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Die Erfindung betrifft eine Steuerelektrode, insbesondere einen Koronaring, für elektrische Hochspannungsanwendungen, insbesondere für Feld- und Testanwendungen, mit einem flexiblen Steuerelektrodenkörper, welcher für eine Formgebung der Steuerelektrode mit einem Stoff gefüllt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Steuerelektrode, insbesondere eines Koronarings, und eine Verwendung eines mit einem Stoff gefüllten Schlauchs, insbesondere eines Fahrzeugreifenschlauchs, als eine Steuerelektrode, insbesondere als ein Koronaring, für elektrische Hochspannungsanwendungen.
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Zur Vermeidung von unerwünschten Koronaentladungen bei Hochspannungsanwendungen, insbesondere bei Testanwendungen, müssen Metalloberflächen, welche hohe elektrische Spannungen führen, mit möglichst großen Radien ausgebildet werden. Das Vorsehen oder Ausbilden von scharfen Kanten und Spitzen sollte vermieden werden, da aufgrund dort vorliegender enger elektrischer Feldlinien Koronaentladungen begünstigt werden. Aus diesem Grund werden Hochspannung führende, spitze, kantige oder mit Rändern versehene Anlagenteile mit Koronaringen versehen. Koronaringe sind Elektroden, welche einen Verlauf von Feldlinien eines elektrischen Felds zur Verbesserung einer elektrischen Durchschlagfestigkeit und/oder zur Verbesserung einer elektrischen Isolation verändern, d. h. aufweiten.
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Solche als Koronaringe ausgebildete Steuerelektroden sind ring- oder teilringförmige Vorrichtungen aus einem elektrisch leitfähigen Material, die meist mit einem gewissen Abstand gegenüber spitzen, kantigen oder mit Rändern versehenen Anlagenteilen vorgesehen werden, welche elektrische Hochspannung führen bzw. zu solchen benachbart sind. Insbesondere finden Aluminiumtori Anwendung, die das entsprechende Bauteil mehr oder weniger eng anliegend umgeben. So befinden sich Koronaringe beispielsweise an Isolatoren von elektrischen Hochspannungs(frei)leitungen, an Abspann- oder Pardunenisolatoren von selbststrahlenden Sendemasten, an elektrischen Verteileranlagen, an elektrischen Hochspannungstestanlagen etc.
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Die
DE 32 36 910 A1 offenbart einen schwingungsgedämpften Koronaring für Pardunenisolatoren eines über Pardunen abgespannten Antennenmasts eines Senders. Der Koronaring ist dabei aus einem geraden Leichtmetallrohr zu einem Kreisring gebogen, wobei für die Schwingungsdämpfung zeitlich vor einem Zusammenbau des Koronarings ein flexibler Zylinder, wie z. B. ein flexibler Kunststoffschlauch, in das innen hohle Leichtmetallrohr eingesetzt wird. Der Kunststoffschlauch weist innerhalb des Koronarings ein Spiel auf, so dass sich bei Vibrationen des Koronarings der Kunststoffschlauch gegenüber dem Koronaring bewegen kann und so die auftretenden Schwingungen dämpft.
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Die gattungsbildende
US 3 828 116 A offenbart einen Koronaring für eine Beeinflussung eines elektrischen Felds eines freien Endabschnitts eines elektrischen Hochspannungskabels. Ein Körper des Koronarings besteht dabei aus einem Schlauch eines Kleinfahrzeugs, wobei der Schlauch für eine Formgebung des Koronarings ausschließlich mit einem gasförmigen Stoff, insbesondere mit Luft, befüllt wird. Der Schlauch ist für eine Feldsteuerung eng anliegend im Bereich eines Endes einer elektrischen Schirmung auf dem Hochspannungskabel vorgesehen. Hierfür ist ein Außendurchmesser des Hochspannungskabels etwas größer als ein Innendurchmesser des aufgeblasenen Schlauchs in einem unbelasteten Zustand. Der Schlauch selbst ist dabei aus einem koronafesten Material gefertigt.
