DE102020202688A1

DE102020202688A1 - Isolationsmedium für eine Elektroenergieübertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE102020202688A1
Application number: DE102020202688.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2021-09-09
Also published as: WO2021175537A1; JP2023516043A; US20230110903A1; EP4078642A1; KR20220144870A; CN115244642A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Isolationsmedium für eine Elektroenergieübertragungseinrichtung, wobei das Isolationsmedium (13) bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ein Fluid ist, und wobei das Isolationsmedium (13) wenigstens die folgenden Bestandteile aufweist:- synthetische Luft in einem Gehalt von ≥ 50 Vol.-% bis ≤ 99 Vol.-%; und- eine organische Fluorverbindung in einem Gehalt von ≥ 1 Vol.-% bis ≤ 50 Vol.-%.

Description

Die Erfindung betrifft ein Isolationsmedium für eine Elektroenergieübertragungseinrichtung, wie etwa für einen Hochspannungsschalter oder einen fluidisolierten Rohrleiter, wobei das Isolationsmedium bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ein Fluid ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Elektroenergieübertragungseinrichtung, die ein derartiges Isolationsmedium aufweist.
Elektroenergieübertragungseinrichtungen, wie etwa gasisolierte Rohrleiter oder Hochspannungsschalter beziehungsweise Leistungsschalter, sind auf dem Gebiet weitläufig bekannt. Sie dienen dazu, hohe Ströme zu führen beziehungsweise zu trennen. Bei Hochspannungsschaltern sind meist Kontaktelemente vorgesehen, welche in Kontakt bringbar sind, um eine elektrische Verbindung zu ermöglichen, und welche getrennt werden können, um eine elektrische Verbindung beziehungsweise einen elektrischen Strom trennen zu können. Rohrleiter umfassen meist einen in einer isolierenden Atmosphäre befindlichen Leiter.
Bei einem Trennen der Kontaktelemente oder auch bei einem Zusammenführen der Kontaktelemente kann es zu einem Lichtbogen kommen. Lichtbögen können das Material der Kontaktelemente belasten und so zu einer Beschädigung dieser führen.
Um dies zu verhindern, ist es bekannt, die Kontaktelemente in einem Isolationsmedium anzuordnen. Dieses kann beispielsweise gasförmig ausgestaltet sein und einen Isolationsraum ausfüllen, in dem die Kontaktelemente angeordnet sind. Ferner sind zur Verhinderung von Lichtbögen Vakuum-Leistungsschalter bekannt.
DE 10 2017 220 570 A1 betrifft ein Isolationsmedium für eine Elektroenergieübertragungseinrichtung, wobei das Isolationsmedium bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ein Fluid ist, und wobei das Isolationsmedium wenigstens die folgenden Bestandteile aufweist:

- synthetische Luft in einem Gehalt von ≥ 50 Vol.-% bis ≤ 99 Vol.-%; und
- eine organische Fluorverbindung in einem Gehalt von ≥ 1 Vol.-% bis ≤ 50 Vol.-%.

Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere hinsichtlich einer möglichen Langzeitstabilität und Langzeitfunktionalität der Kontaktelemente und des Isolationsmediums selbst.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche die Langzeitstabilität beziehungsweise Langzeitfunktionalität und Isolationsgüte von Elektroenergieübertragungseinrichtungen verbessert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Isolationsmedium für eine Elektroenergieübertragungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner durch eine Verwendung eines Isolationsmediums als elektrisch isolierende Atmosphäre in einer fluidisolierten Elektroenergieübertragungseinrichtung nach Anspruch 6. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner durch eine fluidisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder in den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Es wird ein Isolationsmedium für eine Elektroenergieübertragungseinrichtung vorgeschlagen, wobei das Isolationsmedium bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ein Fluid ist, und wobei das Isolationsmedium wenigstens die folgenden Bestandteile aufweist:

- Stickstoff in einem Gehalt von ≥ 75 Vol.-% bis ≤ 99 Vol.-%; und
- wenigstens eine organische Fluorverbindung in einem Gehalt von ≥ 1 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-%, wobei
- Sauerstoff in dem Isolationsmedium in einem Gehalt von < 0,5 Vol.-% vorliegt.

