DE102011008456A1

DE102011008456A1 - Leitungsführung für HGÜ-Transformatorspulen oder HGÜ-Drosselspulen

Info

Publication number: DE102011008456A1
Application number: DE102011008456A
Authority: DE
Inventors: Beritz Bakija; Dieter Breitfelder; Thomas Hammer; Frank Heinrichsdorff; Jens Hoppe; Dr. Krüger Ursus; Karsten Loppach; Dr. Lüthen Volkmar; Johann Schlager
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2012-07-12
Also published as: CN103403818A; EP2661761A1; BR112013017494B1; BR112013017494A2; CN103403818B; WO2012093055A1; EP2661761B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitungsführung (28) für elektrische Leitungen (29) von HGÜ-Transformatorspulen (22) oder HGÜ-Drosselspulen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest die Isolationsschicht (30) eines Elektrodenrohres (21), vorzugsweise auch die Feststoffbarrieren (26, 32) aus einem Cellulosematerial hergestellt werden, dessen spezifischer Widerstand durch eine Behandlung im Vergleich zu unbehandeltem Cellulosematerial herabgesetzt und damit an den spezifischen Widerstand von Transformatoröl angenähert ist. Hierdurch sind platzsparendere und durchschlagsichere Isolierstrecken (25) für die erwähnten HGÜ-Komponenten herstellbar, was vorteilhaft den konstruktiven Spielraum für die Gestaltung dieser Leitungsführungen vergrößert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leitungsführung für die elektrischen Verbindungen (durch elektrische Leitungen) einer HGÜ-Transformatorspule oder einer HGÜ-Drosselspule. Diese weist ein Elektrodenrohr mit einer leitfähigen Oberfläche und mit einem Einbauraum für die Leitung auf. Als Einbauraum dient der durch das Rohr gebildete Innenraum. Das Rohr kann vorzugsweise einen runden Querschnitt aufweisen, kann jedoch auch andere Querschnitte aufweisen. Außerdem weist die Leitungsführung eine Schicht aus einem Cellulosematerial wie z. B. Papier oder Pressspan auf, welches als Wicklung aufgebracht sein kann und das Elektrodenrohr voll umfänglich umschließt. Das Elektrodenrohr selbst ist vorzugsweise aus Kupfer gefertigt.
Eine Leitungsführung der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise der DE 10 2006 013 927 A1 zu entnehmen. Diese Leitungsführungen dienen dazu, die elektrischen Anschlussleitungen für HGÜ-Transformatorspulen oder HGÜ-Drosselspulen sicher zu lagern und elektrisch zu isolieren und das entstehende elektrische Feld in geeigneter Weise abzuschirmen. Vorteilhaft bestehen derartige Leitungsführungen nicht nur aus dem beschichteten Elektrodenrohr, sondern sind von einer oder mehreren Feststoffbarrieren vorzugsweise aus Pressspan umgeben. Diese bilden untereinander Spalte aus, welche durch Transformatoröl ausgefüllt werden. Auf diese Weise entsteht eine Isolierstrecke, über der die Spannung abfällt.
Aus der US 4,521,450 ist es bekannt, dass ein imprägnierfähiges Vollmaterial aus Cellulosefasern in ein wässriges Oxidationsmittel, wie z. B. einer schwach säurehaltigen Lösung aus Eisen(III)-chloridlösung, Cer(IV)-sulfat, Kaliumhexacyanoferrat(III) oder Molybdatophosphorsäure getaucht werden kann. Anschließend wird das feuchte Cellulosematerial entweder mit flüssigem oder dampfförmigem Pyrrol-Verbindungen bei Raumtemperatur so lange behandelt, bis das Pyrrol in Abhängigkeit von der Konzentration des Oxidationsmittels polymerisiert wird. Das so imprägnierte Cellulosematerial wird bei Raumtemperatur 24 Stunden getrocknet. Das Oxidationsmittel sorgt einerseits für die Polymerisation der Pyrrol-Verbindungen, außerdem für eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Der spezifische Widerstand ρ solcher imprägnierten Cellulosematerialien kann damit über die Konzentration an Pyrrolen und die Art des Oxidationsmittels beeinflusst werden.
Weiterhin ist es bekannt, dass Nanokomposite auch als feldgradierendes Material verwendet werden können, wenn es darum geht, Spitzen bei der Ausbildung von elektrischen Feldern, beispielsweise an der Isolation elektrischer Leiter, zu verringern. Gemäß der WO 2004/038735 A1 kann hierzu beispielsweise ein Material, bestehend aus einem Polymer, verwendet werden. In diesem wird ein Füllstoff verteilt, dessen Partikel Nanopartikel sind, also einen mittleren Durchmesser von höchstens 100 nm aufweisen. Gemäß der US 2007/0199729 A1 sind für derartige Nanopartikel u. a. halbleitende Materialien einsetzbar, deren Bandlücke in einem Bereich von 0 eV und 5 eV liegt. Mittels der eingesetzten Nanopartikel, die beispielsweise aus ZnO bestehen können, lässt sich der elektrische Widerstand des Nanokomposits einstellen. Wird bei der Zumischung der Nanopartikel ein bestimmter Anteil des Volumens überschritten, der je nach Größe der Nanopartikel bei 10 bis 20 Vol-% liegt, so verringert sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits spürbar, wobei sich auf diese Weise die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits einstellen und an die geforderten Bedingungen anpassen lässt. Insbesondere lässt ich ein spezifischer Widerstand in einer Größenordnung von 10¹² Ωm einstellen. Erreicht wird damit ein Spannungsabfall über den Nanokomposit, welcher eine gleichmäßigere Verteilung des Potentials zur Folge hat und damit auch das entstehende elektrische Feld in geeigneter Weise gradiert. Hierdurch können die entstehenden Feldspitzen verringert werden, wodurch vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit gesteigert wird.
