DE102011008462A1

DE102011008462A1 - Schirmring für eine HGÜ-Transformatorspule oder eine HGÜ-Drosselspule

Info

Publication number: DE102011008462A1
Application number: DE102011008462A
Authority: DE
Inventors: Beriz Bakija; Dieter Breitfelder; Thomas Hammer; Frank Heinrichsdorff; Jens Hoppe; Ursus Krüger; Karsten Loppach; Volkmar Lüthen; 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: EP2661760A1; EP2661760B1; BR112013017401A2; BR112013017401B1; CN103415901A; CN103415901B; WO2012093052A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schirmring (24) für eine HGÜ-Transformatorspule oder eine HGÜ-Drosselspule. Diese weist einen ringförmigen Kern (28) auf, welcher eine leitfähige Oberfläche (29) hat und mit einer Schicht (30) aus Cellulosematerial umgeben ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass diese Schicht (30) als Komposit ausgeführt ist, wobei dieser in seinem spezifischen Widerstand im Vergleich zu unbehandeltem Cellulosematerial verringert ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Beaufschlagung des Schirmrings mit einem elektrischen Gleichspannungsfeld ein Spannungsabfall besser über die Schicht (30) des Schirmrings verteilt wird. Hierdurch können Belastungsspitzen verringert werden, weswegen der Schirmring (24) vorteilhaft mit einer geringeren Höhe (h) und/oder mit geringeren Radien (r) der Ecken des Querschnitts des Schirmrings und/oder mit einer geringeren Schichtdicke (s) der Schicht (30) verwendet werden kann. Vorteilhaft lässt sich dadurch der konstruktive Spielraum bei der Gestaltung des Schirmringes vergrößern sowie der Materialbedarf verringern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schirmring für eine HGÜ-Transformatorspule oder eine HGÜ-Drosselspule. Dieser weist einen ringförmigen Kern mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche auf, welche normalerweise durch eine elektrisch leitfähige Schicht auf einem Isolierstoff wie z. B. Blockspan zur Verfügung gestellt wird und an einer Stelle des Umfanges des Kerns elektrisch isolierend getrennt wird. Der restliche Kern ist in diesem Fall aus dem Blockspanmaterial gebildet. Außerdem weist der Schirmring eine Schicht aus einem Cellulosematerial auf, welche insbesondere aus Papier besteht und welche den Kern vollständig einschließt.
Ein Schirmring der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise gemäß der WO 2008/026992 A1 beschrieben. Betrachtet man den beschriebenen Querschnitt des verwendeten Schirmrings, so fällt auf, dass dieser einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, der an allen vier Ecken mehr oder weniger abgerundet ist. Die beiden Ecken, die dem stirnseitigen Ende der zu schirmenden Spule gegenüberliegt, weisen vergleichsweise kleine Radien auf. Diejenigen Ecken, die von dem stirnseitigen Ende der Spule weg weisen, weisen größere Radien auf. Dies ist erforderlich, da in diesem Bereich die Papierwicklung stärker ausgeführt sein muss, damit diese der Beanspruchung durch die in diesem Bereich vorliegende elektrische Feldstärke ohne elektrische Durchschläge widersteht.
Die Schicht wird normalerweise durch eine Papierwicklung hergestellt. Da die Papierwicklung als solche im Wesentlichen gleichmäßige Schichtdicken erzeugt, müssen die besagten Ecken mit größerem Radius und zusätzlicher Schichtdicke derart hergestellt werden, dass in diesem Bereich Einlagen beispielsweise aus Papier mit eingewickelt werden. Hierdurch entsteht ein gewisser Fertigungsaufwand, da die Einlagen vor der Umwicklung mit Papier schwer zu handhaben sind.