Ein vorbeschriebenes Isolationsmedium erlaubt eine sichere Reduzierung oder Löschung eines Lichtbogens in einem Hochspannungsschalter und erlaubt dabei einen langzeitstabilen beziehungsweise langzeitfunktionalen Betrieb des Hochspannungsschalters und ist ferner als isolierende Atmosphäre in einem fluidisolierten Rohrleiter besonders vorteilhaft geeignet.
Das hier beschriebene Isolationsmedium dient insbesondere dem Einsatz in einer Elektroenergieübertragungseinrichtung. Als solche kann beispielsweise ein Hochspannungsschalter oder auch ein fluidisolierter Rohrleiter Verwendung finden. Unter einem Hochspannungsschalter kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Schaltgerät verstanden werden, welches einen elektrischen Leiter aufweist, der durch entsprechende Kontaktelemente geöffnet oder geschlossen werden kann und somit einen Stromfluss erlauben oder unterbrechen kann. Der Hochspannungsschalter kann dabei zum Führen von hohen Strömen beziehungsweise dem Anliegen einer hohen Spannung geeignet sein, wobei bei einem Trennen beziehungsweise beim Öffnen der Kontakte Lichtbögen auftreten können.
Beispielhafte Ströme, welche durch einen Leistungsschalter eines Hochspannungsschalters getrennt werden können, können in einem Bereich von bis zu 80.000 A liegen. Ferner können an dem Schaltgerät Spannungen in einem Bereich von bis zu 800.000 V anliegen.
Ferner kann unter einem fluidisolierten Rohrleiter insbesondere ein Leiter verstanden werden, bei dem übliche Betriebsspannungen von etwa bis 500 kV mit Nennströmen pro Leiter bis etwa 5 kA vorliegen können. Dabei kann der Leiter in einem Außenrohr vorliegen, wobei in dem Außenrohr und den Leiter umgebend eine isolierende Atmosphäre vorliegt und wobei zur mechanischen Stütze des Leiters Stützisolatoren vorliegen können.
Insbesondere soll das Isolationsmedium somit dazu dienen, ein in der Elektroenergieübertragungseinrichtung, insbesondere dem Hochspannungsschalter oder auch Trenn- oder Erdungsschalter, auftretendes Volumen zu isolieren und gegebenenfalls einen auftretenden Lichtbogen, der insbesondere bei dem Trennen aber auch beim Schließen von Kontaktelementen auftreten kann, zu löschen beziehungsweise eine ausreichende Isolation in dem Rohrleiter sicherstellen zu können.
Um dies zu bewirken ist es bezüglich des Isolationsmediums vorgesehen, dass dieses bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck, etwa in einem Bereich von Atmosphärendruck bis 10 bar (absolut) ein Fluid ist, beispielsweise gasförmig ist. Unter Raumtemperatur wird ferner im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Temperatur von 22°C verstanden, wohingegen unter Atmosphärendruck ein Druck von 1bar verstanden wird und grundsätzlich genannte Drücke als Absolutwerte zu verstehen sind. Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass das Isolationsmedium auch unter den Betriebsbedingungen ein Fluid, beispielswiese gasförmig, ist, also etwa unter einem erhöhten Druck und/oder einer erhöhten oder erniedrigten Temperatur, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
Durch das Vorsehen eines fluiden Isolationsmediums kann es besonders einfach ermöglicht werden, dass das Isolationsmedium in einen Isolationsraum des Hochspannungsschalters oder Rohrleiters eingebracht wird und dort verbleibt. Dadurch kann das Isolationsmedium Kontaktelemente vollständig umgeben, zwischen denen bei einem Trennen beziehungsweise Schließen ein Lichtbogen entstehen kann oder auch einen Leiter in einem Rohrleiter. Somit kann grundsätzlich dem Entstehen eines Lichtbogens entgegengewirkt beziehungsweise ein Löschen des Lichtbogens effektiv unterstützt werden beziehungsweise kann eine effektive Isolation des Leiters bewirkt werden.
Grundsätzlich kann durch das Vorsehen eines gasförmigen Isolationsmediums eine einfache Handhabbarkeit etwa bei einem Einbringen in den Isolationsraum, bei einem Halten in dem Isolationsraum und gegebenenfalls bei einem Austauschen ermöglicht werden.
Schließlich kann insbesondere bei einem gasförmigen Isolationsmedium durch das Ausbilden eines geeigneten Überdrucks in dem Isolationsraum die Menge an in dem Isolationsraum vorhandenem Isolationsmedium auf einfache Weise angepasst werden und so das Isoliervermögen an das gewünschte Anwendungsgebiet maßgeschneidert werden.
Darüber hinaus ist es bei dem hier beschriebenen Isolationsmedium vorgesehen, dass das Isolationsmedium wenigstens die folgenden Bestandteile aufweist:

Beispielsweise kann das Isolationsmedium aus Stickstoff und der wenigstens einen organischen Fluorverbindung in den vorgenannten Anteilen bestehen, wobei etwaige Unreinheiten beziehungsweise Verunreinigungen der Substanzen oder grundsätzlich andere Substanzen zu beachten sind und etwa in einem Gehalt von < 0,1 Vol.-%, beispielsweise in einem Gehalt von < 0,01 Vol.-%, vorliegen können.
Charakteristisch bei diesem Isolationsmedium ist somit insbesondere seine Zusammensetzung, die insbesondere im Wesentlichen aus Stickstoff und der organischen Fluorverbindung bestehen kann. Insbesondere im Vergleich zu Lösungen aus dem Stand der Technik wird somit nicht oder nur sehr begrenzt synthetische Luft oder Kohlendioxid zusätzlich zu der organischen Fluorverbindung verwendet, sondern vielmehr möglichst reiner Stickstoff. Diesbezüglich kann es besonders bevorzugt sein, wenn Sauerstoff und Wasser gemeinsam in dem Isolationsmedium in einem Gehalt vorliegen von ≤ 0,1 Vol.-%, beispielsweise ≤ 0,01 Vol.-%, beispielsweise von ≤ 1 Vol.-ppm, etwa von ≤ 0,5 Vol.-ppm, oder das Isolationsmedium auch vollständig frei von Sauerstoff und Wasser vorliegt.
Grundsätzlich kann es für besonders effektive Vorteile wie nachfolgend beschrieben vorgesehen sein, dass das Isolationsmedium aufweist:

- Stickstoff in einem Gehalt von ≥ 94 Vol.-% bis ≤ 97 Vol.-%, beispielsweise von 95 Vol.-%; und
- wenigstens eine organische Fluorverbindung in einem Gehalt von ≥ 3 Vol.-% bis ≤ 7 Vol.-%, beispielsweise von 5 Vol.-%, wobei

Die hier beschriebene Ausgestaltung des Isolationsmediums kann gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen deutliche Vorteile aufweisen.
Insbesondere gegenüber Lösungen, die synthetische Luft in dem Isolationsmedium aufweisen kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Langzeitstabilität beziehungsweise eine verbesserte Langzeitfunktionalität ermöglicht werden. Denn es konnte gefunden werden, dass gegenüber sauerstoffhaltigen und insbesondere wasserhaltigen Gasgemischen mit insbesondere Fluornitril-Anteilen insbesondere die Gefahr von Korrosionsmechanismen, die begrenzend in Bezug auf die Lebensdauer von Schaltanlagen sein können, deutlich verringert werden kann. Zudem ist bei Schaltfällen mit hohem Energieeintrag (z.B. Störlichtbogen, Kurzschlusseinschaltungen) erfindungsgemäß das Risiko der Brennbarkeit, insbesondere bei Fluornitril-Anteilen größer oder gleich 5%, deutlich reduziert.
Hinsichtlich der vorgenannten Korrosionsmechanismen, welche erfindungsgemäß verhindert oder zumindest signifikant reduziert werden können, sei folgendes erwähnt.
Bei Isoliermedien gemäß des Standes der Technik, die ein Fluornitril und ein oxidierend wirkendes Trägergas, wie etwa Sauerstoff, und gegebenenfalls Wasser umfassen, konnte gefunden werden, dass sich auf den Oberflächen der stromführenden Komponenten Verbindungen zwischen dem Material der Komponente (in der Regel Kupfer oder Silber) und dem oxidierend wirkenden Trägergases (in der Regel Sauerstoff) bilden. Es handelt sich dabei also in der Regel um Metallkomplexe, insbesondere Oxide, auf der Oberfläche der leitenden Komponenten, die wiederum eine Reaktion mit der organischen Fluorverbindung, insbesondere Fluornitril, eingehen.
Dies führt dazu, dass der Bestandteil der organischen Fluorverbindung, wie etwa Fluornitril, aus dem Isoliermedium zersetzt wird und das Isoliermedium nach und nach an isolierend wirkender organischer Fluorverbindung verarmt. Somit werden die elektrisch isolierende Wirkung und die Löschwirkung des Isoliermediums durch den beschriebenen Alterungsprozess zunehmend verschlechtert.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung des hier beschriebenen Isolationsgases die Bildung von Metallkomplexen beziehungsweise die Oxidbildung an der Oberfläche unterbindet beziehungsweise so stark reduziert, dass eine Reaktion mit der Fluorverbindung, insbesondere mit Nitrilgruppen von Fluornitril, an der Oberfläche der Komponenten nachhaltig reduziert wird und somit die Alterungseigenschaften des Isoliermediums deutlich verbessert sind.
Unter stromführenden Komponenten werden die Komponenten in der Schaltanlage verstanden, die zur Führung von elektrischem Strom dienen, dies sind insbesondere die Kontakte und die elektrischen Zuleitungen.
Aber auch gegenüber CO₂-haltigen Gasgemischen können erfindungsgemäß verbesserte Eigenschaften ermöglicht werden. Beispielsweise kann eine verbesserte Langzeitdichtigkeit ermöglicht werden. Dies deshalb, da bei dem hier beschriebenen Isolationsmedium Permeationsmechanismen, etwa an elastomeren Dichtungsmaterialien, deutlich reduziert sind, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben. Darüber hinaus neigen Isolationsmedien gemäß der vorliegenden Erfindung in Trenn- und Erdungsschaltern nicht signifikant zu einer Rußbildung, was in Kombination mit Vakuumleistungsschaltern die Langzeitfunktionalität beziehungsweise Langzeitstabilität ebenfalls verbessern kann.
Somit kann es durch ein hier beschriebenes Isolationsmedium insbesondere in Kombination mit Vakuumleistungsschaltern es ermöglicht werden, dass in Trenn- und Erdungsschaltern ein effektives Löschen eines Lichtbogens ermöglicht wird und ferner ein langzeitstabiler Betrieb auch bei mehreren Schalthandlungen des Hochspannungsschalters ermöglicht wird, beziehungsweise dass eine effektive Isolation eines Leiters in einer Außenwandung eines Rohrleiters ermöglicht wird.
Weiterhin kann es durch Isolationsmedien, welches Stickstoff und eine oder mehrere fluororganische Komponenten in den vorstehend beschriebenen Mengen aufweisen, und wobei auf Sauerstoff und insbesondere Wasser im Wesentlichen verzichtet wird, ermöglicht werden, dass eine verbesserte Langzeitdichtigkeit von Schaltgeräten oder auch in Rohrleitern ermöglicht wird, wie vorstehend bereits angedeutet war. Dies kann insbesondere darin begründet sein, dass bezogen auf gängige Polymere, welche meist als Dichtmaterialien verwendet werden, das Isolationsmedium eine vergleichsweise geringe Permeationsrate aufweist. Insbesondere weist Stickstoff durch gängige Polymere eine besonders geringe Permeationsrate auf. Beispielhafte Polymere als Dichtungsmaterialien umfassen etwa EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk), CR (Chloropren-Kautschuk), IIR (Isobuten-Isopren-Kautschuk), SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk) oder FKM (Fluor-Polymer-Kautschuk). Dadurch kann es begünstigt werden, dass das Isolationsmedium auch bei einem Überdruck sicher und langzeitstabil in dem Isolationsraum verbleibt, ohne dass aufwändige Dichtmaterialien beziehungsweise Dichtanordnungen verwendet werden müssten.
