DE10020228A1

DE10020228A1 - Hochspannungsisolationssystem

Info

Publication number: DE10020228A1
Application number: DE10020228A
Authority: DE
Inventors: Martin Lakner; Friedrich Koenig
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2000-04-25
Publication date: 2001-10-31
Also published as: EP1150313A2; CA2344771A1; JP2001357733A; US20010047879A1; RU2279727C2; EP1150313B1; EP1150313A3; ATE393456T1; US6791033B2; DE50113876D1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein tieftemperaturtaugliches Hochspannungsisolationssystem, welches neben einer Kühlflüssigkeit (3) einen Feststoffisolator (2) auf der Basis eines Zellulosegewebes (20) umfasst. Der Feststoffisolator (2) wird vorzugsweise in Form von Pressplatten eingesetzt und mit einem Polymerharz (21) imprägniert. Er weist bei 77 K eine hohe Teilentladungsfeldstärke auf, zudem ist sein thermischer Ausdehnungskoeffizient optimal auf denjenigen von keramischen Hochtemperatursupraleitern abgestimmt. Die Pressplatten können in trockenem Zustand verformt, insbesondere zu Spulenkörpern, und alternierend mit Bauwollgeweben zu Laminaten beliebiger Dicke zusammengesetzt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochspannungsisolationen. Sie betrifft ein Hochspannungs isolationssystem zur elektrischen Isolation von Komponenten mit einer Betriebstemperatur unterhalb Raumtemperatur gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

STAND DER TECHNIK

Für eine Verwendung im Bereich der Energieversorgung mit Sy stemspannungen bis 550 kV ist für elektrische Bauteile oder Komponenten, welche für einen sinngemässen Einsatz auf eine unterhalb Raumtemperatur liegende Betriebstemperatur angewie sen sind, ein tieftemperaturtaugliches Hochspan nungsisolationssystem erforderlich. Dafür wird häufig eine Kombination eines Kühlmediums und einer Feststoffisolation eingesetzt. Liegen die vorgesehenen Betriebstemperaturen ge nügend tief, scheiden chemische Alterungsvorgänge als Degra dationsmechanismen für die Feststoffisolation praktisch aus. Andererseits ergeben sich durch den Unterschied zwischen der Fertigungstemperatur und der Einsatztemperatur thermisch be dingte Spannungen im Isolationsmaterial, was bei häufigem Ab kühlen und Aufwärmen zu Schäden wie Rissen oder Delaminatio nen führen kann. Falls die elektrischen Bauteile oder Kompo nenten in direktem mechanischem Kontakt zur Feststoffisolati on stehen, darf zudem der thermische Ausdehnungskoeffizient der Isolation nicht allzu sehr verschieden sein von demjeni gen der Komponente, um Spannungen in Letzterer zu vermeiden.

Von besonderem Interesse sind elektrische Bauteile mit Kompo nenten auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern, bei spielsweise Kabel, Transformatoren, Strombegrenzer und der gleichen. Zur Kühlung von Hochtemperatursupraleitern auf Be triebstemperaturen unterhalb 80 K wird bevorzugt flüssiger Stickstoff (LN₂) eingesetzt.

Die verwendeten Feststoffisolationen sollen meist auch eine gewisse mechanische Stabilität aufweisen und als Stütze oder Stabilisator beispielsweise für Komponenten aus einem kerami schen Hochtemperatursupraleitermaterial wirken können. Unter diesen Umständen fallen Isolationen aus Polymerfolien oder Kraftpapier ausser Betracht. Mechanisch beanspruchbare Isola tionskomponenten werden üblicherweise aus glasfaserverstärk ten Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Letztere enthalten eine Polymermatrix aus ausgehärtetem Epoxidharz und Glas- oder Kohlefasern als verstärkendem Trägermaterial. Glasfaser haltige Faserverbundstoffe weisen allerdings bei 77 K eine geringe Teilentladungsfeldstärke (partial discharge inception field) von ≈ 1 kV/mm auf, und selbst unter Verwendung spezi eller Vakuum-Druck Imprägnierverfahren zum Vergiessen der Harzmasse lassen sich bestenfalls ≈ 4 kV/mm erzielen. Ent sprechend darf die Isolation zur Vermeidung zu grosser Feld stärken eine gewisse Mindestdicke nicht unterschreiten, was Bestrebungen bezüglich einer kompakten Abmessung zuwider läuft.

