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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsvorrichtung mit einem beidseitig gasdicht abgeschlossenen zylindrischen Hohlleiter, einem sich in einer Längsrichtung um den Hohlleiter erstreckenden Isolierkörper und einer Kühlflüssigkeit in einem Innenraum des Hohlleiters.
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Eine solche Hochspannungsvorrichtung ist aus der
DE 10 2011 003 592 A1 bekannt. Die bekannte Hochspannungsvorrichtung ist eine Hochspannungsdurchführung. Sie dient dazu, den Hohlleiter, der sich im Betrieb auf einem Hochspannungspotenzial befindet, gegenüber einer Wandung auf Erdpotenzial zu isolieren. Der Isolierkörper der bekannten Hochspannungsvorrichtung ist dazu als ein harzimprägnierter Wicklungskörper ausgebildet. Der Wicklungskörper umfasst Isolierlagen aus einem elektrisch isolierenden Material, die voneinander durch elektrisch leitende Steuereinlagen getrennt sind. Die Wandung ist beispielsweise Teil einer Hochspannungsanlage, beispielsweise einer Schaltanlage oder eines Transformators. Bei hohen Strömen durch den Hohlleiter können durch Wärmeverluste Erwärmungen am Hohlleiter und Isolierkörper auftreten, die zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Hochspannungsvorrichtung führen können. Zur Reduzierung von Temperaturgradienten im Hohlleiter und für einen verbesserten Wärmetransport ist eine Kühlflüssigkeit im Inneren des Hohlleiters vorgesehen. Die Kühlflüssigkeit kann im Inneren des Hohlleiters an heißen Orten verdampfen und anschließend an kühlen Orten kondensieren. Auf diese Weise wird nach dem Prinzip einer Heat Pipe der Wärmetransport ermöglicht. Dem Hochspannungsleiter wird an seinen heißen Stellen Wärme entnommen, die an kälteren Stellen wieder abgegeben wird. Bei der bekannten Hochspannungsvorrichtung wird vorgeschlagen, etwa hundert Milliliter der Kühlflüssigkeit zu verwenden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochspannungsvorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die eine möglichst effiziente Kühlung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Hochspannungsvorrichtung dadurch gelöst, dass für das Volumen V der Kühlflüssigkeit gilt, dass V > c·U·L ist, wobei c eine Längenkonstante mit einem Wert von 0,1 mm, U ein Innenumfang des Hohlleiters in mm und L eine axiale Länge des Hohlleiters in mm sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Hochspannungsvorrichtung ist das Problem adressiert, dass die Menge beziehungsweise das Volumen der Flüssigkeit an die Geometrie des Hohlleiters angepasst sein muss, um eine möglichst effiziente Kühlung zu ermöglichen.
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Es muss gewährleistet sein, dass eine genügend hohe Menge an Dampf entsteht, wenn sich die Hochspannungsvorrichtung auf Betriebstemperaturen erwärmt. Das Mindestvolumen muss demnach so hoch gewählt sein, dass eine geeignete Menge an durch Verdampfen der Kühlflüssigkeit entstehendem Kühldampf vorhanden ist.
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Zudem muss berücksichtigt werden, dass eine gewisse Menge an Kühlflüssigkeit sich in Spalten, Vertiefungen und Ritzen innerhalb des Hohlleiters festsetzt. Dieser Teil der Kühlflüssigkeit verbleibt dauerhaft dort und steht für die Kühlfunktion nicht mehr zur Verfügung. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Hohlleiter eine unebene Innenoberfläche aufweist. Beispielsweise kann die Innenoberfläche des Hohlleiters in Längsrichtung verlaufende Rillen aufweisen, die für einen verbesserten Rückfluss der kondensierten Kühlflüssigkeit sorgen. Diese Unebenheiten der Innenoberfläche des Hohlleiters müssen bei der Bestimmung des Innenumfangs U berücksichtigt werden.
