Verbindungselement an durch Druckgas isolierten
Hochspannungsleitungen
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement an durch Druckgas isolierten Hochspannungsleitungen mit mindestens zwei Leiteranordnungen, von denen jede einen länglichen, zentralen, rohrförmigen Leiter mit einem ersten Durchmesser und eine koaxial angeordnete, längliche, rohrförmige, elektrisch leitende Hülle mit einem zweiten Durchmesser aufweist, die den zentralen Leiter umgibt und gegenüber diesem elektrisch isoliert ist, wobei jede Leiteranordnung elektrisch isolierende Distanzteile aufweist, die zur gegenseitigen Trennung der Leiter mit dem ersten und dem zweiten Durchmesser voneinander dienen, und jede der Leiteranordnungen mit einem gasförmigen Isoliermaterial gefüllt ist, das sich innerhalb der Anordnung unter Druck befindet.
Die vorliegende Erfindung schafft eine neuartige Kniekonstruktion zur Verbindung benachbarter Abschnitte, deren Achsen unter einem von der geraden Linie abweichenden Winkel zueinander stehen, wobei der Winkel in einem verhältnismässig grossen Bereich liegen kann.
Das erfindungsgemässe Verbindungselement ist für geschlossene Hochspannungsleitungen geeignet, bei welchen ein metallischer Leiter, der normalerweise rohrförmig ist, zentral und koaxial in einem geerdeten metallischen Rohr mit grösserem Durchmesser angeordnet und in diesem durch feste scheibenförmige oder konische Isolatoren befestigt ist.
Die bei diesen Leitungen verwendeten hohen Spannungen machen die Verwendung eines Druckgases im Hohlraum erforderlich, welches bei bevorzugten Ausführungen normalerweise Schwefelhexafluorid (SF-6) ist.
Zur Erzielung grösster Wirtschaftlichkeit und damit zur Erleichterung einer breiten Verwendung derartiger Leitungen wurde es bereits vorgeschlagen, die Leitungen in der Fabrik im grösstmöglichen Ausmass vorzumontieren, so dass bedeutend die Zeit, die Schwierigkeit und somit die Kosten des Zusammenbaues an der Baustelle vermindert werden. Trotz aller Bauweisen, welche bis zur Gegenwart entwickelt wurden, um die Kosten derartiger Leitungen zu vermindern, ist eine Reihe von komplizierten und schwierigen Installationsproblemen noch nicht gelöst. Eines der schwierigsten Probleme auf diesem Gebiet besteht bei Anlagen, bei welchen benachbarte miteinander zu verbindende Abschnitte einen Bogen oder eine Krümmung an der Verbindungsstelle erfordern. Die Schwierigkeiten sind besonders gross, wenn der Winkel des Bogens gross ist, z.
B. im Bereich von 90 oder mehr, wenn der Radius des Bogens im Leiter kurz ist und wenn die Spannung zwischen den inneren Leitern und der Hülle gross ist, z. B. im Bereich von 200 000 Volt. Bei Leitungen mit einer derart grossen Spannung besteht eine Konzentration der dielektrischen Spannung entlang des äusseren Radius des Leiters. Das hat zur Folge, dass der Spannungsgradient im Druckgas (SF-6) an dieser Stelle viel grösser ist, als in geraden Abschnitten der Leitung, wo der äussere Durchmesser des Leiters und der innere Durchmesser der Hülle an allen Stellen gleich gross sind.
Die dielektrische Spannungskonzentration bedeutet, dass die Leistungs-, Frequenz-, und Impuls-Stehspannung im Bereich solcher Bögen kleiner sind, als es an anderen Stellen der Leitung der Fall ist.
Es bestehen einige naheliegende Massnahmen, durch welche die hohen Spannungsgradiente im Bereich solcher Bögen vermieden werden können. Eine Möglichkeit besteht darin, dass ein Bogen mit einem grossen Radius, wie z. B. drei Meter oder mehr vorgesehen wird. In den meisten Fällen ist eine solche Lösung schwer durchführbar, da normalerweise der Raum begrenzt ist, wodurch sich Begrenzungen für die Form und den Raumbedarf eines Bogens ergeben. Ausserdem gibt es kein praktisches Verfahren zum Biegen der einen verhältnismässig grossen Durchmesser aufweisenden dünnen Hüllenrohre, das auf eine einfache und wirtschaftliche Weise ausgeführt werden könnte.
