DE102010050684B4

DE102010050684B4 - Hochspannungsisolator

Info

Publication number: DE102010050684B4
Application number: DE201010050684
Authority: DE
Inventors: Armin Merten
Original assignee: Reinhausen Power Composites GmbH
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Priority date: 2010-11-06
Filing date: 2010-11-06
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2030-11-07
Also published as: WO2012059198A1; PL2636046T3; EP2636046B1; EP2636046A1; ES2578267T3; DE102010050684A1

Abstract

Hochspannungsisolator (1), aufweisend – ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Isolierrohr (2) mit freiem Innenvolumen, – einen oberen und einen unteren metallischen Flansch (4, 5), die die jeweiligen Stirnseiten des Isolierrohres (2) umgreifen und dessen freies Innenvolumen gegenüber der äußeren Atmosphäre luftdicht verschließen, – eine umfangsseitig am Isolierrohr (2) angebrachte Beschirmung (3) aus Silikon, – einen in dem freien Innenvolumen vorgesehenen, als passiven Sensor ausgebildeten Aufnehmer (6), der mit einem Empfänger (7) drahtlos korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aufnehmer (6) an der Innenseite des Isolierrohres (2) vorgesehen und dem Empfänger (7) im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet ist, – das Isolierrohr (2) aus glasfaserverstärktem Epoxidharz gebildet ist, – der Empfänger (7) unmittelbar an der äußeren Umfangsseite des Isolierrohrs (2) befestigt und innerhalb einer Ausnehmung (10) eines der Flansche (4, 5) positioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsisolator.
Derartige Hochspannungsisolatoren sind beispielsweise aus EP 1 091 365 B1 bekannt. Hierin wird ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Verbundstoffisolators beschrieben, der aus glasfaserverstärktem Epoxidharz mit einer Beschirmung aus Silikon hergestellt wird und dessen End- bzw. Anfangsstücke aus metallischen Flanschen, beispielsweise aus Aluminium, gebildet werden.
Das freie Innenvolumen von Verbundstoffisolatoren wird auf Grund elektrisch isolierender Eigenschaften insbesondere mit Schwefelhexafluorid, einer anorganisch chemischen Verbindung aus den Elementen Schwefel und Fluor mit der Summenformel SF6, befüllt. Grundsätzlich gilt es jedoch festzuhalten, dass auch jedwedes andere Isoliergas, beispielsweise Stickstoff, dafür in Frage kommt. SF6 ist unter Normalbedingungen ein farb- und geruchloses, ungiftiges Gas, das unbrennbar ist und sich äußerst reaktionsträge, ähnlich wie Stickstoff, verhält. Wegen seiner hohen Dichte, der hohen Ionisierungsenergie und der Eigenschaft, freie Elektronen zu binden, ist es in der Mittel- und Hochspannungstechnik ein gängig verwendetes Isoliergas.
Um die Wirksamkeit des verwendeten Isoliergases über die gesamte Lebensdauer der Verbundisolatoren zu gewährleisten, muss das freie Innenvolumen der Verbundstoffisolatoren gegenüber der äußeren Atmosphäre absolut dichtend ausgebildet sein. Dazu wird das freie Innenvolumen, d. h. der freie Gasraum, auf verschiedene Paramater hin überwacht.
Hierfür ist beispielsweise aus DE 196 35 362 C1 ein Verfahren zur Herstellung eines gewickelten Hochspannungsisolators bekannt, bei dem ein oder mehrere Kanäle für nachträglich einziehbare Leiter aller Art, insbesondere Lichtwellenleiter, vorgesehen sind. Dabei wird ein Laminataufbau durch Wickeln eines Materials auf einen Wickeldorn und Tränken mit einem Harz erreicht. Hierfür werden zunächst erste Lagen des aufzuwickelnden Materials aufgebracht, danach wird mindestens eine Nut in die entstandene Oberfläche eingearbeitet und anschließend fertiggewickelt, bis der gewünschte Enddurchmesser erreicht ist.
DE 196 35 372 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungsisolators, bei dem mindestens ein Leerkanal zum nachträglichen Einziehen eines Lichtwellenleiters vorgesehen wird. Hierfür werden erste Lagen des aufzuwickelnden Materials aufgebracht, danach wird ein mit mindestens einem Leerrohr vorgesehener Formkörper auf der entstanden Oberfläche fixiert und durch anschließend aufgewickelte Lagen eingewickelt.
All diesen bekannten Verfahren haften jedoch technisch nachteilige Aspekte an, die sich aus der Verwendung von Lichtwellenleitern zur Messwertübertragung ergeben: Um die Lichtwellenleiter an oder auch in dem Hochspannungsisolator vorsehen zu können, muss eine umlaufende Nut oder ein wie auch immer gearteter freier Hohlraum am oder im Hochspannungsisolator geschaffen werden, der den oder die Lichtwellenleiter aufnimmt. Eine mechanische Veränderung der Oberflächenstruktur der ansonsten homogenen Oberfläche des Hochspannungsisolators oder auch das Vorsehen eines wie auch immer gearteten Hohlraums ist jedoch aus Sicht der dielektrischen Festigkeit höchst problematisch und stellt in letzter Konsequenz eine mögliche Fehlstelle für elektrische Überschläge dar. Auch gibt es bei den bekannten Verfahren keine Möglichkeit, zu einem späteren Zeitpunkt, also bei bereits fertiggestellten und im freien Feld installierten Hochspannungsisolatoren, eine Überwachungseinrichtung nachzurüsten.
DE 197 28 961 A1 bildet die Basis für den Oberbegriff des Anspruchs 1 und beschreibt einen Überspannungsableiter für Hoch- oder Mittelspannung mit einem Ableiterblock, der in einem Kapselungsgehäuse gasdicht abgeschlossen angeordnet ist. Innerhalb des Kapselungsgehäuses ist ein Sensor, insbesondere ein Temperatursensor, in Form eines Oberflächenwellensensors angeordnet. Der Oberflächenwellensensor ist innerhalb eines wenigstens teilweise metallischen Gehäuses angeordnet, dessen Wände oder sonstige Bestandteile eine Antenne bilden und das in axialer Richtung des Ableiterblocks zwischen zwei Ableitelementen oder zwischen einem Ableitelement und einer Anschlusselektrode eingefügt ist. Der Oberflächenwellensensor ist an einer Innen- oder Seitenwand des Gehäuses befestigt, die einem Ableitelement unmittelbar benachbart ist.
DE 198 56 123 A1 beschreibt einen Hohlisolator mit einem hohlzylindrischen Tragelement aus einem mit Glasfasern verstärkten Epoxidharz und mit einem Potentialsteuermittel, welches an der Innenseite des hohlzylindrischen Tragelements mit dem Epoxidharz vergossen ist. Die Außenseite des hohlzylindrischen Tragelements ist mit Isolatorschirmen aus einem Silikonkautschuk umhüllt. Weiter sind an den Enden des hohlzylindrischen Tragelements metallische Armaturen befestigt. Die metallischen Armaturen dienen zur Befestigung und Erdung des Hohlisolators.