Zur Isolierung von Transformatoren finden häufig aus Zell stoff hergestellte Pressplatten Verwendung, welche beispiels weise unter dem Namen "Transformerboard" verbreitet sind. Diese sind in Dicken ab 0.5 mm bis einigen mm und in lami nierter und verklebter Form bis über 100 mm erhältlich. In der US 3,710,293 ist ein Isolationssystem aus Schichten von Pressplatten und Kraftpapier offenbart, welche mit einem thermoplastischen Harz vergossen sind. Alternativ dazu werden in ölgekühlten Transformatoren mit Öl imprägnierte Feststoff isolationen aus Zellstoffpapier als Barrieren zwischen be nachbarten Wicklungslagen eingesetzt. Vorgängig müssen diese durch ein aufwändiges Ausheiz- und Vakuumverfahren getrocknet werden. Dies soll verhindern, dass das Zellulosematerial Was ser an das Öl abgibt und so dessen dielektrischen Eigenschaf ten herabsetzt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hochspannungs isolationssystem für einen Einsatz bei Temperaturen unterhalb Raumtemperatur mit hoher Teilentladungsfeldstärke zu schaf fen, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch ein Hochspannungsisolationssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.

Kern der Erfindung ist es, ein elektrisch isolierendes Kühl mittel in Verbindung mit einer Feststoffisolation in Form ei nes Verbundmaterials, welches mit Polymerharz imprägnierte Zellstoffasern umfasst, einzusetzen. Die erhöhte Teilentla dungsfeldstärke des Polymerverbundes ermöglicht eine kompak tere Abmessung des Hochspannungsisolationssystems und somit auch Kosteneinsparungen.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird als Kühlmittel flüssiger Stickstoff LN₂ eingesetzt. LN₂ ist ge eignet zur Kühlung von Hochtemperatursupraleitern auf eine Betriebstemperatur von 77 K oder weniger. Im Bereich zwischen Raum- und Betriebstemperatur ist der mittlere thermische Ex pansionskoeffizient des Zellstoff-Polymermatrixverbundes mit demjenigen des Hochtemperatursupraleiters vergleichbar. Da durch ergibt sich die Möglichkeit, den Zellstoffverbund und den Hochtemperatursupraleiter in direkten und dauerhaften me chanischen Kontakt zu bringen, ohne dass beim Abkühlen oder Aufwärmen durch Spannungen induzierte Schäden befürchtet wer den müssen.

Zur mechanischen Stützung der Hochtemperatursupraleiterkera mik durch den Feststoffisolator wird der Zellstoff vorteil hafterweise in Form von Pressplatten eingesetzt. Zur Errei chung von höheren Dicken und weiter verbesserter mechanischer Stabilität können mehrere dünne, einzeln verformbare Platten laminiert werden. Eine Zwischenschicht aus einem geeigneten Gewebe nimmt überschüssiges Polymerharz auf und verhindert die Ausbildung einer Reinharzschicht zwischen den Pressplat ten.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines tief temperaturtauglichen Hochspannungsisolationssystems zeichnet sich dadurch aus, dass die Pressplatten in trockenem Zustand verformt werden und anschliessend imprägniert, d. h. mit einem Polymerharz getränkt werden. Indem bei einer Verformung der Pressplatten auf eine Befeuchtung derselben verzichtet wird, wird auch die für die nachfolgende Imprägnierung notwendige, umständliche Trocknung hinfällig. Dadurch besteht auch nicht die Gefahr, dass die verformte Pressplatte sich beim Trocknen ungewollt verzieht.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform wird aus den Pressplat ten ein zylindrischer Spulenkörper geformt und darauf ein su praleitender Draht aufgewickelt. Anschliessend werden Spulen körper und Wicklung miteinander mit Polymerharz vergossen, wodurch die Wicklungen auf den Spulenkörper geklebt und me chanisch fixiert werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Pa tentansprüchen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a einen Ausschnitt eines Hochspannungsisolationssystems nach der Erfindung,

Fig. 1b einen Schnitt durch eine Anordnung mit einem erfin dungsgemäss elektrisch isolierten Leiter,

Fig. 2 eine Spule mit einem Spulenkörper als Teil eines Hoch spannungsisolationssystems gemäss einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind glei che Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1a ist ein erfindungsgemässes Hochspannungsisolations system zusammen mit einem sich auf hohem elektrischem Poten tial befindlichen Leiter 1 dargestellt. Der Leiter 1 ist Teil eines elektrischen Bauteils, welches zur Entfaltung seiner vorgesehenen Wirkungsweise gekühlt werden muss auf eine Be triebstemperatur, welche unterhalb der Umgebungs- oder Raum temperatur (20-25°C) liegt. Das Hochspannungsisolationssystem umfasst einen Feststoffisolator 2 und ein fluides, d. h. flüs siges oder gasförmiges Kühlmittel 3. Der Feststoffisolator 2 besteht aus einem Trägergewebe 20 und einer Polymermatrix 21. Die Matrixsysteme sind vorzugsweise dreidimensional vernet zende Duroplaste und basieren beispielsweise auf ausgehärte ten Epoxid-, Silizium- oder Polyesterharzen. Erfindungsgemäss umfasst das Trägergewebe 20 Fasern aus Zellstoff (verarbeite ter Zellulose).