Eine zweite Möglichkeit zur Vermeidung der erwähnten Schwierigkeit besteht in der Verwendung eines Leiterrohres mit grösserem Durchmesser sowie auch eines Hüllenrohres mit grösserem Durchmesser im Bereich des Bogens. So können z. B. das Leiterrohr und das Hüllenrohr vom Ende eines Hauptteiles eines Bauabschnittes zum Bereich des Bogens ausgeweitet, ausgebildet sein, so dass sich im Bereich des Bogens grössere Durchmesser für den Leiter und für die Hülle ergeben. Eine genaue Untersu chung dieser Massnahme ergibt, dass die Herstellung sehr kompliziert und schwierig ist, so dass die Kosten einer solchen Ausführung prohibitiv wären. Ausserdem wären für jeden neuen und abweichenden Winkel des Bogens, z. B.
45 , 60 , 85" und 90" neue Zeichnungen, neue Werkzeuge und Arbeitsinstruktionen erforderlich, wobei jeder Anwendungsfall nach besonderen Zeichnungen für den betreffenden Bogen ausgebildet werden müsste.
Die Erfindung hat die Schaffung eines neuartigen Verbindungselementes zum Ziel, welches für alle diese Fälle geeignet ist und die Herstellung der Teile für einen Bogen vereinfacht, bei gleichzeitiger Vereinfachung der Arbeiten bei der Montage, wobei gleichzeitig eine Herstellung einer kleinen Anzahl von normalen Teilen in grossen Mengen ermöglicht wird, wodurch besonders die Wirtschaftlichkeit erhöht wird.
Das erfindungsgemässe Verbindungselement, durch welches dieses Ziel erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement einen ersten hohlen, elektrisch leitfähigen, kugelförmigen Teil aufweist, der einen dritten Durchmesser hat, welcher grösser als der erste Durchmesser und kleiner als der zweite Durchmesser ist, wobei der erste Teil mit den zentralen Leitern derart verbunden ist, dass die Achsen der zentralen Leiter durch den Mittelpunkt der Kugelform des Teiles verlaufen, einen zweiten hohlen, elektrisch leitfähigen, kugelförmigen Teil mit einem vierten Durchmesser, welcher grösser als der zweite Durchmesser ist, welcher zweite kugelförmige Teil den ersten kugelförmigen Teil umgibt, mit diesem konzentrisch ist und Öffnungen aufweist, die in einem Abstand voneinander an seiner Fläche ausgebildet sind,
wobei die Achsen der Leiteranordnungen durch das Zentrum des zweiten kugelförmigen Teiles führen und mit diesem am Umfang der Offnungen verbunden sind, die Innenfläche des zweiten Teiles und die Aussenfläche des ersten Teiles glatt ausgebildet sind, um eine höhere Stehspannung und eine höhere Spannung des Beginnes von Koronaerscheinungen entstehen zu lassen, und eine gasdichte Abdichtung zwischen dem zweiten Teil und den Hüllen angeordnet ist, um ein Entweichen des unter Druck befindlichen gasförmigen Isoliermateriales zu verhindern.
Das erfindungsgemässe Verbindungselement enthält einen ersten und einen zweiten hohlen, elektrisch leitfähigen, kugelförmigen Teil, welche in einer beliebigen geeigneten Weise hergestellt werden können. Die äussere Kugel hat einen wesentlich grösseren Durchmesser und eine kleinere Wandstärke als die innere Kugel, wobei die kugelförmigen Teile, wenn sie miteinander an den Enden der Abschnitte der Leitungen befestigt werden, einen Abstand zwischen den metallischen Flächen der inneren und der äusseren Kugeln aufweisen, welcher mindestens gleich ist, wie der Abstand zwischen den Leitern und den Hüllen in der übrigen Leitung. Auch wird die Konzentration von dielektrischen Spannungen durch den vergrösserten Radius an der äusseren Fläche des Leiters im Bereich des Bogens wesentlich vermindert.
Jede der Kugeln kann durch Zusammenschweissen zweier gegossener, gerollter oder gezogener Halbkugeln hergestellt werden. Die innere Kugel kann mit geeigneten Öffnungen versehen sein, welche den Durchgang des komprimierten Gases durch den Innenraum des Leiters erleichtern. Die Enden der Hüllen benachbarter zu verbindender Leitungsabschnitte können ausgeweitet sein, so dass em Radius anstatt einer scharfen Kante an der Stelle entstehen, wo die Hüllenrohre mit der äusseren Kugel des Elementes verbunden sind. Dadurch werden dielektrische Spannungskonzentrationen vermieden, die sonst an solchen Kanten entstehen würden. Die Anordnung der in der inneren und der äusseren Kugel ausgebildeten Öffnungen kann leicht für den betreffenden Anwendungsfall bestimmt werden.
Durch die Anordnung werden auf eine wirtschaftliche Weise die Arbeiten bei der Herstellung und bei der Montage vereinfacht, während gleichzeitig gleichmässige Stehspannungen und Koronaspannungen an allen Stellen der Leitung erhalten werden.