Es wird ferner so effektiv möglich, dass auch bei einem einfachen Aufbau des Isolationsraums dieser mit einem Überdruck betrieben werden kann. Dadurch kann die Isolationsfestigkeit bei einfachem Aufbau besonders effektiv gestaltet werden.
Durch das Vorsehen wenigstens einer fluororganischen Verbindung, also einer oder mehreren fluororganischer Verbindungen kann es ferner ermöglicht werden, dass die dielektrische Festigkeit des Isolationsmediums verbessert wird. Dadurch kann die Effektivität einer Isolation besonders hoch sein, insbesondere gegenüber reiner synthetischer Luft oder auch gegenüber reinem Stickstoff.
Dabei kann es bereits ausreichend sein, wenn die fluororganische Verbindung in dem Isolationsmedium in einem Bereich von ≥ 1 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-% vorliegt. Diese Mengen können sich dabei auf den Fülldruck des Isolationsraums beziehen, der bei ≥ 4bar bis ≤10 bar, etwa bei ≥ 6 bar bis ≤8 bar, liegen kann, wobei die vorstehenden Druckwerte als Absolutwerte zu verstehen sind.
Hinsichtlich des Stickstoffs kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass dieser beispielsweise unmittelbar aus der Umgebung der Elektroenergieübertragungseinrichtung gewonnenen oder aus Flaschen entnommenen wird.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die wenigstens eine fluororganische Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fluornitrilen, wie etwa Perfluornitrilen, Fluorethern, wie etwa Hydrofluormonoethern, Fluorolefinen, wie etwa Hydrofluorolefinen, und Fluorketonen, wie etwa Perfluorketonen.
Bevorzugte Fluororganische Verbindungen können Hydrofluoromonoether mit wenigstens drei Kohlenstoffatomen, Fluoroketone mit einer Anzahl von vier bis zwölf Kohlenstoffatomen, beispielsweise fünf oder sechs Kohlenstoffatomen aufweisen.
Weiter bevorzugt kann die fluororganische Verbindung ein Perfluoralkylnitril, wie etwa eine Verbindung ausgewählt aus Perfluoracetonitril, Perfluoropropionitril (C₂F₅CN) , Perfluorobutyronitril (C₃F₇CN) , Perfluoroisobutyronitril (CF₃)₂CFCN), Perfluoro-2-methoxypropannitril (CF₃CF(OCF₃)CN), oder Mischungen hieraus aufweisen, wie diese etwa in WO2015/071303 A1 beschrieben sind. Diese Verbindungen werden generell als Fluornitrile beschrieben.
Es hat sich gezeigt, dass auch in der Verwendung derartiger fluororganischer Verbindungen die dielektrische Festigkeit beziehungsweise die Isolationsgüte besonders hoch sein kann. Dadurch kann die Wirkung des Löschens eines Lichtbogens besonders effektiv sein beziehungsweise kann eine effektive elektrische Isolierung der Kontaktelemente oder des Leiters auch bei hohen Strömen ermöglicht werden.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Isolationsmedium im Wesentlichen frei ist von wenigstens einem, beispielsweise allen von Wasser, Kohlendioxid, und Edelgasen. Beispielsweise kann das Isolationsmedium vollständig frei sein von Wasser, Kohlendioxid und Edelgasen sein. Im Wesentlichen frei soll dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die vorgenannten Stoffe in dem Isolationsmedium in einem Anteil von ≤ 0,1 Vol.-%, beispielsweise von ≤ 1 Vol.-ppm, etwa von ≤ 0,5 Vol.-ppm, oder auch vollständig frei hiervon, enthalten sein können.
In dieser Ausgestaltung können die vorgenannten Korrosionsmechanismen besonders effektiv verhindert werden, so dass die Langzeitbeständigkeit insbesondere in dieser Ausgestaltung, vor allem bei einer Abwesenheit von Wasser, verbessert werden kann. Darüber hinaus ist die Reinheit in dieser Ausgestaltung besonders hoch, so dass definierte und vorhersagbare Eigenschaften des Isolationsmediums vorliegen.
Hochspannungsschaltgeräte auf Basis des erfindungsgemäßen Isolationsmediums insbesondere in Kombination mit Vakuumleistungsschaltern besitzen ferner insbesondere gegenüber der SF₆-Technologie eine verbesserte Lebensdauer, z.B. aufgrund der Zersetzung des Gases durch Schalthandlungen und durch Materialabbrand.
Um diese Vorteile besonders effektiv zu ermöglichen kann es besonders bevorzugt sein, dass das Isolationsmedium aus Stickstoff und wenigstens einer fluororganischen Verbindung besteht. Somit sind außer Stickstoff und wenigstens einer fluororganischen Verbindung im Wesentlichen keine weiteren Substanzen in dem Isolationsmedium vorhanden. Im Wesentlichen soll dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung wiederum insbesondere bedeuten, dass neben den vorgenannten Stoffen in dem Isolationsmedium weitere Stoffe nur enthalten sein sollen in einem Anteil von ≤ 0,1 Vol.-%, beispielsweise von ≤ 1 Vol.-ppm, etwa von ≤ 0,5 Vol.-ppm, oder gänzlich fehlen.