Bei einer Beanspruchung des elektrischen Leiters mit einer Wechselspannung entsteht ebenfalls ein feldgradierender Effekt, der allerdings einem anderen Mechanismus folgt. Die feldschwächende Wirkung des Nanokomposits hängt hierbei von der Primitivität des Nanokomposits ab, wobei die Primitivität ε ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder ist. Die Primitivität wird auch als Dielektrizitätskonstante bezeichnet, wobei im Folgenden der Begriff „Primitivität” verwendet werden soll. Als relative Primitivität bezeichnet man das durch die Permittivitätszahl ε_r = ε/ε₀ bezeichnete Verhältnis der Primitivität ε eines Stoffes zur elektrischen Feldkonstante ε₀, welche die Primitivität des Vakuums angibt. Je höher die relative Primitivität ist, desto größer ist auch der feldschwächende Effekt des eingesetzten Stoffes im Verhältnis zum Vakuum. Im Folgenden werden nur die Permittivitätszahlen der zum Einsatz kommenden Stoffe behandelt.
Die WO 2006/122736 A1 beschreibt außerdem ein System aus Cellulosefasern und Nanotubes, vorzugsweise Carbon-Nanotubes (im folgenden CNT), bei welchem sich spezifische Widerstände von umgerechnet 6 bis 75 Ωm einstellen lassen. Diese Nanokomposite sollen beispielsweise als elektrische Widerstandsheizung verwendet werden, wobei die Leitfähigkeit mit Blick auf eine Fähigkeit des Materials der Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme ausgelegt ist. Hierfür ist ein genügender Bedeckungsgrad der Cellulosefasern mit CNT erforderlich.
Die WO 2006/131011 A1 beschreibt eine Buchse, welche unter anderem aus einer imprägnierten Papierwicklung bestehen kann. Als Material für die Imprägnierung wird unter anderen Materialien auch BN genannt. Dieses kann auch in dotierter Form verwendet werden. Außerdem sollen die Partikel mit einer Konzentration im Cellulosematerial unterhalb der Perkolationsschwelle verwendet werden, so dass es nicht zu einer elektrischen Kontaktierung der Partikel untereinander kommt. Aus diesem Grund bleibt der spezifische elektrische Widerstand des Nanokomposits im Wesentlichen unbeeinflusst.
Aus der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2010 041 630.4 ist ein Nanokomposit mit halbleitenden oder nichtleitenden Nanopartikeln, die in einem Cellulosematerial wie zum Beispiel Pressspan verteilt sind, bekannt, der als Feld gradierendes Material bei Transformatoren verwendet werden kann. Zumindest ein Teil der in dem Cellulosematerial verteilten Nanopartikel weisen eine Umhüllung aus einem elektrisch leitfähigen Polymer auf. Als Cellulosematerial kann beispielsweise ein Papier, Pappe oder Pressspan verwendet werden. Das Cellulosematerial weist einen Aufbau aus Cellulosefasern auf, die in ihrer Gesamtheit den das Cellulosematerial bildenden Verband ausmachen. Als halbleitende oder nichtleitende Nanopartikel können beispielsweise Si, SiC, ZnO, BN, GaN, AlN oder C, insbesondere auch Bornitrid-Nanoröhrchen (im folgenden als BNNT bezeichnet) verwendet werden. Als elektrisch leitfähige Polymere können die in der DE 10 2007 018 540 A1 erwähnten Polymere Verwendung finden. Als elektrisch leitfähige Polymere werden beispielsweise Polypyrrole, Polyanilin, Polythiophene, Polyparaphenylene, Polyparaphenylen-Vinylene und Derivate dieser genannten Polymere genannt. Ein spezielles Beispiel für solche Polymere ist PEDOT, das auch unter dem Handelsnamen Baytron von der Bayer AG vertrieben wird. PEDOT wird mit seinem systematischen Namen auch als Poly-(3,4-ethylen-dioxythiophen) bezeichnet.
Gemäß der der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2010 041 635.5 kann auch vorgesehen werden, dass die Imprägnierung aus einem Polymer besteht, welches aus einem negativen Ionomer, insbesondere PSS, und einem positiv geladenen Ionomer vernetzt ist. Als positiv geladene Ionomere können vorzugsweise PEDOT oder PANI Verwendung finden. Als PEDOT bezeichnet man das bereits erwähnte Poly-(3,4-ethylen-dioxydthiophen). PANI ist Polyanilin und PSS ist Polystyrensulfonat. Die Verwendung negativ geladener und positiv geladener Ionomere ermöglicht vorteilhaft eine besonders einfache Herstellung des Cellulosematerials. Die Ionomere können einfach in Wasser gelöst werden und somit dem Prozess der Herstellung des Cellulosematerials, der ebenfalls wasserbasiert ist, zugeführt werden. Durch Vernetzung der Ionomere im Anschluss an die Herstellung des Cellulosematerials kann der spezifische Widerstand des Cellulosematerials gesenkt werden. Dabei polymerisieren die Ionomere und bilden in dem Cellulosematerial ein elektrisch leitfähiges Netzwerk, welches für die Verminderung des spezifischen Widerstandes verantwortlich ist. Insbesondere können die genannten Ionomere auch verwendet werden, um bereits erwähnten halbleitenden oder nichtleitenden Nanopartikel zu umhüllen.
