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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Stromschiene
mit koaxial angeordneten, rohrförmigen Teilleitern. Weiterhin
betrifft die Erfindung eine durch ein derartiges Verfahren hergestellte
Stromschiene sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens.
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In
der deutschen Offenlegungsschrift
DT 1 803 363 sind elektrische Mittelspannungsleiter
mit koaxial angeordneten, rohrförmigen Phasenleitern mit
dazwischen angeordneten Isolationsschichten beschrieben. Die dortigen
Mittelspannungsleiter sind für Stromstärken von
etlichen 10 kA und Spannungswerten von etlichen 10 kV ausgelegt.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 008 751 A1 ist
es bekannt, bei Mittel- und Hochspannungsanwendungen als Isolierungsmittel ein
Material mit geeigneten dielektrischen Eigenschaften zu verwenden,
wobei sich in diesem Material gasenthaltende Poren, die eine weitgehend
monodisperse Verteilung haben, befinden. Das Material kann ein Polymer,
insbesondere eine Polymerschaum, sein. Möglich sind aber
auch Schüttungen von diskreten Materialhohlteilchen, deren
innerer Hohlraum einer Pore entspricht. Es werden insbesondere bei
Hochspannungsschaltanlagen bisher durchweg elektrische Isolationen
aus Stickstoff N
2 oder aus Schwefelhexafluorid
SF
6 verwendet.
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Die
hier betrachteten Stromschienensysteme sind vorzugsweise für
Anwendungen im Niederspannungsbereich, das heißt bis zu
1000 V, ausgelegt. Sie umfassen mehrere koaxial angeordnete, rohrförmige
Phasenleiter mit einer Stromtragefähigkeit von bis zu mehreren
1000 A. Alternativ können diese Stromschienensysteme auch
im Mittelspannungsbereich, das heißt für An wendungen
in einem Spannungsbereich bis ca. 20 kV, ausgelegt sein.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur einfachen
Herstellung einer Stromschiene mit konzentrisch angeordneten, rohrförmigen
Teilleitern anzugeben.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Stromschiene anzugeben,
welche durch ein derartiges Verfahren hergestellt ist. Schließlich
ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung
eines derartigen Herstellungsverfahrens anzugeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch Herstellungsverfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind
in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
Im Anspruch 6 ist eine durch ein derartiges Verfahren hergestellte
Stromschiene genannt. Im Anspruch 7 ist eine besonders geeignete
Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens
angegeben. Im davon abhängigen Anspruch 8 ist eine besonders
vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung genannt.
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Erfindungsgemäß umfasst
das Herstellungsverfahren zumindest folgende Schritte:
- – Ineinanderschieben der jeweiligen Teilleiter,
- – radiale Fixierung der Teilleiter jeweils unter Einhaltung
eines vorgegebenen radialen Abstands zueinander,
- – Auffüllen der zwischen radial benachbarten Teilleitern
verbleibenden koaxialen Hohlräume mit einem aushärtendem
Isolierstoff und
- – Abwarten einer Aushärtezeit.
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Durch
das Auffüllen des koaxialen Teilleiterpaktes mit einem
Isolierstoff ist auf besonders einfache und kostengünstige
Weise eine koaxiale Stromschiene herstellbar. Die dazu erforderliche
radiale Fixierung der Teilleiter und das anschließende
Auffüllen der koaxialen Hohlräume können
vorteilhaft automatisiert erfolgen.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante weisen die jeweiligen
ineinandergeschobenen Teilleiter eine radial von außen
nach innen zunehmende axiale Länge auf. Die jeweiligen Teilleiter
werden dann in axialer Richtung zentriert und fixiert. Dadurch sind
an den beiden Enden einer derartigen Stromschiene in Umfangrichtung
der Stromschiene verlaufende ringförmige Kontaktierungsbereiche
herstellbar. Über diese Bereiche können die jeweiligen
Teilleiter zum Einspeisen oder Ausleiten eines Stromes mit entsprechenden
ringförmigen Verbindungsklemmen verbunden werden.
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Nach
einer weiteren Verfahrensvariante werden die ineinandergeschobenen,
radial auf Abstand und gegebenenfalls axial fixierten Teilleiter
vertikal aufgerichtet und über ihr unteres axiales Ende
mit dem Isolierstoff aufgefüllt. Dadurch wird ein eventuell möglicher
Lufteinschluss, welcher die Isolationsfähigkeit zwischen
den jeweiligen Teilleitern nachteilig beeinträchtigen würde,
vermieden.
