<Desc/Clms Page number 1>
Geschichtete Hochspannungsisolierung für elektrische Leiter
Die Erfindung befasst sich mit der Ausbildung der geschichteten Hochspannungsisolierung von elek- trischen Leiteranordnungen mit koaxial liegendem Leiter, wie es beispielsweise Kabel, Durchführungen oder auch isolierte Sammelschienen sind. Es ist bekannt, eine solche hochspannungsfeste Isolierung aus geschichteten Materialien, beispielsweise aus Papierbändem, aufzubauen, die in der Regel mit einem mehr oder minder viskosen Tränkmittel, beispielsweise mit Öl, durchtränkt werden. Bei solchen geschich- teten Isolierungen Leiteranordnungen mit koaxial gelegenem Leiter, die jedoch nicht unbedingt zy- lindrisch sein müssen, sondern beispielsweise auch einen sektorförmigen Querschnitt haben können, wird das Spannungspotential vom Leiter bis zur Aussenfläche abgebaut.
Mit Rücksicht darauf, dass die höchsten
Werte des Potentialgradienten (Feldstärke) unmittelbar am Leiter auftreten, ordnet man daher in den dem
Leiter unmittelbar benachbarten Schichten Isolierstoffe höherer elektrischer Festigkeit an. So ist beispiels- weise ein Hochspannungsöldruckkabel mit geschichteter Papierisolierung bekannt, bei dem die dünnsten Papierbänder der Isolierung, deren Stärke gleich oder kleiner als 0, 04 mm ist, unmittelbar in der Nähe des Leiters angeordnet sind, während die Stärke der Papierbänder in den radial nach aussen anschliessenden Schichten zunimmt.
Die Erfindung weicht von diesem bekannten Aufbau einer geschichteten Hochspannungsisolierung einer koaxialen Leiteranordnung ab. Gemäss der Erfindung besteht die im Bereich der 50"lo-Äquipoten- tialfläche des elektrischen Feldes befindliche Schicht aus einem Isolierstoff, der hochwertiger als die Isolierstoffe der übrigen Schichten der Isolierung ist.
Während man also bisher bestrebt war, bei einer geschichteten Isolierung die Schichten aus dem hochwertigsten Isolierstoff unmittelbar am Leiter anzuordnen, sieht die Erfindung vor, die hochwertigsten Isolierstoffschichten in der 5Clo-Äquipotentialfläche, also in der elektrischen Mitte (Bereich der mittleren elektrischen Belastung), anzuordnen. Die Erfindung beruht nämlich auf der Erkenntnis, dass bei einer geschichteten Isolierung einer Leiteranordnung mit koaxial liegendem Leiter durch das Auftreten von Raumladungen die zu Glimmerscheinungen und damit schliesslich zu einem Durchschlag der Isolierung führenden Vorentladungen nicht unmittelbar am Leiter, sondern in der Zone der 50"lo-Äquipotentialfläche auftreten.
Durch umfangreiche Versuche hat es sich nämlich gezeigt, dass diese Vorentladungen im Bereich der 50"lo-Äquipotentialfläche des elektrischen Feldes die Ursache für Durchschläge der Isolierung sind. Dieser für das Einsetzen der Vorentladungen wesentliche Bereich der 50%-Äquipotentialfläche ist nicht etwa die geometrische Mitte der geschichteten Isolierung, vielmehr ist mit diesem Ausdruck diejenige den Leiter umgebende Fläche gleichen elektrischen Potentials bezeichnet, deren Potential den halben Wert zwischen dem Potential des Leiters und dem Potential der Aussenfläche der Isolierung aufweist.
Zur Erläuterung dieses Sachverhaltes ist in der Fig. 1 ein Quadrant einer den metallischen Leiter 1 zylindrisch umgebenden Isolierung 2 darstellt, wie es beispielsweise bei einem Rundleiterkabel der Fall ist. Da das elektrische Feld hiebei die Form eines Zylinderfeldes hat, sind die Äquipotentialflächendes elektrischen Potentials den Leiter 1 konzentrisch umgebende Zylinder, deren Lage durch die Entfernung r vom Mittelpunkt des Leiters 1 gekennzeichnet wird.