Das Verbindungselement ist auch für T-Verbindungen von Leitungen oder andere ähnliche Anordnungen geeignet, welche die Verbindung der Enden mehrerer Leitungen erfordern.
Obwohl die Verwendung von kugelförmigen Teilen an Enden von Hochspannungsleitungen dieser Art bekannt ist, ist eine Verwendung solcher Teile bei durchgehenden oder sich schneidenden Verbindungen nicht bekannt.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 einen Grundriss mit Teilschnitt einer Verbindung von zwei Leitungen unter Verwendung eines erfindungsgemässen Verbindungselementes,
Fig. la ein Detail aus der Fig. 1, die Fig. 2 und 2a räumliche Ansichten der Ausführung aus der Fig. 1 und
Fig. 3 einen Schnitt einer anderen Ausführung des erfindungsgemässen Elementes.
Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung 10 enthält eine erste und eine zweite Hochspannungs-Leiteranordnung 11 und 11', von welchen nur Teile, die in der Figur aus Gründen der Einfachheit dargestellt sind. Zum Verständnis der Erfindung genügt es zu wissen, dass jede Leiteranordnung einen zentralen Leiter 12, 12' sowie eine äussere Hülle 13, 13' enthält, welche koaxial den betreffenden zentralen Leiter umgibt. Isolierende Distanzteile 14 und 14', von denen in jedem Abschnitt der Leiteranordnung nur einer dargestellt ist, sind vorzugsweise in geeigneten Entfernungen entlang jedes Abschnittes der Leiteranordnung vorgesehen, um die Teile 12-13 und 12'-13' in einer koaxialen Stellung zu halten. Die besonderen Details der Befestigung der isolierenden Distanzteile 14 und 14' sind aus Gründen der Einfachheit weggelassen worden.
Der äussere Umfang jedes isolierenden Distanzteiles 14 und 14' ist mit einer durchgehenden Nut für die Aufnahme eines geeigneten Dichtungsringes 15, 15' versehen, wodurch der Bereich zwischen dem äusseren Umfang des Distanzteiles und dem inneren Umfang der Hülle abgedichtet wird. Die Hülle 13 und 13' ist mit einem verjüngten Teil versehen, welcher mit dem übrigen Teil der Hülle eine Schulter 16, 16' bildet. Über den verjüngten Teil jeder Hülle 13, 13' ist ein Endabschnitt 17, 17' gezogen.
Jeder Endabschnitt hat seinen eigenen verjüngten Teil, welcher eine Schulter 18 und 18' bildet. Die äusseren Ränder der Distanzteile 14, 14 sind zwischen der Schulter 18, 18' und dem Rand der Hülle 13, 13' eingeklemmt und dadurch festgehalten. Der Dichtungsring 15, 15' oder ein anderes geeignetes Dichtungsorgan, wie z. B. ein Epoxydharz, füllt den inneren Hohlraum, welcher durch die Distanzteile 14, 14' und die innere Fläche des Endteiles 17, 17' begrenzt ist, wodurch der Innenraum der Hülle abgedichtet und dadurch das Entweichen von darin enthaltenem Druckgas verhindert wird. Es ist auch möglich, den Bereich zwischen den zentralen Öffnungen 14a, 14a' der Distanzteile 14, 14' und der äusseren Fläche der Leiter 12, 12' abzudichten, und zwar z.
B. durch einen Dichtungsring 19, 19', welcher zwischen den einander zugewandten Flächen des Distanzteiles und des inneren Leiters angeordnet ist.
Die Längsachsen 20, 20' der Leiteranordnungen 11 und
11' sind in der Zeichnung durch strichpunktierte Linien dargestellt. Aus der Zeichnung geht hervor, dass sich die Achsen unter einem Winkel 0 schneiden, der etwas kleiner ist als 90". Es sei angenommen, dass der Winkel der beiden Leitungsabschnitte durch Verhältnisse an der Verwendungsstelle oder andere praktische Überlegungen bestimmt ist. Es ist wichtig, eine Verbindung zu schaffen, welche es ermöglicht, innerhalb praktischer Grenzen die benachbarten Abschnitte unter einem beliebigen Winkel zu verbinden, während gleichzeitig die Stehspannung und die Koronaspannung mindestens gleich sind, wie in der üb rigen Leitung.