Gemäß der der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2009 033 267.7 kann der Nanokomposit auch mit halbleitenden Nanopartikeln imprägniert werden, die zumindest teilweise aus BNNT bestehen und in der Cellulose oder einem Polymer verteilt sind. Zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten BNNT ist eine Dotierung dieser BNNT mit geeigneten Dotierstoffen oder eine Beschichtung mit Metallen oder dotierten Halbleitern auf den BNNT vorgesehen. Die Konzentration der BNNT kann so gewählt werden, dass der Nanokomposit eine spezifische Leitfähigkeit ρ in der Größenordnung von 10¹² Ωm aufweist. Nach dieser Variante kommen keine leitfähigen Polymere als Ummantelung der BNNT zum Einsatz.
Eine Dotierung kann erreicht werden, indem die BNNT durch Beigabe von geeigneten Dotierstoffen dahingehend modifiziert werden, dass die Dotierstoff-Atome elektronische Zustände ausbilden, die das BNNT zu einem p-Leiter (d. h., dass elektronische Zustände ausgebildet werden, die Elektronen von der Valenzbandkante einfangen) oder zu einem n-Leiter (d. h., dass elektronische Zustände erreicht werden, die Elektronen durch thermische Anregung über die Leitungsbandkante emittieren) ausbilden. Als Dotierstoff für eine p-Dotierung kommt beispielsweise Be in Frage, als Dotierstoff für eine n-Dotierung kommt Si in Frage. Eine solche Dotierung der BNNT kann in situ erfolgen, wobei während des Wachstums der BNNT z. B. aus der Gas- oder Flüssigphase die Dotierstoff-Atome eingebaut werden. Auch ist es möglich, die Dotierung in einem weiteren Schritt nach dem Wachstum der BNNT durchzuführen, wobei die Dotierstoffe typischerweise unter dem Einfluss einer Wärmebehandlung von den BNNT aufgenommen werden. Durch Einbringung der Dotierstoffe in die BNNT kann der spezifische Widerstand auf für dotierter Halbleiter typische Werte zwischen 0,1 und 1000 Ωcm abgesenkt werden.
Gemäß der der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2009 033 268.5 kann der Nanokomposit aus Cellulosematerial auch anderen mit halbleitenden Nanopartikeln imprägniert werden, wobei auch zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten Nanopartikel eine Dotierung dieser Nanopartikel mit Dotierstoffen vorgesehen ist. Die Verwendung der halbleitenden Nanopartikel, insbesondere BNNT hat den Vorteil, dass geringe Füllgrade von höchstens 5 Vol-% bevorzugt sogar höchstens 2 Vol-% in dem Isolierstoff ausreichen, um eine Perkolation der Nanoteilchen zu bewirken und damit die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits zu erhöhen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Leitungsführung für elektrische Verbindungen einer HGÜ-Transformatorspule oder einer HGÜ-Drosselspule anzugeben, welche einen vergleichsweise großen konstruktiven Spielraum für die Gestaltung eröffnen und als Folge dessen insbesondere möglichst platzsparend ausgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Leitungsführung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schicht um das Elektrodenrohr als Komposit ausgeführt ist, bestehend aus einem behandelten Cellulosematerial. Das Cellulosematerial wird erfindungsgemäß dadurch behandelt, dass in diesem Partikel mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρ_p des behandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand in einer Konzentration oberhalb der Perkolationsschwelle verteilt sind. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen werden, dass in dem Cellulosematerial ein zusammenhängendes Netzwerk eines leitfähigen Polymers mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρ_p des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstands den Komposit durchzieht. Die Zugabe von Partikeln bzw. das Vorsehen eines Netzwerkes eines leitfähigen Polymers in einem Cellulosematerial in der angegebenen Weise hat den Effekt, dass der spezifische Widerstand des so hergestellten Komposits im Vergleich zu unbehandeltem Cellulosematerial verringert wird. Dadurch wird der spezifische Widerstand des Komposits demjenigen von Transformatoröl angeglichen, so dass eine Belastung der Isolierstrecke bei einer Beaufschlagung mit einer Gleichspannung gleichmäßiger über die einzelnen Elemente der Isolierstrecke abgebaut werden kann. Konkret ist der Spannungsabfall über dem Cellulosematerial geringer, so dass das Transformatoröl in höherem Maße belastet wird. Hier wird erfindungsgemäß eine Reserve genutzt, die ohnehin zur Verfügung steht. Damit wird vorteilhaft der konstruktive Spielraum für die Gestaltung der Cellulosebarrieren insbesondere der Schicht auf dem Elektrodenrohr, aber auch für die Gestaltung von das Elektrodenrohr umgebenden Feststoffbarrieren vorteilhaft vergrößert.