Wird mit ri der Radius des metallischen Leiters 1
<Desc/Clms Page number 2>
und mit ra der Radius der Aussenfläche der Isolierung 2, also der Radius der gesamten Ader bezeichnet, so ergibt sich aus dem Linienintegral der Feldstärke im Zylinderfeld das elektrische Potential U (r) an der Stelle r zu :
EMI2.1
Hiebei ist Uo das Potential des Leiters 1.
In der Ordinate der Fig. l ist der volle Wert des Potentials Uo mit 1000/0 bezeichnet. Ferner sind die Werte 75%, 50% und 25% dieses Potentials eingetragen. Werden die Radien der zu diesen Potentialwerten gehörenden Äquipotentialflächen mit rg, rg und r 25 bezeichnet, so erhält man aus der angegebenen Gleichung für das Potential U (r) die Werte :
EMI2.2
Für die Erfindung ist es nunmehr wesentlich, dass die geschichtete Isolierung im Bereich der 500/0- Äqui- potentialfläche, also im Bereich der elektrischen Mitte, einen höherwertigen Isolierstoff aufweist als in den übrigen Schichten der Isolierung.
Die Stärke dieser gemäss der Erfindung in der elektrischen Mitte vorgesehenen Schicht aus höherwertigem Isolierstoff hängt von den speziellen Anforderungen ab, die an die
EMI2.3
die nicht so hochwertigsind wie der Isolierstoff der im Bereich der 50%-Äquipotentialfläche befindlichen Schicht. Im allgemeinen wird man diese anschliessenden Schichten hinsichtlich ihrer elektrischen Güte abstufen. Es ist jedoch nichtzweckmässig, die im Bereich der 50%-Äquipotentialfläche befindliche Schicht in Richtung auf den Leiter hin ilber die 75%-Äquipotentialfläche und in Richtung auf die Aussenfläche über die 25%-Äquipotentialfläche hinausreichen zu lassen.
Die gemäss der Erfindung vorgesehene Abstufung der Güte der Schichten der Isolierung kann dadurch erreicht werden, dass man die im Bereich der 50%-Äquipotentialfläche des elektrischen Feldes befindliche Schicht aus Bändern bzw. Folien aufbaut. die dünner als die Bänder bzw. Folien der übrigen Schichten der Isolierung sind.
Es ist aber auch möglich, die geschichtete Hochspannungsisolierung in der Weise aufzubauen, dass die im BEreich der 50%-Äquipotentialfläche befindliche Schicht aus Bändern bzw. Folien aus einem Kunststoff aufgebaut wird, während die übrigen Schichten der Isolierung aus Papierbändern gebildet werden.
An sich ist es beispielweise aus der brit. PatentschriftNr. 817, 616 bekannt, das geschichtete Dielek- trikum eines Hochspannungskabels gleichzeitig sowohl aus Kunststoffolien als auch aus Papierbändern aufzubauen. Bei diesem bekannten Hochspannungskabel ist aber die Kunststoffolie unmittelbar am Leiter angeordnet, während die äusseren Lagen des Dielektrikums aus Papierbändern bestehen, d. h. der hochwertigste Isolierstoff befindet sich bei dieser bekannten Konstruktion unmittelbar am Leiter. Demgegen- über ist es für die Erfindung wesentlich, dass der hochwertigste Isolierstoff im Bereich der 500/o-Äquipo- tentialfläche, also im Bereich der mittleren elektrischen Belastung, angeordnet wird.
Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Fig. 2-6 Beispiele von gemäss der Erfindung ausgebildeten geschichteten Hochspannungsisolierungen dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt ein Einleiterhochspannungskabel für 220 kV mit geschichteter Isolierung. Der Leiter 21 dieses Einleiterhochspannungskabels, dessenDurchmesser 22 mm beträgt, ist als Hohlleiter ausgebildet, dessen Inneres mit Öl gefüllt ist. Auf den Leiter 21 ist metallisiertes Papier 23 als Leiterglättung aufgebracht.
Das metallisierte Papier 23 wird von der aus mehreren Schichten aus Papierbändern bestehenden. mit
<Desc/Clms Page number 3>
Öl getränkten geschichteten Isolierung 22 umgeben, die eine Stärke von 20 mm hat. Auf diese geschichtete Isolierung 22 ist das metallisierte Papier 24 als A derschirmung aufgesponnen. Auf dieses ist der äussere Mantel 25 aufgepresst, der aus Blei besteht.