Es ist jedoch ferner im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen, dass das Isolationsmedium weitere Bestandteile aufweist, wie etwa Stickstoffoxide oder Kohlendioxid. Dies jedoch bevorzugt in einem Bereich von maximal 1 Vol.-%, beispielsweise maximal 0,5 Vol.-%.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des Isolationsmediums wird auf die Ausführungen betreffend die Verwendung und die Elektroenergieübertragungseinrichtung wie auch auf die Figur und die Beschreibung der Figur verwiesen und umgekehrt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Isolationsmediums, wie dieses vorstehend im Detail beschrieben ist, als elektrisch isolierende Atmosphäre in einer fluidisolierten Elektroenergieübertragungseinrichtung, etwa in einem Hochspannungsschalter oder als elektrisch isolierende Atmosphäre in einem fluidisolierten Rohrleiter.
Durch die Verwendung des zuvor im Detail definierten Isolationsmediums kann insbesondere eine hohe Isolationsgüte mit einem langzeitstabilen Betrieb der Elektroenergieübertragungseinrichtung kombiniert werden. Ferner kann eine besonders gute Isolationsgüte und Langzeitstabilität der isolierenden Atmosphäre in dem Rohrleiter ermöglicht werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der Verwendung wird auf die Ausführungen betreffend das Isolationsmedium und die Elektroenergieübertragungseinrichtung wie auch auf die Figur und die Beschreibung der Figur verwiesen und umgekehrt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine fluidisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung, aufweisend einen fluiddicht abgeschlossenen Isolationsraum, wobei in dem Isolationsraum oder in einem mit dem Isolationsraum verbindbaren Reservoir ein Isolationsmedium angeordnet ist, wobei das Isolationsmedium ausgestaltet ist, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist.
Unter einer Elektroenergieübertragungseinrichtung kann dabei grundsätzlich jegliche Einrichtung verstanden werden, bei der Energie, insbesondere in Form von Strom, übertragen werden kann.
Besonders bevorzugt kann es im Rahmen der Erfindung sein, dass die Elektroenergieübertragungseinrichtung wenigstens eines von einem Hochspannungsschalter und einem fluidisolierten Rohrleiter aufweist.
Dabei sind ein Hochspannungsschalter beziehungsweise ein fluidisolierter Rohrleiter insbesondere ausgestaltet, wie dies vorstehend und nachfolgend im Detail beschrieben ist.
Entsprechend kann es vorteilhaft sein, dass bei einem Rohrleiter, der meist einen in einer Außenwandung angeordneten und von einer isolierenden Atmosphäre umgebenen Leiter aufweist, eine hohe Isolationsgüte des Leiters ermöglicht wird. Somit ist der den Leiter umgebende und von einer Außenwandung umgebene Raum des Rohrleiters der Isolationsraum, in dem bei einem Rohrleiter bevorzugt permanent das Isolationsmedium enthalten ist.
Bezüglich des Hochspannungsschalters kann es insbesondere von Vorteil sein, dass eine verbesserte Langlebigkeit durch das Verhindern von Korrosionsmechanismen erzielt werden kann.
In an sich bekannter Weise umfasst der Hochspannungsschalter einen auch als Fluidaufnahmeraum bezeichneten Isolationsraum. In diesem ist eine erste Schalteinheit angeordnet, die insbesondere als Erdungsschalter oder als Trennschalter oder als Erdungsschalter und Trennschalter ausgebildet sein kann. Bei einem Trennen von Kontaktelementen der ersten Schalteinheit kann ein Lichtbogen entstehen, der somit von der ersten Schalteinheit verursacht ist und ferner gelöscht werden sollte.
Hierzu ist es vorgesehen, dass in dem Isolationsraum selbst, also bevorzugt permanent und unabhängig von stattfindenden Schalthandlungen, oder auch in einem mit dem Isolationsraum etwa bei bevorstehender Schalthandlung verbindbaren Reservoir ein Isolationsmedium vorgesehen ist. Das Isolationsmedium dient dazu, den Isolationsraum zu isolieren und kann ferner einer Löschung eines Lichtbogens dienen.
Dadurch, dass ein Isolationsmedium wie vorstehend beschrieben verwendet wird, kann eine deutlich verbesserte Langzeitstabilität ermöglicht werden, indem etwa die Permeationsrate besonders gering sein kann und ferner Korrosionsmechanismen, welche auf dem Isolationsgas basieren, verhindert werden können.
Besonders bevorzugt kann es bezüglich eines Hochspannungsschalters vorgesehen sein, dass in dem Isolationsraum zusätzlich zu der ersten Schalteinheit eine zweite Schalteinheit und gegebenenfalls eine dritte Schalteinheit angeordnet sind, wobei die erste Schalteinheit und die dritte Schalteinheit jeweils wenigstens eines von einem Trennschalter und einem Erdungsschalter aufweisen, und wobei die zweite Schalteinheit einen Leistungsschalter, wie insbesondere einen Vakuumschalter, aufweist. Somit sind in dieser Ausgestaltung ein Erdungsschalter, ein Trennschalter und ein Leistungsschalter, insbesondere ein Vakuumschalter, vorgesehen, wobei der Erdungsschalter und der Trennschalter voneinander getrennt sein können oder als einheitliche Schalteinheit ausgebildet sein können. Insbesondere der Vakuumschalter kann vorteilhaft sein.
