DE102022200568A1

DE102022200568A1 - Gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE102022200568A1
Application number: DE102022200568.6A
Authority: DE
Inventors: Katrin Benkert; Thomas Heinz; Karsten Juhre; Peter Milewski; Paul Gregor Nikolic
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023138860A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung (1). Die Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) umfasst ein Kapselungsgehäuse (3), einen in dem Kapselungsgehäuse (3) und von einer Innenoberfläche (7) des Kapselungsgehäuses (3) beabstandet angeordneten elektrischen Leiter (5), einen elektrisch isolierenden Feststoffmantel (9), der um den Leiter (5) herum und von der Innenoberfläche (7) des Kapselungsgehäuses (3) beabstandet angeordnet ist, und ein Isoliergas (13), mit dem ein Raum (11) zwischen dem Feststoffmantel (9) und der Innenoberfläche (7) des Kapselungsgehäuses (3) befüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung.
Mit einer gasisolierten Elektroenergieübertragungseinrichtung wird hier jede gasisolierte, das heißt gasdicht gekapselte, Einrichtung zur Übertragung oder Verteilung von Elektroenergie bezeichnet, die ein mit einem Isoliergas befülltes Kapselungsgehäuse aufweist. Im Sinne dieses Dokuments umfasst der Begriff gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung also beispielsweise gasisolierte Schaltanlagen mit mehreren Schaltfeldern, aber auch einzelne gasisolierte Schaltfelder und Schaltgeräte wie Leistungsschalter.
In herkömmlichen gasisolierten Elektroenergieübertragungseinrichtungen wird häufig Schwefelhexafluorid als Isoliergas eingesetzt, insbesondere aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit von Schwefelhexafluorid. Schwefelhexafluorid ist jedoch ein starkes Treibhausgas. Deshalb wird Schwefelhexafluorid zunehmend durch umweltverträglichere Isoliergase ersetzt. Jedoch stellt der Einsatz derartiger Isoliergase insbesondere im Hochspannungsbereich Herausforderungen an die dielektrische Festigkeit der Schaltanlagen. Da die Durchschlagsfestigkeit dieser Isoliergase in der Regel deutlich kleiner als die Durchschlagsfestigkeit von Schwefelhexafluorid ist, erfordert die Verwendung dieser Isoliergase anstelle von Schwefelhexafluorid beispielsweise höhere Drücke und/oder größere Isolationsabstände elektrischer Leiter in den Kapselungsgehäusen. Dadurch steigen die Kosten und der Bauraum einer gasisolierten Elektroenergieübertragungseinrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung anzugeben, die sich für die Verwendung umweltverträglicher Isoliergase eignet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung umfasst

- ein Kapselungsgehäuse,
- einen in dem Kapselungsgehäuse und von einer Innenoberfläche des Kapselungsgehäuses beabstandet angeordneten elektrischen Leiter,
- einen elektrisch isolierenden Feststoffmantel, der um den Leiter herum und von der Innenoberfläche des Kapselungsgehäuse beabstandet angeordnet ist, und
- ein Isoliergas, mit dem ein Raum zwischen dem Feststoffmantel und der Innenoberfläche des Kapselungsgehäuses befüllt ist.

Bei einer erfindungsgemäßen gasisolierten Elektroenergieübertragungseinrichtung wird also eine Feststoffisolation mit einem Isoliergas als Isolationsmedium kombiniert. Die Feststoffisolation ist in dem Kapselungsgehäuse als ein um einen Leiter herum angeordneter Feststoffmantel ausgebildet und isoliert somit einen Bereich um den Leiter herum innerhalb des Kapselungsgehäuses. Dies berücksichtigt, dass die Feldstärke eines elektrischen Feldes zwischen dem Leiter und dem Kapselungsgehäuse in der Umgebung des Leiters am größten ist und mit dem Abstand von dem Leiter schnell abnimmt. Mithin wird durch den Feststoffmantel der Bereich isoliert, in dem die elektrische Feldstärke ohne den Feststoffmantel besonders hoch wäre. Da Feststoffe wesentlich höhere Durchschlagsfestigkeiten als Isoliergase aufweisen können, kann somit der Bereich potentiell sehr hoher elektrischer Feldstärke durch den Feststoffmantel wirksam isoliert werden, während Bereiche innerhalb des Kapselungsgehäuses mit geringerer elektrischer Feldstärke kostengünstig durch das Isoliergas isoliert werden. Dadurch können der Druck, mit dem das Isoliergas beaufschlagt wird, und Isolationsabstände elektrischer Leiter in dem Kapselungsgehäuse und somit die Größe des Kapselungsgehäuses vorteilhaft reduziert werden gegenüber einer Isolation, die ausschließlich das Isoliergas als Isolationsmedium verwendet.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Isoliergas künstliche Luft. Dabei ist die künstliche Luft beispielsweise mit einem Überdruck in einem Bereich von 6 bar bis 14 bar gegenüber einem Druck in einer Umgebung des Kapselungsgehäuses beaufschlagt.
