本發(fā)明涉及一種電阻器結構和分壓器裝置以及包括這種電阻器結構和/或分壓器裝置的電氣設備。

背景技術：

1、電阻器結構和分壓器裝置被構造成用于例如500v和1000kv之間的高電壓應用。高電壓下使用的電阻具有高的電阻(例如大于100kω)以限制功耗。

2、電阻器結構可以包括電絕緣基底、施加在基底上的至少一個導電端子、以及施加在基底上并接合到端子的至少一個電阻線路。

3、在其最簡單的實施例中，分壓器裝置可以包括串聯(lián)電連接的兩個電阻器結構，用于將高電壓(所謂的初級電壓)轉換成較低電壓(所謂的次級電壓)。次級電壓顯著小于初級電壓，例如分壓比在10到100000之間。在分壓器的更復雜的實施例中，串聯(lián)電阻器結構中的一者或兩者可以由電阻網(wǎng)絡代替。電阻器或相應的電阻器網(wǎng)絡可以分別稱為高歐姆電阻器和低歐姆電阻器。

4、這些裝置可以集成在電氣設備中，在這些電氣設備中可能會出現(xiàn)特別惡劣的工作條件，例如強電壓過載、功率過載、溫度變化、濕度變化、機械應力和沖擊。電氣設備的示例是電子儀表變壓器(傳感器)，例如abb的kevcd和keva傳感器類型，它們通常用于額定初級電壓在7.2kv和48kv之間的電力系統(tǒng)中。

5、us?9,299,484?b2公開了一種電阻結構以及電阻分壓器裝置，該專利的內容結合于此。

6、高電壓應用通常需要特定的技術工作，以確保功能性和安全性。原因是這種電阻器結構暴露在高電場強度下，通常會施加過大的電應力/靜電強度。這可能導致介電破壞/絕緣失效，如局部放電或電擊穿。

7、因此，希望在制造、可靠性和安全性方面改進電阻器結構和分壓器裝置。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明基于四個方面a至d，這四個方面可以單獨地(獨立于其他方面)實施、與一個或多個其他方面相結合地實施或者一起實施，并且可以單獨地以及相結合地對技術方案做出貢獻。

2、本發(fā)明涉及一種電阻器結構，其包括：至少一個圓柱形的電絕緣基底；至少一個、優(yōu)選兩個直接或間接設置在基底上的導電端子；(可選地局部地/分段地)直接或間接設置在基底上并直接或間接連接到端子的至少一個電阻路徑，該電阻路徑至少部分地沿著圓柱形基底螺旋形延伸并包括至少一個/至少一條電阻跡線，所述電阻跡線例如具有電阻跡線梢尖部(可以指跡線終點，并且可以是平的或圓的或尖的)和/或形成多個螺旋匝。與電阻路徑相關的幾何形狀被構造成使得電場強度至少部分降低，和/或，使得：

3、(a)沿著至少多個電阻跡線、可選地沿著電阻路徑的任何電阻跡線，電阻路徑相對于圓周方向的斜度/傾角(slope)不超過15°，優(yōu)選為10°，更優(yōu)選為5°，

4、和/或

5、(b)至少一個電阻跡線、可選地多于一個電阻跡線——可選地在直接或間接接合到端子的電阻路徑的一端處——具有有效長度，所述有效長度比電阻跡線的實際長度短，

6、和/或

7、(c)在電阻路徑的一端處，在電阻跡線和端子接合的區(qū)域中，電阻跡線的端頭部/端部和端子之間的角度小于15°，優(yōu)選小于10°，更優(yōu)選小于5°，

8、和/或

9、(d)在至少一個電阻跡線的一端處，電阻跡線的梢尖部是圓頭的。

10、因此，本發(fā)明可以有助于減少由于與至少一部分電阻路徑相關的幾何形狀而導致的電場強度的巨大差異。降低電場強度可以導致電應力的降低。這有助于避免絕緣故障，如局部放電或電擊穿。