In Fig. 1b ist eine Anordnung gezeigt mit einem Leiter 1 als Bestandteil einer zu kühlenden elektrischen Komponente, wel che über Zuleitungen 4 mit einem nicht dargestellten Strom versorgungsnetz verbunden ist. Der Leiter 1 ist mit einer er findungsgemässen Feststoffisolation 2 umgeben und in eine Kühlflüssigkeit 3 eingetaucht. Letztere befindet sich in ei nem thermisch isolierenden Kühlmittelbehälter 5.

Im Stand der Technik werden im Hinblick auf die erzielbaren mechanischen Eigenschaften Glasfasern eingesetzt und mit dem Polymerharz imprägniert. Der Grund für die eingangs erwähnte bescheidene Teilentladungsfeldstärke von weniger als 4 kV/mm von imprägnierten Glasfasern liegt bei der notwendigen Be schichtung der Glasfasern, welche eine vollständige Benetzung der Fasern mit Harz verhindert. Dadurch entstehen mikrosko pisch kleine Hohlräume an den Fasern, in welchen Teilentla dungen stattfinden, was wiederum zu einer beschleunigten Al terung der Glasfaserisolation führt. Demgegenüber lassen sich mit polymerharz-imprägniertem Zellstoff bei einer Temperatur von 77 K Teilentladungsfeldstärken von bis zu 10 kV/mm errei chen, weil die Zellstoffasern besser imprägnierbar sind und sich keine Hohlräume bilden.

Der Leiter 1 ist beispielsweise ein Hochtemperatursupra leiter, und als solcher Teil eines zur Energieübertragung eingesetzten Bauteils (Übertragungskabel, Transformator oder Strombegrenzer). Die in Fig. 1 gezeigte planare Leitergeome trie ist keinesfalls abschliessend, der Leiter 1 kann auch geeignet gekrümmt sein oder in Form eines Drahtes, eventuell in Zusammenwirkung mit einer normalleitenden Matrix, vorlie gen. Im Weiteren ist der Einsatz von Substraten oder normal leitenden Bypass-Schichten denkbar. Die kritische Temperatur der bekannten Hochtemperatursupraleitermaterialien liegt oberhalb von 80 K, so dass als Kühlmittel flüssiger Stick stoff LN₂ mit einem Siedepunkt unter Normaldruck von 77 K den Einsatz eben dieser Hochtemperatursupraleiter ermöglicht.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient eines keramischen Su praleiters beträgt typischerweise etwa 10.10^-6/K, der Ausdeh nungskoeffizient entlang der Ebene eines polymerharzimpräg nierten Zellstoffgewebes liegt im Bereich von 6-13.10^-6/K. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden sich also so wenig, dass sich bei einer Abkühlung auf Betriebstem peratur der Zellstoffverbund und der Hochtemperatursupralei ter im gleichen Masse zusammenziehen. Sind beide vorgängig bei Umgebungstemperatur beispielsweise durch das genannte Po lymerharz zu einem mechanischen Verbund verklebt worden, tre ten somit keine thermomechanischen Spannungen auf.

Zellstoff ist unter anderem gepresst in Form von Pressplatten mit einer Dichte von ≈ 1.2 g/cm³ erhältlich. Auch derartige Platten können mittels geeigneter Verfahren mit Polymerharzen geringer Viskosität imprägniert werden. Dazu müssen die Plat ten vorgängig ausführlich getrocknet werden. Derartig vergos sene Platten können eine Stützfunktion übernehmen und Dank der ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten an sie an schliessende benachbarte Supraleiter stabilisieren.

Einzelne Platten mit geringer Dicke können in gewissem Umfang verformt werden, wobei dies normalerweise in angefeuchtetem Zustand geschieht. Problematisch ist hierbei, dass beim an schliessenden Trocknungsvorgang die verformte Platte ihre Geometrie wieder ändert, also eine gewisse Formunbeständig keit auftritt. Bei einer trockenen Verformung ist kein belie big kleiner Krümmungsradius möglich, für eine Plattendicke von 1 mm ist ein Krümmungsradius erreichbar, welcher im Mini mum 15 cm beträgt. Verformte oder plane Einzelplatten können zu Laminaten zusammengefügt und anschliessend imprägniert werden.

Dazu ist es vorteilhaft, zwischen den Einzelplatten eine Zwi schenschicht vorzusehen, da sich sonst überschüssiges Harz als dünne Reinharzschicht mit einer Dicke von < 50 µm zwischen den Platten ansammelt. Beim Abkühlen führt dies zu einer Nei gung zur Delamination des Laminats. Als Material für die Zwi schenschicht ist beispielsweise ein Gewebe aus Baumwolle, Aramid- oder Polyethylenfasern geeignet.