Unter HGÜ-Komponenten allgemein sind derartige Komponenten zu verstehen, die zur Übertragung von Hochspannungs-Gleichströmen zum Einsatz kommen und stromführende Elemente beinhalten (HGÜ steht für Hochspannungsgleichstromübertragung). Insbesondere werden hierbei Transformatoren oder Drosseln als HGÜ-Komponenten benötigt. Allerdings sind auch Leitungsführungen zur elektrischen Verbindung verschiedener HGÜ-Komponenten erforderlich. Weitere HGÜ-Komponenten sind Trennstellen in solchen Leitungsführungen bzw. Durchführungen durch Gehäusebauteile, in denen andere HGÜ-Komponenten untergebracht sind. Neben den zu führenden Hochspannungsgleichströmen treten beispielsweise in Transformator- und Drosselspulen auch Wechselströme auf. Die HGÜ-Komponenten im Sinne dieser Erfindung sollen zur Übertragung von Hochspannungsgleichströmen von mindestens 100 KV, bevorzugt zur Übertragung von Hochspannungsgleichströmen von mehr als 500 KV geeignet sein.
Der beschriebene, für die Erfindung wesentliche Effekt einer Entlastung des Cellulosematerials, indem der Spannungsabfall in größerem Maße auch am Transformatoröl erfolgt, lässt sich vorteilhaft gut nutzen, wenn der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits höchstens bei 5 mal 10¹³ Ωm liegt. Man kann zur Nutzung dieses Effekts vorteilhaft auch einen spezifischen Widerstand ρ_comp des Komposits einstellen, der das 1- bis 20-fache des spezifischen Widerstandes ρ_o des Transformatoröls beträgt. Besonders vorteilhaft kann vorgesehen werden, dass der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits größenordnungsmäßig dem spezifischen Widerstand von Transformatoröl entspricht. Mit größenordnungsmäßig ist gemeint, dass der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits höchstens um eine Größenordnung von demjenigen des Transformatoröls abweicht (also höchstens um den Faktor 10).
Die spezifischen Widerstände ρ_o, ρ_p und ρ_comp im Zusammenhang mit dieser Erfindung sollen jeweils bei Raumtemperaturen und einer herrschenden Bezugsfeldstärke von 1 kV/mm gemessen werden. Bei diesen Bedingungen liegt der spezifische Widerstand ρ_o zwischen 10¹² und 10¹³ Ωm. Zu bemerken ist jedoch, dass sich der spezifische Widerstand ρ_o von Transformatorenöl bei einer erfindungsgemäß vorgesehenen stärkeren Belastung durch die am Transformatoröl abfallende Spannung eher verringert. Bei den im Folgenden noch näher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird daher von einem spezifischen Widerstand ρ_o im Transformatoröl von 10¹² Ωm ausgegangen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Elektrodenrohr derart ausgebildet ist, dass es nach einer Montage mit seinem einen Ende direkt an die HGÜ-Transformatorspule oder HGÜ-Drosselspule angrenzt. Hierbei ist ein Toleranzausgleich dadurch verwirklicht, dass ein Abstand zwischen dem Ende des Elektrodenrohres und der HGÜ-Transformatorspule oder HGÜ-Drosselspule verbleibt, der innerhalb gewisser Grenzen unterschiedlich breit ausfallen kann. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft eine vergleichsweise einfache konstruktive Ausführung für die Leitungsführung. Vorteilhaft ist es, wenn diese als vorgefertigte Komponente angelegt ist. Dies ist vorteilhaft für eine Wicklungsanordnung die als Schenkelsatz montiert ist. (Ein Schenkelsatz besteht aus einer oder mehreren Spulen die mit nahezu allen Schirm und Distanzelementen -vorzugsweise aus Pressspan- als Einheit zusammengesetzt ist). Ein Leitungsführungssystem als Komponente besteht aus einem Rohrsystem, welches mit einer Schicht aus Cellulosematerial und eventuell einer oder mehrerer Feststoffbarrieren, die vorzugsweise ebenfalls aus einem Cellulosematerial bestehen, als Einheit vorgefertigt ist. Dieses Leitungsführungssystem als Komponente kann vorteilhaft platzsparender ausgeführt werden, wenn dieses mit Elektrodenrohren versehen ist die die erfindungsgemäße Schicht und die erfindungsgemäßen Feststoffbarrieren aufweisen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen werden, die Leitungsführung in partikulär Bauweise auszuführen (gemeint ist damit, die Leitungsführung Teil für Teil an die Wicklung oder den Schenkelsatz anzubauen). Diese Ausgestaltung ist Vorteilhaft anzuwenden bei einer Wicklungsmontage (hierbei werden die Wicklungsspulen und die Schirm und Distanzierungselemente einzeln an dem Schenkelkern angebracht). Die partikulare Bauweise ist aber auch anwendbar bei obengenannter Schenkelsatzmontage.
