体积/材料也是这样。这提供了显著的优点：使得电容器元件能够被加载更高的电压，由此产生更大的容性功率。

根据本发明电容器元件的优选实施例，在置于最外面的子元件中的条带长度将是最靠近的位于里面的子元件的条带长度的110％到120％。

根据本发明的另一个优选实施例，导电材料层以涂敷的形式施加到条带的至少一侧。

该技术方案对于在所涉及的那种电容器元件方面的技术是已知的，在电容器元件的安全愈合(safe-healing)能力方面具有有利的特性，在制造方面也是成本有效的结构。由这种电容器线圈提供的好处在应用本发明时是特别有价值的。

根据本发明的再一个优选实施例，每个子元件包括被缠绕成多匝的两个不同的条带，利用这些条带，每个交替的线圈匝由一个条带形成，每个另一个交替的线圈匝由另一个条带形成。

两个条带被涂敷以导电材料的实施例使得涂敷图案在所使用的条带之间不同，这是实现电容器元件的所谓“内部串联耦合”的一种方式。内部串联耦合在技术上是已知的。这种过程的使用结合本发明的基本概念的益处是使得内部串联耦合能够被极高程度地利用。

上述所列的本发明电容器元件的有益实施例在从属于权利要求1的权利要求中阐述。

包括根据本发明的电容器元件的电力电容器和包括这种电力电容器的电容器电池提供了对于本发明电容器元件的对应于以上给出的那些种益处的益处。

根据本发明的第四方面，本发明的目的还借助于在制造电容器元件时所涉及的那种方法、借助于包括特定测量的方法实现的，在包括特定测量的方法中，最外面的子元件由比用来缠绕每个位于里面的子元件的条带长的条带进行缠绕。

本发明方法提供对于本发明电容器元件的对应于以上给出的那些种益处的益处。

本发明方法的有益实施例在从属于权利要求7的权利要求中阐述。这些实施例提供与以上对于本发明的电容器元件的优选实施例所提到的那些益处相同的益处。

根据本发明的第五方面，本发明的电力电容器提供的益处在电力系统中被利用。

存在本发明的电力电容器可被用于电力系统的许多应用，例如：

-用于在耗电设备中产生无功功率，

-用于把有功功率或无功功率传送到直流网或交流网，

-作为用于经过电力线来传输高频信号的耦合电容器，

-作为电容式电压互感器中的电容式分压器，

-作为在电压刚性(stiff)静态换流器或电流刚性静态换流器中的部件，

-作为在交流滤波器中的部件，以及

-作为在串联补偿电容器设备中的部件，当然不限于这些应用。

现在参照本发明的优选实施例，以及还参照附图的图形更详细地描述本发明。

附图说明

图1是根据本发明的电容器元件的纵向截面图；

图2示出了两个互相连接的图1所示的电容器元件；

图3是图1所示的图的一部分的放大的径向截面图；

图4是对应于图3的截面图，但示出了可替选的实施例；

图5是对应于图3的截面图，但示出了另一个可替选的实施例；

图6是本发明电容器的第一实施例的透视图；

图7是根据本发明的电容器电池的侧视图；

图8示意性地示出了根据本发明的制造步骤。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的圆柱形电容器元件。电容器元件被划分成关于由A表示的公共轴同心的三个子元件101、102、103。最外面的子元件101基本上为筒形，其具有围绕中间子元件102的内表面104，该内表面104与中间子元件102呈稍微隔开的关系。同样地，该中间子元件具有紧密地围绕最里面的子元件103的内表面105。该最里面的子元件103包括中央通过通道106。

每个子元件101、102、103包括紧密缠绕的、涂敷以金属的聚合物薄膜条带。这些条带的长度对于两个最里面的子元件102、103来说通常是相同的，而用于缠绕最外面的子元件101的条带比其它条带约长15％。在子元件之间提供有绝缘件107。

在图1所示的电容器元件的可替选的实施例中，每个子元件的线圈由两个相互为不同设计的条带构成。

这些子元件被串联耦合。两个径向相邻的子元件中的每个在相对于彼此的同一端具有相应的耦合点。从而，最外面的子元件101借助于在电容器元件1的一端的耦合器件110与中间子元件102连接，中间子元件103在电容器元件1的另一端被连接。这样，在所述元件的各端得到电容器元件连接部件112、113。

