DE102004019586A1

DE102004019586A1 - Elektrischer Isolator, insbesondere für Mittel- und Hochspannungen

Info

Publication number: DE102004019586A1
Application number: DE102004019586A
Authority: DE
Inventors: Lutz-Rüdiger Dipl.-Ing. Jänicke; Nils Dipl.-Ing. Werning
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2005-11-03
Also published as: CA2562834A1; US20070134963A1; CN101053044A; RU2006140376A; RU2377679C2; US7435120B2; WO2005101429A1; CN101053044B; EP1735799A1

Abstract

Ein elektrischer Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) umgibt einen Innenraum (3c, 3d, 3e). In dem Innenraum (3c, 3d, 3e) sind elektrisch aktive Elemente (2c, 2d, 2e) einbringbar. Um einen Wärmetransfer zwischen dem Innenraum (3c, 3d, 3e) und der äußeren Umgebung des elektrischen Isolators (1, 1a, 1c, 1d, 1e) einzuschränken, weist der Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) thermisch isolierende Bereiche (3, 3a, 7c, 7d, 7e, 8c, 8d, 8e, 9c, 9d, 9e) auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Isolator, insbesondere für Mittel- und Hochspannungen, welcher einen Innenraum umgibt.

Ein derartiger Isolator ist beispielsweise aus dem US-Patent US 6,147,333 bekannt. Der dortige Isolator ist Teil einer Hochspannungsdurchführung und dient der Durchführung von elektrischen Anschlussleitern durch ein metallisches Kapselungsgehäuse eines Hochspannungs-Leistungsschalters. Innerhalb des metallischen Kapselungsgehäuses ist eine Unterbrechereinheit des Hochspannungs-Leistungsschalters angeordnet. Die Hochspannungsdurchführungen weisen jeweils einen Isolator auf, der zur Verlängerung von Kriechwegen an seiner Oberfläche mit einer Verrippung versehen ist. Das Kapselungsgehäuse ist mit einem unter erhöhtem Druck stehenden Isoliergas befüllt. Um ein Verflüssigen des Isoliergases bei tiefen Temperaturen zu verhindern, sind die Kapselungsgehäuse von Hochspanungs-Leistungsschaltern mit einer elektrischen Heizeinrichtung ausgestattet. Um Wärmeverluste möglichst gering zu halten, ist die Heizeinrichtung mit einer thermisch isolierenden Matte kombiniert. Dabei ist es bekannt, diese Matten möglichst dicht um das Kapselungsgehäuse des Schalters herum anzuordnen. Die Hochspannungsdurchführungen sind von den Isoliermatten freizuhalten, um ihre elektrisch isolierenden Eigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Aufgrund der freizuhaltenden Bereiche kann ein Teil der Wärme über die Isolatoren aus dem Inneren des Kapselungsgehäuses an die Umgebung abgegeben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Isolator der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass er in verbesserter Weise in eine thermische Isolation einbeziehbar ist.

Die Aufgabe wird bei einem elektrischen Isolator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Isolator wenigstens einen thermisch isolierenden Bereich aufweist.

Bei der Verwendung von Heizdecken bzw. Isoliermatten an gekapselten Leistungsschaltern ist stets darauf zu achten, dass durch die Veränderung der äußeren Kontur des Kapselungsgehäuses nicht in die frei zu haltenden Spannungskreise rund um die Hochspannungsdurchführungen eingegriffen wird. Daher kann bei der Verwendung herkömmlicher Isoliermatten nur eine bedingte thermische Isolierung des Hochspannungs-Leistungsschalters gewährleistet werden. Durch eine Verwendung von einem elektrischen Isolator und der Einbringung von wenigstens einem thermisch isolierenden Bereich in den Isolator kann die Abgabe von Wärme über den elektrischen Isolator selbst reduziert werden. Je nach verwendetem elektrischen Isoliermaterial, beispielsweise einer Keramik oder einem Kunststoff, können die thermisch isolierenden Bereich in verschiedenen Formen ausgeführt sein. So können beispielsweise bei der Herstellung des elektrischen Isolators thermisch isolierende Elemente, wie Gaseinschlüsse aufweisendes Granulat in das Grundmaterial eingemischt werden. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die thermisch isolierende Wirkung sich gleichmäßig in allen Teilabschnitten des Isolators auswirkt. Weiterhin wird die mechanische Stabilität des elektrischen Isolators selbst nur gering beeinträchtigt, da zwischen den einzelnen eingemischten Elementen ausreichende Stegbreiten für das elektrisch isolierende Material zur Verfügung stehen. Eine derartige Ausgestaltung führt zu einem elektrischen Isolator, der eine Vielzahl von thermisch isolierenden Bereichen aufweist.

