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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochspannungsbauteil mit Schirmung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, umfassend ein Kopplungselement über welches das Hochspannungsbauteil mit der Schirmung verbunden ist, wobei die Schirmung das Hochspannungsbauteil zumindest bereichsweise umgibt.
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Hochspannungsbauteile mit Schirmung sind grundsätzlich bekannt, wobei eine leitende Schirmung dazu dient, eine geometrische Steuerung der elektrischen Feldstärke bereitzustellen. Beispielsweise wird bei einer elektrischen Durchführung der Ausschnitt aus einer Behälterwandung mit scharfkantiger Geometrie durch eine Schirmung auf Erdpotential geschützt.
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Hochspannungsseitig werden Geometrien mit kleinen Radien, wie z.B. Schrauben, durch eine Schirmung mit großen Radien, welche sich auf Hochspannungspotential befindet, geschützt.
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Eine solche Abschirmung bewirkt allerdings keinen Schutz gegen die bei Hochspannungsbauteilen unerwünschten Entladungen und Spannungsdurchschläge. Da zwischen Schirmung und Hochspannungsbauteil eine undefinierte kapazitive Kopplung besteht, die auch als Streukapazität bezeichnet wird, können Stellen mit Feldstärken auftreten, an welchen die Feldstärke höher als die Durchschlagfestigkeit eines verwendeten Isoliermediums ist. Die Folge sind Entladungen, die zur Zerstörung des Hochspannungsbauteils führen können.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, ein Hochspannungsbauteil mit Schirmung derart weiterzubilden, dass dieses einen verbesserten Schutz gegen elektrische Entladungen und Durchschläge bietet.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass das Kopplungselement beim Anlegen einer Spannung an das Hochspannungsbauteil die Schirmung auf einem definierten Potential hält, das niedriger als das des Hochspannungsbauteils aber höher als das Potential der Schirmung ohne Kopplungselement und höher als das eines Erdpotentials ist.
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Dabei ist es unerheblich, ob an dem Hochspannungsbauteil eine positive oder negative Spannung angelegt wird, da das Kopplungselement die Schirmung auf einem dem Betrag nach geringeren Potential hält. Zur besseren Verständlichkeit wird im Folgenden für die Terminologie von einer positiven Spannung am Hochspannungsbauteil ausgegangen.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird das Potential der Schirmung durch das Kopplungselement gegenüber dem freien Potential der Schirmung erhöht. Da dieses niedriger als das Potential des Hochspannungsbauteils ist, ergibt sich ein Potentialunterschied zwischen dem Hochspannungsbauteil und der Schirmung, der bei der Konstruktion des Hochspannungsbauteils durch die Auslegung des Kopplungselements definiert werden kann. Somit lässt sich der Gradient des elektrischen Potentials, der der elektrischen Feldstärke entspricht, ebenfalls anpassen. Vorteilhafterweise wird die Feldstärke zwischen Hochspannungsbauteil und Schirmung so gewählt, dass bei den am Hochspannungsbauteil vorkommenden Spannungen keine Entladung auftritt.
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Die Feldstärke am Hochspannungsbauteil wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung verringert und die Feldstärke an der Schirmung sowie deren Potential wird erhöht. Da die Schirmung eine größere Krümmung der Oberfläche als das Hochspannungsbauteil aufweist, ist die Feldstärke an der Schirmung – selbst bei annähernd gleichem Potential – kleiner als an dem Hochspannungsbauteil. Es ergibt sich eine homogenere Feldverteilung, der Feldnutzungsfaktor steigt und die Gefahr von Entladungen oder Spannungsdurchschlägen wird vermindert.
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Zudem wird durch die geringeren Maximalwerte der elektrischen Feldstärke am Hochspannungsbauteil die Durchschlagfestigkeit von um das Hochspannungsbauteil eingebrachten Isoliermedien (zum Beispiel SF6, Luft, Öl oder Silikongel) besser ausgenutzt. Eine elektrische Entladung erfolgt somit erst bei höheren am Hochspannungsbauteil anliegenden Spannungen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann das Kopplungselement zumindest ein Elektrodenpaar aufweisen. Das Elektrodenpaar kann dabei zum Beispiel durch Kugelelektroden oder Plattenelektroden gebildet werden. Eine solche Anordnung ist technisch einfach und kostengünstig herzustellen. Über den bei der Konstruktion festzulegenden Elektrodenabstand kann eine Kopplungsstärke des Kopplungselements und damit ein relatives Potential der Schirmung bezogen auf das Hochspannungsbauteil eingestellt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Schirmung, insbesondere durch einen Luftspalt, von dem Hochspannungsbauteil beabstandet. Diese Anordnung kann gewählt werden, wenn das Hochspannungsbauteil keinen dieses umgebenden Isolator aufweist und deshalb die leitende Schirmung keinen direkten Kontakt mit dem Hochspannungsbauteil besitzen soll.