Die geschichtete Isolierung 22, die eine Gesamtdicke von 20 mm aufweist, besteht aus den sieben Schichten 221-227, die aus nacheinander aufgesponnenen Papierbändern unterschiedlicher Stärke bestehen. Die Stärke der für die geschichtete Isolierung 22 verwendeten Papierbänder schwankt zwischen 50 und 150j. Das dünne Papier mit einer Stärke von 50 hat eine hohe elektrische Güte. In Durchführung des Erfindungsgedankens ist die aus diesem dünnsten Papier bestehende Schicht im Bereich der 500-Äquipotentialfläche, also in der elektrischen Mitte, angeordnet, deren Lage im linken unteren Quadranten der Fig. 2 strichpunktiert angedeutet ist. Im linken unteren Quadranten sind ferner die 75'%-Äquipotentialfläche und die 25%-Äquipotentialfläche eingezeichnet.
Für denAufbau der geschichteten Isolierung 22, d.h. für die Stärke der einzelnen Schichten 221 - 227 sowie für die Stärke der diese Schichten bildenden Papierbänder gelten folgende Werte :
EMI3.1
<tb>
<tb> Schicht <SEP> Nr. <SEP> Stärke <SEP> der <SEP> Schicht <SEP> Papierbandstärke
<tb> [mm] <SEP> [p] <SEP>
<tb> 221 <SEP> 2 <SEP> 125
<tb> 222 <SEP> 2 <SEP> 75
<tb> 223 <SEP> 4 <SEP> 50
<tb> 224 <SEP> 2 <SEP> 75
<tb> 225 <SEP> 2 <SEP> 105
<tb> 226 <SEP> 3 <SEP> 125
<tb> 227 <SEP> 5 <SEP> 150
<tb>
EMI3.2
EMI3.3
<tb>
<tb> Schicht <SEP> Nr.
<SEP> Stärke <SEP> der <SEP> Schicht <SEP> Papierbandstärke
<tb> [mm]' <SEP> [ <SEP> ]
<tb> 321 <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> 125
<tb> 322 <SEP> 1 <SEP> 75
<tb> 323 <SEP> 3 <SEP> 55
<tb> 324 <SEP> 2 <SEP> 125
<tb> 325 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 150
<tb>
<Desc/Clms Page number 4>
In Durchführung des Erfindungsgedankens besteht die im Bereich der 50%-Äquipotentialfläche be- findliche Schicht 323 aus dünneren Papierbändern, als sie für die übrigen Schichten 321,322, 324 und 325. verwendet sind. Ferner befindet sich am Ort der 50%-Äquipotentialfläche, also innerhalb der Schicht
323, die schwachleitende Einlage 36 aus Carbonpapier.
Für die Erfindung ist es wesentlich, dass die im Bereich der 50%-Äquipotentialfläche befindliche
Schicht höherwertiger als die übrige Isolierung ist. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass die
Schicht im Bereich der 50%-Äquipotentialfläche aus Kunststoffolien bzw. Kunststoffbändern aufgebaut wird, während für die übrigen Schichten Papierbänder vorgesehen werden.
Als Ausführungsbeispiel hiefür ist in der Fig. 4 ein Stück einer geschichteten Isolierung wiedergegeben, wie sie vielfach in Hochspannungsgeräten Anwendung findet. Der massive Leiter 41, dessen Durch- messer 16 mm beträgt, wird von der geschichteten Isolierung 42 umgeben, die eine Dicke von 15 mm aufweist und die aus den drei Schichten 421 - 423 besteht. Auf den Leiter 41 ist die leitfähige Schicht 43 als Leiterglättung und auf die geschichtete Isolierung 42 die leitfähige äussere Schicht 44 z. B. aus Metall- gewebe aufgebracht.