JP H02 290 571 A beschreibt einen Quarzresonator-Sensor, der aus einem Oszillator und einer Koppelspule besteht und auf einem Zinkoxid-Element angebracht und hermetisch in einer Isolatorröhre verschlossen ist. Eine die Resonanzfrequenz detektierende Temperaturerfassungseinrichtung ist außerhalb der Isolatorröhre angeordnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochspannungsisolator aus Verbundwerkstoff anzugeben, der eine Möglichkeit zur Überwachung von technischen Parametern, wie Temperatur oder Druck, für das freie, mit Isoliergas befüllte, Innenvolumen vorsieht, ohne dabei in die homogene Oberflächenstruktur des Hochspannungsisolators mechanisch eingreifen oder einen offenen Kanal von innen nach außen durch die Wand des Isolators bohren zu müssen. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine technisch einfache Möglichkeit für eine nachrüstbare Überwachungseinrichtung an bereits vollständig gefertigten oder im freien Feld installierten Hochspannungsisolatoren bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die Unteransprüche betreffen dabei besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, an der Innenseite des Isolierrohres einen Aufnehmer vorzusehen, der mit einem im Wesentlichen gegenüberliegend angeordneten Empfänger drahtlos korrespondiert. Unter Aufnehmer wird im Rahmen der Erfindung ein technisches Bauteil, insbesondere ein Sensor, verstanden, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften, beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit oder Druck, qualitativ oder als Messgröße auch quantitativ erfasst. Der Aufnehmer ist damit Teil einer Messeinrichtung, die auf eine Messgröße unmittelbar anspricht. Nach dem Wesen der Erfindung handelt es sich bei dem Aufnehmer um einen passiven Sensor, der in Hinblick auf die Erfassung der chemischen oder physikalischen Größen ohne externe Energieversorgung arbeitet und das erzeugte Messsignal drahtlos an den gegenüberliegend angeordneten Empfänger weiterleitet. Die Erzeugung des elektrischen Signals kann dabei insbesondere elektrodynamisch oder piezoelektrisch erfolgen. Unter passiven Sensoren werden im Rahmen der Erfindung auch so genannte AOW-Sensoren (Akustische Oberflächenwellen-Sensoren), auch als SAW-Sensoren bezeichnet (Surface Acustic Wave), verstanden. Sie sind für die Erfassung zahlreicher spannungsgebender physikalischer Größen anwendbar. Beschreibungen solcher AOW-Sensoren finden sich beispielsweise in WO 1996 033 423 A1 , WO 2001 061 859 A2 und WO 2001 091 294 A1 . Bisher jedoch ist noch nicht der Vorschlag gemacht oder der Versuch unternommen worden, solche bekannten Sensoren auf geeignete Weise in einem Hochspannungsisolator einzusetzen. Wird der ohne externe elektrische Energie arbeitende Aufnehmer erst einmal innerhalb des Isolierrohres des Hochspannungsisolators befestigt, so arbeitet dieser weiterstgehend autark. Der Aufnehmer kann dabei beispielsweise an der Innenseite des Isolierrohres aufgeklebt oder in sonstiger Weise fest mit der inneren Oberfläche des Isolierrohres verbunden werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung können die aus glasfaserverstärktem Epoxidharz hergestellten Isolierrohre auf herkömmliche Weise gefertigt und mit einer Überwachungseinrichtung ausgestattet werden, ohne dabei eine umlaufende Nut oder einen wie auch immer gearteten freien Hohlraum am oder im Isolierrohr des Hochspannungsisolators vorsehen zu müssen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der Aufnehmer und der im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnete Empfänger im Bereich eines Flansches positioniert. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen, da die metallisch ausgebildeten Flansche eine elektromagnetisch abschirmende Wirkung haben und dadurch die auftretenden elektrischen Felder auf ein Minimum reduzieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines nicht-erfindungsgemäßen Hochspannungsisolators;
2 eine Ausführungsform eines nicht-erfindungsgemäßen Hochspannungsisolators;
3 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochspannungsisolators.
1 zeigt einen nicht-erfindungsgemäßen Hochspannungsisolator 1 im vertikalen Querschnitt. Der Hochspannungsisolator 1 ist dabei vorzugsweise als hohler Verbundstoffisolator ausgebildet und umfasst ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Isolierrohr 2, welches in der Regel aus glasfaserverstärktem Epoxidharz besteht. An den Außenseiten des Isolierrohres 2 ist umfangsseitig eine wellenförmige Silikonbeschirmung 3 vorgesehen. An den jeweiligen Stirnseiten, d. h. den Anfangs- und Endstücken des Isolierohres 2, befinden sich formflüssig angeordnet, dieses am äußeren Umfang dichtend umgreifend, metallische Flansche 4 und 5, beispielsweise aus Aluminium. Gattungsgemäße Hochspannungsisolatoren 1, auch als Verbundisolatoren bezeichnet, werden am Markt beispielsweise unter dem Markennamen ReCoTec^® von der Firma Reinhausen Power Composites GmbH vertrieben. Erfindungsgemäß werden nun derartige Hochspannungsisolatoren 1 um eine Überwachungseinrichtung, bestehend aus einem Aufnehmer 6 und einem Empfänger 7, erweitert. Der vorzugsweise als passiver Sensor ausgebildete Aufnehmer 6 ist dabei direkt an der inneren Mantelfläche des Isolierrohres 2 befestigt, insbesondere aufgeklebt und korrespondiert drahtlos mit dem Empfänger 7, der an der äußeren Mantelfläche der Silikonbeschirmung 3 befestigt ist. Der Empfänger 7 ist mittels einer Kabelverbindung 8 mit einer Messsignalauswerteeinrichtung 9 verbunden.
Im Unterschied zu 1 ist in 2 der Empfänger direkt an der äußeren Mantelfläche des Isolierrohres 2 angebracht und ebenfalls mittels einer Kabelverbindung 8 mit der Messsignalauswerteeinrichtung 9 verbunden.
In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochspannungsisolators 1 schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind der Aufnehmer 6 und der im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnete Empfänger 7 im Bereich des unteren Flansches 5 angeordnet. Ebenso wäre jedoch auch denkbar, Aufnehmer 6 und Empfänger 7 im Bereich des oberen Flansches 4 anzuordnen. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der untere Flansch 5 eine Ausnehmung 10 auf, innerhalb der der Empfänger 7 positioniert ist. Die Kabelverbindung 8 wird über eine in dem unteren Flansch 5 vorgesehene Bohrung 11 mit dem Empfänger 7 verbunden.