Weiterhin kann vorteilhafter vorgesehen sein, dass der thermisch isolierende Bereich den Innenraum umgibt.

Bei einer Anordnung der thermisch isolierenden Bereiche um den Innenraum herum ist der Innenraum vor dem Abgeben von Wärmeenergie durch die Wandung des elektrischen Isolators hindurch besonders effektiv geschützt. Insbesondere bei einer Beheizung des Innenraums kann so eine übermäßige Wärmeabgabe verhindert werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Innenraum entlang seiner gesamten Erstreckung von dem thermisch isolierenden Bereich umgeben ist oder auch nur Abschnitte mit einem thermisch isolierenden Bereich umgeben sind. So ist es möglich, je nach Bedarf Abschnitte an dem elektrischen Isolator zu schaffen, die eine besonders starke thermische Isolation aufweisen. Gezielt werden so Zonen erzeugt, die ein rasches Abkühlen ermöglichen und so gegenüber den stärker isolierten Bereichen eine Temperaturdifferenz aufweisen. Somit kann das Entstehen einer Konvektion im Innenraum des elektrischen Isolators gefördert werden. Der Innenraum des Isolators kann mit verschiedenen Einbauteilen befüllt werden. Derartige Einbauten sind beispielsweise Antriebselemente, Kabel und Leitungen usw. Der Isolator kann beispielsweise auch als sogenannter Stützisolator ausgebildet sein und Baugruppen isoliert tragen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass ein elektrischer Leiter in dem Innenraum angeordnet ist.

Wie einleitend beschrieben, stellen die Durchführungsanordnungen an Hochspannungs-Leistungsschaltern mit geerdeten Kapselungsgehäusen Schwachpunkte in der thermischen Isolation dar. Durch eine Anordnung eines elektrischen Leiters in dem Innenraum ist bei entsprechender Ausgestaltung des Isolators und des thermisch isolierenden Bereiches auch eine Durchführungsanordnung konstruierbar. Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Isolator Teil einer elektrischen Durchführungsanordnung ist.

Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn der Isolator und der thermisch isolierende Bereich koaxial zum elektrischen Leiter angeordnet sind.

Die koaxiale Anordnung bietet Vorteile hinsichtlich der dielektrischen Ausgestaltung des Isolators. Insbesondere das Ausgestalten des thermisch isolierenden Bereiches als koaxial umlaufende Schicht ermöglicht es, an dem bekannten Aufbau von Isolatoren für Durchführungen festzuhalten. Durch den thermisch isolierenden Bereich wird lediglich die Stärke der Wandung des Isolators, die sich um den Innenraum herum erstreckt, verändert. An dem prinzipiellen Aufbau von bekannten Durchführungen kann weiterhin festgehalten werden.

Dabei kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, dass der thermisch isolierende Bereich als Schicht zwischen einem innenliegenden Rohr und einer äußeren Oberflächenschicht angeordnet ist.

Insbesondere der Aufbau von Verbundisolatoren gestattet eine sehr einfache Einbringung von isolierenden Bereichen. Im Regelfall weisen die Verbundisolatoren ein mechanisch stabilisierendes Element auf. Dieses Element kann beispielsweise ein innenliegendes Rohr sein. Auf dieses Rohr werden dann die weiteren Schichten zur Gewährleistung einer ausreichenden Isolationsfestigkeit aufgebracht. Derartige Schichten sind beispielsweise Silikonschichten, die an der äußeren Oberfläche eine Beschirmung aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die thermisch isolierende Schicht zwischen dem Innenrohr und der jeweiligen Oberflächenschicht anzuordnen. Dadurch bleibt der Innenraum frei von thermisch isolierenden Abschnitten und kann in gewohnter Weise genutzt werden. Auch die äußere Oberfläche bleibt in ihrer Struktur erhalten, so dass Beeinträchtigungen ihrer elektrischen sowie mechanischen Eigenschaften durch den isolierenden Bereich nicht erfolgen. Der thermisch isolierende Bereich kann dabei von dem innenliegenden Rohr und der äußeren Oberflächenschicht vollständig ummantelt sein. Dazu kann beispielsweise die Oberflächenschicht als Silikonbeschirmung ausgebildet sein, die sich auch an den stirnseitigen Enden der thermisch isolierenden Schicht vollständig um diese herum an das innenliegende Rohr anschmiegt. Dies gestattet die Verwendung von verschiedenen Materialien für den thermisch isolierenden Bereich, da dieser vor äußeren Einflüssen weitestgehend geschützt ist. So bietet sich beispielsweise eine Verwendung von geschäumten Kunststoffen, wie Polyurethan oder anderen Polymeren an. Die Verwendung von Isoliergasen zum Aufschäumen gestattet dabei die in dem Schaum entstehenden Hohlräume, dielektrisch stabil zu gestalten. Als Isoliergas ist beispielsweise Stickstoff oder Schwefelhexafluorid verwendbar.