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Die
US 2 789 154 A offenbart eine Koronaabschirmung zur Beeinflussung eines elektrischen Felds eines aufgehängten elektrischen Hochspannungskabels. Die Koronaabschirmung weist ein ring- oder scheibenförmiges Bauteil aus einem halbleitenden Material, insbesondere einem halbleitenden Gummi auf, welches an einer geeigneten Position auf dem Hochspannungskabel montierbar ist. Für eine Montage des ring- oder scheibenförmigen Bauteils auf dem Hochspannungskabel ist das ring- oder scheibenförmige Bauteil geschlitzt. In einem zeitlichen Anschluss an die Montage kann das ring- oder scheibenförmige Bauteil mit einer sphärischen Abdeckung aus einem elektrisch leitenden Material versehen werden.
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Problematisch bei Koronaringen ist, dass diese, im Fall einer Anwendung eines Metalltorus, teuer in der Herstellung und vergleichsweise schwer sind, was deren Montage aufgrund einer robusten Montagevorrichtung aufwändig macht. Die Anwendung von gasgefüllten Fahrzeugschläuchen hat den Nachteil, dass diese mit der Zeit ihre Gasfüllung verlieren und entsprechend gewartet, d. h. teilweise wieder befüllt, oder sogar ausgetauscht werden müssen. Ferner sind nicht alle Schläuche aller Hersteller geeignet, da diese nicht aus einem koronafesten Material bestehen bzw. eine zu geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Eine Beschichtung ist schwierig, da der gasgefüllte Schlauch dauerhaft zu wenig formstabil ist, damit die Beschichtung dauerhaft hält.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Steuerelektrode, insbesondere einen verbesserten Koronaring, für elektrische Hochspannungsanwendungen, insbesondere für Testanwendungen, anzugeben. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Steuerelektrode und eine Verwendung eines Schlauchs, insbesondere eines Fahrzeugreifenschlauchs, anzugeben. Der erfindungsgemäße Koronaring und/oder dessen Herstellungsverfahren sollen kostengünstig sein. Hierbei soll der Koronaring einfach aufgebaut bzw. dessen Herstellungsverfahren einfach durchzuführen sein.
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Der Koronaring soll dauerhaft mechanisch stabil sein, ohne dass dieser ausgewechselt oder wieder aufgeblasen werden muss. Des Weiteren soll der Koronaring im Vergleich mit Koronaringen aus Metall ein geringes Gewicht besitzen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mittels einer Steuerelektrode, insbesondere eines Koronarings, für elektrische Hochspannungsanwendungen, insbesondere für Feld- und Testanwendungen, gemäß Anspruch 1; und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Steuerelektrode, insbesondere eines Koronarings, für elektrische Hochspannungsanwendungen, gemäß Anspruch 9; und durch eine Verwendung eines mit einem Stoff gefüllten Schlauchs, insbesondere eines Fahrzeugreifenschlauchs, für elektrische Hochspannungsanwendungen, gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
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Die erfindungsgemäße Steuerelektrode bzw. der erfindungsgemäße Koronaring weist einen röhren- oder schlauchförmigen, flexiblen, d. h. zunächst instabilen Steuerelektrodenkörper auf, der für eine Formgebung der Steuerelektrode mit einem Stoff gefüllt ist, wobei der dem erfindungsgemäßen Steuerelektrodenkörper wenigstens teilweise Formstabilität verleihende Stoff ein Feststoff, ein Feststoff-Flüssigkeitsgemisch und/oder eine Flüssigkeit ist, also insbesondere eine Eigenschaft aufweist, welche einer Eigenschaft eines Feststoffs, eines Feststoff-Flüssigkeitsgemischs und/oder einer Flüssigkeit nahe- oder gleichkommt. D. h. gemäß der Erfindung ist der Stoff, welcher dem Steuerelektrodenkörper wenigstens teilweise seine Formstabilität verleiht, nicht ausschließlich und/oder nicht dauerhaft ein Gas. D. h. auch, dass die Steuerelektrode, der Steuerelektrodenkörper und/oder ein Füllstoff der Steuerelektrode in Bezug auf betreffende Gewichtsanteile überwiegend nicht gasförmig ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Steuerelektrode, insbesondere eines Koronarings, wird ein flexibler Steuerelektrodenkörper mit einem Stoff bzw. einem Material gefüllt, das nicht ausschließlich ein Gas bzw. nicht ausschließlich gasförmig ist. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines mit einem Stoff bzw. einem Material gefüllten Schlauchs als eine Steuerelektrode, insbesondere als ein Koronaring, ist der Stoff bzw. das Material nicht ausschließlich ein Gas bzw. nicht ausschließlich gasförmig. Hierbei können bei der gemäß der Erfindung hergestellten Steuerelektrode bzw. bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Schlauchs, die Merkmale der erfindungsgemäßen Steuerelektrode bzw. des Koronarings angewendet werden.