Der Leistungsschalter, insbesondere ein Vakuumschalter, ist dabei unabhängig von Trenn- und Erdungsschaltern auslösbar, etwa wenn Fehlerfälle, wie beispielsweise Kurzschlüsse im Stromnetz auftreten und hohe Kurzschlussströme unterbrochen werden müssen.
Trenn- und Erdungsschalter stellen insbesondere sicherheitsrelevante Schaltgeräte dar und werden vergleichsweise seltener ausgelöst, etwa wenn Wartungsarbeiten durchzuführen sind oder ein Wechsel zwischen Sammelschienen stattfindet. Einer Schaltung eines Trenn- und Erdungsschalters geht meist eine Schaltung des Leistungsschalters voraus.
In anderen Worten liegen in dieser Ausgestaltung in dem Isolationsraum ein Trennschalter und ein Erdungsschalter vor, die bevorzugt beide von dem Isolationsmedium umgeben sind. Ferner ist in dem Isolationsraum ein Vakuumschalter vorgesehen, wobei die Kontaktelemente des Vakuumschalters nicht mit dem Isolationsmedium in Kontakt sind, sondern in einer Vakuumatmosphäre vorliegen. Daraus wird ersichtlich, dass die Hauptaufgabe des Isolationsmediums nicht die Verhinderung der Entstehung von Ruß beziehungsweise das Löschen eines Lichtbogens ist.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Isolationsraum, beispielsweise durch fluiddichte, etwa gasdichte, oder fluiddurchlässige, etwa gasdurchlässige, Abtrennungen, in eine Mehrzahl an Bereichen getrennt ist, wobei die einzelnen Bereiche des Isolationsraums allesamt oder nur teilweise, insbesondere jedoch der die erste Schalteinheit umgebende Bereich des Isolationsraums und gegebenenfalls der die dritte Schalteinheit umgebende Bereich des Isolationsraums, mit dem Isolationsmedium gefüllt ist.
Dabei kann der Leistungsschalter insbesondere ein Vakuumleistungsschalter sein und zur Unterbrechung von hohen Strömen, insbesondere Kurzschlussströmen, dienen, wohingegen der Trennschalter und der Erdungsschalter zur Unterbrechung von kleinen Strömen, insbesondere Kommutierungsströmen, Ladeströmen und induzierten Strömen, dienen kann, wobei das Isolationsmedium als Lichtbogenlöschmedium für Trenn- und Erdungsschalter dient.
Der Leistungsschalter, wie etwa der Vakuumschalter, kann Ströme in einem Bereich von 25.000 A bis 80.000 A trennen beziehungsweise es können an diesem Spannungen in einem Bereich von 72.500 V bis 800.000 V anliegen.
Ein Trennschalter kann ferner Ströme in einem Bereich von 0,1 A bis 8.000 A trennen beziehungsweise an diesem können Spannungen in einem Bereich von 10 V bis 1.000 V anliegen.
Ein Erdungsschalter kann weiterhin Ströme in einem Bereich von 0,4 A bis 500 A trennen beziehungsweise an diesem können Spannungen in einem Bereich von 500V bis 70.000 V anliegen.
Die vorbeschriebenen Werte sind dabei nicht zwingend beschränkend zu verstehen.
Eine Erhöhung der Lebensdauer der Schaltgeräte kann dabei besonders effektiv dadurch erreicht werden, dass ein Vakuum-leistungsschalter verwendet wird, wobei insbesondere abbrandarme Materialien Verwendung finden können, wie beispielsweise Wolfram-Kupfer oder Kupfer-Chrom Legierungen. Darüber hinaus liegen aufgrund des Vakuums keine oder nur wenige Moleküle vor, welche einem Abbrand der Kontaktelemente dienen würden und die sich ferner zersetzen könnten. In anderen Worten kann aufgrund des „Nicht-Vorhandenseins“ von Gasmolekülen keine Gasalterung stattfinden. Dadurch kann die Langzeitstabilität weiter verbessert werden.
Somit kann insbesondere das Verwenden des vorstehend beschriebenen Isolationsmediums in Kombination mit einem Vakuumschalter als bevorzugtem Leistungsschalter eine optimale Lösung für Schaltgeräte mit einer hohen Lebensdauer sein, was insbesondere für eine Anwendung in der Hochspannungstechnik gilt.
Bezüglich des Vakuumschalters kann es von Vorteil sein, dass in einem Schaltraum des Vakuumschalters beziehungsweise der zweiten Schalteinheit ein Druck in einem Bereich von 10^-10 bar bis 10^-6 bar (absolut) vorliegt.
Ferner kann es bezüglich des Isolationsraums besonders bevorzugt sein, dass das Isolationsmedium in dem Isolationsraum mit einem Druck in einem Bereich von größer oder gleich 4 bar (absolut) bis kleiner oder gleich 10 bar (absolut) vorliegt.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der Elektroenergieübertragungseinrichtung wird auf die Ausführungen betreffend das Isolationsmedium und die Verwendung wie auch auf die Figur und die Beschreibung der Figur verwiesen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Figur und dem zugehörigen Beispiel. In der Figur zeigt:

1 schematisch eine Ausgestaltung eines Hochspannungsschalters als Elektroenergieübertragungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

In der 1 ist ein schematisches Beispiel für eine Ausgestaltung einer Elektroenergieübertragungseinrichtung in Form eines Hochspannungsschalters 10 gemäß der Erfindung gezeigt.
Der Hochspannungsschalter 10 umfasst einen gasdicht abgeschlossenen Isolationsraum 12, in dem ein Isolationsmedium 13 abgeordnet ist, wie dies nachstehend im Detail beschrieben ist.
Es ist ferner gezeigt, dass in dem Isolationsraum 12 eine erste Anordnung 14 aus ersten Schalteinheiten 16 angeordnet ist. Ferner ist in dem Isolationsraum 12 eine zweite Anordnung 18 aus ersten Schalteinheiten 16 angeordnet. Die erste Schalteinheit 16 ist dabei als ein kombinierter Erdungsschalter und Trennschalter ausgestaltet. Somit tragen die erste Anordnung 14 und die zweite Anordnung 18 jeweils Schalteinheiten 16 mit Erdungs- und Trennschaltern.
Ebenfalls in dem Isolationsraum 12 ist eine zweite Schalteinheit 20 angeordnet. Die zweite Schalteinheit 20 umfasst einen Leistungsschalter und ist vorzugsweise als Vakuumschalter ausgestaltet. Der Vakuumschalter weist einen Schaltraum mit einem trennbaren Kontakt auf, wobei in dem Schaltraum ein beispielhafter Druck von kleiner gleich 10^-6 bar vorliegt. Dabei ist es gezeigt, dass der Isolationsraum 12 durch gasdicht oder gasdurchlässig ausgestaltete Abtrennungen 11, in eine Mehrzahl an Bereichen 15 getrennt ist, wobei in dieser Ausgestaltung alle Bereiche 15 des Isolationsraums 12 mit dem Isolationsmedium 13 gefüllt sind.
Alternativ zu dieser Ausgestaltung könnte es auch vorgesehen sein, dass die erste Schalteinheit 16 lediglich einen Erdungsschalter darstellt und entsprechend eine dritte Schalteinheit vorgesehen wäre, welche die Trennschalter umfasst. Die dritte Schalteinheit könnte dann Bestandteil der ersten Anordnung 14 und der zweiten Anordnung 18 sein, oder weiterer, nicht gezeigter Anordnungen.
Weiter gezeigt sind ein Steuerschrank 22, mittels dem der Hochspanungsschalter 10 gesteuert werden kann und der auf einer Konsole 24 sitzt.
Um den Vakuumschalter als zweite Schalteinheit 20 zu betreiben, ist ferner ein Federspeicherantrieb 26 mit einem Leistungsschaltersteuerantrieb vorgesehen. Weiter gezeigt sind ein Spannungswandler 28 und ein Schnellerder 30. Schließlich zeigt 1 noch einen Abgangsbaustein 32 mit weiteren Trenn- und Erdungsschaltern sowie einen Kabelendverschluss 34.
Zurückkommend auf den Isolationsraum 12 beziehungsweise das hierin angeordnete Isolationsmedium 13 ist es bevorzugt vorgesehen, dass dieses mit einem Überdruck vorliegt, wobei der Überdruck beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 4bar bis kleiner oder gleich 10bar vorliegen kann. Somit ist der gesamt Isolationsraum 12 auch bei einem entsprechenden Überdruck gasdicht.
Ferner ist das Isolationsmedium 13 ausgestaltet, indem es die folgenden Bestandteile aufweist:

- Stickstoff in einem Gehalt von ≥ 75 Vol.-% bis ≤ 99 Vol.-%; und
- wenigstens eine organische Fluorverbindung in einem Gehalt von ≥ 1 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-%, wobei
- Sauerstoff in dem Isolationsmedium in einem Gehalt von < 0,5 Vol.-% vorliegt, wobei

Ferner liegt Sauerstoff und liegen beispielsweise grundsätzlich andere Verbindungen in dem Isolationsmedium in einem Gehalt von < 0,5 Vol.-% vor.
Beispielsweise kann das Isolationsmedium 13 aus Stickstoff und der wenigstens eine fluororganischen Verbindung bestehen, so dass das Isolationsmedium 13 im Wesentlichen frei von wenigstens einem von Wasser, Kohlendioxid und Schwefelhexafluorid ist.
Weiter beispielsweise kann es dabei vorgesehen sein, dass das Isolationsmedium 13 aufweist:

- Stickstoff in einem Gehalt von ≥ 94 Vol.-% bis ≤ 97 Vol.-%; und
- wenigstens eine organische Fluorverbindung in einem Gehalt von ≥ 3 Vol.-% bis ≤ 7 Vol.-%.

Die einzelnen Kombinationen der Bestandteile und der Merkmale von den bereits erwähnten Ausführungen sind exemplarisch; der Austausch und die Substitution dieser Lehren mit anderen Lehren, die in dieser Druckschrift enthalten sind mit den zitierten Druckschriften werden ebenfalls ausdrücklich erwogen. Der Fachmann erkennt, dass Variationen, Modifikationen und andere Ausführungen, die hier beschrieben werden, ebenfalls auftreten können ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Entsprechend ist die obengenannte Beschreibung beispielhaft und nicht als beschränkend anzusehen. Das in den Ansprüchen verwendete Wort umfassen schließt nicht andere Bestandteile oder Schritte aus. Der unbestimmte Artikel „ein“ schließt nicht die Bedeutung eines Plurals aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maße in gegenseitig verschiedenen Ansprüchen rezitiert werden, verdeutlicht nicht, dass eine Kombination von diesen Maßen nicht zum Vorteil benutzt werden kann. Der Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen definiert und den dazugehörigen Äquivalenten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017220570 A1 [0005]
WO 2015/071303 A1 [0039]

Claims

Isolationsmedium für eine Elektroenergieübertragungseinrichtung, wobei das Isolationsmedium (13) bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ein Fluid ist, und wobei das Isolationsmedium (13) wenigstens die folgenden Bestandteile aufweist: - Stickstoff in einem Gehalt von ≥ 75 Vol.-% bis ≤ 99 Vol.-%; und - wenigstens eine organische Fluorverbindung in einem Gehalt von ≥ 1 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-%, wobei - Sauerstoff in dem Isolationsmedium in einem Gehalt von < 0,5 Vol.-% vorliegt.
Isolationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff und Wasser gemeinsam in dem Isolationsmedium in einem Gehalt von ≤ 0,1 Vol.-% vorliegen.
Isolationsmedium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmedium (13) aufweist: - Stickstoff in einem Gehalt von ≥ 94 Vol.-% bis ≤ 97 Vol.-%; und - wenigstens eine organische Fluorverbindung in einem Gehalt von ≥ 3 Vol.-% bis ≤ 7 Vol.-%.
Isolationsmedium nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmedium (13) aus Stickstoff und wenigstens einer fluororganischen Verbindung besteht.
Isolationsmedium nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine fluororganische Verbindung ein Fluornitril ist.
Verwendung eines Isolationsmediums (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als elektrisch isolierende Atmosphäre in einer fluidisolierten Elektroenergieübertragungseinrichtung.
Fluidisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung, aufweisend einen fluiddicht abgeschlossenen Isolationsraum (12), wobei in dem Isolationsraum (12) oder in einem mit dem Isolationsraum (12) verbindbaren Reservoir ein Isolationsmedium (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmedium (13) ausgestaltet ist nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Elektroenergieübertragungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroenergieübertragungseinrichtung wenigstens eines von einem Hochspannungsschalter (10) und einem fluidisolierten Rohrleiter aufweist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroenergieübertragungseinrichtung einen Hochspannungsschalter (10) aufweist, wobei in dem Isolationsraum (12) des Hochspannungsschalters (10) eine erste Schalteinheit (16) und zusätzlich zu der ersten Schalteinheit (16) eine zweite Schalteinheit (20) und gegebenenfalls eine dritte Schalteinheit angeordnet sind, wobei die erste Schalteinheit (16) und die dritte Schalteinheit jeweils wenigstens eines von einem Trennschalter und einem Erdungsschalter aufweisen, und wobei die zweite Schalteinheit (20) einen Leistungsschalter aufweist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter ein Vakuum-Leistungsschalter ist.