Bei partikularer Bauweise kann das Elektrodenrohr in der Länge derart bemessen sein, dass es mit seinen Enden zwischen zwei benachbarten HGÜ-Transformatorspulen oder HGÜ-Drosselspulen angeordnet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass sowohl zur einen Spule als auch zur anderen Spule hin ein Toleranzausgleich entsteht, der durch den jeweiligen Spalt zwischen den Enden des Elektrodenrohrs und der benachbarten Spule ausgebildet ist. Die Anordnung des Elektrodenrohres zwischen den Spulen wird erfindungsgemäß vorteilhaft vereinfacht, da diese durch Verwendung des erfindungsgemäßen Cellulosematerials platzsparender ausgeführt werden kann und deswegen in den zwischen den Spulen verbleibenden Zwischenraum hineinpasst.
Zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass das Elektrodenrohr gekrümmt ausgeführt ist, wobei die Krümmung im eingebauten Zustand in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse der HGÜ-Transformatorspule oder HGÜ-Drosselspule liegen soll. Dies bedeutet, dass eine Einbaulage durch eine konstruktive Ausgestaltung der Schnittstellen der Leitungsführung zu den Spulen so ausgebildet ist, dass die Leitungsführung von der Seite an die beiden Spulen angenähert werden kann. Hierdurch wird der Einbauraum für die Leitungsführung aus dem Zwischenraum genau zwischen den beiden Spulen nach außen verlagert, so dass ein größerer Einbauraum zur Verfügung steht. Dennoch ist im Vergleich zu einer partikularen Bauweise (auch Komponenten-Bauweise genannt) an einen Schenkelsatz eine vergleichsweise platzsparende Montage möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der spezifische Widerstand von benachbarten, die Schicht bildenden Schichtlagen abgestuft ist, wobei die Schichtlage oder die Schichtlagen mit dem geringsten spezifischen Widerstand an das Elektrodenrohr angrenzen. Die Schicht wird mit anderen Worten also aus mehreren Schichtlagen aufgebaut, die sich in ihren elektrischen Eigenschaften unterscheiden. Es ist hiermit möglich, den spezifischen Widerstand in der Schicht stufenweise zu verändern, wobei es vorteilhaft ist, wenn der spezifische Widerstand in der Schicht zum Elektrodenrohr abnimmt. Hierdurch kann die Wirkung einer Feldgradierung im Bereich nahe des Durchleitelementes stärker genutzt werden. Insbesondere kann auch vorgesehen werden, dass der spezifische Widerstand der Schicht nur an der Oberfläche der Schicht, die eine Grenzfläche zum umgebenden Transformatoröl bildet, in einen Bereich größer oder gleich dem spezifischen Widerstand des Transformatoröls abgesenkt wird, während der spezifische Widerstand im Inneren der Schicht zum Elektrodenrohr hin weiter abgesenkt wird. Hierdurch können Belastungsspitzen im Umhüllungsmaterial nahe des Elektrodenrohrs abgebaut werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Schicht aus einer Papierwicklung mit mehreren Wicklungslagen besteht, wobei die Papierwicklung um das Elektrodenrohr gewickelt ist. Hierdurch ist vorteilhaft eine besonders einfache Herstellung der Schicht möglich. Diese wird um das Elektrodenrohr gewickelt, indem dieses um seine Mittelachse gedreht wird. Zu bemerken ist, dass eine Wicklungslage abhängig von der Papierdicke ist, während die bereits erwähnte Schichtlage abhängig davon ist, welcher Bereich mit welchem spezifischen Widerstand ausgestattet sein soll. Beim Wickeln mit Papier können Schichtlagen mit unterschiedlichem spezifischem Widerstand dadurch hergestellt werden, dass unterschiedliche Papiere verwendet werden. Allerdings ist eine Wicklungslage im Allgemeinen sehr viel dünner (weil von der Papierstärke abhängig) als eine Schichtlage. Eine Schichtlage wird also durch Wickeln von mehreren Wicklungslagen erzeugt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Dicke s der Schicht im Vergleich zur erforderlichen Dicke bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Komposits verringert ist. Dies ist eine vorteilhafte Möglichkeit, wie der konstruktive Gestaltungsspielraum, der sich durch die Verringerung des spezifischen Widerstandes der Umhüllung ergibt, ausgeschöpft werden kann. Durch eine geringere Dicke der Umhüllung wird der Platzbedarf für die Leitungsdurchführung vorteilhaft verringert. Durch den verringerten spezifischen Widerstand bleibt die Durchschlagfestigkeit der Schicht dabei gleich.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn um das Elektrodenrohr Feststoffbarrieren unter Ausbildung von Spalten (also Zwischenräumen) für Transformatoröl zwischen den Feststoffbarrieren untereinander und zur Schicht des Elektrodenrohrs hin vorgesehen sind. Es entsteht somit eine abwechselnde Folge von Transformatoröl und Cellulosematerial. Diese Abfolge ergibt die Isolierstrecke. Besonders vorteilhaft ist es, wenn auch die Feststoffbarrieren aus dem behandelten Cellulosematerial bestehen, d. h. hinsichtlich ihres spezifischen Widerstandes herabgesetzt sind. Hierdurch kann vorteilhaft der konstruktive Gestaltungsspielraum noch mehr erweitert werden, in dem beispielsweise Feststoffbarrieren mit verringerter Wandstärke vorgesehen werden. Hierbei sollte eine Wandstärke von 1 mm nicht unterschritten werden, da es sich hierbei um eine konstruktive Auslegungsgrenze handelt. Die Feststoffbarrieren müssen nämlich eine genügende mechanische Stabilität aufweisen. Bevorzugt können Wandstärken von 1 bis 3 mm vorgesehen werden.
