DE10009474C1 - Schichtdielektrikum - Google Patents
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Abstract
Zwischen zwei hochspannungsführenden Elektroden (1, 2) ist ein Dielektrikum angeordnet, welches eine Isoliergasschicht (4) und eine Feststoffisolierungsschicht (3) enthält. Zwischen der Isoliergasschicht (4) und der Feststoffisolierungsschicht (3) ist eine halbleitende Beschichtung (5) auf die Feststoffisolierungsschicht (3) aufgetragen, welche eine nichtlineare, von der elektrischen Feldstärkeabhängige Leitfähigkeit aufweist. DOLLAR A Mit der Beschichtung (5) kann die Ausbreitung von allfällig auftretenden Gasentladungen entlang der Oberfläche der Feststoffisolierungsschicht (3) behindert werden.
Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Dielektrikum zwischen zwei Elektroden
gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In vielen technischen Anwendungen, beispielsweise in Hochspannungsdurchführungen,
Kabelendverschlüssen oder gasisolierten Systemen mit zusätzlicher, laminar
geschichteter Feststoffisolierung, müssen Gasentladungen möglichst vermieden
werden. Dies ist mit Dielektrika der eingangs genannten Art, welche eine Isoliergas- und
eine Feststoffisolierungsschicht umfassen, beispielsweise über eine ausreichende
Dimensionierung der Anlage zu erreichen.
'Mechanisms Of Surface Flashover Along Solid Dielectrics In Compressed Gases'
[Sudarshan/Dougal, IEEE Transactions on Electrical Insulation Vol. El-21 No. 5,
October 1986] enthält eine Aufzählung verschiedener Möglichkeiten, wie das Entstehen
von Gasentladungen verhindert werden kann.
In US 4,473,765 ist ein Dielektrikum im Innern einer elektrischen Maschine
beschrieben, welches zwischen anderen Feststoffisolationsschichten eine SiC
enthaltende, halbleitende Schicht mit einer nichtlinearen, spannungsabhängigen
Leitfähigkeit umfasst. Diese Schicht erhöht ihre Leitfähigkeit, sobald ein elektrisches
Feld im Bereich von einigen kV pro Zoll anliegt. Auf diese Art soll ebenfalls verhindert
werden, dass es zu einer lokalen, ausreichend starken elektrischen Feldüberhöhung
kommt, die die Zündung einer Gasentladung ermöglicht.
Falls Gasentladungen zwischen zwei durch ein Dielektrikum der eingangs genannten
Art getrennten Elektroden mit einem überhöhten Potentialunterschied dennoch
auftreten, breiten sie sich in der Isoliergasschicht entlang der Oberfläche der
Feststoffisolierungsschicht mit sehr geringem Spannungsabfall pro Länge (< 1 kV/cm)
und sehr hoher Geschwindigkeit (< 100 km/s) aus. Durch Anbringung von
Feststoffbarrieren auf der Oberfläche der Feststoffisolierungsschicht kann die
Ausbreitung der Entladung gestoppt werden. Wegen des geringen Spannungsabfalls
pro Länge der Gasentladung entlang der Oberfläche der Feststoffisolierungsschicht
liegt jedoch praktisch der volle Potentialunterschied an der Barriere an.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Dielektrikum der eingangs genannten Art
zu schaffen, welche die Ausbreitung von Gasentladungen entlang der Oberfläche einer
Feststoffisolierungsschicht massgeblich behindert.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass auf der Feststoffisolierung
eine Beschichtung mit halbleitenden Materialien aufgetragen ist, welche eine
nichtlineare, von der elektrischen Feldstärke abhängige Leitfähigkeit aufweist. Eine
allfällig auftretende Gasentladung dringt, da die elektrische Feldstärke am Kopf der
Gasentladung wesentlich grösser ist als die intrinsische Feldstärke der Beschichtung
und sich dadurch die Leitfähigkeit der Beschichtung erhöht, in die Beschichtung ein und
breitet sich darin aus. Dank des erhöhten Spannungsabfalls pro Länge im Innern der
Beschichtung wird die Gasentladung in ihrer Ausbreitung jedoch massgeblich behindert.