Mit künstlicher Luft wird hier ein Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff bezeichnet, das künstlich erzeugt wird. Dabei kann es sich um ein vollständig synthetisch erzeugtes Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff handeln oder um aufbereitete, insbesondere gereinigte und/oder entfeuchtete, Luft. Künstliche Luft ist eine besonders umweltverträgliche Alternative zu Schwefelhexafluorid.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Isoliergas eine fluorierte Gasmischung. Geeignete fluorierte Gasmischungen weisen höhere Durchschlagsfestigkeiten als künstliche Luft bei besserer Umweltverträglichkeit als Schwefelhexafluorid auf und eignen sich daher ebenfalls als eine Alternative zu Schwefelhexafluorid.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Feststoffmantel wenigstens zu einem Teil aus einem Silikon oder Polyurethan oder Polyethylen oder vernetzten Polyethylen gefertigt. Die genannten Materialien kombinieren vorteilhaft eine hohe Durchschlagsfestigkeit mit einer einfachen Verarbeitbarkeit.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Feststoffmantel wenigstens zu einem Teil aus einem Basismaterial mit wenigstens einem Füllstoff gefertigt. Das Basismaterial ist beispielsweise ein Epoxidharz, Silikon oder Polyvinylidenfluorid. Ein Füllstoff ist beispielsweise Bariumtitanat oder Aluminiumnitrit oder Bornitrit. Durch die Beimischung eines Füllstoffes wie Bariumtitanat zu dem Basismaterial können die Permittivität und damit die Durchschlagsfestigkeit des Feststoffmantels vorteilhaft erhöht werden gegenüber einer Fertigung des Feststoffmantels nur aus dem Basismaterial. Durch die Beimischung von Füllstoffen wie Aluminiumnitrit oder Bornitrit zu dem Basismaterial können vorteilhaft die Wärmeleitfähigkeit des Feststoffmantels verbessert und die Wärmeausdehnung des Feststoffmantels derjenigen des Leiters angepasst werden. Ferner kann das Basismaterial beispielsweise einen elektrisch leitfähigen Füllstoff enthalten. Durch einen derartigen Füllstoff kann der Feststoffmantel auch zu einer Feldsteuerung des elektrischen Feldes innerhalb des Kapselungsgehäuses beitragen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Feststoffmantel mehrere Isolierschichten mit voneinander verschiedenen Permittivitäten auf. Dadurch kann die Permittivität innerhalb des Feststoffmantels der Abnahme der elektrischen Feldstärke mit dem Abstand von dem Leiter angepasst werden. Beispielsweise weisen die Isolierschichten Permittivitäten auf, die mit zunehmendem Abstand der Isolierschichten von dem Leiter abnehmen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in den Feststoffmantel wenigstens eine elektrisch leitfähige Feldsteuerungsschicht eingebettet. Auch dadurch kann der Feststoffmantel zu einer Feldsteuerung des elektrischen Feldes innerhalb des Kapselungsgehäuses beitragen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Leiter und dem Feststoffmantel eine viskose Haftschicht angeordnet. Durch die Haftschicht können vorteilhaft Lufteinschlüsse zwischen dem Leiter und dem Feststoffmantel vermieden werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Feststoffmantel wenigstens zu einem Teil aus einem Kunststoff gefertigt, in den der Leiter in einem viskosen Zustand des Kunststoffs eingetaucht wird und der anschließend aushärtet. Dies ermöglicht eine einfache und damit kostengünstige Fertigung des Feststoffmantels.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Feststoffmantel ein Extrudat. Mit anderen Worten wird der Feststoffmantel bei dieser Ausgestaltung der Erfindung durch Extrusion gefertigt. Dadurch kann der Feststoffmantel insbesondere geometrisch komplex gestaltet werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Feststoffmantel eine ausreichende Dicke auf, so dass eine elektrische Feldstärke überall in dem Isoliergas bei einer zwischen dem Leiter und dem Kapselungsgehäuse anliegenden Bemessungsspannung kleiner als eine die Durchschlagsfestigkeit des Isoliergases charakterisierende kritische Feldstärke ist. Mit anderen Worten wird die Dicke des Feststoffmantels der Durchschlagsfestigkeit des Isoliergases angepasst, so dass die elektrische Feldstärke in dem Isoliergas bei Spannungen zwischen dem Leiter und dem Kapselungsgehäuse, für die die Elektroenergieübertragungseinrichtung ausgelegt ist, unterhalb der kritischen Feldstärke bleibt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Elektroenergieübertragungseinrichtung,
2 ein Diagramm einer elektrischen Feldstärke in einem Kapselungsgehäuse in Abhängigkeit von einem Abstand von einem Leiter.

