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Die
Erfindung bezieht sich auf Mittel zur elektrischen Isolierung von
Mittel- und Hochspannungskomponenten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Schaltgeräte und Schaltanlagen
im Mittel- und Hochspannungsbereich müssen zur Senkung der Baugröße und damit
auch der Kosten mit speziellen Isoliermedien elektrisch isoliert
werden, da die Umgebungsluft für
das Erzielen einer kompakten Bauweise eine nicht ausreichende Spannungsfestigkeit
aufweist. Hierfür
wird ein billiges, umweltverträgliches,
schwer entflammbares Isoliermedium mit möglichst hoher dielektrischer
Festigkeit benötigt. Um
auch komplizierte Bauformen isolieren zu können, sollte das Isoliermedium
möglichst
in flüssiger oder
Gasform eingesetzt werden können.
Die Dichte sollte aus Kosten- und Gewichtsgründen möglichst niedrig sein.
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In
den meisten Fällen
wird bei Schaltgeräten und
Schaltanlagen insbesondere zur Hochspannungsisolation eine Gasfüllung mit
dem Isoliergas Schwefelhexafluorid (SF6)
verwendet, mit dem eine gegenüber
der Isolation mit Luft bzw. trockenem Stickstoff rund 3fach höhere Durchbruchfeldstärke erzielt
werden kann. Dadurch lässt
sich eine erhebliche Verringerung der Baugröße und somit eine wesentliche
Kostenersparnis gegenüber
dem Einsatz von Stickstoff erzielen. SF6 hat
nicht nur hervorragende elektrische Eigenschaften, sondern ist auch nicht-toxisch
und chemisch sehr stabil. Die letztgenannte Eigenschaft führt allerdings
zusammen mit dem hohen Absorptionskoeffizienten im infraroten Spektralbereich
zu einem extrem hohen Treibhauspotenzial von ca. 22.000 CO2-Äquivalenten.
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Durch
Erhöhung
des Drucks lässt
sich auch in Stickstoffisolierten Anlagen die Spannungsfestigkeit
verbessern, jedoch führt
der Aufwand für
die Gewährleistung
der Betriebssicherheit bei höherem Druck
zu erheblichen Mehrkosten gegenüber
dem Einsatz von SF6. Alternativen zu dem
als hochpotentem Treibhausgas gewerteten SF6 mit
vergleichbaren elektrischen und chemischen Eigenschaften aber einem
geringeren Treibhauspotential und geringer Toxizität existieren
bis heute nicht.
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Bei
Transformatoren wird für
Isolationszwecke häufig
gereinigtes Mineralöl,
sog. Transformatorenöl,
eingesetzt, was jedoch den Nachteil der Entflammbarkeit, der Umweltschädlichkeit
bei Austreten von Isoliermittel und den Nachteil hohen Gewichts und
hoher Kosten aufweist. Alternative flüssige Isoliermittel mit geringerer
Entflammbarkeit und besserer Umweltverträglichkeit wie z.B. Silikonöl sind sehr teuer
und entfallen daher für
einen Großteil
der Anwendungen.
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Der
Einsatz von isolierenden, aushärtbaren Vergussmassen
wie Kunstharzen ist aufwendig, teuer und wegen des Schwundes beim
Aushärten
oft nicht oder nur sehr bedingt einsetzbar.
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Die
bei Kabeln eingesetzten Festkörperisolierstoffe
auf Kunststoffbasis, wie z.B. vernetztes Polyethylen (PE), sind
in Schaltanlagen wegen der komplizierten Geometrie und dem Einsatz
bewegter Teile sowie hoher Kosten ebenfalls bisher nicht im Einsatz.
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In
der Fachliteratur wird auch bereits vorgeschlagen, als Mittel zur
elektrischen Isolierung Kunststoffschäume zu verwenden, wozu insbesondere
auf die
US 2002/0094443
A1 verwiesen wird. Beispielsweise in „Transaction an Electrical
Insulation", Vol.
24 (1989), pp. 239 werden Polyurethanharzschäume als Isolierung vorgeschlagen,
wobei die Struktur eines solchen Schaumes in „Proc. of Nordic Insulation", June 14–16 (1999),
pp. 261–268
speziell auf Seite 266 in
7 dargestellt
und weiter unten als
1 wiedergegeben ist.
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Derartige
Schäume
haben sich aber in der Praxis nicht bewährt, da es zu Entladungen kommen kann,
welche die Wirksamkeit des Schaumes beeinträchtigen.