In Durchfährung des Erfindungsgedankens besteht die im Bereich der 500/0-Äquipotentialfläche befind- liche Schicht 422 der geschichteten Isolierung 42 aus Kunststoffolien auf der Basis eines Polycarbonates, während die übrigen Schichten 421 und 423 aus Papierbändern aufgebaut sind. Für die Stärke der Schich-
EMI4.1
EMI4.2
<tb>
<tb> Schicht <SEP> Nr. <SEP> Stärke <SEP> der <SEP> Schicht <SEP> Papierbandstärke <SEP> Material
<tb> [mm] <SEP> [ ]
<tb> 421 <SEP> 3, <SEP> 6 <SEP> 75 <SEP> Papier
<tb> 422 <SEP> 4, <SEP> 0 <SEP> 30 <SEP> Polycarbonat
<tb> 423 <SEP> 7. <SEP> 4 <SEP> 75 <SEP> Papier
<tb>
Leiteranordnungen mit gemäss der Erfindung versehenen Hochspannungsisolierungen brauchen nicht unbedingt zylindrisch zu sein.
Als Beispiel hiefür ist in der Fig. 5 eine isolierte Sammelschiene mit sektorfärmigem Querschnitt für 220 kV dargestellt, die mit einer gemäss der Erfindung ausgebildeten geschichteten Isolierung versehen ist. Der sektorförmige, massive Leiter 51 der Sammelschiene ist von der geschichteten Isolierung 52 umgeben, deren Dicke 15 mm beträgt und die aus den drei Schichten 521 bis 523 besteht. In Durchführung des Erfindungsgedankens ist die im Bereich der 50%-Äquipotentialfläche befindliche Isolierschicht 522 aus Polycarbonatfolien aufgebaut, während die Isolierschichten 521 und 523 aus Papierbändern bestehen. Für die Stärke der Isolierschichten 521 - 525 sowie die Stärke der Folien bzw.
Bänder gelten folgende Werte :
EMI4.3
<tb>
<tb> Schicht <SEP> Nr. <SEP> Stärke <SEP> der <SEP> Schicht <SEP> Band-bzw. <SEP> Folienstärke <SEP> Material
<tb> r <SEP> mm] <SEP> [j <SEP> [i] <SEP>
<tb> 521 <SEP> 3, <SEP> 6 <SEP> 75 <SEP> Papier
<tb> 522 <SEP> 4, <SEP> 0 <SEP> 30 <SEP> Polycarbonat
<tb> 523 <SEP> 7, <SEP> 4 <SEP> 75 <SEP> Papier
<tb>
Schliesslich ist es möglich, eine geschichtete Hochspannungsisolierung gemäss der Erfindung allein aus. Kunststoffolien aufzubauen. In Durchführung des Erfindungsgedankens wird hiebei ebenfalls die im Bereich der 50%-Äquipotentialf1äche befindliche Isolierschicht aus donneren Folien aufgebautals die übri- gen Isolierschichten.
Als Ausführungsbeispiel hiefür ist in der Fig. 6 ein Einleiterhochspannungskabel für 220 kV dargestellt, dessen Hohlleiter 61 (Durchmesser 22 mm) von der geschichteten Isolierung 62 umgeben ist, auf die der äussere Mantel 65 aus Blei aufgepresst ist.
Die geschichte Isolierung 62 besteht aus den fünf Schichten 621 - 625, die aus Polycarbonatfolien aufgesponnen sind. Die im Bereich der 50%-Äquipotentialfläche befindliche Schicht 622 besteht aus Poly- carbonatfolien, die dünner als die für die übrigen Schichten verwendetenPolycarbonatfolien sind. Für die
<Desc/Clms Page number 5>
Stärke der einzelnen Schichten und die Stärke der Kunststoffolien gelten folgende Werte :
EMI5.1
<tb>
<tb> Schicht <SEP> Nr. <SEP> Stärke <SEP> der <SEP> Schicht <SEP> Folienstärke
<tb> [mm] <SEP> [11] <SEP>
<tb> 621 <SEP> 2,3 <SEP> 60
<tb> 622 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 40
<tb> 623 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 25
<tb> 624 <SEP> 4, <SEP> 7 <SEP> 40
<tb> 625 <SEP> 5, <SEP> 0 <SEP> 60
<tb>
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Geschichtete Hochspannungsisolierung isolierter elektrischer koaxial angeordneter Leiter, insbesondere von Kabeln, Durchführungen oder isolierten Sammelschienen, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich der 50%-Äquipotentialfläche des elektrischen Feldes befindliche Schicht aus einem Isolierstoff besteht, der hinsichtlich der elektrischen Durchschlagfestigkeit hochwertiger ist als die Isolierstoffe der übrigen Schichten der Isolierung.