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Generell kann ein Spalt bzw. Zwischenraum immer vorgesehen werden, da bei konstantem Potential der Schirmung und größer werdendem Abstand der Schirmung zum Hochspannungsbauteil die Feldstärke in dem Zwischenraum verringert wird. Somit verringert sich die Gefahr elektrischer Durchschläge an dem Hochspannungsbauteil.
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Der Zwischenraum kann mit Luft aber auch mit anderen fluiden Isoliermedien (zum Beispiel SF6, Öl, Silikongel) oder festen Isolatoren gefüllt sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Schirmung kugelförmig oder zylinderförmig ausgebildet sein. Diese radialsymmetrische Anordnung, insbesondere mit dem Hochspannungsbauteil im Zentrum, erzeugt eine radialsymmetrische Feldverteilung, ohne unerwünschte Maxima des elektrischen Feldes die Durchschläge auslösen können.
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Die zylinderförmige Ausführung wird bei länglichen Hochspannungsbauteilen verwendet, wohingegen bei im Vergleich zu der Schirmung kleinen oder kugelförmigen Hochspannungsbauteilen die kugelförmige Anordnung gewählt werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Kopplungselement von einem Isolator umgeben. Dadurch werden die im Kopplungselement auftretenden hohen Feldstärken zu dem Hochspannungsbauteil und zu dem Schirm hin abgeschirmt. Zudem kann das Kopplungselement bei der Verwendung eines Isolators mit einer höheren Spannung beaufschlagt werden, sodass der Einsatz des Kopplungselements bei höheren Spannungen des Hochspannungsbauteils möglich wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann zwischen dem Elektrodenpaar des Kopplungselements ein Isolator oder ein Dielektrikum eingebracht sein. Auch die Einbringung sowohl eines Isolators als auch eines Dielektrikums kann vorteilhaft sein. Durch das Dielektrikum wird die Kopplungsstärke vergrößert, d.h. bei gleichem Elektrodenabstand wird das relative Potential der Schirmung erhöht. Der Isolator hingegen verhindert einen Spannungsüberschlag zwischen den Elektroden des Kopplungselements. Somit kann die maximale für das Kopplungselement zulässige Betriebsspannung erhöht werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Schirmung durch das Kopplungselement an dem Hochspannungsbauteil befestigt sein. Für das Kopplungselement kann ein steifes Material, zum Beispiel ein elektrisch isolierendes Keramik- oder Epoxidmaterial in das die Elektroden eingebettet sein können, verwendet werden. Verfügt dieses über die nötige mechanische Steifigkeit um die Schirmung zu halten, kann auf zusätzliche Halteelemente, die die Feldverteilung negative beeinflussen können, verzichtet werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Schirmung das Hochspannungsbauteil vollständig umgeben. Dadurch weist das elektrische Feld keine Bereiche auf, in denen eine inhomogene Feldverteilung durch die Ränder der Schirmung entstehen kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hält das Potential der Schirmung über dem (freien) Potential der Schirmung ohne Kopplungselement. Auf diese Weise kann die Feldstärke an dem Hochspannungsbauteil verringert werden, wobei zugleich die zwischen den Elektroden des Kopplungselements auftretenden Feldstärken durch geeignete Isolatoren aufgenommen werden können.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Hochspannungsbauteil außerhalb der Schirmung eine mit einem Erdpotentialanschluss versehene Wandung aufweisen, die zu der Schirmung beabstandet sein kann, wobei insbesondere der Raum zwischen der Schirmung und der Wandung mit einem fluiden Isoliermedium gefüllt sein kann. Die Wandung kann die Schirmung auch vollständig umgeben. Durch die Position der Wandung kann die Feldverteilung außerhalb der Schirmung beeinflusst werden. Der Abstand der Wandung kann vorteilhafterweise so ausgelegt sein, dass zwischen der Wandung und der Schirmung keine Spannungsdurchschläge auftreten.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann zwischen Wandung und Schirmung ein zweites Kopplungselement vorgesehen sein. Durch das zweite Kopplungselement kann das kapazitive Spannungsteilungsverhältnis besser definiert werden als es sich aus der Streukapazität zwischen Wandung und Schirmung ergeben würde. Somit kann sichergestellt werden, dass die elektrische Feldstärke weder am Hochspannungsbauteil noch an der Schirmung zu elektrischen Entladungen führt.