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 höchtens 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 Permittivität des Nanokomposits ab, wobei die Permittivität ε ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder ist. Die Permittivität wird auch als. Dielektrizitätskonstante bzeichnet, wobei im Folgenden der Begriff „Permittivität” verwendet werden soll. Als relative Permittivität bezeichnet man das durch die Permittivitätszahl ε_r = ε/ε₀ bezeichnete Verhältnis der Permittivität ε eines Stoffes zur elektrischen Feldkonstante ε₀, welche die Permittivität des Vakuums angibt. Je höher die relative Permittivität 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 Handelnamen Baytron von der Bayer AG vertrieben wird. PEDOT wird mit seinem systematischen Namen auch als Poly-(3,4-ethylendioxythiophen) 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 Ummmantelung 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 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.
Mit Blick auf die eingangs erwähnte WO 2008/026992 A1 steht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Schirmring der eingangs angegebenen Art derart weiter zu bilden, dass dessen Herstellung vereinfacht wird und/oder die Sicherheit gegenüber elektrischen Durchschlägen an der Schicht aus Cellulosematerial verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schicht 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. Alternativ oder zusätzlich kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass in dem behandelten Cellulosematerial ein zusammenhängendes Netzwerk eines leitfähigen Polymers mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρ_p des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand den Komposit durchzieht. Das behandelte Cellulosematerial kann in der eingangs bereits beschriebenen Weise gewonnen werden und entweder als Formkörper hergestellt werden, in den der ringförmige Kern des Schirmrings eingelegt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Papiere als behandeltes Cellulosematerial herzustellen und mit diesen anschließend den Kern in an sich bekannter Weise zu umwickeln, wobei sich aus der Wicklung die Schicht aus dem Cellulosematerial ergibt.
Unter HGÜ-Komponenten 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.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des behandelten Cellulosematerials hat den Vorteil, dass der spezifische Widerstand des so entstehenden Komposits ρ_comp im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρ_p des unbehandelten Cellulosematerials verringert wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich der spezifische Widerstand des Komposits ρ_comp an denjenigen des Öls ρ_o annähert oder, wie im Folgenden näher erläutert wird, ihn sogar übersteigt. Hierdurch wird erreicht, dass im Falle eines Anlegens einer Gleichspannung an der durch den Schirmring mitgebildeten Isolierstrecke für die HGÜ-Spule (d. h. HGÜ-Transformatorspule oder HGÜ-Drosselspule) ein Spannungsabfall besser auf die Komponenten aus dem Cellulosematerial und das Transformatoröl verteilt wird. Einerseits kann nämlich das Transformatoröl einen höheren Spannungsabfall verkraften, ohne dass es zu elektrischen Durchschlägen kommt. Andererseits führt eine Entlastung des Cellulosematerials dazu, dass hier die Sicherheit gegenüber Durchschlägen erhöht wird bzw. eine Papierwicklung oder eine anderweitig hergestellte Schicht am Schirmring dünner ausgeführt werden kann. Insbesondere kann in den besonders beanspruchten Bereichen der abgerundeten Ecken des Querschnitts, die von der Stirnseite der Spule abgewandt sind (insbesondere der innenliegenden abgerundeten Ecke) eine Belastung vorteilhaft stark verringert werden, so dass auf eine Unterlegung der Wicklung mit einem anderen Isolationsmaterial (insbesondere Cellulosematerial) verzichtet werden kann. Dies bewirkt, dass vorteilhaft die Fertigung des Schirmrings stark vereinfacht wird und gleichzeitig eine Sicherheit gegen einen elektrischen Durchschlag verbessert oder zumindest auf dem geforderten Niveau gehalten werden kann. Vorteilhaft ist es dabei, dass der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits zumindest an der Oberfläche des Schirmrings höchstens 5 mal 10¹³ Ωm beträgt.
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.
Wichtig bei der Wahl des spezifischen Widerstandes ρ_comp des Komposits an der Oberfläche des Schirmrings ist, dass in diesem Bereich der spezifische Widerstand des Transformatoröls ρ_o nicht wesentlich unterschritten wird. Hierdurch kann, wie bereits beschrieben, eine Angleichung der elektrischen Beanspruchung des Transformatoröls und des Cellulosematerials erfolgen. Allerdings ist es vorteilhaft auch möglich, dass der spezifische Widerstand des Cellulosematerials des Schirmrings mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche des Schirmrings weiter abnimmt (auch auf Werte unterhalb von ρ_o), so dass in diesem Bereich eine gezielte Verteilung der Feldstärke ermöglicht wird. Dies trägt in besonderem Maße vorteilhaft zu einer Verringerung der elektrischen Beanspruchung im Bereich der oben bereits angesprochenen abgerundeten Ecken des Querschnitts bei.