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Gemäß der Erfindung wird eine Steuerelektrode, insbesondere ein Koronaring, zur Verfügung gestellt, die kostengünstig und einfach in ihrem Aufbau ist. Ferner weist die Steuerelektrode im Vergleich mit Steuerelektroden aus Metall ein nur geringes Gewicht auf, wodurch eine Montagevorrichtung für die Steuerelektrode entsprechend einfach ausfallen kann. Gemäß der Erfindung ist die Steuerelektrode dauerhaft mechanisch stabil, ohne das diese ausgewechselt oder wieder aufgeblasen werden muss. Die dauerhafte mechanische Stabilität ermöglicht eine Außenbeschichtung, sodass zunächst nicht koronafeste oder koronageeignete Materialien als Steuerelektrodenkörper in Frage kommen, da der Steuerelektrodenkörper vergleichsweise einfach beschichtet werden kann (siehe unten).
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In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Steuerelektrode bzw. der Koronaring mit einem flüssigen, einem mesomorphen, einem hochviskosen, einem pastösen, einem porösen, einem schaumartigen, einem weichen und/oder einem harten bzw. festen Stoff, insbesondere einem Leichtstoff und/oder einem Kunststoff, wenigstens teilweise gefüllt. D. h. dieser Stoff verleiht dem Steuerelektrodenkörper wenigstens teilweise seine Form bzw. Formstabilität. So kann der Füllstoff des Steuerelektrodenkörpers beispielsweise ein Füllstoff eines Reifenpannensets oder eines Reifenpannensprays sein. Ferner ist ein Schaumstoff, insbesondere ein harter Schaumstoff, anwendbar, wobei der Schaumstoff bevorzugt ein Polymerschaum, ein Polystyrolschaum oder ein Polyurethanschaum ist.
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Ferner kann, einmal abgesehen von einem Zellgas eines Füllschaums oder eines anderen im festen und/oder flüssigen Füllstoff des Steuerelektrodenkörpers vorliegenden Gases, gemäß der Erfindung ein Gas zum Einsatz kommen. Dieses Gas kann dem Steuerelektrodenkörper zusätzlich wenigstens teilweise eine Formstabilität verleihen. - Gemäß der Erfindung kann der Steuerelektrodenkörper außen eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen, die eine einzige elektrisch leitende Schicht oder eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Schichten umfassen kann. Eine z. B. metallische oder metallhaltige Beschichtung ist insbesondere dann anzuwenden, wenn der Steuerelektrodenkörper, wie manche Gummischläuche, selbst nicht koronafest bzw. koronageeignet ist.