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Ist sowohl zwischen Hochspannungsbauteil und Schirmung als auch zwischen Schirmung und Wandung zumindest je ein Kopplungselement vorgesehen, so wird von einer kapazitiven Vollsteuerung gesprochen. Durch diese können Streukapazitäten zwischen Hochspannungsbauteil, Schirmung und Wandung vernachlässigbar klein werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Hochspannungsbauteilanordnung mit zumindest zwei Hochspannungsbauteilen, wobei jeweils eine Schirmung für jedes Hochspannungsbauteil vorgesehen ist, die das Hochspannungsbauteil zumindest bereichsweise umgibt. Die Hochspannungsbauteilanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest zwei Hochspannungsbauteile sowie zumindest ein Hochspannungsbauteil mit zumindest einer Schirmung über jeweils ein insbesondere kapazitives Kopplungselement verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich auch Streukapazitäten und Spannungsdurchbrüche zwischen den einzelnen Hochspannungsbauteilen minimieren.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Hochspannungsbauteils mit gekoppelter Schirmung.
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2 zeigt den Verlauf des elektrischen Potentials an einem Hochspannungsbauteil nach dem Stand der Technik sowie an einem erfindungsgemäßen Hochspannungsbauteil mit gekoppelter Schirmung.
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3 zeigt den Verlauf der elektrischen Feldstärke an einem Hochspannungsbauteil nach dem Stand der Technik sowie an einem erfindungsgemäßen Hochspannungsbauteil mit gekoppelter Schirmung.
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Ein in 1 dargestelltes Hochspannungsbauteil 10 ist mittels eines Kopplungselements 12 mit einer Schirmung 14 verbunden. Das Kopplungselement 12 weist einen Isolator 16 (zum Beispiel aus Keramik, Epoxid oder Silikon) auf, in dessen Inneren ein Elektrodenpaar 18 (aufweisend zwei Elektroden 19a und 19b) angeordnet ist. Die Elektrode 19a liegt dabei auf dem Potential des Hochspannungsbauteils 10 mit dem sie elektrisch verbunden ist, die Elektrode 19b liegt auf dem Potential der mit ihr elektrisch verbundenen Schirmung 14. Zwischen den Elektroden 19a und 19b erstreckt sich der Isolator 16, zudem ist dort ein Dielektrikum 20 eingebracht.
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Die Schirmung 14 ist mittels des Kopplungselements 12 an dem Hochspannungsbauteil 10 befestigt und wird von diesem mechanisch an seiner Position gehalten. Die durch das Gewicht der Schirmung 14 oder des Hochspannungsbauteils 10 auftretenden Kräfte werden dabei insbesondere von dem Isolator 16 aufgenommen.
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Die zylinderförmig um das Hochspannungsbauteil 10 angeordnete Schirmung 14 ist zu dem Hochspannungsbauteil 10 beabstandet und umgibt dieses vollständig, so dass ein Luftspalt 22 gebildet ist. Neben Luft können in den Luftspalt 22 auch andere fluide Isoliermedien wie zum Beispiel SF6 oder Öl eingebracht werden.
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Das Hochspannungsbauteil 10 weist weiterhin eine Wandung 24 auf, die über einen Erdpotentialanschluss 26 verfügt. Die Wandung ist aus einem leitenden Material gebildet und wird durch den Erdpotentialanschluss 26 auf Erdpotential gezogen. Zwischen der Schirmung 14 und der Wandung 24 ist ein fluides Isoliermedium 28, wie zum Beispiel Luft, SF6 oder Öl, eingebracht.
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Im Betrieb befindet sich das Hochspannungsbauteil 10 auf einem Hochspannungspotential und zieht damit die mit ihm verbundene Elektrode 19a des Elektrodenpaars 18 auch auf das Hochspannungspotential. Um die Elektrode 19a bildet sich folglich ein elektrisches Feld, das das Potential der mit der Schirmung verbundenen Elektrode 19b erhöht. Durch den zwischen dem Elektrodenpaar 18 befindlichen Isolator 16 wird ein Spannungsüberschlag zwischen den beiden Elektroden 19a und 19b verhindert. Das eingebrachte Dielektrikum 20 erhöht zusätzlich das Potential der mit der Schirmung 14 verbundenen Elektrode 19b sowie das der Schirmung 14 selbst.
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Durch die auf einem höheren Potential als dem freien Potential liegende Schirmung (siehe auch 2) sinkt eine elektrische Feldstärke E an dem Hochspannungsbauteil 10 (siehe 3), die Durchschlagfestigkeit des fluiden Isoliermediums in dem Luftspalt 22 wird besser ausgenutzt und das Hochspannungsbauteil 10 kann bei höheren Spannungen betrieben werden.