11、更具體地說，可以實現(xiàn)電場強度的至少某種程度的均衡。換句話說，電勢的梯度可以減小，從而可以獲得更均勻的電勢降。特別地，通過電阻路徑的部分和/或連接到電阻路徑的實體的特定形狀，可以減少或避免由于電阻路徑引起的不連續(xù)性，從而可以獲得更均勻的電場強度?？梢栽O想，沿著電阻結構，電阻路徑周圍的電場強度差異/變動基本不會超過50％，優(yōu)選為不超過30％。

12、例如通過(多個)分流區(qū)段控制有效電阻長度實現(xiàn)了端子和電阻路徑之間更平滑的過渡。通常，端子和電阻路徑之間的幾何形狀和電阻率會發(fā)生突變。如果分流區(qū)段調整電阻路徑端頭部附近的電阻，則有效電阻長度的變化可以被視為電阻調整/調制。也就是說，電阻路徑的電阻的“平均值”從端子向電阻路徑的中部逐漸增大。這可能是比使用具有不同電阻率的不同材料更具成本效益(也更精確)的解決方案。

13、通過調整與電阻路徑相關的幾何形狀，可以相應地構造路徑本身的走向、路徑內的連接或路徑端頭部的連接。例如，可以獲得電阻路徑的更平滑延伸和/或可以支持端子和電阻路徑之間的更加無縫的/平整的過渡?？梢员苊怆娮枸E線在其梢尖部的突然終止。

14、電場強度在導電/電阻實體和絕緣體之間的接口處最高。由于電荷的積累，這種效應/強度在邊緣和尖角處特別嚴重。改進了端子和電阻路徑的布置，以實現(xiàn)電阻結構上和電阻結構周圍的電勢的平滑/無縫分布(例如端子-電阻器路徑-端子、端子-絕緣體-端子)。在端子和電阻路徑的邊緣附近存在電場強度的局部變化。更“均勻的分布”應理解為“均勻的局部變化”或局部變化的峰值幾乎恒定。

15、因此，借助于本發(fā)明，可以提高電阻器結構和相應的分壓器裝置的精度和耐壓性。

16、厚膜技術中通常采用的電阻材料是基于主要包含玻璃、導電氧化物陶瓷顆粒(例如氧化釕)和可能的其他添加劑(例如金屬顆粒)的配方。厚膜電阻材料或多層膜的電阻率(表面電阻/薄膜電阻)通常在50mω/平方和1gω/平方之間。

17、在本發(fā)明的上下文中，電阻路徑的電阻跡線由電阻率優(yōu)選在50ω/平方和100mω/平方之間\或者優(yōu)選在500ω/平方和10mω/平方之間的電阻材料制成。可能的電阻材料的非窮盡示例是heraeus(賀利氏)的r8700系列或dupont(杜邦)的2000系列。

18、厚膜技術中通常采用的導電材料是基于包含大量金屬顆粒如ag、pd、au、pt和可能的其它添加劑的配方。厚膜導體材料或多層膜的電阻率通常在1mω/平方和1ω/平方之間?？赡艿膶щ姴牧系姆歉F舉示例是heraeus的c2210或dupont的7484。

19、絕緣體材料的體積電阻率大于107ω·cm。

20、可選地，沿著電阻路徑的走向，電阻路徑相對于電阻路徑的相鄰區(qū)域的斜度變化小于15°，優(yōu)選小于5°。均勻的電阻路徑有助于電場的均勻強度。

21、可選地，包括在電阻路徑中的至少一個電阻跡線或所有電阻跡線沿其整個長度的平均斜度小于3°，優(yōu)選小于2°。這種斜度可以實現(xiàn)沿著路徑的更大的均勻性，并且允許更平滑地連接到電阻路徑端頭部處的端子。例如，優(yōu)點可以是：在電阻路徑的端頭部處，即在與端子接觸時，可以實現(xiàn)電阻跡線的適當有效長度。

22、可選地，當垂直于電阻路徑的走向或者在連接相對端子的方向上(即，在縱向方向上)觀察時，電阻路徑的彼此隔開且相繼的區(qū)域之間的距離可以變化小于0.6mm，或者優(yōu)選地小于0.2mm，并且可選地基本恒定，其中所述區(qū)域屬于至少一個電阻跡線。如果后續(xù)電阻跡線之間的距離變化很小，幾乎不存在變化，則可以支持均勻且平滑的電場強度。如果電阻路徑具有一個或多個跡線，則在過渡元件的區(qū)域中，電阻路徑的各匝之間的距離可以變化大約40％到100％。這些不連續(xù)性對電場強度峰值的影響可以忽略不計，尤其是當電阻跡線的端頭部變圓時。