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Nach
einer weiteren Verfahrensvariante wird ein flüssiger, aushärtender
Kunststoff, insbesondere ein Polymer, verwendet. Ein derartiger
Kunststoff kann z. B. Epoxidharz sein.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird ein
aushärtender Schaum, insbesondere ein Polymerschaum, aus
einem mit einem Isoliergas aufgeschäumten, flüssigen,
aushärtenden Kunststoff verwendet. Ein derartiger Schaum
ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 008 751 A1 der
Anmelderin offenbart. Als Isolationsgas kommen insbesondere Stickstoff
N
2 oder Schwefelhexafluorid SF
6 zum
Einsatz. Schwefelhexafluorid ist aufgrund seiner hervorragenden
elektrisch leitenden Eigenschaften seit Jahren bei Anwendungen im
Mittel- und Hochspannungsbereich bekannt.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch eine Stromschiene gelöst,
welche durch ein derartiges Verfahren hergestellt wird. Die erfindungsgemäße
Stromschiene ist im Vergleich zu herkömmlichen Stromschienen,
die massive Isolierschichten zwischen den jeweiligen Teilleitern
aufweisen, erheblich leichter. Zugleich bleiben die mechanischen
Eigenschaften in etwa erhalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass solche
Stromschienen durch den geringeren Materialaufwand erheblich kostengünstiger
hergestellt werden können.
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Bei
derartigen Stromschienen sind die Funktionskosten für die
Kurzschlussfestigkeit in den Funktionskosten der Leiter und der
Isolierung enthalten, das heißt kein besonderer Aufwand
zur Erreichung einer hohen Kurzschlussfestigkeit.
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Schließlich
wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Durchführung
eines derartigen Herstellungsverfahrens gelöst. Eine derartige Vorrichtung
weist vorzugsweise eine Einspritzeinheit zur radialzentrierten Aufnahme
eines ersten, insbesondere unteren Endes der ineinandergeschobenen, rohrförmigen
Teilleiter und zum Einspritzen eines flüssigen oder aufgeschäumten,
aushärtenden Isolierstoffes in die koaxialen Hohlräume
zwischen benachbarten Teilleitern auf. Sie weisen weiterhin eine Halteeinheit
zur radialzentrierten Aufnahme eines zweiten, insbesondere oberen
Endes der ineinandergeschobenen, rohrförmigen Teilleiter
auf. Schließlich weist die Vorrichtung einen Isolierstoffaufbereiter zum
Aufbereiten und zum Zuführen des flüssigen oder
aufgeschäumten, aushärtenden Isolierstoffes zur
Einspritzeinheit auf.
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Mittels
einer derartigen Vorrichtung ist eine schnelle und zuverlässige
Befüllung der radialfixierten, rohrförmigen Teilleiter
möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Halteeinheit
mit einer Unterdruckeinheit oder einer Vakuumeinheit verbunden ist. Dadurch
kann die in den jeweiligen ko axialen Hohlräumen noch befindliche
Luft während des Befüllens „herausgesaugt” werden.
Zugleich wird durch die Bildung eines Unterdrucks das Befüllen
des Isoliermaterials in den koaxialen Hohlräumen beschleunigt.
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Um
das Risiko von Lufteinschlüssen weiter zu reduzieren, ist
es auch vorstellbar, das Teilleiterpaket zuvor mit Stickstoff oder
Schwefelhexafluorid zu fluten und auf diese Weise die Luft in den
koaxialen Hohlräumen zu verdrängen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind
die Einspritzeinheit und die Halteeinheit trichterförmig
und insbesondere in axialer und radialer Richtung gestuft ausgebildet,
um die ineinandergeschobenen Teilleiter axial und zugleich radial
zentriert aufzunehmen. Die Teilleiter weisen dabei eine radial von
außen nach innen zunehmende axiale Länge auf.
Dadurch können zugleich die zuvor beschriebenen Kontaktierungsringe
zum externen Anschließen der jeweiligen Teilleiter vorteilhaft
in einem einzigen Schritt hergestellt werden.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung
werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher
beschrieben. Es zeigen
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1 ein
Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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2 beispielhaft
eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellte Stromschiene mit koaxial angeordneten, rohrförmigen
Teilleiter und
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3 eine
Vorrichtung zur Herstellung einer Stromschiene mit koaxial angeordneten,
rohrförmigen Teilleitern gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit dem Bezugszeichen S1 ist ein Startschritt und mit dem Bezugszeichen
S6 ein Endschritt des Verfahrens bezeichnet. Im Schritt S2 werden
die jeweiligen rohrförmigen Teilleiter koaxial ineinandergeschoben.