Um eine ungleichmäßige Verteilung des spezifischen Widerstandes ρ_comp über die Schichtdicke am Schirmring zu erreichen, ist es vorteilhaft möglich, dass der spezifische Widerstand von benachbarten, die Schicht bildenden Schichtlagen abgestuft ist, wobei die Schichtlage oder die Schichtlagen mit dem geringsten spezifischen Widerstand an den Kern angrenzen. Die Lagen können beispielsweise durch Wicklungen mit unterschiedlich imprägnierten Papieren entstehen. Es wird danach auf den Kern zunächst die Schichtlage mit dem geringsten spezifischen Widerstand ρ_comp und danach mindestens eine Schichtlage mit einem höheren spezifischen Widerstand ρ_comp aufgebracht, wobei vorteilhaft die letzte Lage, die die Oberfläche des Stirnrings bildet, zumindest größenordnungsmäßig dem spezifischen Widerstand von Transformatoröl entsprechen kann. Als Schichtlagen im Sinne der Erfindung werden jeweils Bereiche der Schichtdicke aufgefasst, die jeweils mit demselben spezifischen Widerstand ρ_comp ausgestattet sind. Dies bedeutet auch, dass diese Schichtlage durch mehrere Papierlagen gebildet werden kann. Es werden hierbei so viele Papierlagen (Wicklungslagen) gewickelt, dass die gewünschte Dicke der Schichtlage erreicht wird.
Eine andere Möglichkeit, den Schirmring mit Bereichen unterschiedlichen spezifischen Widerstandes ρ_comp auszustatten, besteht darin, dass dieser aus mehreren konzentrisch ineinanderliegenden Einzelringen aufgebaut ist, wobei der innere Einzelring mit einem Cellulosematerial mit einem geringeren spezifischen Widerstand versehen ist, als der äußere Einzelring oder mehrere folgende Einzelringe. Besonders vorteilhaft werden allerdings nur zwei Einzelringe verwendet. Die Einzelringe bilden im Sinne der Erfindung gemeinsam den Schirmring, auch wenn diese baulich nicht miteinander verbunden sind. Als Schirmring im Sinne der Erfindung ist also damit die gesamte Baugruppe zu verstehen, die im Bereich der stirnseitigen Enden der Spulen vorgesehen ist und einen typischen Schirmring-Aufbau aufweist.
Es ist vorteilhaft, den inneren Ring mit einem geringeren spezifischen Widerstand zu versehen, als den äußeren Ring. Die die bereits beschriebene elektrische Beanspruchung der abgerundeten, dem stirnseitigen Ende der Spule abgewandten Ecken des Querschnitts des Schirmrings ist auf der Innenseite der Spule nämlich höher als auf der Außenseite. Dies kann bei der Auslegung des am Schirmring verwendeten Cellulosematerials berücksichtigt werden. Hierdurch ist vorteilhaft für den äußeren Einzelring eine Imprägnierung des Cellulosematerials mit geringerer Konzentration einstellbar, wodurch insbesondere Materialkosten eingespart werden können. Außerdem entsteht vorteilhaft ein größerer Spielraum, um das elektrische Feld in der gewünschten Weise zu gradieren.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schicht aus dem Cellulosematerial um den gesamten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt im Wesentlichen gleich dick ausgeführt ist. Diese Ausführung wird, wie bereis erläutert, dadurch ermöglicht, dass erfindungsgemäß der spezifische Widerstand des Cellulosematerials an die Erfordernisse einer Feldgradierung derart angepasst wird, dass die elektrische Beanspruchung besser über die einzelnen Bereiche des Schirmringes sowie das umgebende Transformatoröl verteilt wird. Unter einer im Wesentlichen gleich dicken Ausführung des Cellulosematerials soll auch eine Schicht des Schirmrings verstanden werden, die allein durch Wickeln eines Papierstreifens um den Kern erzeugt wird. Hierbei ist es naturgegeben so, dass die gewickelte Schicht auf der Innenseite des Ringes etwas dicker wird, als auf der Außenseite des Ringes, weil sich hier die benachbarten Wickelschlingen des verwendeten Papiers etwas stärker überschneiden. Im Wesentlichen ist eine gewickelte Schicht in Anbetracht des Durchmessers des zu umwickelnden Kerns allerdings als mit im Wesentlichen in gleicher Dicke ausgeführt anzusehen.