23、可選地，基本上沿著整個電阻路徑，所述距離變化小于50％或者優(yōu)選地小于20％，并且可選地基本上恒定。如果該距離沿著整個電阻路徑僅略微變化或者不變化，這可以導致有效的改進。

24、可選地，螺旋的螺距變化小于50％或20％以及/或者小于1mm或0.2mm，并且可選地基本恒定。電阻路徑沿著圓柱形基底延伸的螺旋形行程的螺距如果是恒定的或者只有略微的偏差，則有助于避免不連續(xù)。

25、可選地，螺距可以大約等于或大于后續(xù)電阻跡線之間距離的兩倍。

26、可選地，至少一個電阻跡線的端頭部的半徑是恒定的，或者朝著電阻跡線的梢尖部減小。如果電阻跡線不是陡截終止，而是以圓頭的或彎曲的終端逐漸終止，則可以避免沿電阻路徑的不連續(xù)性。如果曲率由恒定的半徑或者由朝著電阻跡線的梢尖部減小的半徑限定，則可以提供適當?shù)亩私印Ｉ壹獠恐皶鄄糠痔幍陌霃交旧系扔诨虼笥谑Ｓ嚯娮枸E線全寬的1/2。優(yōu)選地，梢尖部的基部附近的半徑大于梢尖部處的半徑。

27、可選地，該端子包括分流區(qū)段，該分流區(qū)段從剩余端子突出并連接到電阻跡線的遠離電阻跡線端頭部的一部分。分流區(qū)段可以有助于調節(jié)電阻跡線的有效長度，即，通過不在電阻跡線的端頭部而是在電阻跡線的端頭部之前提供與電阻跡線的連接來縮短電阻跡線的實際長度。

28、可選地，所述至少一個分流區(qū)段代表互連元件，該互連元件在垂直于電阻路徑的延伸方向的方向上或者從結構的一端到另一端的方向上連接至少兩個電阻跡線，可選地還與端子連接。關于電阻跡線的有效長度，連接元件形式的分流區(qū)段可以幫助構造分壓器裝置。

29、可選地，在電阻路徑端頭部處的至少一個電阻跡線包括連接部分，該連接部分在垂直于電阻路徑的延伸方向的方向上至少沿著剩余電阻跡線的一部分長度從剩余電阻跡線突出。因此，連接部分可以幫助調節(jié)電阻跡線的有效長度。

30、可選地，電阻路徑包括多個電阻跡線和在電阻路徑的延伸方向上將電阻跡線相互連接的多個過渡元件。電阻路徑可以包括電阻跡線，其通過過渡元件串聯(lián)電連接以形成電阻路徑。電阻跡線可以至少部分地彼此平行。這允許有效的制造。或者，電阻路徑可以由從一個端子到相對的端子連續(xù)延伸的單個電阻跡線組成。連續(xù)的螺旋匝可以被認為是沒有過渡元件的單個電阻跡線。

31、可選地，至少一個過渡元件代表沿著電阻路徑的延伸方向和端子部分連接電阻路徑的至少兩個電阻跡線的互連路徑。這代表電阻跡線的并聯(lián)連接。這樣，可以調整電阻跡線的有效長度。

32、可選地，電阻跡線隨后沿著電阻路徑的走向布置，其中通過利用比多個過渡元件中的至少一者長的過渡元件連接所述至少兩個電阻跡線，減少了至少兩個隨后/后續(xù)的電阻跡線的有效長度。通過以過渡元件的用來連接電阻跡線的長度來調整電阻跡線的、特別是在電阻路徑的端頭部處的有效長度，可以獲得關于電場的積極效果。

33、可選地，至少后續(xù)的電阻跡線的有效長度朝著電阻路徑的端頭部減小，該端頭部連接到端子。這有助于端子附近的電場的平滑度。

34、可選地，互連路徑連接電阻路徑的至少一個電阻跡線和端子，其中，互連路徑的、連接到電阻路徑的至少一個電阻跡線的一部分基本上沿著電阻跡線的方向設置。這有助于降低第一電阻路徑端頭部處和互連路徑處的電場強度和應力。