Claims

Hochspannungsisolator (1), aufweisend – ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Isolierrohr (2) mit freiem Innenvolumen, – einen oberen und einen unteren metallischen Flansch (4, 5), die die jeweiligen Stirnseiten des Isolierrohres (2) umgreifen und dessen freies Innenvolumen gegenüber der äußeren Atmosphäre luftdicht verschließen, – eine umfangsseitig am Isolierrohr (2) angebrachte Beschirmung (3) aus Silikon, – einen in dem freien Innenvolumen vorgesehenen, als passiven Sensor ausgebildeten Aufnehmer (6), der mit einem Empfänger (7) drahtlos korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aufnehmer (6) an der Innenseite des Isolierrohres (2) vorgesehen und dem Empfänger (7) im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet ist, – das Isolierrohr (2) aus glasfaserverstärktem Epoxidharz gebildet ist, – der Empfänger (7) unmittelbar an der äußeren Umfangsseite des Isolierrohrs (2) befestigt und innerhalb einer Ausnehmung (10) eines der Flansche (4, 5) positioniert ist.
Hochspannungsisolator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aufnehmer (6) zur Erfassung von physikalischen Größen wie Druck, Temperatur oder Feuchtigkeit geeignet ist.
Hochspannungsisolator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – dass der Aufnehmer (6) ein akustischer Oberflächenwellen-Sensor ist.
Hochspannungsisolator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – dass der Aufnehmer (6) an die Innenseite des Isolierrohres (2) geklebt ist.