In Fig. 2 ist schematisch eine supraleitende Spule mit einem hohlzylinderförmigen Spulenkörper 6 aus einem Komposit mit zwei Schichten 60, 61, welche einzeln zu Rohren geformt wur den und durch eine Zwischenschicht 62 getrennt sind, gezeigt. Auf den Spulenkörper 6 ist ein supraleitender Draht 1' aufge wickelt. Der Innenraum des Spulenkörpers 6 sowie der die Spu le umgebende Aussenraum sind mit einem nicht dargestellten Kühlmittel gefüllt. Bei der Herstellung der Spule ist es vor teilhaft, den Imprägnierprozess, d. h. das Vergiessen der Spu le erst nach dem Aufwickeln des Drahtes 1' vorzunehmen, weil dadurch der Draht 1' zusätzlich auf dem Spulenkörper 6 fi xiert wird.

Da bei Hochspannungskomponenten unweigerlich das Problem ei ner Feldüberhöhung des elektrischen Feldes bei Kanten, Durch führungen und dergleichen auftritt, ist es vorteilhaft, das Isolationssystem und insbesondere den Feststoffisolator mit gewissen feldsteuernden Eigenschaften zu versehen. Dazu wird ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten, bei spielsweise Russ (carbon black), in Pulverform dem Polymer harz zugegeben oder in Gewebeform als Teil der Zwischen schicht vorgesehen. Dadurch werden dem Komposit halbleitende Eigenschaften verliehen. Ebenso kann eine Aluminiumfolie als Teil der Zwischenschicht zur geometrischen Feldsteuerung ein gesetzt werden.

Sollte eine zusätzliche mechanische Verstärkung gewünscht werden, können weiter Glasfasern eingesetzt werden, wiederum entweder in der Polymermatrix oder als Glasfasermatte in der Zwischenschicht. Dies selbstverständlich nur dort, wo keine hohen elektrischen Felder auftreten und Teilentladungen zu befürchten sind.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

,

1

' Leiter, Wicklung

2

Feststoffisolator

20

Trägergewebe

21

Matrix

3

Kühlmittel

4

Zuleitungen

5

Kühlmittelbehälter

6

Spulenkörper

60

,

61

Gerollte Pressplatten

62

Zwischenschicht

Claims

1. Hochspannungsisolationssystem zur elektrischen Isolation von Komponenten mit einer Betriebstemperatur unterhalb Um gebungstemperatur, umfassend ein Kühlmittel (3) sowie ei nen Feststoff (2) mit einer ausgehärteten Polymermatrix (21) und einem Trägergewebe (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergewebe (20) Zell stoff umfasst.

2. Hochspannungsisolationssystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das Kühlmittel (3) flüssigen Stickstoff umfasst und die Komponenten Hochtemperatursupraleiter material enthalten.

3. Hochspannungsisolationssystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass zur mechanischen Stabilisierung der Komponenten das Trägergewebe (20) in Form von Pressplatten vorliegt.

4. Hochspannungsisolationssystem nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das Trägergewebe ein Laminat (6) mit mindestens zwei Schichten (60, 61) aus Pressplatten, wel che durch mindestens eine Zwischenschicht (62) getrennt sind, umfasst.

5. Hochspannungsisolationssystem nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Zwischenschicht (62) ein Gewebe aus Baumwolle, Aramid- oder Polyethylenfasern umfasst.

6. Hochspannungsisolationssystem nach Anspruch 1 oder 4, da durch gekennzeichnet, dass zur Absteuerung elektrischer Felder Kohlenstoff in Form von Fasern oder Geweben dem Trägergewebe (20) oder der Zwischenschicht (62) beigegeben ist.

7. Hochspannungsisolationssystem nach Anspruch 1 oder 4, da durch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Verstärkung Glasfasern in Form von Fasern oder Geweben dem Trägergewe be (20) oder der Zwischenschicht (62) beigegeben sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungsisolations systems umfassend ein Kühlmittel (3) sowie einen Feststoff (2) mit einer ausgehärteten Polymermatrix (21) und einem Trägergewebe (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstoff enthaltendes Trägergewebe (20) als Pressplatte in trockenem Zustand verformt und anschliessend mit einem Polymerharz impräg niert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressplatte eine Dicke d und einen minimalen Krüm mungsradius R aufweist, und dass ein Verhältnis R/d weni ger als 150 beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verformte Pressplatte einen Spulenkörper (6) bildet, auf welchen mindestens eine Wicklung eines supraleitenden Leiters (1') gewickelt wird und anschliessend Spulenkörper (6) und Wicklung (1') zusammen imprägniert werden.