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die Schicht aus dem Cellulosematerial um den gesamten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt direkt auf dem Kern aufliegt. Dies bedeutet, dass auf zusätzliche Einlagen verzichtet wird, die einen zusätzlichen Fertigungsaufwand bedeuten würden. Vorteilhaft kann also der Fertigungsaufwand durch das Einsparen zusätzlicher Einlagen verringert werden. Hierdurch wird nicht nur der Fertigungsaufwand verringert, sondern es wird auch eine höhere Prozesssicherheit erreicht, da auf eine Einlage verzichtet wird, die beim Wickeln beispielsweise verrutschen könnte.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Cellulosematerials ist es vorteilhaft auch möglich, dass die Höhe h des Schirmrings im Vergleich zur erforderlichen Höhe bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Komposits verringert ist. Eine andere Möglichkeit besteht vorteilhaft darin, dass die Dicke s der Schicht im Vergleich zur erforderlichen Dicke bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Komposits verringert ist. Außerdem kann auch vorgesehen werden, dass vorteilhaft der Schirmring einen rechteckigen, senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist, wobei der Radius r dieser abgerundeten Ecken im Vergleich zum erforderlichen Radius bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Komposits verringert ist. Diese konstruktiven Auslegungsmerkmale können vorteilhaft aufgrund des bereits erwähnten konstruktiven Gestaltungsspielraums modifiziert werden, wobei hierbei die geometrischen Randbedingungen des Anwendungsfalls Berücksichtigung finden können. Beispielsweise ist es möglich, der Höhe h des Schirmrings bei HGÜ-Transformatoren zu verringern mit einer Isolierstrecke zu versehen, die ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Cellulosematerials bei den immer höheren Betriebsspannungen der HGÜ-Komponenten von teilweise über 1000 kV zu raumgreifend werden würden. Andererseits sind die baulichen Maximalabmessungen von HGÜ-Komponenten vorgegebenen, um beispielsweise einen Transport mit der Eisenbahn noch zu ermöglichen. Hier können Schirmringe mit verringerten geometrischen Abmessungen einen Beitrag zur Bauraumreduzierung leisten. Zu berücksichtigen ist bei der Reduzierung des Bauraums, also der Höhe h des Schirmrings oder der Dicke s der Schicht allerdings, dass insgesamt die Sicherheit gegen elektrische Durchschläge mindestens den vorgegebenen Werten noch entspricht.
Die Verringerung der Radien r der abgerundeten Ecken des Querschnitts des Schirmrings hat vor allem den Vorteil, dass dieser mechanisch einer größeren Belastung ausgesetzt werden kann, um die einzelnen Bauteile der HGÜ-Komponente zusammen zu halten. Gleichzeitig ergibt sich die Konsequenz einer Verringerung dieser Radien auch daraus, dass Einlagen zwischen dem Kern und der diesen umgebenden Schicht eingespart werden können, so dass der Bauraum, der durch diese Einlagen benötigt würde, durch das Material des Kerns ausgefüllt ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt durch einen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schirmrings, wobei nur dessen Oberfläche und das an diese angrenzende Transformatoröl und weitere Feststoffbarrieren aus Pressspan dargestellt sind,
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schirmrings, eingebaut in einen HGÜ-Transformator, im schematischen Schnitt und
3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schirmrings, bei dem bestimmte konstruktive Gestaltungsspielräume dargestellt sind, im schematischen Querschnitt.