In Ausführungsformen der Erfindung ist der Steuerelektrodenkörper ein röhren- oder schlauchförmiger Körper, der bevorzugt aus einem elastischen Material, insbesondere einem Gummi oder einem gummiartigen Material, besteht. Hierbei kann der Steuerelektrodenkörper einen Schlauch aufweisen, welcher insbesondere ein Schlauch eines Reifens eines Fahrzeugs, bevorzugt der eines Kleinfahrzeugs, ist. Die Steuerelektrode kann wenigstens abschnittsweise gebogen sein und/oder sich wenigstens abschnittsweise geradlinig erstrecken. Hierbei kann die Steuerelektrode teilringförmig sein und/oder einen Winkelbereich von im Wesentlichen ca. 90°, ca. 180° oder ca. 270° abdecken. Ferner kann die Steuerelektrode ringförmig, bevorzugt kreisringförmig sein, wobei sie insbesondere geschlossen ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von konkreteren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Koronaentladungen sind bei elektrischen Hochspannungsanwendungen grundsätzlich unerwünscht. Sie führen bei Hochspannungsleitern zu Energieverlusten, Funkstörungen, Geräuschen, Beschädigungen z. B. an Isolatoren und zur Entstehung von Raumladungswolken. Ferner können schädigende Koronaentladungen inner- oder außerhalb von Bestand- oder Bauteilen von Hochspannungsanlagen, wie z. B. Transformatoren, auftreten, wobei die Koronaentladungen darüber hinaus die menschliche Gesundheit gefährdendes Ozon produzieren. Koronaentladungen werden auch als Spitzenentladungen bezeichnet, da sie an den unter elektrischer Hochspannung stehenden Leitern bevorzugt an herausragenden Spitzen oder Kanten stattfinden, weil dort eine elektrische Feldstärke am Größten ist.
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Die elektrische Feldstärke kann dadurch reduziert werden, dass an solchen Stellen Krümmungsradien der Spitzen oder Kanten vergrößert oder von Bauteilen mit größeren Krümmungsradien abgedeckt bzw. umgeben werden. Solche Bauteile sind z. B. Koronaringe, deren große äußere Krümmungsradien Koronaentladungen reduzieren bzw. lokal begrenzen, denn je größer ein Krümmungsradius ist, desto geringer ist die elektrische Feldstärke an der Oberfläche und desto geringer ist eine Wahrscheinlichkeit dadurch hervorgerufener Koronaentladungen. Ohne eine Anwesenheit von Koronaringen und bei ausreichend zur Verfügung stehendem elektrischen Strom kann eine Koronaentladung in einen noch viel schädlicheren Lichtbogen umschlagen.
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Gemäß der Erfindung wird ein verbesserter Koronarring vorgeschlagen, dessen Körper - auch als Steuerelektrodenkörper bezeichnet - aus einem instabilen, insbesondere einem flexiblen, weichen, mehr oder weniger geschmeidigen, elastischen, nachgebenden und/oder biegbaren Material besteht und mit einem Stoff bzw. einem Füllstoff befüllt ist, der nicht oder nur teilweise gasförmig ist. D. h. ein in diesen instabilen Steuerelektrodenkörper ausreichend eingefüllter Stoff verleiht dem Koronarring schließlich seine endgültige Form bzw. garantiert seine Formstabilität. - Aus dem Stand der Technik (siehe oben) sind hier nur luftgefüllte Gummischläuche von Reifen von Kleinfahrzeugen bekannt, die unter der Vorsaussetzung einer koronargeeigenten Oberfläche, als Koronarringe dienen können.
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Gemäß der Erfindung wird diese Idee ausgeweitet auf beliebige Materialien von Steuerelektrodenkörpern, solange sie ohne eine Befüllung einigermaßen instabil bzw. flexibel und bevorzugt auch leicht und kostengünstig sind. Andererseits wird gemäß der Erfindung auf eine problematische Gasfüllung verzichtet und diese durch eine Füllung mit einer höheren mittleren Dichte ersetzt, die zumindest teilweise flüssige und/oder feste Komponenten aufweist. Gase können hier zwar vorhanden sein, sollen aber nicht ausschließlich oder nicht hauptursächlich eine Formstabilität des Steuerelektrodenkörpers gewährleisten, sondern die flüssige und/oder feste Komponente, bzw. die flüssigen und/oder festen Komponenten innerhalb des Steuerelektrodenkörpers.