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Weitere
Hinweise zur Verwendung von Schäumen
als elektrisches Isolationsmittel sind in der
DE 101 17 017 A1 , der
CH 572 269 A5 ,
der
EP 0 713 897 B1 ,
der
US 4 273 806 und
der
US 5 468 314 A zu
entnehmen. Schließlich
ist noch auf die Literaturstelle A. Roth „Hochspannungstechnik", 4. Auflage (Springer
Verlag Wien 159), insbesondere Seite 132, zu verweisen, bei der – ähnlich wie
in den oben bereits genannten Veröffentlichungen – die Zusammenhänge von
Glimmeinsatzspannung und der Porengröße beschrieben werden. Insgesamt
belegt aber die Vielzahl der Entgegenhaltungen mit unterschiedlichsten
Angaben die Tatsache, dass konkrete Parameter der für elektrische
Zwecke geeigneten Schäume
nicht im Einzelnen reproduzierbar untersucht wurden.
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Von
letzterem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung,
ein verbessertes Mittel für
die elektrische Isolierung zu schaffen. Insbesondere für den Einsatz
bei Hochspannungsschaltern sollen die Parameter für Schäume als
diesbezügliche Isolierung
angegeben werden.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben. Insbesondere Anspruch 7 beinhaltet dabei die Realisierung
der Erfindung mit einem gasgefüllten
Mikroporen-Schaum, während
gemäß den Ansprüchen 8 ff.
als Alternative zu Anspruch 7 die erfindungsgemäße Isolierung mittels einer
Schüttung
von mikroporenhaltigen Materialteilchen, die ebenfalls gasgefüllt sind,
bewerkstelligt wird.
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Die
Erfindung beruht auf dem Einsatz isolierender Werkstoffe, die eine
Vielzahl gasgefüllter, dünnwandig
geschlossener Hohlräume
enthalten, an denen ein substantieller Teil des an der Isolation
anliegenden elektrischen Potentials abfällt. Erfindungsgemäß liegen
dabei die Hohlräume
im Bereich zwischen 10 und bis maximal 30 μm und werden als so genannte
Mikroporen bezeichnet, wobei deren Abmessungen längs des durch die Anwendung
bestimmten elektrischen Feldes einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreiten.
Die Hohlräume sind
entweder Poren eines geschlossenzelligen Schaums oder werden durch
die Schüttung
der Materialteilchen als Mikrokügelchen
gebildet.
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Der
Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass die Einhaltung einer
Obergrenze bei der Größenverteilung
der Poren entscheidend ist. Nur so kann das Auftreten von Entladungen
in ansonsten zwar in geringer Wahrscheinlichkeit, aber statistisch durchaus
vorhandenen großen
Poren verhindert werden, beispielsweise bei Poren > 100 μm, wodurch beim
Stand der Technik eine allmähliche
Verschlechterung der Isolationseigenschaften erklärbar ist.
Bei der Erfindung liegt eine weitgehend monodisperse Verteilung
mit definierter Porengröße < 30 μm vor.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es
zeigen in schematischer Darstellung
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1 eine
Schaumstruktur gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
graphische Darstellung der Porengrößenverteilung beim als Isolationsmittel
verwendeten Schaum gemäß 1,
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3 den
Aufbau der neuen geschlossenporigen Isolation im Schnitt,
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4 eine
mikroskopische Hohlkugel zum Aufbau einer zu 3 gleichwirkenden
Isolation, und
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5 eine
graphische Darstellung zum Vergleich der Erfindung mit nach dem
Stand der Technik als Isolationsmittel üblicherweise verwendeten Stickstoff
oder SF6.
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Bei
Hochspannungsschaltern kommen isolierende Werkstoffe zum Einsatz.
Solche Werkstoffe können
derart realisiert werden, dass sie gefüllte, dünnwandig geschlossene Hohlräume mit
einer Länge
DPore enthalten. Dabei bestimmt die Abmessung längs des
durch die Anwendung bestimmten elektrischen Feldes einen Maximalwert
Dmax, der nicht überschritten werden darf.
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Schäume sind
vom Stand der Technik insbesondere für die Wärmedämmung bekannt. Teilweise werden
sie auch für
elektrische Isolationszwecke vorgeschlagen.
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Beim
Stand der Technik mit Schaumporen 11 der Durchschnittsgröße d = 100 μm entsprechend 1 ergibt
sich gemäß 2 eine
typische Gauß'sche Normalverteilung.
Aufgetragen ist dort der relative Größenanteil in % als Funktion
der absoluten Porengröße d, wobei
gemäß Kennlinie 21 das Maximum
der Verteilung bei 100 μm
liegt. Dies bedeutet aber, dass statistisch auch einzelne größere Poren,
beispielsweise von 150 μm,
vorhanden sein können.