Eine elektrische Isolierstrecke 18 gemäß 1 besteht allgemein aus mehreren Lagen aus Cellulosematerial 19, zwischen denen Ölschichten 20 liegen können. Die Isolierstrecke beginnt an der metallischen Oberfläche 11 eines zu isolierenden Bauteils 12, die zum Beispiel durch eine Metallschicht 13 auf dem Kern eines nicht näher dargestellten Schirmringes gebildet sein kann. 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 in einem Transformator die dort zum Einsatz kommenden Wicklungen, die nach außen und zueinander elektrisch isoliert werden müssen.
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 Permittivität 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 Permittivität 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 Permittivität 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.
In 2 ist der Ausschnitt eines HGÜ-Trafos zu sehen. Dieser ist in einem auch als Kessel 21 bezeichneten Gehäuse untergebracht. Angedeutet sind außerdem eine Oberspannungsspule und eine Unterspannungsspule deren Wicklungen 22, 23 in 2 zu erkennen sind. Ein Transformatorkern 14 ist der Übersichtlichkeit halber nur schematisch dargestellt.
Für die Wicklung 22 ist ein elektrisches Feld durch Feldinien 33 dargestellt, die auf Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes verlaufen. Dieses elektrische Feld wird durch verschiedene Elemente einer Isolationsanordnung beeinflusst, welche als Elemente unter anderem segmentierte Schirmringe 24, 25 zylindrische Feststoffbarrieren 26 aus Pressspan und Winkelringe 27 ebenfalls aus Pressspan aufweisen. Die Schirmringe 24, 25 weisen einen Kern 28 mit einer metallische Oberfläche 29 und eine Papierwicklung 30 auf. Außerdem ist der Innenraum 31 mit einer Füllung von Transformatoröl ausgefüllt, welches daher auch in die Spalte 32 zwischen den einzelnen Elementen der Isolationsanordnung fließt und diese ausfüllt. Die Feldlinien 33 durchdringen außerdem auch einen Druckring 34 aus Blockspan. Daher kann mit der erfindungsgemäßen Herabsetzung des spezifischen Widerstandes des Cellulosematerials auch der Druckring 34 modifiziert werden, um in diesem Bereich das sich ausbildende elektrische Feld zu beeinflussen. Der Druckring 34 sorgt zusammen mit einem nicht dargestellten Wicklungstisch, der ebenfalls aus Blockspan hergestellt werden kann und die Wicklungen 22, 23 trägt, für einen mechanischen Zusammenhalt aller Baugruppen (inklusive der Feststoffbarrieren). Im Sinne der Erfindung sind auch der Druckring 34 und der nicht dargestellte Wicklungstisch als Elemente der Isolationsstrecke zu verstehen.
In 3 ist zu erkennen, dass der erfindungsgemäße Schirmring 24 aus einem inneren Einzelring 35 und einem äußeren Einzelring 36 besteht. Der Schirmring 24 weist eine Höhe h und eine Dicke s der Schicht 30 auf, wie diese dargestellt ist. Außerdem sind die abgerundeten Ecken des dargestellten Querschnittes, die der nicht dargestellten Spule abgewandt sind, mit einem Radius r versehen. In 3 ist mit gestrichelten Konturlinien ebenfalls angedeutet, wie die Geometrie eines nicht mit imprägnierten Cellulosematerial ausgestatteten Schirmrings im Vergleich qualitativ aussehen könnte. Dieser hätte eine größere Höhe h_o und/oder eine größere Dicke der Schicht 30 so und/oder größere Radien an den oben genannten Ecken r₀, wobei diese größeren Radien r₀ nur durch den Kern 28 beschrieben würden, so dass ein Raum für eine nicht näher dargestellte zusätzliche Einlage aus Cellulose in diesem Bereich entstünde. Diese könnte in dem durch die Radien r und r₀ gebildeten Raum vorgesehen werden.