Beim eventuellen Wiederaustritt aus der Beschichtung ist somit das Potential am Kopf
der Gasentladung reduziert, so dass die Gasentladung von auf der Oberfläche der
Feststoffisolierung angebrachten Barrieren erheblich einfacher aufgehalten werden
kann.
Die Beschichtung enthält vorzugsweise einen Lack, welcher eine starke Veränderung
der intrinsischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke aufweist.
Die Beschichtung wird vorteilhafterweise in einer Dicke von wenigstens 100 µm
aufgetragen. Dadurch kann verhindert werden, dass ein durch die Gasentladung
gespeister, in der Beschichtung fliessender Strom thermische Schäden verursacht.
Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren
Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 Einen schematischen Aufbau des erfindungsgemässen Dielektrikums, und
Fig. 2 eine Versuchsanordnung mit dem Dielektrikum nach Fig. 1.
Ein schematischer Aufbau des erfindungsgemässen Dielektrikums ist in Fig. 1
dargestellt. In einem Hohlraum zwischen zwei einander gegenüberliegend
angeordneten Metallelektroden 1 und 2 ist eine Schicht aus Isoliergas 4, beispielsweise
Luft oder SF6, eingebracht. Auf der unteren der beiden Metallelektroden 2 ist eine
Schicht aus einer Feststoffisolierung 3, beispielsweise Polyäthylen, angebracht.
Zwischen der Isoliergasschicht 4 und der Feststoffisolierungsschicht 3 ist eine
flächenartig ausgebildete, orthogonal zu zwischen den Elektroden verlaufenden
Feldlinien ausgedehnte Beschichtung 5 auf der Feststoffisolierungsschicht 3
aufgetragen. Die Beschichtung 5 enthält halbleitende Materialien, beispielsweise SiC
oder ZnO, und weist eine nichtlineare, von der elektrischen Feldstärke abhängige
Leitfähigkeit auf.
Zwischen den beiden Metallelektroden 1 und 2 liegt eine Spannung U an. Übersteigt die
Spannung U einen kritischen Wert, kommt es im Bereich einer Feldinhomogenität zur
Zündung einer Gasentladung in der Isoliergasschicht 4. Zu Versuchszwecken ist eine
Feldinhomogenität in Form einer Nadelelektrode 6 an der oberen Metallelektrode 1 in
die Isoliergasschicht 4 eingebracht. Die Gasentladung startet an der Spitze der
Nadelelektrode 6 und erreicht die Oberfläche der beschichteten Feststoffisolierung 3.
Da die elektrische Feldstärke am Kopf der Gasentladung wesentlich grösser ist als die
intrinsische Feldstärke der Beschichtung 5, ändert sich die Leitfähigkeit der
Beschichtung 5. Der Entladungsstrom fliesst durch einen von der Gasentladung
gebildeten Kanal bis zur Oberfläche der Beschichtung 5 und weiter durch die
Beschichtung 5. An der Oberfläche der Beschichtung 5 ist in der Folge keine sichtbare
Gasentladung mehr auszumachen. Im Inneren der Beschichtung 5 wird das Potential
entlang der Oberfläche mit der intrinsischen Feldstärke der Beschichtung 5 abgebaut.
Am Ende der Beschichtung 5 kommt es, falls das dortige Potential noch genügend
gross ist um die für eine Zündung notwendige elektrische Feldstärke zu verursachen, zu
einer erneuten, sichtbaren Gasentladung entlang der Oberfläche der Polyäthylenschicht
3.