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Aus eigenen Untersuchungen geht es nun hervor, dass ein Mindestvolumen der Kühlflüssigkeit aus dem Innenumfang und der Länge des Hohlleiters bestimmbar ist. Wird das Volumen der Kühlflüssigkeit so gewählt, dass das durch die Gleichung Vmin = c·U·L definierte Mindestvolumen überschritten ist, so kann eine möglichst gute Kühlwirkung erreicht werden. Bei einem gegebenen Profil der Innenoberfläche des Hohlleiters und bei einer gegebenen Länge des Hohlleiters ist damit genügend Kühlflüssigkeit vorhanden, um die erwünschte Kühlwirkung zu erzielen. Als für die Kühlung relevante Betriebstemperaturen der Hochspannungsdurchführung werden dabei typischerweise Temperaturen (des Hohlleiters) zwischen 60°C und 120°C angenommen.
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Für manche Anwendungen wird als vorteilhaft angesehen, wenn das Volumen V mindestens einen Liter beträgt. Bei diesem Volumen der Kühlflüssigkeit kann beispielsweise bei Anwendungen im Spannungsbereich von über 100 kV gewährleistet werden, dass der Innenraum des Hohlleiters bei Betriebstemperatur mit dem Kühldampf gesättigt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gilt für das Volumen V, dass V > s·c·U·L ist, wobei s ein Sicherheitsfaktor mit einem Wert zwischen zwei und drei ist. Mit dem Sicherheitsfaktor soll die Menge der Kühlflüssigkeit zusätzlich erhöht werden. Durch die Verwendung des Sicherheitsfaktors bei der Bestimmung des Volumens der Kühlflüssigkeit kann trotz möglichen Verbleibes der Kühlflüssigkeit in Unebenheiten, beispielsweise an Schweißstellen und/oder in Hinterschneidungen an der Innenoberfläche eine möglichst effiziente Kühlung auch über einen langen Zeitraum gewährleistet werden.
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Vorzugsweise ist das Volumen V derart bemessen, dass die Kühlflüssigkeit einen Film von mindestens 0,1 mm, besonders bevorzugt 0,2 mm Höhe über eine gesamte Innenoberfläche des Hohlleiters bilden kann. Auf diese Weise wird unter Berücksichtigung der Struktur der Innenoberfläche des Hohlleiters sicher gestellt, dass eine ausreichende Benetzung der Innenoberfläche durch die kondensierte Kühlflüssigkeit erreichbar ist. Die Innenoberfläche kann als Produkt der Länge des Hohlleiters und einer axialen Querschnittsfläche bestimmt werden.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der Innenraum des Hohlleiters vor dem Einfüllen der Kühlflüssigkeit evakuiert wird, wobei durch das Evakuieren ein Druck von höchstens 10–1 mbar, besonders bevorzugt 10–2 mbar im Innenraum des Hohlleiters erreicht wird. Durch das Evakuieren können vorteilhaft Verunreinigungen des Innenraumes durch Fremdstoffe verhindert oder zumindest minimiert werden. Verunreinigungen können eine Beeinträchtigung der Kühlfunktion bewirken. In diesem Zusammenhang stellt auch Restluft und/oder jede Art von Staub im Innenraum des Hohlleiters eine unerwünschte Verunreinigung dar.
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Es kann von Vorteil sein, wenn die Menge der Kühlflüssigkeit eine Obergrenze nicht überschreitet. Geeigneterweise gilt daher für das Volumen V, dass V < 0,1·VI, besonders bevorzugt V < 0,05·VI, wobei VI das Gesamtinnenvolumen des Innenleiters ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft vermieden, dass bei einer montierten Durchführung die Kühlwirkung durch einen zu hohen Kühlflüssigkeitsstand vermindert wird. Darüber hinaus ist der Nachteil vermieden, dass aufgrund einer hohen Kühlflüssigkeitsmenge das Gewicht der Hochspannungsvorrichtung steigt. Die Obergrenze gilt insbesondere bei einem Innendurchmesser des Innenleiters von über 10 mm.