1 (1) zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Elektroenergieübertragungseinrichtung 1. Die Elektroenergieübertragungseinrichtung 1 weist unter anderem ein Kapselungsgehäuse 3 und einen elektrischen Leiter 5 auf. Das Kapselungsgehäuse 3 ist beispielsweise metallisch ausgeführt und geerdet. Der Leiter 5 ist in dem Kapselungsgehäuse 3 und von einer Innenoberfläche 7 des Kapselungsgehäuses 3 beabstandet angeordnet.
Um den Leiter 5 herum ist ein elektrisch isolierender Feststoffmantel 9 von der Innenoberfläche 7 des Kapselungsgehäuses 3 beabstandet angeordnet.
Ein Raum 11 zwischen dem Feststoffmantel 9 und der Innenoberfläche 7 des Kapselungsgehäuses 3 ist mit einem Isoliergas 13 befüllt. Das Isoliergas 13 ist beispielsweise künstliche Luft, die mit einem Überdruck in einem Bereich von 6 bar bis 14 bar gegenüber einem Druck in einer Umgebung des Kapselungsgehäuses 3 beaufschlagt ist.
Zwischen dem Leiter 5 und dem Feststoffmantel 9 ist optional eine viskose Haftschicht 15 angeordnet. Durch die Haftschicht 15 werden Lufteinschlüsse zwischen dem Leiter 5 und dem Feststoffmantel 9 vermieden.
Der Feststoffmantel 9 des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels weist zwei Isolierschichten 17, 19 mit voneinander verschiedenen Permittivitäten auf. Dabei ist eine zweite Isolierschicht 19 eine äußere Schicht, die um eine erste Isolierschicht 17 herum angeordnet ist.
Zwischen den beiden Isolierschichten 17, 19 ist eine elektrisch leitfähige Feldsteuerungsschicht 21 in den Feststoffmantel 9 eingebettet.
Beispielsweise ist eine Isolierschicht 17, 19 aus einem Silikon oder Polyurethan oder Polyethylen oder vernetzten Polyethylen gefertigt, und die andere Isolierschicht 17, 19 ist aus einem Basismaterial mit wenigstens einem Füllstoff gefertigt. Das Basismaterial ist beispielsweise ein Epoxidharz, Silikon oder Polyvinylidenfluorid. Als Füllstoff oder Füllstoffe werden beispielsweise Bariumtitanat, Aluminiumnitrit und/oder Bornitrit verwendet.
Alternativ sind beide Isolierschichten 17, 19 jeweils aus einem Silikon oder Polyurethan oder Polyethylen oder vernetzten Polyethylen gefertigt, oder beide Isolierschichten 17, 19 sind jeweils aus einem der genannten Basismaterialien mit wenigstens einem der genannten Füllstoffe gefertigt.
2 (2) zeigt ein Diagramm einer elektrischen Feldstärke E, genauer eines Betrages E einer elektrischen Feldstärke, in dem Kapselungsgehäuse 3 in Abhängigkeit von einem Abstand r von einer Mittelachse des Leiters 5. r₁ bezeichnet einen Innenradius des Feststoffmantels 9, r₂ bezeichnet einen Außenradius des Feststoffmantels 9. Die Differenz r₂-r₁ ist die Dicke d des Feststoffmantels 9. R bezeichnet einen Abstand der Innenoberfläche 7 des Kapselungsgehäuses 3 von der Mittelachse des Leiters 5 (siehe 1).