Alternativ können auch weniger Feststoffbarrieren vorgesehen werden, was insbesondere den Montageaufwand vorteilhaft verringert.
Auch ist es möglich, dass die Feststoffbarrieren mit abgestuftem elektrischem Widerstand ausgestattet werden, wie dies bereits für die Schicht beschrieben wurde. Dabei steigt der spezifische Widerstand mit zunehmendem Abstand der Feststoffbarriere zum Durchleitelement. Die abgestufte Einstellung unterschiedlicher spezifischer Widerstände von Feststoffbarrieren sowie Schichtlagen in der Schicht hat den Vorteil, dass der spezifische Widerstand sich an die jeweils lokal vorliegende Feldstärke des die Durchleitung umgebenden elektrischen Feldes angepasst werden kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in einzelnen Figuren mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leitungsführung als Ausschnitt, dem sich eine Isolierstrecke, bestehend aus dem Elektrodenrohr mit einer Schicht aus Cellulosematerial sowie zwei Feststoffbarrieren, schematisch entnehmen lässt,
2 ein Ausführungsbeispiel einer Leitungsführung in der Variante als Wicklungsmontage im Längsschnitt und
3 bis 5 verschiedene Ausführungsbeispiele für Leitungsführungen in der Variante einer Schenkelsatzmontage oder als Wicklungsmontage als schematische Ansichten von oben.
Eine elektrische Isolierstrecke 18 gemäß 1 besteht allgemein aus mehreren Lagen aus Cellulosematerial 19, zwischen denen Ölschichten 20 liegen. Auch das Cellulosematerial 19 ist mit Öl getränkt, was in 1 nicht näher dargestellt ist. Dafür ist in 1 innerhalb des Cellulosematerials eine Imprägnierung 11 zu erkennen. Die gemäß 1 dargestellte Isolierung umgibt beispielsweise ein Elektrodenrohr 21 einer Leitungsführung in einem Transformator.
Die elektrische Isolation eines Transformators muss im Betriebsfall bei Anliegen einer Wechselspannung elektrische Durchbrüche verhindern. In diesem Fall ist das Isolationsverhalten der Isolierung von der Primitivität der Komponenten der Isolierung abhängig. Für Öl liegt die Permittivitätszahl ε_o ungefähr bei 2, für das Cellulosematerial ε_p bei 4. Bei einer Beanspruchung der Isolation mit einer Wechselspannung ergibt sich daher für die Belastung der einzelnen Isolationskomponenten, dass die am Öl anliegende Spannung U_o ungefähr doppelt so hoch ist, wie die am Cellulosematerial anliegende Spannung U_p. Wird ein Nanokomposit verwendet, bei dem das Cellulosematerial 19 erfindungsgemäß imprägniert ist, so beeinflusst die Imprägnierung 11 die Spannungsverteilung in der erfindungsgemäßen Isolation nicht, da die Permittivitätszahl ε_BNNT ebenfalls ungefähr bei 4 liegt und daher die Primitivität ε_comp des imprägnierten Cellulosematerials auch bei ungefähr 4 liegt. Damit ist auch bei der erfindungsgemäßen Isolation die am Öl angreifende Spannung U_o ungefähr doppelt so groß wie die am Nanokomposit (Cellulosematerial) anliegende Spannung U_comp.
Gleichzeitig ist bei HGÜ-Komponenten auch die Durchschlagfestigkeit der Isolation bei Anliegen von Gleichspannungen von Bedeutung. Die Verteilung der anliegenden Spannung auf die einzelnen Isolationsbestandteile ist dann allerdings nicht mehr von der Primitivität abhängig, sondern vom spezifischen Widerstand der einzelnen Komponenten. Der spezifische Widerstand ρ_o von Öl liegt zwischen 10¹³ und 10¹² Ωm. Berücksichtigt man, dass erfindungsgemäß ein größerer Teil des Spannungsabfalls zur Entlastung des Cellulosematerials im Öl erfolgen soll und dass der spezifische Widerstand des Öl sich bei Anliegen einer Spannung verringert, ist eher, wie in 1 dargestellt, von einem spezifischen Widerstand ρ_o von 10¹² Ωm auszugehen. Demgegenüber ist ρ_p vom Cellulosematerial um drei Größenordnungen höher und liegt bei 10¹⁵ Ωm. Dies bewirkt, dass bei Anliegen einer Gleichspannung die Spannung am Öl U_o ein Tausendstel (bei Annahme von ρ_o = 10¹³ Ωm zumindest ein Hundertstel bis ein Funfhundertsel) der Spannung am Cellulosematerial U_p beträgt. Dieses Ungleichgewicht birgt die Gefahr, dass es bei einer Beaufschlagung der Isolation mit einer Gleichspannung zu Durchschlägen im Cellulosematerial kommt und die elektrische Isolation versagt.