Wenn es dort zu einer einzelnen Entladung kommt, wird die Schaumwand
zerstört
und es entsteht ein größerer Hohlraum.
Auf diese Weise verschlechtern sich die Isolationseigenschaften
und es kann über
einen Lawineneffekt plötzlich
zu einem Spannungsdurchbruch kommen.
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Die
Kennlinie 22 beschreibt eine Verteilung mit einem Maximum,
das zwischen 10 und 20 μm liegt.
Insbesondere sind hier keine Porengrößen > 30 μm
vorhanden. Bei den anhand der 3 und 4 beschriebenen
Ausführungsbeispielen
liegen genau definierte Porengrößen vor.
Typischerweise liegt der Wert dPore im Bereich
von 10 μm
bis maximal 30 μm.
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In
der 3 bedeuten 1 ein spannungsführender
Leiter, 2 ein geerdeter Leiter, 3 eine geschlossenporige
Isolation zwischen den Leitern 1 und 2. Die geschlossenporige
Isolation 3 hat gasgefüllte
Hohlräume 4,
wobei 5 die Ausdehnung des Hohlraumes 4 längs des
elektrischen Feldes und 6 die Ausdehnung des Hohlraumes 4 senkrecht
zum elektrischen Feld bedeuten. Die Richtung des elektrischen Feldes
ist durch den Doppelpfeil 7 und der Abstand zwischen den
gegeneinander zu isolierenden Leitern 1 und 2 durch
den Doppelpfeil 8 verdeutlicht. Durch die Abmaße 5 und 6 wird
also ein Porendurchmesser dPore definiert,
der insbesondere bei Verwendung eines Schaumes eine Streubreite
gemäß der Gaußverteilung 22 gemäß 2 hat.
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Die
Länge einer
Pore aus 3 kann mit dem Porendurchmesser
dPore gleichgesetzt werden, ohne dass damit
eine kugelförmige
Geometrie der Hohlräume
zwingend impliziert wird. Vielmehr sind auch Hohlräume vorstellbar;
deren Abmessungen längs
des elektrischen Feldes in Richtung des Doppelpfeiles kleiner sind
als senkrecht dazu. Wie bereits erwähnt, genügen die Porendurchmesser vorteilhafterweise
einer Größenverteilung
f(d) mit einem Maximum bei 10–20 μm, wobei
die Verteilungskurve 22 oberhalb von dmax =
30 μm den
Wert 0 annimmt.
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Eine
Einschränkung
auf kleine Porengrößen mit
Werten < 150 μm ist aus
der Literatur aus der
JP 2000-119437
A1 bekannt, allerdings nur in Bezug auf wärmedämmende Schäume mit
Anforderungen hinsichtlich mechanischer Stabilität. Bei Schäumen für elektrische Isolationszwecke,
wie z.B. in der
US 2002/94443
A1 beschrieben, ist eine Einschränkung auf sehr kleine Poren < 50 μm bisher
nicht bekannt. Schäume
mit mittleren Porengrößen von
50 μm bzw. 100 μm und einer
weit darüber
hinaus reichenden Porengrößenverteilungsfunktion
sind in den eingangs zitierten Veröffentlichungen beschrieben,
wobei hier die herausragenden Eigenschaften von Mikroporen im Bereich
10 bis 30 μm
nicht erkannt werden. Wie nachfolgend im Detail und quantitativ
beschrieben, stellen aber gerade Werkstoffe mit Porengrößen < 30 μm eine besonders
vorteilhafte Stoffklasse mit überraschenden
Eigenschaften in Bezug auf die Durchschlagfestigkeit dar.
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Wenn
als Pore ein einzelner Hohlraum 4 aus dem Schaum 3 der 3 betrachtet
wird, so realisiert diese Pore im Prinzip eine mikroskopische Hohlkugel.
Dies ist anhand 4 im Einzelnen verdeutlicht:
Es bedeuten hier 40 die Hohlkugel mit einem gasgefüllten Hohlraum 41.
Die aus einem Isolator 42 bestehenden Hohlkugel 40 hat
einen Porendurchmesser dPore und eine Wandstärke dWand. Wegen der mikroskopischen Ausbildung
wird nachfolgend auch von „Hohlkügelchen” oder „Microballons" gesprochen. Eine
Vielzahl von Hohlkügelchen 40 sind
in ein Isolationsmaterial 43, insbesondere Gas, eingebettet.