Es kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, dass der thermisch isolierende Bereich zwischen zwei koaxial zueinanderliegenden Rohren angeordnet ist.

Die Verwendung von zwei koaxial zueinander liegenden Rohren ermöglicht es, die Rohre selbst als Schalung für den thermisch isolierenden Bereich zu verwenden. Dadurch sind besonders einfache Verfahren zum Einbringen des thermisch isolierenden Bereiches in den zwischen den Rohren gebildeten Ringspalt anwendbar. Zusätzlich kann das isolierende Material derart ausgewählt sein, dass die beiden Rohre über die thermische Isolation in ihrer Lage zueinander fixiert sind. Dadurch entsteht ein geschichteter Körper, der durch die Rohre eine hohe mechanische Stabilität und durch den thermisch isolierenden Abschnitt zwischen den Rohren ein gutes thermisches Isoliervermögen aufweist. Bei einer geeigneten Wahl des thermisch isolierenden Materials kann bei einer geringen Masse die mechanische Stabilität der verbundenen Rohre zusätzlich erhöht werden. Bei einer derartigen Anordnung ergeben sich kaum Einschränkungen hinsichtlich bisher angewandter Fertigungsverfahren für Isolatoren. Zum Innenraum hin ist weiterhin eine feste rohrförmige Struktur gegeben. Zu den außen aufzubringenden Oberflächenbereichen ist ebenfalls eine feste rohrförmige Struktur vorhanden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Innenraum zumindest teilweise mit einem Fluid befüllt ist.

Zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit des Isolators kann der Innenraum mit einem Isoliergas, insbesondere mit einem unter erhöhtem Druck stehenden Isoliergas, wie beispielsweise Schwefelhexafluorid oder Stickstoff, oder einer elektrischen isolierenden Flüssigkeit, wie beispielsweise einem Isolieröl, gefüllt sein. Dadurch sind innerhalb des Innenraumes angeordnete elektrisch aktive Elemente, wie elektrische Leiter oder Unterbrechereinheiten von Schaltgeräten, zusätzlich isoliert.

Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass in dem Innenraum auch feldsteuernde Elemente, wie mehrlagige Steuerkondensatoren oder Feldsteuerelektroden, eingebracht sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung schematisch gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigt die
1 eine erste Ausgestaltungsvariante eines Isolators, die
2 eine zweite Ausgestaltungsvariante eines Isolators, die
3 eine dritte Ausgestaltungsvariante eines Isolators für eine Durchführungsanordnung, die
4 eine vierte Ausgestaltungsvariante eines Isolators für eine Durchführungsanordnung und die
5 eine fünfte Variante eines Isolators für eine Durchführungsanordnung.
Die 1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltungsvariante eines elektrischen Isolators 1. Die erste Ausgestaltungsvariante des elektrischen Isolators 1 weist eine im Wesentlichen hohlzylindrische Struktur auf. Die erste Ausgestaltungsvariante des elektrischen Isolators 1 ist in Form eines Kunststoffverbund-Isolators ausgestaltet. Auf einem Tragrohr 2 ist eine Schicht aus einem thermischen Isolierstoff 3 aufgebracht. Der thermische Isolierstoff 3 bildet einen thermisch isolierenden Bereich, welcher mantelseitig um das Tragrohr 2 herum verläuft. Der thermisch isolierende Bereich ist als durchgehende Schicht ausgebildet. Als äußere Oberflächenschicht ist auf den thermischen Isolierstoff 3 ei ne Beschirmung 4 aus Silikon aufgebracht. Diese Beschirmung kann beispielsweise aufgegossen bzw. aufgespritzt oder als Fertigelement auf das mit dem thermischen Isolierstoff 3 beschichtete Tragrohr 2 aufgeschoben werden. In dem Isolierstoff 3 enthaltene Gaseinschlüsse können beispielsweise mit einem Isoliergas befüllt sein. Dadurch wird die dielektrische Stabilität des Isolierstoffes 3 verbessert. Der thermische Isolierstoff 3 ist zwischen dem innenliegenden Tragrohr 2 und der äußeren Beschirmung 4 angeordnet. Die äußere Beschirmung 4 bildet die äußere Oberflächenschicht.
Die 2 zeigt eine zweite Ausgestaltungsvariante eines elektrischen Isolators 1a. Der elektrische Isolator 1a weist eine im Wesentlichen hohlzylindrische Gestalt auf. Zwischen einem ersten Tragrohr 2a und einem zweiten Tragrohr 2b ist ein thermischer Isolierstoff 3a angeordnet. Der durch den thermischen Isolierstoff 3a gebildete thermisch isolierende Bereich verbindet die beiden Tragrohre 2a, 2b miteinander. Auf das koaxial zu dem ersten Tragrohr 2a liegende zweite Tragrohr 2b ist eine Beschirmung 4a aus Silikon aufgebracht. Der thermisch isolierende Bereich liegt zwischen dem innenliegenden ersten Tragrohr 2a und der als Beschirmung 4a ausgebildeten äußeren Oberflächenschicht.
In der 3 ist eine dritte Ausgestaltungsvariante eines elektrischen Isolators 1c in seiner Verwendung in einer Hochspannungsdurchführungsanordnung dargestellt. Der elektrische Isolator 1c ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet und weist einen Innenraum 3c auf. Abweichend davon können beispielsweise auch tonnenförmige oder konisch zulaufende Formen für elektrische Isolatoren Anwendung finden. Koaxial zu dem elektrischen Isolator 1c ist ein elektrischer Leiter 2c im Innenraum 3c angeordnet. Stirnseitig ist der elektri sche Isolator 1c mit einer ersten und einer zweiten Abschlussarmatur 4c, 5c versehen. Der elektrische Isolator 1c kann beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff geformt sein. Zur Steuerung des elektrischen Feldes weist die Durchführungsanordnung mit dem elektrischen Isolator 1c eine Feldsteuerelektrode 6c auf. Mittels der zweiten Anschlussarmatur 5c ist die Durchführungsanordnung der 3 beispielsweise an einen Hochspannungs-Leistungsschalter oder einen Transformator anflanschbar. Der Innenraum 3c kann mit einem Innenraum des Hochspannungs-Leistungsschalters oder des Transformators in Verbindung stehen und mit einem Fluid beispielsweise einem Isoliergas oder einem Isolieröl befüllt sein. Über diesen Fluidverbund ist der Innenraum 3c auch beheizbar. Um eine Abgabe von Wärme aus dem Innenraum 3c einzuschränken, sind in den elektrischen Isolator 1c ein erster, ein zweiter und ein dritter thermisch isolierender Bereich 7c, 8c, 9c eingebracht. Die thermisch isolierenden Bereiche 7c, 8c, 9c sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils vollständig von dem beispielsweise keramischen Grundwerkstoff des elektrischen Isolators 1c umgeben und in die Wandung des elektrischen Isolators 1c eingebettet. Darüber hinaus kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass thermisch isolierende Bereiche in Ausnehmungen eines Isolatorgrundkörpers eingebracht werden (beispielsweise durch Einschäumen eines Polymeres). Der erste und der zweite thermisch isolierende Bereich 7c, 8c sind jeweils als koaxial umlaufende Ringe mit verschiedenen Ringbreiten ausgeführt. Der dritte thermisch isolierende Bereich 9c ist lediglich als Abschnitt eines Kreisringes ausgeführt. Dadurch ist es möglich, das Wärmeabgabeverhalten der Durchführungsanordnung gezielt einzustellen. So kann beispielsweise an einigen Bereichen des elektrischen Isolators eine verstärkte Wärmeabgabe erwünscht sein, um beispielsweise benachbart liegende Baugruppen zu erwärmen.
Die 4 zeigt eine vierte Variante eines elektrischen Isolators 1d. In ihrem Aufbau gleicht sie der in der 3 dargestellten Durchführungsanordnung. Lediglich die thermisch isolierenden Bereiche. weisen eine alternative Gestalt auf. Der elektrische Isolator 1d ist mit stab- bzw. langgestreckten plattenförmigen thermisch isolierenden Bereichen 7d, 8d, 9d ausgestattet. Die thermisch isolierenden Bereiche sind jeweils als gewölbte rechteckförmige bzw. trapezförmige Platten ausgestaltet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Platten im Bereich der ersten Anschlussarmatur 4d eine geringere Wandstärke aufweisen als im Bereich der zweiten Anschlussarmatur 5d (und umgekehrt).
Gleichwirkende Elemente der 4 sind mit den entsprechenden Bezugszeichen der 3 versehen, unterschiedlich sind lediglich die jeweiligen alphabetischen Indizes.
Die 5 zeigt eine fünfte Ausgestaltungsvariante eines elektrischen Isolators 1e. Dem prinzipiellen Aufbau nach entspricht die Durchführungsanordnung mit dem elektrischen Isolator 1c der in der 5 gezeigten Durchführungsanordnung. Gleichwirkende Bestandteile sind deshalb in den gleichen Bezugszeichen versehen, die sich lediglich in den alphabetischen Indices unterscheiden. In den elektrischen Isolator 1e sind eine Vielzahl von thermisch isolierenden Bereichen 7e, 8e, 9e eingelagert. Die thermisch isolierenden Bereiche werden beispielsweise als Granulat während der Fertigung des elektrischen Isolators 1e in die noch formlose Grundmasse eingemischt. Somit entsteht eine in sich homogene Struktur des elektrischen Isolators 1d, wobei in allen Abschnitten eine gleichmäßige Verteilung der thermisch isolierenden Bereiche 7e, 8e, 9e erzeugt wird und die thermisch isolierenden Be reich 7e, 8e, 9e den Innenraum umgeben. Weiterhin ist die in der 5 dargestellte Durchführungsanordnung mit einem viellagigen Kondensatorwickel 6e zum Steuern der elektrischen Feldverteilung ausgestaltet.
Die in den 1 bis 5 dargestellten Isolatoren sind jeweils in Durchführungsanordnungen verwendbar oder als Stützisolator zum elektrisch isolierten Halten von Baugruppen verwendbar.
Über die in den Figuren dargestellten Ausgestaltungsvarianten der Anordnung eines thermischen Isolierstoffes in einem elektrischen Isolator hinausgehend sind auch weitere Ausgestaltungsvarianten von thermisch isolierenden Bereichen an dem Isolator vorsehbar. So kann beispielsweise ein thermisch isolierender Faserstrang spiralförmig gewickelt werden, und unter Hinzugabe eines entsprechenden mechanisch stabilisierenden Materials beispielsweise eines Harzes ein fester elektrischer Isolator gebildet werden, der in seiner Wandung thermisch isolierende Bereiche aufweist und einen Innenraum zur Verfügung stellt, innerhalb dessen elektrisch aktive Elemente angeordnet werden können.