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D. h. in Ausführungsformen der Erfindung wird die vorteilhafte Verwendung von Fahrzeugreifen oder -schläuchen als Koronaringe und eine bisher nicht gekannte mechanische und elektrische Stabilität der Koronaringe erreicht, ohne die Fahrzeugschläuche überwachen, regelmäßig wieder aufpumpen und/oder diese in regelmäßigen Abständen auswechseln zu müssen. Statt Fahrzeugschläuchen sind generell Gummi-, Kunststoff- oder gummiartige Schläuche anwendbar. Aber auch eine Textilie, also ein flexibles Material, welches aus einem Faserverbund besteht, ist als Material für den Steuerelektrodenkörper anwendbar, solange die Textilie ausreichend koronarfest, insbesondere zumindest an der Oberfläche elektrisch leitfähig, ist und das Vermögen besitzt, denn Füllstoff dauerhaft in sich zu behalten.
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Ein möglicher Füllstoff für den erfindungsgemäßen Koronaring ist eine Flüssigkeit, ein Feststoff-Flüssigkeitsgemisch, eine Suspension, eine Emulsion und/oder ein Feststoff, der ggf. Gase, wie z. B. Zell- oder Zwischengase, enthalten kann. D. h. eine Eigenschaft des Füllstoffs kommt der eines solchen Stoffs nahe oder gleich. D. h. auch, dass der mögliche Füllstoff flüssig, mesomorph, hochviskos, pastös, porös, schaumartig, weich, hart und/oder fest sein kann. Insbesondere ist der mögliche Füllstoff ein Leichtstoff, bevorzugt ein leichter Kunststoff. Diese Aufzählungen sind jedoch nicht abschließend, es gilt lediglich als Füllstoff ausschließlich ein Gas auszunehmen, welches im Koronaring auch dauerhaft im gasförmigen Zustand verbleibt, wie z. B. Luft, solange das Gas nicht aus dem Koronaring entweichen kann.
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Gemäß der Erfindung kann z. B. ein Stoff aus einem Reifenpannenset oder einem Reifenpannenspray, ein so genanntes Puncture Spray, als Füllstoff für den Koronaring angewendet werden. Ferner eignet sich insbesondere ein Schaumstoff, wie z. B. ein weicher oder harter Schaumstoff, bevorzugt ein Polymer-, ein Polystyrol- oder ein Polyurethan-Schaumstoff. Des Weiteren kann ein solcher Füllstoff ein rieselfähiges Material, wie z. B. Styroporkugeln, sein. D. h. der Füllstoff kann aus makroskopischen Einzelteilen, wie Kügelchen oder beliebig geformten dreidimensional aufgebauten Bestandteilen, bestehen, die ihrerseits hohl sein können, um Gewicht zu sparen. Ferner kann der Stoff, mit welchem der Koronaring gefüllt ist, ein elektrisch leitender Stoff sein.
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Insbesondere bei der Anwendung von Schäumen, erfolgt eine Formgebung des Steuerelektrodenkörpers durch eine Feststoffmatrix, in welcher Gasbläschen eingeschlossen sind. Hierbei ist allerdings die Feststoffmatrix im Wesentlichen dafür verantwortlich, dass der Steuerelektrodenkörper seine Form beibehält; die Gasbläschen selbst tragen zwar zur Stabilität und insbesondere zu einer Leichtgewichtigkeit des Gesamtsystems bei, könnten jedoch auch weggelassen werden. D. h. ohne die Feststoffmatrix wäre kein stabiler Koronaring zu erhalten. Ferner ist es hierbei denkbar, das die Feststoffmatrix und auch der Steuerelektrodenkörper für Gase durchlässig ist. Auch in einem solchen Fall behält der Koronaring seine wichtige Form und somit auch seine Funktion bei.