35、本發(fā)明的電阻器結構可以使用厚膜技術制造，例如絲網(wǎng)印刷或模板印刷或通過噴嘴直接印刷。導電材料膜和電阻材料膜按順序沉積在絕緣基底上。通常，沉積單一材料的單層，隨后是后續(xù)步驟例如干燥或燒制。例如，導電膜或電阻膜在600℃和950℃之間的非常高的溫度下燒制。

36、絕緣基底可以由陶瓷材料、例如氧化鋁或氮化鋁制成。

37、除了第一導電端子之外，至少第二導電端子通?？梢栽O置在電阻結構中，其中電阻路徑連接到第一端子和第二端子。在分壓器中，高歐姆電阻器和低歐姆電阻器可以共享一個端子，使得分壓器裝置可以至少包括第一端子、第二端子和第三端子。

38、可以提供由電絕緣材料制成的覆料/涂層。在一些實施例中，覆料可以是最外面的實體或層。覆料可以覆蓋整個或部分電阻結構。覆料可以覆蓋電阻路徑的至少一部分，并且可能覆蓋一個或多個端子的一部分或多個部分。每個端子的一部分優(yōu)選不被覆料覆蓋，以便提供到電阻結構的電連接。覆料可以是膜，并且可以制成5至100μm和/或3至30μm之間的厚度。覆膜可以具有不同的厚度，可選地第一厚度在5至100μm之間，第二厚度在3至30μm之間，其中第一厚度比第二厚度大至少50％或至少5μm。

39、可選地，例如由聚合物制成的第二覆料可以施加在第一覆料上。第二覆料可以比第一覆料厚。

40、可以提供分流器。分流區(qū)段被構造成分接電阻跡線的不同部分，以成比例地減小其有效電阻長度。這可能意味著電氣上有效的長度(并因此決定跡線的電阻)比跡線的實際長度短。過渡元件可以充當分流區(qū)段。分流區(qū)段的電阻率比分流區(qū)段(例如過渡元件)所連接的電阻跡線的電阻率低。

41、可選地，電阻器結構包括基本相同的電阻跡線，并且優(yōu)選地以基本相同的螺距周期性排列。電阻跡線可以由相同的電阻材料制成，并且可以大部分都具有相同的厚度、寬度、斜度和(實際)長度。這有助于電阻跡線和電阻路徑的有效和可再現(xiàn)的制造。

42、可選地，電阻路徑包括多個螺旋匝，并且螺旋匝的電阻在路徑的端頭部處減小，使得電阻路徑端頭部處的第一螺旋匝的電阻比電阻路徑的多個螺旋匝中的至少一者的電阻小至少15％，優(yōu)選至少30％。

43、可選地，電阻路徑的第二螺旋匝的電阻比電阻路徑的多個螺旋匝中的至少一者的電阻小至少10％，其中第二螺旋匝優(yōu)選地在第一螺旋匝之后。

44、可選地，電阻路徑的至少一個螺旋匝設置有一個或多個電阻跡線，并且設置有一個或多個過渡元件和/或分流器，其電阻率小于電阻路徑的一個或多個電阻跡線的電阻率。也就是說，螺旋匝可以包括連接多個電阻跡線的多個過渡元件?；蛘呗菪芽梢园ǘ鄠€小分流器。

45、可選地，在第二電阻路徑的相對側，對于第一電阻路徑提供兩個端子。這可能有助于降低端子處的電場強度。

46、本發(fā)明的分壓器裝置可以包括串聯(lián)電連接的高歐姆電阻器和低歐姆電阻器，其中分壓器裝置包括至少一個根據(jù)本發(fā)明的電阻器結構。高歐姆電阻器由一個或多個電阻跡線構成，低歐姆電阻器由一個或多個電阻跡線構成，并且高歐姆和低歐姆電阻器的電阻不同。

47、可選地，分壓器裝置設置在同一基底上，并且包括基本相同的電阻跡線。這可以提供一種制造更有效且更穩(wěn)定的裝置。

48、本發(fā)明的電氣設備包括本發(fā)明的電阻器結構或分壓器裝置。