Claims

Elektrischer Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) insbesondere für Mittel- und Hochspannungen, welcher einen Innenraum (3c, 3d, 3e) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) wenigstens einen thermisch isolierenden Bereich (3, 3a, 7c, 7d, 7e, 8c, 8d, 8e, 9c, 9d, 9e) aufweist.
Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch isolierende Bereich (3, 3a, 7c, 7d, 7e, 8c, 8d, 8e, 9c, 9d, 9e) den Innenraum (3c, 3d, 3e) umgibt.
Isolator ( 1, 1a, 1c, 1d, 1e) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Leiter (2c, 2d, 2e) in dem Innenraum (3c,3d,3e) angeordnet ist.
Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) Teil einer elektrischen Durchführungsanordnung ist.
Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) und der thermisch isolierende Bereich (3, 3a, 7c, 7d, 7e, 8c, 8d, 8e, 9c, 9d, 9e) koaxial zum elektrischen Leiter (2c,2d,2e) angeordnet sind.
Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch isolierende Bereich (3, 3a, 7c, 7d, 7e, 8c, 8d, 8e, 9c, 9d, 9e) als Schicht zwischen einem innenliegenden Rohr (2) und einer äußeren Oberflächenschicht (4) angeordnet ist.
Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch isolierende Bereich (3a) zwischen zwei koaxial zueinanderliegenden Rohren (2a, 2b) angeordnet ist.
Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (3c,3d,3e) zumindest teilweise mit einem Fluid befüllt ist.
Isolator (1, 1a, 1c, 1d, 1e) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende Bereich (3, 3a, 7c, 7d, 7e, 8c, 8d, 8e, 9c, 9d, 9e) geschäumte Gaseinschlüsse aufweisendes Material umfasst.