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Ferner kann zusätzlich zum Verleihen der Formstabilität, jedoch abgesehen von einem Zellgas, ein Gas innerhalb des Steuerelektrodenkörpers vorgesehen werden. Der nicht gasförmige Teil der Füllung kann dabei einen Kern innerhalb des Steuerelektrodenkörpers bilden, so dass dieser unter keinen Umständen kleiner werden kann, als es der Kern zulässt. Der Kern übernimmt dabei eine ausfallsichere Funktion für den Koronaring. - Bei der Anwendung von mehr oder weniger rieselfähigen Füllstoffen liegt ferner ein Gas, das so genannte Zwischengas, zwischen diesen Füllstoffen vor, welches keinen Beitrag zur Formstabilität des Koronarings beträgt, solange dieses Gas nicht unter einem Druck steht, welcher bevorzugt mehr als 1 bar betragen würde.
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Der erfindungsgemäße Koronaring kann als ein vollständiger Ring bzw. Torus ausgebildet sein, der innen und/oder außen eine ovale und/oder eine kreisrunde Form aufweist. Aber auch eine beliebige innere oder äußere Form ist anwendbar. Statt einem vollständig umlaufenden geschlossenen Ring, kann auch nur ein Ringabschnitt zur Anwendung kommen, wobei in einem solchen Fall trotzdem noch von einem Koronaring die Rede sein soll. Dieser Ringabschnitt kann beliebige Winkel abdecken, wobei Winkel von mehr als 90° bevorzugt sind. Auch ein geradliniger oder ein abschnittsweise geradliniger „Koronaring“ ist anwendbar. Der Koronaring muss dabei nicht immer dieselbe Dicke aufweisen.
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Mittels des dauerhaft formstabilen Koronarings ist es nun auch möglich, eigentlich nicht koronarfeste bzw. koronageeignete Materialien für den Steuerelektrodenkörper anzuwenden. Der Koronaring muss nur in seinem befüllten Zustand mit einer koronarfesten bzw. einer koronageeigneten Beschichtung versehen werden. Hierfür bietet sich eine elektrisch leitfähige Schicht an, mittels welcher ein elektrischer Widerstand und/oder andere elektrische Eigenschaften der Beschichtung eingestellt werden können. Hierbei können ein- oder mehrlagige Beschichtungen zur Anwendung kommen, die aus einem einzigen oder einer Mehrzahl von unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien bestehen.
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Gemäß der Erfindung ist man nun nicht mehr auf bestimmte Materialien für den Steuerelektrodenkörper, mithin bestimmte Lieferanten, z. B. der Reifen oder Gummischläuche, beschränkt, sondern man kann beliebige Materialien für den jeweiligen Einsatzzweck auswählen. Ggf. müssen diese Materialien beschichtet werden, was in einer einfachen Weise durch ein Besprühen oder einem manuellen oder automatisierten Auftrag der Beschichtung/en einfach erfolgen kann. - Eine Befüllung des Steuerelektrodenkörpers kann durch ein im Steuerelektrodenkörper vorgesehenes Ventil oder eine andere verschließbare Öffnung erfolgen.
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Aufgrund des leichten Gewichts der erfindungsgemäßen Steuerelektrode bzw. des erfindungsgemäßen Koronarings können gegenüber bisherigen, massiv ausgeführten Befestigungen gummiartige Bänder oder schirmartige Elemente auf einer Innenseite eines solchen Steuertoroids angewendet werden, welche, allein oder zusammen, den Steuertoroid an einer zu befestigenden Stelle halten. Hierbei können sich die Bänder sowohl vertikal als auch horizontal überkreuzen.DDie Befestigung kann beispielsweise zentral in einer Mitte oder von einer Innenseite des Steuertoroids ausgehend sternförmig nach innen hin erfolgen. Die letztgenannte Ausführungsform kann ferner als eine Abdichtung gegenüber den zu schützenden Metallelementen verwendet werden. Ferner können auch nicht elastische Bänder, Schnüre, Drähte und/oder Seile, sowie auch massiv ausgebildete Befestigungen zur Anwendung kommen.