Innerhalb des Feststoffmantels 9 nimmt die Feldstärke E von innen nach außen ab. An der Grenze des Feststoffmantels 9 zu dem Isoliergas 13, das heißt bei dem Außenradius r₂, nimmt die Feldstärke E sprunghaft zu, da das Isoliergas 13 eine geringere Permittivität als der Feststoffmantel 9 aufweist. Von dem Feststoffmantel 9 zu der Innenoberfläche 7 des Kapselungsgehäuses 3 hin nimmt die Feldstärke E in dem Isoliergas 13 wieder ab. Die Dicke d des Feststoffmantels 9 ist so gewählt, dass die Feldstärke E überall in dem Isoliergas 13 bei einer zwischen dem Leiter 5 und dem Kapselungsgehäuse 3 anliegenden Bemessungsspannung kleiner als eine kritische Feldstärke E_krit ist, die die Durchschlagsfestigkeit des Isoliergases 13 charakterisiert. In 2 ist gestrichelt auch der Verlauf der Feldstärke E dargestellt, der sich ohne den Feststoffmantel 9 zwischen r₁ und r₂ ergäbe und bei dem die Feldstärke E in diesem Bereich des Kapselungsgehäuses 3 die kritische Feldstärke E_krit überstiege.
Das anhand der 1 und 2 beschriebene Ausführungsbeispiel einer Elektroenergieübertragungseinrichtung 1 kann in verschiedener Weise zu anderen Ausführungsbeispielen abgewandelt werden. Beispielsweise können in den Feststoffmantel 9 mehrere Feldsteuerungsschichten 21 oder gar keine Feldsteuerungsschicht 21 eingebettet sein.
Ferner kann der Feststoffmantel 9 mehr als zwei Isolierschichten 17, 19 mit voneinander verschiedenen Permittivitäten aufweisen. Alternativ kann der Feststoffmantel 9 homogen aus nur einem Material gefertigt sein. Beispielsweise kann der Feststoffmantel 9 ein Extrudat sein oder aus einem Kunststoff gefertigt sein, in den der Leiter 5 in einem viskosen Zustand des Kunststoffs eingetaucht wird und der anschließend aushärtet.
Des Weiteren kann die Elektroenergieübertragungseinrichtung 1 mehrere Leiter 5 aufweisen, die jeweils von einem Feststoffmantel 9 umgeben sind.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtung (1), umfassend - ein Kapselungsgehäuse (3), - einen in dem Kapselungsgehäuse (3) und von einer Innenoberfläche (7) des Kapselungsgehäuses (3) beabstandet angeordneten elektrischen Leiter (5), - einen elektrisch isolierenden Feststoffmantel (9), der um den Leiter (5) herum und von der Innenoberfläche (7) des Kapselungsgehäuses (3) beabstandet angeordnet ist, und - ein Isoliergas (13), mit dem ein Raum (11) zwischen dem Feststoffmantel (9) und der Innenoberfläche (7) des Kapselungsgehäuses (3) befüllt ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Isoliergas (13) künstliche Luft ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die künstliche Luft mit einem Überdruck in einem Bereich von 6 bar bis 14 bar gegenüber einem Druck in einer Umgebung des Kapselungsgehäuses (3) beaufschlagt ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Isoliergas (13) eine fluorierte Gasmischung ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Feststoffmantel (9) wenigstens zu einem Teil aus einem Silikon oder Polyurethan oder Polyethylen oder vernetzten Polyethylen gefertigt ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Feststoffmantel (9) wenigstens zu einem Teil aus einem Basismaterial mit wenigstens einem Füllstoff gefertigt ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei das Basismaterial ein Epoxidharz oder ein Silikon oder Polyvinylidenfluorid ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach Anspruch 5 6 oder 7, wobei ein Füllstoff Bariumtitanat oder Aluminiumnitrit oder Bornitrit ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Feststoffmantel (9) mehrere Isolierschichten (17, 19) mit voneinander verschiedenen Permittivitäten aufweist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Feststoffmantel (9) wenigstens eine elektrisch leitfähige Feldsteuerungsschicht (21) eingebettet ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Leiter (5) und dem Feststoffmantel (9) eine viskose Haftschicht (15) angeordnet ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Feststoffmantel (9) wenigstens zu einem Teil aus einem Kunststoff gefertigt ist, in den der Leiter (5) in einem viskosen Zustand des Kunststoffs eingetaucht wird und der anschließend aushärtet.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Feststoffmantel (9) ein Extrudat ist.
Elektroenergieübertragungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Feststoffmantel (9) eine ausreichende Dicke (d) aufweist, so dass eine elektrische Feldstärke (E) überall in dem Isoliergas (13) bei einer zwischen dem Leiter (5) und dem Kapselungsgehäuse (3) anliegenden Bemessungsspannung kleiner als eine die Durchschlagsfestigkeit des Isoliergases (13) charakterisierende kritische Feldstärke (E_krit) ist.