Dieses Ziel wird durch das Verbindungselement 25 erreicht, welches eine erste hohle metallische Kugel 26 mit einem verhältnismässig kleinen Durchmesser enthält, deren Durchmesser grösser ist als der Durchmesser der
Leiter 12 und 12'. Die Kugel 26 kann dadurch hergestellt werden, dass zwei gegossene, gerollte oder gezogene
Halbkugeln miteinander verschweisst werden. Die Halbkugeln können miteinander durch eine durchgehende Schweissnaht 27 verbunden sein. Die äussere Fläche der Kugel 26 ist im Bereich der Schweissnaht vorzugsweise geschliffen, so dass eine glatte Fläche erhalten wird, welche sich gegenüber der inneren Fläche der äusseren Kugel 28 befindet.
Die beiden Leiter 12 und 12' sind vorzugsweise mit der Kugel 26 durch Schweissung verbunden, so dass die erforderliche mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit erhalten werden. Die Verbindung kann einen beliebigen Winkel a haben. In der Kugel 26 können Bohrungen 29 und 30 ausgebildet sein, welche den Durchgang von komprimiertem Gas durch den Innenraum eines Leiters (z. B. 12) und den inneren Raum der Kugel 26 gestatten, so dass das Gas in den anderen Leiter (z. B. 12') gelangen kann.
Die äussere Kugel 28 hat einen grösseren Durchmesser als die innere Kugel 26 und hat eine Wandstärke T, welche bedeutend kleiner ist als die Wandstärke r der Kugel 26. Die Kugel 28 kann in ähnlicher Weise aus zwei Halbkugeln hergestellt sein, welche durch Guss, Rollen oder einen Ziehvorgang hergestellt wurden, wobei die Halbkugeln miteinander verschweisst sind, so dass eine vollständige Kugel entsteht.
Der Durchmesser der äusseren Kugel 28 ist so gewählt, dass ein Abstand zwischen den zugewandten metallischen Flächen der Kugeln 26 und 28 entsteht, welcher mindestens gleich gross ist, wie der Abstand zwischen den Leitern und Hüllen (z. B. 12-13 und 12'-13') an anderen Stellen der Leitung. Die beiden Hüllen 13 und 13' sind mit der Kugel 28 durch die Endteile 17 und 17' verbunden, welche an der Kugel 28 an Verbindungsstellen 31 und 31' angeschweisst sind, die die Öffnungen 32, 32' umgeben, die vorher den entsprechenden Winkeln in der Kugel 28 ausgebohrt wurden.
Nach der Beendigung der Schweissens des Verbindungselementes ist ein Schweissen der Schweissnähte an der inneren Fläche der Kugel erforderlich, da jeder Vorsprung an dieser Fläche eine Konzentration der dielektrischen Spannung verursachen würde.
Die Enden der Endteile 17 und 17' sind mit ausgeweiteten Bereichen 17a und 17a' anschliessend an den Bereich der Schweissnähte 31, 31' versehen, damit ein Radius anstatt einer scharfen Kante an den Stellen entsteht, wo die Hüllen 13, 13' mit der Kugel 28 verschweisst sind. Die Fig.
la zeigt ein Detail eines ausgeweiteten Teiles aus der Fig.
1. Der ausgebildete Radius verhindert die Bildung einer dielektrischen Spannungskonzentration, die an einer scharfen Kante entstehen würde. Eine solche Konzentration von dielektrischer Spannung muss in der Leitung verhindert werden, damit eine gleichmässige Stehspannung und Koronaspannung in der Leitung erhalten wird.
Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt eines erfindungsgemässen Verbindungselementes, das zur Herstellung einer T-Verbindung verwendet wird, wobei Leitungsabschnitte 11, 11', 11" miteinander elektrisch, im wesentlichen in der gleichen Weise, wie es in den anderen Figuren dargestellt ist, verbunden sind. Es versteht sich, dass die Abschnitte rechtwinklig und in einer geraden Linie oder auch unter verschiedenen Winkeln angeordnet sein können, da die universale Anwendbarkeit des erfindungsgemässen Verbindungselementes alle diese Anordnungen gestattet. Es können auch, falls erforderlich, mehr als drei derartige Leitungsabschnitte in der beschriebenen Weise miteinander verbunden werden.
Durch die Erfindung wird somit ein universales Verbindungselement geschaffen, welches zur Verbindung von Leitungsabschnitten unter praktisch beliebigen Winkeln geeignet ist, unter Verwendung eines Paares von konzentrisch angeordneten kugelförmigen Teilen, die so ausgebildet sind, dass sie wesentlich die Zeit und Kosten für die Herstellung und den Zusammenbau vermindern. Gleichzeitig wird die Anzahl von Bestandteilen zur Verbindung benachbarter Leitungsabschnitte vermindert, wobei gleichzeitig die Koronaspannung und die Stehspannung mindestens gleich gross sind wie an anderen Stellen der Leitung.