Die erfindungsgemäß in das Cellulosematerial 19 eingebrachte Imprägnierung 11 kann z. B. aus BNNT bestehen und wird durch eine geeignete Beschichtung der BNNT aus PEDOT:PSS und evtl. durch eine zusätzliche Dotierung der BNNT mit Dotierstoffen mit ihrem spezifischen Widerstand (zwischen 0,1 und 1000 Ωcm) so eingestellt, dass der spezifische Widerstand des Cellulosematerials ρ_p herabgesetzt wird. Dies ist auch durch alleinige Verwendung von PEDOT:PSS oder alleinige Verwendung von BNNT möglich. Damit lässt sich für den erfindungsgemäßen Komposit eine spezifische Leitfähigkeit ρ_comp einstellen, der an den spezifischen Widerstand ρ_o angenähert ist und im Idealfall diesem ungefähr entspricht. Bei einem spezifischen Widerstand ρ_comp von höchstens 5 mal 10¹³ Ωm liegt die am Öl anliegende Spannung U_o größenordnungsmäßig im Bereich der am Komposit anliegenden Spannung U_comp, so dass sich ein ausgeglichenes Spannungsprofil in der Isolation einstellt. Hierdurch wird vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit der Isolation verbessert, da sich die Belastung des Cellulosematerials spürbar verringert.
Gemäß 2 sind zwei benachbarte HGÜ-Transformatorspulen 22 zu erkennen. Diese sind an ihrem stirnseitigen Enden 23 mit Schirmringen 24 versehen, gefolgt von Isolierstrecken 25, die durch mehrere Feststoffbarrieren 26 in Form von Pressspan-Formkörpern gebildet sind. Diese bilden auch Kamine 27 aus, die als Schnittstelle für die Leitungsführung 28 einer Leitung 29 zwischen den HGÜ-Transformatorspulen 22 dienen.
Die Leitung 29 ist in einem Einbauraum verlegt, der durch das Elektrodenrohr 21 gebildet wird. Dieses besteht vorzugsweise aus Kupfer und weist eine Schicht 30 auf, welche durch zwei Schichtlagen 31 gebildet ist. Die Schichtlage, die die Oberfläche des Elektrodenrohres 21 bildet, kommt mit dem nicht dargestellten Transformatoröl in Kontakt und weist eine Imprägnierung (Behandlung) auf, welche den spezifischen Widerstand des verwendeten Cellulosematerials größenordnungsmäßig in dem Bereich des spezifischen Widerstandes von Transformatoröl absenkt. Die Schichtlage 31, welche an das metallische Elektrodenrohr 21 angrenzt, ist in ihrem spezifischen Widerstand vorteilhaft noch weiter abgesenkt, so dass dieser den spezifischen Widerstand von Transformatoröl unterschreitet. Abstände a der Enden des Elektrodenrohres 21 zu den Spulen 22 bzw. den Schirmringen 24 erlauben einen Toleranzausgleich beim Einbau des Elektrodenrohres 21 als Leitungsführung 28. Dieser kann durch die erfindungsgemäße Behandlung der Isolierung großzügiger bemessen werden.
Die durch die Feststoffbarrieren 26 gebildeten Kamine beider Spulen sind durch weitere Feststoffbarrieren 32 miteinander verbunden, so dass sich auch zwischen den beiden Spulen 22 eine geschlossene Isolierstrecke um die Leitungsführung 28 ergibt. Vorteilhaft sind auch die Feststoffbarrieren mit dem erfindungsgemäßen Cellulosematerial ausgestattet, so dass die spezifischen Widerstände der Feststoffbarrieren im Vergleich zur Verwendung von unbehandeltem Cellulosematerial an den spezifischen Widerstand des Transformatoröls zumindest angenähert sind. Hierdurch können beispielsweise die Überlappungsbereiche b zwischen den Kaminen 27 und den Feststoffbarrieren 32 in verringerter Länge ausgeführt werden, wodurch eine platzsparendere konstruktive Ausgestaltung möglich ist. Insbesondere wird bei kleineren Überlappungsbereichen b die Montage bei beengten Platzverhältnissen erleichtert.
Damit das Elektrodenrohr und die konzentrisch ineinander liegenden Feststoffbarrieren 32 definiert zueinander fixiert werden können, ist eine nur angedeutete Halterung 35 vorgesehen. Diese stützt sich in nicht näher dargestellter Weise im Gehäuse der HGÜ-Komponente ab und sorgt für eine eindeutige Positionierung der einzelnen Komponenten zueinander. Dies ist unter anderem deswegen von Bedeutung, damit die Feststoffbarrieren 32 in die Spalte der Feststoffbarrieren 26 eingefügt werden können, so dass sich die Überlappungen b ergeben.
In den 3 bis 5 sind verschiedene Montageanordnungen für die Leitungsführung schematisch dargestellt. Die Spulen 23 sind jeweils als Kreise stark vereinfacht dargestellt. Für die Feststoffbarrieren 26, 32, 33 ist jeweils nur eine Verschalung exemplarisch dargestellt.
In 3 ist die Leitungsführung in Komponentenbauweise als Variante für eine Schenkelsatzmontage dargestellt. Die Leitungsführung in Komponentenbauweise 34 ist ein Leitungssystem, welches an seinen verzweigten Enden die Elektrodenrohre 21 zur Annäherung an die Spulen 23 zur Verfügung stellt. Auch die Leitungsführung in Komponentenbauweise 34 weist eine Feststoffbarriere 33 auf, um eine Isolierstrecke auszubilden. Daher sind auch Feststoffbarrieren 32 erforderlich, die eine Verbindung zwischen den Kaminen 27 und der Feststoffbarriere 33 der Leitungsführung 34 herstellen. Der Aufbau kann im Wesentlichen gemäß 2 ausgeführt sein.