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2 zeigt ein Diagramm, in welchem der Verlauf eines elektrischen Potentials Φ in der Umgebung des Hochspannungsbauteils 10 in Abhängigkeit von einem Abstand x zu dem Hochspannungsbauteil 10 dargestellt ist. Der Verlauf ohne Kopplungselement 12 ist dem Verlauf mit Kopplungselement 12 gegenübergestellt. Ein Hochspannungsbauteil 10 mit Schirmung 14 aber ohne Kopplungselement 12 ist aus dem Stand der Technik bekannt.
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Ein Graph 30 zeigt dabei den Verlauf des elektrischen Potentials Φ ohne Kopplungselement 12, der ab einer Oberfläche des Hochspannungsbauteils 10 bis zur metallischen Wandung 24 stetig sinkt. Die metallische Wandung 24 liegt auf Erdpotential, welches durch einen Punkt 33 gekennzeichnet ist. Ein dem Potential Φ auf der Oberfläche des Hochspannungsbauteils 10 entsprechender Punkt des Graphen 30 ist mit 32, ein das (freie) Potential der Schirmung 14 repräsentierender Punkt ist mit 34 bezeichnet. Der identische Verlauf wie in 30 ergibt sich bei einer Ausführung ohne Schirmung.
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2 zeigt anhand eines Graphen 40 ebenfalls den Verlauf des elektrischen Potentials Φ in Abhängigkeit von dem Abstand x von einem erfindungsgemäßen Hochspannungsbauteil 10 mit Kopplungselement 12 und Schirmung 14 zur Wandung 24. Der Graph 40 fällt dabei bis zur Wandung 24 auf das durch den Punkt 33 gekennzeichnete Erdpotential ab.
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Der Graph 40 weist einen Unstetigkeitspunkt 42 auf, welcher das Potential der Schirmung 14 angibt.
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Die Potentialdifferenz zwischen dem Oberflächenpotential des Hochspannungsbauteils 32 zu dem freien Potential der Schirmung 34 ist deutlich größer als die Potentialdifferenz zu dem Potential der Schirmung 42 mit Kopplungselement 12. Deshalb ist die Steigung des Graphen 40, die der elektrischen Feldstärke E (3) entspricht, an dem Punkt 32 dem Betrag nach geringer, als an dem Punkt 32 des Graphen 30.
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3 zeigt in einem Diagramm die Verläufe der elektrischen Feldstärke E, die sich aus den in 2 gezeigten Potentialverläufen ergeben. Ein Graph 50 stellt den Verlauf der elektrischen Feldstärke E ohne Kopplungselement 12 dar. Ein Maximum der Feldstärke E wird dabei direkt an dem Hochspannungsbauteil 10 erreicht, was durch einen Punkt 52 markiert ist. Danach sinkt die Feldstärke E rasch zur metallischen Wandung 24 ab, dargestellt durch Punkt 53.
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Demgegenüber stellt ein Graph 60 die elektrische Feldstärke E bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Hochspannungsbauteils 10 mit Kopplungselement 12 dar. Die Feldstärke E am Hochspannungsbauteil 10, welche durch einen Punkt 62 gekennzeichnet ist, liegt dabei deutlich unter dem Niveau der Feldstärke E am Punkt 52. Mit steigendem Abstand x zu dem Hochspannungsbauteil 10 nimmt die Feldstärke E stetig ab. An der Schirmung 14 erfolgt ein Sprung 64 der Feldstärke E hin zu höheren Feldstärken E. Danach nimmt die Feldstärke E stetig bis zur metallischen Wandung 24 ab, dargestellt durch Punkt 53.
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Die elektrische Feldstärke E ist an dem Hochspannungsbauteil 10 bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Schirmung 14 mit Kopplungselement 12 deutlich geringer, weshalb die Wahrscheinlichkeit von Durchschlägen oder Entladungen vermindert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochspannungsbauteil
- 12
- Kopplungselement
- 14
- Schirmung
- 16
- Isolator
- 18
- Elektrodenpaar
- 19a
- Elektrode
- 19b
- Elektrode
- 20
- Dielektrikum
- 22
- Luftspalt
- 24
- Wandung
- 26
- Erdpotentialanschluss
- 28
- fluides Isoliermedium
- 30
- Graph
- 32
- Oberflächenpotential des Hochspannungsbauteils
- 33
- Erdpotential
- 34
- freies Potential der Schirmung
- 40
- Graph
- 42
- Potential der Schirmung
- 50
- Graph
- 52
- Feldstärke an dem Hochspannungsbauteil
- 53
- Feldstärke an der Oberfläche der Wandung
- 60
- Graph
- 62
- Feldstärke an dem Hochspannungsbauteil
- 64
- Sprung der Feldstärke
- E
- elektrische Feldstärke
- Φ
- elektrisches Potential
- x
- Abstand