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Als Kühlflüssigkeit wird für die erfindungsgemäße Hochspannungsvorrichtung bevorzugt destilliertes Wasser verwendet. Denkbar sind jedoch auch andere, bei den angenommenen relevanten Betriebstemperaturen verdampfbare Flüssigkeiten.
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Die Erfindung soll im Folgenden anhand der Figur weiter erläutert werden.
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Die Figur zeigt dabei eine erfindungsgemäße Hochspannungsvorrichtung in schematischer Darstellung.
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Im Einzelnen zeigt die Figur eine Hochspannungsvorrichtung in Form einer Hochspannungsdurchführung 1 in einer schematischen Querschnittsdarstellung. Die Hochspannungsdurchführung 1 umfasst einen Hohlleiter 2 aus Kupfer, der sich durch einen Isolierkörper 3 erstreckt. Der Hohlleiter 2 ist zylindrisch geformt. Eine Längsachse 4 definiert die Symmetrieachse des zylinderförmigen Hohlleiters 2. Der Isolierkörper 3 umgibt den Hohlleiter 2 entlang der Längsachse 4. In der Figur ist zu erkennen, dass der Isolierkörper 3 den Hohlleiter 2 nicht entlang dessen gesamter Länger umgibt. Vielmehr sind ein unteres Ende 5 sowie ein oberes Ende 6 des Hohlleiters 2 aus dem Isolierkörper 3 herausgeführt.
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Der Isolierkörper 3 umfasst elektrisch leitende Steuereinlagen 7 zur kapazitiven Feldsteuerung des Isolierkörpers. Die Steuereinlagen 7 sind voneinander durch Isolierlagen getrennt, die ein harzgetränktes Isoliermaterial, beispielsweise Papier oder Kunststoffvlies umfassen. Außen am Isolierkörper 3 ist ein Befestigungsflansch 8 angeordnet. Der Befestigungsflansch 8 ist dazu eingerichtet, die Hochspannungsdurchführung 1 an einer Wandung einer Hochspannungsanlage zu befestigen.
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Der Hohlleiter 2 ist beidseitig gasdicht abgeschlossen. Dazu weist die Hochspannungsdurchführung 1 eine obere Verschlusskappe 9 und eine untere Verschlusskappe 10 auf, die mit dem Hohlleiter 2 gasdicht verschweißt sind. In einem Inneren des Hohlleiters 2 ist ein Innenraum 11 ausgebildet. In dem Innenraum 11 befindet sich eine Kühlflüssigkeit 12. Die Hochspannungsdurchführung 1 weist ferner eine Einfüllöffnung 13, die in der oberen Verschlusskappe 9 ausgebildet ist. Zum Verschluss der Einfüllöffnung 13 ist ein Verschluss 14 ausgebildet.
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Bei der Herstellung der Hochspannungsdurchführung 1 wird die Einfüllöffnung 13 dazu verwendet, dem Innenraum 11 zu evakuieren, bis der Druck im Innenraum 11 den Wert von 10–2 bar unterschreitet. Anschließend wird die Einfüllöffnung dazu verwendet, die Kühlflüssigkeit 12 in den Innenraum 11 einzufüllen.
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Die Kühlflüssigkeit 12 weist ein Volumen V auf. Das Volumen V wird wie folgt bestimmt. Zunächst wird ein Innenumfang des Holleiters gemäß der Gleichung U = 2·π·R bestimmt, wobei R ein Innenradius des im vorliegenden Ausführungsbeispiel zylindrischen Hohlleiters 2 ist. Im vorliegenden Beispiel ist R = 140 mm.
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Die Länge des Hohleiters 2 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 1600 mm. Zudem wird ein Sicherheitsfaktor von s = 2 gewählt, so dass für das Volumen V schließlich die Forderung gilt, dass V größer als 280 ml zu wählen ist, wobei der berechnete Wert in ml aufgerundet wurde. Das Gesamtinnenvolumen des Innenleiters ist in diesem Fall VI ≈ 98,5 l. Daher sollte die Wassermenge vorzugsweise den Werte 0,05·VI ≈ 4,9 l nicht übersteigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011003592 A1 [0002]