Die Beschichtung 5 wird vorteilhafterweise in einer Dicke von wenigstens 100 µm
aufgetragen. Dadurch kann verhindert werden, dass der durch die Gasentladung, bzw.
in der Beschichtung 5 fliessende Strom thermische Schäden verursacht. Die Dicke der
Feststoffisolierungsschicht 3 ist von der Anwendung abhängig, beträgt aber
vorteilhafterweise mindestens 3 mm.
In Fig. 2 ist eine Versuchsanordnung abgebildet, mit der die Ausdehnung der
Gasentladung entlang der Oberfläche einer Feststoffisolierungsschicht ermittelt werden
kann. Die Versuchsanordnung umfasst ein geschichtetes Dielektrikum, bestehend aus
atmosphärischer Luft und einer Feststoffisolierungsschicht 3 aus Polyäthylen. Die
Polyäthylenschicht hat eine Dicke von 8 mm. 8 mm oberhalb der Polyäthylenschicht ist
eine Nadelelektrode 6 angebracht. Unterhalb der Polyäthylenschicht ist eine
Erdpotentialelektrode 21 in Form eines Kupferstreifens angebracht, welcher in seiner
Mitte isolierte Löcher zum Anbringen von kapazitiven Spannungssensoren S1 bis S4
aufweist. Die Spannungssensoren sind in ihrem Abstand zur Nadelelektrode variabel
verstellbar angeordnet und dienen dem Messen der Ausdehnung der Gasentladung
entlang der Oberfläche.
Nach Anlegen einer sprungförmigen Spannung U von 160 kV an der Nadelelektrode
wird mit der Versuchsanordnung die Ausdehnung der Gasentladung entlang der
Oberfläche der Polyäthylenschicht gemessen. Für eine unbeschichtete
Polyäthylenschicht wird dabei eine Entladungsausdehnung von ca. 500 mm gemessen.
Anschliessend wird bei einer zweiten Versuchsanordnung auf die Polyäthylenschicht
eine dünne Beschichtung aus einem grauen, lösungsmittelhaltigen
Zweikomponentenlack auf Epoxid-Basis mit spannungsabhängiger Leitfähigkeit
aufgetragen. Bei unveränderten Rahmenbedingungen resultiert bei dieser zweiten
Versuchsanordnung eine Entladungsausdehnung von ca. 100 mm.
1
,
2
Metallelektroden
21
Kupferstreifen, Erdpotentialelektrode
3
Feststoffisolierungsschicht
4
Isoliergasschicht
5
Beschichtung
6
Nadelelektrode
S1
S1
-S4
Kapazitive Spannungssensoren
U Spannungsquelle
U Spannungsquelle
Claims (5)
1. Dielektrikum, welches zwischen zwei hochspannungsführenden Elektroden (1, 2)
angeordnet ist, mit
- - einer ersten Schicht aus einem Isoliergas (4), und
- - einer zweiten, auf mindestens einer der beiden Elektroden (1, 2) aufgebrachten Schicht aus einer Feststoffisolierung (3),
- - zwischen der Isoliergasschicht (4) und der Feststoffisolierungsschicht (3) eine flächenartig ausgebildete Beschichtung (5) zumindest auf einen Teil der Feststoffisolierungsschicht (3) aufgetragen ist, und dass
- - die Beschichtung (5) halbleitend ist und eine nichtlineare, von der elektrischen Feldstärke abhängige Leitfähigkeit aufweist.
2. Dielektrikum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Beschichtung (5) halbleitendes Material enthält.
3. Dielektrikum nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Beschichtung (5) eine Dicke von wenigstens 100 µm aufweist.
4. Dielektrikum einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Feststoffisolierungsschicht (3) wenigstens eine Dicke von 3 mm aufweist.
5. Dielektrikum nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- - eine erste der beiden Elektroden als Kapselungsrohr ausgebildet ist, welches die als Stromleiter ausgebildete zweite Elektrode umschliesst.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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2000
- 2000-02-28 DE DE2000109474 patent/DE10009474C1/de not_active Expired - Fee Related
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