Die 3 und 4 zeigen Anordnungen für die Leitungsführung, die gemäß 2 aufgebaut sind. Gemäß 4 wird deutlich, dass eine Leitungsführung 21 gemäß 2 durch eine geradlinige Verbindung im Zwischenraum zwischen den HGÜ-Transformatorspulen 23 ausgebildet sein kann. Es ist aber auch möglich, die Leitungsführung 21 gemäß 5 gekrümmt auszuführen. Hierdurch ist eine Führung der Leitung in einem Bereich möglich, welcher einen größeren Abstand zwischen den HGÜ-Transformatorspulen 23 aufweist. Die Feststoffbarrieren, die ebenfalls gekrümmt sein müssen, können hierbei beispielsweise als Formkörper ausgebildet werden, die als Halbschalen mit einer Trennebene in der Zeichnungsebene ausgestattet sind. Die Zeichnungsebene stellt im Übrigen diejenige Ebene dar, in der auch die gekrümmte Mittellinie 36 der Leitungsführung liegt. Wenn die Leitungsführung 28 gemäß 5 aufgebaut ist, muss man sich die in 2 dargestellte Leitungsführung entlang dieser Mittellinie 36 senkrecht aufgeschnitten vorstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006013927 A1 [0002]
US 4521450 [0003]
WO 2004/038735 A1 [0004]
US 2007/0199729 A1 [0004]
WO 2006/122736 A1 [0006]
WO 2006/131011 A1 [0007]
DE 102010041630 [0008]
DE 102007018540 A1 [0008]
DE 102010041635 [0009]
DE 102009033267 [0010]
DE 102009033268 [0012]

Claims

Leitungsführung für die elektrischen Leitungen (29) einer HGÜ-Tranformatorspule (22) oder einer HGÜ-Drosselspule, aufweisend • ein Elektrodenrohr (21) mit einer leitfähigen Oberfläche und mit einem Einbauraum für die Leitung (29), • eine Schicht (30) aus einem Cellulosematerial (19), insbesondere Papier, die das Elektrodenrohr (21) vollumfänglich umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (30) als Komposit ausgeführt ist, bestehend aus einem behandelten Cellulosematerial, • in dem Partikel mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρ_p des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand in einer Konzentration oberhalb der Perkolationsschwelle verteilt sind und/oder • in dem ein zusammenhängendes Netzwerk eines leitfähigen Polymers mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρ_p des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand den Komposit durchzieht.
Leitungsführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits zumindest an der Oberfläche der Schicht (30) höchstens bei 5 mal 10¹³ Ωm liegt.
Leitungsführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits zumindest an der Oberfläche der Schicht (30) das ein- bis zwanzigfache des spezifischen Widerstandes ρ_o des Transformatoröls beträgt
Leitungsführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits zumindest an der Oberfläche der Schicht (30) der Umhüllung größenordnungsmäßig dem spezifischen Widerstand von Transformatoröl entspricht.
Leitungsführung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenrohr (21) derart ausgebildet ist, dass es nach einer Montage mit seinem einen Ende direkt an die HGÜ-Transformatorspule (22) oder HGÜ-Drosselspule angrenzt.
Leitungsführung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Leitungsführung in Komponentenbauweise ausgelegt ist, wobei diese aus einem verzweigten Rohr besteht, welches an den verzweigten Enden für jede HGÜ-Transformatorspule (22) oder HGÜ-Drosselspule ein Elektrodenrohr (21) aufweist.
Leitungsführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass diese für eine Wicklungsmontage ausgelegt ist, wobei das Elektrodenrohr (21) in der Länge derart bemessen ist, dass es mit seinen Enden zwischen zwei benachbarten HGÜ-Transformatorspulen (22) oder HGÜ-Drosselspulen angeordnet werden kann.
Leitungsführung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenrohr gekrümmt ausgeführt ist, wobei die Krümmung im eingebauten Zustand in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse der HGÜ-Transformatorspule (22) oder HGÜ-Drosselspule liegen soll.
Leitungsführung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand von benachbarten, die Schicht (30) bildenden Schichtlagen (31) abgestuft ist, wobei die Schichtlage oder die Schichtlagen mit dem geringsten spezifischen Widerstand an das Elektrodenrohr (21) angrenzen.
Leitungsdurchführung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (30) aus einer Papierwicklung mit mehreren Wicklungslagen besteht, wobei die Papierwicklung um das Elektrodenrohr (21) gewickelt ist.
Leitungsführung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke s der Schicht (30) im Vergleich zur erforderlichen Dicke bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials an Stelle des Komposits verringert ist.
Leitungsdurchführung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um das Elektrodenrohr (21) Feststoffbarrieren (29) unter Ausbildung von Spalten (34) für Transformatoröl zwischen den Feststoffbarrieren untereinander und zur Umhüllung (30) vorgesehen sind, die zumindest teilweise auch aus dem behandelten Cellulosematerial (19) bestehen.