Das Ineinanderschieben erfolgt derart, dass der Durchmesser der
Teilleiter radial von außen nach innen zunimmt. Im darauf
folgenden Schritt S3 werden die Teilleiter radial beabstandet und
fixiert. Vorzugsweise sind der Durchmesser und die radiale Dicke
der jeweiligen Teilleiter derart aufeinander abgestimmt, dass zwischen
den Teilleitern jeweils ein radialer Mindestabstand für
die Spannungsisolierung eingehalten wird. Vorzugsweise nimmt die
radiale Dicke eines Teilleiters von innen nach außen ab,
wobei die jeweiligen Teilleiter eine in etwa gleiche Querschnittsfläche
zum Einhalten einer Mindeststromdichte aufweisen. Allerdings wird
eine Mindestradialdicke des insbesondere außenliegenden
Teilleiters nicht unterschritten, um eine ausreichende mechanische
Festigkeit einer derart hergestellten Stromschiene zu gewährleisten.
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Im
folgenden Schritt S4 werden die koaxialen Hohlräume zwischen
radial benachbarten Teilleitern mit einem aushärtenden
Isolierstoff aufgefüllt. Das Auffüllen erfolgt
vorzugsweise in der Weise, dass die in den koaxialen Hohlräumen
befindliche Luft während des Auffüllens verdrängt
wird oder dass diese Luft durch entsprechende Absaugung, wie z.
B. mittels einer Unterdruckeinheit, entfernt wird. Vorzugsweise
wird der Isolierstoff erwärmt, um dessen Fließeigenschaften
zu verbessern.
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Im
abschließenden Schritt S5 wird abgewartet, bis die gesamte
Stromschiene ausreichend ausgehärtet ist. Die Aushärtezeit
kann im Bereich von wenigen Minuten bis einigen Stunden liegen.
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2 zeigt
beispielhaft eine Stromschiene 1 mit fünf koaxial
angeordneten, rohrförmigen Teilleitern 2. Der äußerste
Teilleiter 2 ist zum Anschluss an eine Schutzerde PE vorgesehen.
Diesem schließen sich radial von außen nach innen
drei Teilleiter 2 an, die den drei Phasen L1, L2, L3 eines
dreiphasi gen Drehstromsystems zugeordnet sind. Ganz im Inneren ist
ein mit dem Bezugszeichen N angeordneter Neutralleiter als Teilleiter 2 bezeichnet.
Letzterer kann aufgrund der im symmetrischen Betrieb der Stromschiene 1 auftretenden
und im Vergleich zu den Phasenströmen deutlich kleineren
Ausgleichsströme einen kleineren Querschnitt aufweisen.
Bei einem unsymmetrischen Betrieb kann der Querschnitt des Neutralleiters
größer als die Querschnitte der Phasenleiter L1,
L2, L3 ausgeführt werden, ohne dass die Maße der
Verbindungsstelle geändert werden müssen. Mit
A ist die Längsachse bzw. die Rotationsachse der so gebildeten
Stromschiene 1 bezeichnet. Mit H ist ein im Inneren des
Neutralleiters N befindlicher Hohlraum bezeichnet. Dieser kann unter anderem
zur Kühlung der Stromschiene 1 dienen. Zwischen
den rohrförmigen Teilleitern 2 sind ringförmig
ausgebildete Abschnitte 3 aus dem ausgehärteten
Isolierstoff 3 gezeigt.
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Bei
der gezeigten Stromschiene 1 weisen die jeweiligen ineinandergeschobenen
Teilleiter 2 bereits eine radial von außen nach
innen zunehmende axiale Länge auf. Dadurch entstehen radial
von außen zugängliche metallische Kontaktierungsringe
zum Stromanschluss der jeweiligen Stromphasen L1, L2, L3 und des
Neutralleiters N.
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3 zeigt
beispielhaft eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens. Im unteren Teil der 3 ist eine
Einspritzeinheit 4 zu sehen. Sie ist zur radialzentrierten Aufnahme
eines unteren Endes UE der rohrförmigen Teilleiter 2 sowie
zum Einspritzen eines flüssigen oder aufgeschäumten,
aushärtenden Isolierstoffs 3 in die koaxialen
Hohlräumen KH zwischen den benachbarten Teilleitern 2 vorgesehen.
Im Beispiel der vorliegenden 3 sind die
Einspritzeinheit 4 und die Halteeinheit 5 zudem
trichterförmig ausgebildet, um die ineinandergeschobenen,
eine radial von außen nach innen zunehmende axiale Länge
aufweisenden Teilleiter 2 radial und zugleich zentriert
aufzunehmen.