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Für einen
Werkstoff mit einer relativen Permittivität εr genügt die Stärke der
die Hohlräume
umschließenden
Wand dWand erfindungsgemäß einer Minimalbedingung für erhöhte Spannungsfestigkeit
der Isolierung dWand/εr << dPore. (Gl. 1)
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Vorzugsweise
ist die Wandstärke
kleiner als der Porenradius dWand < dPore/2, (Gl.
2) und weitere Vorteile ergeben
sich, wenn die Wandstärke
bei typisch 20 % des halben Porendurchmessers, also 10 % des Porenradius
liegt.
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Bei
dieser Betrachtung wurde davon ausgegangen, dass das Isolationsmaterial,
in das die Mikroporen eingebettet sind, hin sichtlich der elektrisch wirksamen
Dicke dinter/εinter mit
dem mittleren Abstand dinter (Wand-zu-Wand)
zwischen zwei Hohlkugeln und der relativen Permittivität εinter der
Einbettung im Vergleich zur Wand der Hohlkugeln vernachlässigt werden
kann. Ist das nicht der Fall, so ist die in Gleichung (1) genannte
Bedingung folgendermaßen
zu modifizieren: dWand/εr +
dinter/εinter << dPore (Gl. 1a)
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Diese
Bedingung hängt
unmittelbar damit zusammen, dass an den gasgefüllten Poren ein substantieller
Anteil des am Isolator anliegenden elektrischen Potentials abfällt. Da
die Wandstärke
der Poren, deren Durchmesser und deren Abstand zueinander die Volumenverhältnisse
zueinander bestimmen, kann daraus auch eine entsprechende Bedingung
für die
Volumenverhältnisse
abgeleitet werden.
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Das
vorstehend beschriebene Isolationsmaterial kann den zu isolierenden
Hohlraum als geschlossenporiger Schaum ausfüllen oder in Form einer Schüttung vorliegen.
Es kann je nach Anwendung aus einem Kunststoff, Glas oder einem
anderen glasartigen Material wie Glaskeramik bestehen: Kunststoffe
haben gegenüber
glasartigen Materialien den Vorteil der Gewichtsersparnis, aber
bei Temperaturen über
100°C schnell
abnehmende mechanische Stabilität
und dielektrische Festigkeit. Verfahren zur Herstellung entsprechender
geschlossenporiger Schaumstoffe entsprechen dem Stand der Technik und
sind beispielhaft in den beiden Patentanmeldungen
JP 2000-119437 A1 und
US 2002/94443 A1 des Standes
der Technik beschrieben.
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Bei
Kunststoffen können
verschiedenste Kriterien für
die Auswahl ausschlaggebend sein: Aus Gründen der Umweltverträglichkeit
und der Sicherheit im Brandfall kann die Isolation bevorzugt aus
einem Kunststoff gefertigt werden, der weder Halogene noch Schwefel
oder Stickstoff enthält.
Für besonders hohe
dielektrische Festigkeit hingegen kann ein halogenhaltiger Kunststoff
oder ein Polyimid ausgewählt werden.
Als Beispiel dafür
eignet sich ein für
Wärmeisolationszwecke
neu entwickelter Werkstoff auf Polyimidbasis (SOLREX®) in
Form mikroskopischer Hohlkugeln; in dieser Form lässt sich
der Werkstoff wie eine Flüssigkeit
gießen
und füllt
somit alle zugänglichen
Hohlräume
analog zu flüssigen
oder gasförmigen
Isolierstoffen. Bei Bedarf lässt
sich der Werkstoff durch moderate Hitzeeinwirkung aushärten, so
dass ein formschlüssiger,
geschlossenporiger, schaumstoffartiger Isolierkörper mit geringer Dichte von < 0,1 g/cm3 entsteht. Ähnliche Werkstoffe werden u.a.
von Akzonobel z.B. unter dem Namen Expancel® angeboten.
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Da
Partikel mit Durchmessern von typischerweise 10 μm lungengängig sind, ist es vorteilhaft,
bei Einsatz der Mikrokügelchen
bzw. „Microballons" diese mit einem
flüssigen
Bindemittel zeitweise, d.h. während
der Verarbeitung, oder permanent zu binden. Zur temporären Bindung
sind Wasser und niedrigsiedende organische Verbindungen wie z.B. Alkohole
geeignet, die nachträglich
durch Verdampfen wieder beseitigt werden. Zur permanenten Bindung
sind flüssige
Isoliermittel wie z.B. Transformatoren- oder Silikonöle geeignet,
aber auch aushärtbare Flüssigkeiten
wie z.B. Kunstharze oder Silikonkautschuk.