Weiterhin ist zu erkennen, dass die Schicht des inneren Einzelringes 35 aus mehreren Schichtlagen 37, 38 besteht. Die die Oberfläche des Schirmringes 24 bildende Schichtlage 37 sowie die Schicht 30 des äußeren Einzelringes 36 weisen einen spezifischen Widerstand auf, der dem des umgebenden Transformatoröls größenordnungsmäßig entspricht. Im Vergleich hierzu ist der spezifische Widerstand der Schichtlage 38, die an den Kern 28 angrenzt, weiter verringert, so dass dieser spezifische Widerstand denjenigen des Transformatoröls unterschreitet. Hierdurch entsteht eine Entlastung des Bereiches des Schirmrings 24, der durch den Spannungsabfall einer HGÜ-Gleichspannung am stärksten beansprucht ist. Dieser liegt an der bezüglich des ringförmigen Verlaufs des Schirmrings inneren Ecke des Querschnitts des Schirmrings, die der Spule abgewandt ist. Für die anderen Bereiche des inneren Einzelringes wäre eine Verringerung des spezifischen Widerstandes der kernnahen Schichtlage 38 an sich nicht notwendig. Diese ist jedoch auch nicht schädlich, so dass aus fertigungstechnischen Gründen der innere Einzelring 38 vollständig mit der kernnahen Schichtlage 38 umwickelt wird. Bei dem äußeren Einzelring 36 unterbleibt allerdings die zusätzliche Umwicklung mit einem Material, das einen spezifischen Widerstand unterhalb desjenigen von Transformatoröl hat, aus Kostengründen. Hier genügt eine Herabsetzung des spezifischen Widerstandes größenordnungsmäßig auf den Wert des Transformatoröls.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/026992 A1 [0002, 0014]
US 4521450 [0004]
WO 2004/038735 A1 [0005]
US 2007/0199729 A1 [0005]
WO 2006/122736 A1 [0007]
WO 2006/131011 A1 [0008]
DE 102010041630 [0009]
DE 102007018540 A1 [0009]
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DE 102009033267 [0011]
DE 102009033268 [0013]

Claims

Schirmring für eine HGÜ-Transformatorspule oder Eine HGÜ-Drosselspule, aufweisend • einen ringförmigen Kern (28) mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche (29), • eine Schicht (30) aus einem Cellulosematerial, insbesondere Papier, die den Kern (28) vollständig einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (30) als Komposit ausgeführt ist, bestehend aus einem behandelten Cellulosematerial (19), • in dem Partikel (11) 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.
Schirmring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits zumindest an der Oberfläche höchstens bei 5 mal 10¹³ Ωm liegt.
Schirmring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits zumindest an der Oberfläche das ein- bis zwanzigfache des spezifischen Widerstandes ρ_o des Transformatoröls beträgt
Schirmring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand ρ_comp des Komposits zumindest an der Oberfläche des Schirmringes größenordnungsmäßig dem spezifischen Widerstand von Transformatoröl ρ_o entspricht.
Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand von benachbarten, die Schicht (30) bildenden Schichtlagen (37, 38) abgestuft ist, wobei die Schichtlage oder die Schichtlagen mit dem geringsten spezifischen Widerstand an den Kern angrenzen.
Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus mehreren konzentrisch ineinander liegenden Einzelringen (35, 36) aufgebaut ist, wobei der innerste Einzelring (35) mit einem Cellulosematerial mit einem geringeren spezifischen Widerstand versehenen ist als der äußere Einzelring (36) oder die äußeren Einzelringe.
Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (30) aus dem Cellulosematerial um den gesamten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt im wesentlichen gleich dick ausgeführt ist.
Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (30) aus dem Cellulosematerial um den gesamten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt direkt auf dem Kern aufliegt.
Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (30) aus einer Papierwicklung mit mehreren Wicklungslagen besteht, wobei die Papierwicklung um den senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt gewickelt ist.
Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h des Schirmrings im Vergleich zur erforderlichen Höhe bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials an Stelle des Komposits verringert ist.
Schirmring 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.
Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, • dass der Schirmring einen rechteckigen, senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt mit abgerundete Ecken aufweist und • dass der Radius r der abgerundeten Ecken im Vergleich zum erforderlichen Radius bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials an Stelle des Komposits verringert ist.