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Zur
radialen Beabstandung und Fixierung weisen die Einspritzeinheit 4 sowie
die Halteeinheit 5 vorzugsweise in Umfangrichtung verlaufende
Fixierstege 7 auf. Diese sind derart ausgebildet, dass
die ineinandergeschobenen Teilleiterrohre 2 radial beabstandet
und fixiert werden können. Mit RB ist eine radiale Breite
zwischen den Teilleitern 2 bezeichnet. Diese ist vorzugsweise
einheitlich für alle Teilleiter 2. Weiterhin weisen
die Teilleiter 2 eine derart radial von außen
nach innen zunehmende axiale Länge auf, dass diese von
Teilleiterrohr 2 zu Teilleiterrohr 2 an jedem
Ende UE, OE um eine vorzugsweise gleiche axiale Breite AB zunehmen.
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Werden
nun die ineinandergeschobenen Teilleiterrohre 2 der noch
nicht fertigen Stromschiene 1 zwischen der Einspritzeinheit 4 und
der Halteeinheit 5 eingespannt, so werden diese (automatisch) radial
beabstandet, axial zentriert und zugleich axial wie radial fixiert.
Zugleich dichten die in Umfangrichtung verlaufenden Fixierstege 7 die
Teilleiterrohre 2 gegeneinander ab.
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Weiterhin
ist im rechten Teil der 3 beispielhaft ein Isolierstoffaufbereiter 6 dargestellt,
welcher zum Zuführen des flüssigen oder aufgeschäumten,
aushärtenden Isolierstoffs 3 über ein
Zuführrohr 64 zur Einspritzeinheit 4 vorgesehen
werden kann. Im Falle eines flüssigen Isolierstoffs 3 kann
dem Isolierstoffaufbereiter 6 z. B. ein Harz 61 und
ein Härter 62 in einem vorgegebenen Mengenverhältnis über einen
Mischer 63 zugeführt werden.
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Alternativ
kann, wie im oberen Teil der 3 angedeutet,
die Luft über eine Vakuumeinheit VAC bzw. über
eine Unterdruckeinheit abgezogen werden. Dadurch wird eine nachteilige
Blasenbildung mit Lufteinschlüssen in den koaxialen Hohlräumen
KH verhindert. Zugleich unterstützt der Unterdruck das Aufsteigen
des heißen, flüssigen Isolierstoffs 3.
Zum Einspritzen kann der Isolierstoffaufbereiter 6 weiter eine
Pumpeneinheit P aufweisen. Er kann weiterhin eine Heizeinheit HZ
aufweisen, um die Viskosität des Gießharzes herabzusetzen
und um die Aushärtezeit zu verkürzen. Weiterhin
kann der Isolierstoffaufbereiter 6 eine Schäumeinheit
SCH aufweisen, um den flüssigen Kunststoff K, wie z. B.
ein Polymer, mittels eines von außen zugeführten
Isoliergas, wie z. B. Schwefelhexafluorid SF6,
zu einem aushärtenden Schaum 3 aufzuschäumen.
Dieser Schaum 3 kann dann über die Einspritzeinheit 4 in
die koaxialen Hohlräume KH eingespritzt werden. Überschüssiges Material
wird über die Ausführleitungen 52 in
der Halteeinheit 5 nach außen geführt.
Dabei wird gleichzeitig die vollkommene Füllung der Hohlräume
kontrolliert.
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Die
Verwendung eines hochisolierenden, aushärtenden Schaums
führt dazu, dass das Gesamtgewicht einer derartig hergestellten
Stromschiene 1 im Vergleich zu herkömmlichen koaxialen Stromschienen 1 mit
einem massiven Isolierstoff 3 erheblich leichter ist. Zugleich
gewährleistet der ausgehärtete Schaum 3 in
etwa gleiche mechanische sowie elektrisch isolierende Eigenschaften.
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Obwohl
die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele
näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung
nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und
andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet
werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Stromschiene 1 mit koaxial
angeordneten, rohrförmigen Teilleitern 2. Das Verfahren
umfasst zumindest folgende Schritte: Ineinanderschieben der jeweiligen
Teilleiter 2, radiale Fixierung der Teilleiter 2 jeweils
unter Einhaltung eines vorgegebenen radialen Abstands RB zueinander, Auffüllen
der zwischen radial benachbarten Teilleitern 2 verbleibenden
koaxialen Hohlräume KH mit einem aushärtenden
Isolierstoff 3 und Abwarten einer Aushärtezeit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1803363
A [0002]
- - DE 102004008751 A1 [0003, 0013]