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Für die Gasfüllung der
Poren bzw. „Mikroballons" kann vorteilhafterweise
trockene Luft, Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Gemisch von Kohlendioxid
und einem der vorstehenden Gase eingesetzt werden. Auch wenn durch
die vorliegende Erfindung ein Isolationssystem beschrieben wird,
durch das der Einsatz den kann, soll der Einsatz von SF6 oder ähnlichen
Isoliergasen als Füllung
der geschlossenen Hohlräume
nicht ausgeschlossen werden, da dadurch eine weitere Erhöhung der
Spannungsfestigkeit bei gleichem Bauvolumen oder aber eine Verringerung
der Isoliergasmenge bei gegebenem Isolationspotential erreicht werden
kann.
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Wenn
mit dSpalt der Abstand der gegeneinander
zu isolierenden Leiter bezeichnet wird und die elektrische Potentialdifferenz
zwischen den Leitern mit ΔV,
dann ergibt sich die mittlere Feldstärke im Δ-Bereich zwischen den Leitern
zu Eαν = ΔV/dSpalt.
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Nachfolgend
wird aufgezeigt, welcher Vorteil in der Isolationsfestigkeit sich
durch die Verwendung eines Mikroschaumes statt einer Gasisolation
oder eines grobporigen Schaumes ergibt: Mit einer Stickstofffüllung der
Hohlräume
wird eine zur reinen SF6-Gasisolation vergleichbare
Spannungsfestigkeit des Isolierkörpers
erreicht, wenn man die Porengröße auf Werte
von typisch 10 μm
senkt. Damit kann auch bei Atmosphärendruck Stickstoff als Isoliermedium
eingesetzt werden, ohne auf eine kompakte Bauweise verzichten zu
müssen.
Im Vergleich zu herkömmlichen
Schaumwerkstoffen mit Porengrößen von
typisch 50 μm
bis zu 1 mm steigt die Durchbruchfeldstärke bei dieser sehr kleinen
Porengröße um den
Faktor 4–10
an, da die zum Einsatz von Teilentladungen notwendige Feldstärke mit
abnehmender Porengröße wächst. Durch
die Möglichkeit,
auf SF6 zu verzichten, ergibt sich sofort
ein großes
Potential für
umweltverträgliche
elektrische Isolationssysteme.
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In 5 ist
in einer doppellogarithmischen Auftragung die Durchbruchfeldstärke bzw.
Durchbruchspannung UD eines Schaums gemäß 1 in Abhängigkeit
von der Porengröße d dargestellt.
Die Durchbruchspannung UD dieses Materials
wird mit der Durchbruchfeldstärke
von Schwefelhexafluorid (SF6) und von Stickstoff(N2), die beide konstante Werte haben, verglichen.
Die Kennlinien für
SF6 sind mit 31 und für N2 mit 32 bezeichnet, die beide abzissenparallele
Geraden bilden. Die mit 33 bezeichnete Kennlinie des Mikroschaums
hat eine mit der Porengröße d abfallende
Charakteristik. Als Randbedingung dient ein 1 mm-Spalt einer Schaltanordnung.
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Aus
der 5 ergibt sich von einem Wert d < 30 μm für den Schaum
eine Verbesserung gegenüber
bekannten Gasisolierungen und weiterhin bei Werten unterhalb von
30 μm eine
ansteigende, deutlich verbesserte Durchbruchfeldstärke gegenüber den
bisher verwendeten Mitteln. Dabei ist die Durchbruchspannung mit
der Porengröße insofern
gekoppelt, als dass das Produkt von Durchbruchfeldstärke und
Porengröße konstant
bleibt.
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Aus
dem Vergleich der Kennlinien 31 bis 33 ergibt
sich die vorteilhafte Verwertbarkeit des neuen Isolationsmittels,
und zwar Schäume
oder Schüttungen,
insbesondere als Ersatz für
SF6.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass die besonderen Vorteile vorliegender Erfindung
insbesondere in folgenden Eigenschaften liegen:
- – hohe Durchbruchfeldstärke, die
mit sinkendem Porendurchmesser ansteigt und bei 30 μm bereits 3fach
höher als
die des trockenen Stickstoffs und damit vergleichbar der von SF6 ist
- – Formschlüssigkeit
- – schaumstoffartiger
Isolierkörper
mit mikroskopischer geschlossenporiger Porenstruktur
- – geringe
Dichte/verringerte Kosten
- – gute
Umweltverträglichkeit
- – einfache
Verarbeitbarkeit (Gießen
und bei moderater Temperatur aushärten)
- – bei
Auswahl geeigneter Isolationsmaterialien schwer entflammbar.