如果子元件的数目大于3，例如是5个或7个，则子元件各端的耦合点以与上述相同的方式被交替地连接。

图2示出了多个图1所示的那种电容器元件相互串联连接的方式。该图示出了两个这种电容器元件1a、1b。下方电容器元件1b的内部子元件103的上端连接部件112被耦合到上方电容器元件1a的外部子元件101的下端连接部件113。绝缘材料114被放置在电容器元件之间，以克服这种电容器元件产生的电位差。

图3示出了根据所述可替选实施例的、通过图1的一个子元件的放大的径向局部截面。该局部截面示出了相邻的两匝金属涂敷膜。各膜8a和8b的厚度约为10μm，其材料是聚丙烯。金属层9a、9b具有纳米量级的厚度，由铝或锌或其混合物组成，金属层在条带卷起之前被气相沉积在聚丙烯膜上。利用这种金属化膜可以在交流情况下达到大约80V/μm大小的电应力E。用这种方式生产电容器元件的技术在本领域是已知的，这使得不必要更详细地描述这种技术。使用金属化膜具有自愈的好处，其具有比在薄膜(film foil)技术的情况下更高的电应力和更高的能量密度。

金属层从塑料膜的一侧边缘直到距离塑料膜的另一侧边缘的短距离处覆盖该塑料膜。因此，膜8a的边缘区域或边界区域16a没有金属涂层。相应地，膜8b的边界区域16b也没有金属涂层。然而，膜8b的自由边界区域16b位于膜8a的自由边界区域的相对端边缘。如图所示，层9a的电连接部件在元件的上端，层9b的电连接部件在元件的下端，以便得到一个方向上的正电极和相反方向上的负电极。可以在末端部分喷涂锌，以提供有效的电接触。

在根据图4的修改的实施例的情况下，电容器元件包括所谓的“内部串联耦合”。在这种情况下，每个塑料膜8a、8b上的金属层9a、9b被分别划分成分别被非涂敷部分17a和17b隔开的两个部分9a’、9a”以及9b’、9b”。也可以把金属层划分成两个以上的部分。每对金属层部分，例如9a’和9b’，形成串联连接的电容器子元件。

图5示出了修改的实施例的一种变形，其中，仅在一个塑料膜8a上的金属层9a被划分成由非涂敷部分17a隔开的两个部分9a’、9a”，而在另一个塑料膜8b上的金属层9b不被划分。每个部分9a’和9a”完全延伸到膜8a的边缘，在这种情况下，使得在同一个膜8a上发生电连接。在上部塑料膜上的金属层9b终结在膜的两侧，未达到如16a、16b所指示的膜的边缘，因此在任何方向上都没有被电连接。

图6示出了由根据本发明的电容器元件构建的电力电容器2的设计实例。在所示情况下，该电力电容器由装有4个电容器元件1a-1d的外部聚乙烯容器7构成。容器7以及电容器元件1a-1d都是圆柱形状。电容器元件1a-1d串联连接。连接端子3、4被提供于电容器的每一端。每个端子由导电片构成，其被固定在容器材料中，并延伸通过该容器材料。每个电容器元件1可以被提供有用于冷却目的的轴向通孔6。

图7示出了多个具有圆柱形容器2的电力电容器如何相互连接而形成电容器电池12。

现在参照图8描述一种生产根据本发明的电容器元件的方法，图8示意性地示出了适当的生产设备。

在所示情况下，电容器元件的每个子元件由涂敷以金属的两个不同的聚合物膜条带41、42构成。在所示实例中，电容器元件是这种元件：其中一个条带41的膜在除了其边缘的整个表面上被涂敷以金属层，而另一个条带的金属层被划分成中间具有非涂敷区域34的两个平行的层35、36。生产设备包括：第一可旋转的存储轴29，条带40被卷在该存储轴上，以形成电容器元件30；以及两个相互邻接的导辊32。在产生电容器元件30的过程中，条带卷41放置在轴25上，条带卷42放置在轴27上。条带41、42移动到导辊32，在导辊32处条带41、42被结合以形成合成条带40。合成条带40被缠绕在存储轴29上，使得第一条带41形成内匝，第二条带42形成外匝，换句话说，将使得第一膜的涂敷表面面向存储轴29，第二膜的非涂敷表面面向电容器元件30的圆筒表面。

在电容器元件中的每个子元件都以这种方式缠绕。用于最外面子元件的条带比用于其余子元件的条带约长15％。以与使用典型电容器的相应的方式在不同的电系统中使用本发明的电容器，因此这种应用的更具体的描述被认为是不必要的。在这点上，例如参照WO 01/54152，其中描述和说明了电力电容器的不同应用。