DE102022206149A1

DE102022206149A1 - Durchführungsisolator

Info

Publication number: DE102022206149A1
Application number: DE102022206149.7A
Authority: DE
Inventors: Katrin Benkert; Radu-Marian Cernat; 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: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2023-12-21
Also published as: EP4297051A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Durchführungsisolator (1). Der Durchführungsisolator (1) weist einen Basiskörper (5) mit wenigstens einer Öffnung (6) auf, die zur Durchführung wenigstens eines elektrischen Leiters (7) geeignet ist. Der Durchführungsisolator (1) ist aus einem elektrisch isolierenden Hauptmaterial (8) und wenigstens einem von dem Hauptmaterial (8) verschiedenen Feldsteuerungsmaterial (10) gefertigt. Das Feldsteuerungsmaterial (10) ist derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass es ein den Durchführungsisolator (1) durchdringendes und umgebendes elektrisches Feld beeinflusst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchführungsisolator. Durchführungsisolatoren werden beispielsweise als sogenannte Schottisolatoren in Verbindungen von Gehäuseteilen von Elektroenergieübertragungseinrichtungen eingesetzt. Ferner werden Durchführungsisolatoren beispielsweise für Durchführungen von Elektroenergieübertragungseinrichtungen verwendet, durch die beispielsweise elektrische Leiter aus Gehäusen der Elektroenergieübertragungseinrichtungen herausgeführt werden.
In herkömmlichen gasisolierten Elektroenergieübertragungseinrichtungen wie gasisolierten Schaltanlagen (GIS) oder Schaltgeräten wie Leistungsschaltern wird häufig Schwefelhexafluorid als Isoliergas eingesetzt, insbesondere aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit von Schwefelhexafluorid. Schwefelhexafluorid (SF₆) ist jedoch ein starkes Treibhausgas. Deshalb wird Schwefelhexafluorid zunehmend durch umweltverträglichere Isoliergase ersetzt, beispielsweise durch künstliche Luft, die auch als Clean Air bezeichnet wird. Mit künstlicher Luft wird 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.
Der Einsatz von Clean Air als Isolationsmedium in gasisolierten Schaltanlagen und Schaltgeräten für Bemessungsspannungen U_m > 145 kV und insbesondere für U_m ≥ 420 kV stellt Herausforderungen an die dielektrische Festigkeit der Schaltanlagen und Schaltgeräte. Aufgrund der gegenüber Schwefelhexafluorid auf ca. 1/3 reduzierten Spannungsfestigkeit von Clean Air sind höhere Fülldrücke und Isolationsabstände notwendig. Dies hat einen starken Einfluss auf die Kosten der Druckbehälter.
Statt Clean Air werden fluorierte Gasmischungen eingesetzt, um eine ähnliche Spannungsfestigkeit wie beim Einsatz von SF₆ zu erreichen. Die Langzeitstabilität der Gasmischungen und Effekte durch Materialwechselwirkungen innerhalb der Schaltgeräte und Schaltanlagen sind zum jetzigen Zeitpunkt jedoch nicht ausreichend abgesichert. Aufgrund der Klimaschädlichkeit und Persistenz in der Umwelt birgt der Einsatz Fluorhaltiger Alternativen das Risiko zukünftiger Verwendungsbeschränkungen und Verbote, zum Beispiel im Rahmen der Revision der europäischen F-Gas-Verordnung 2021/2022.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Durchführungsisolator für gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtungen anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Durchführungsisolator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Durchführungsisolator weist einen Basiskörper mit wenigstens einer Öffnung, die zur Durchführung wenigstens eines elektrischen Leiters geeignet ist, auf. Der Durchführungsisolator ist aus einem elektrisch isolierenden Hauptmaterial und wenigstens einem von dem Hauptmaterial verschiedenen Feldsteuerungsmaterial gefertigt. Das Feldsteuerungsmaterial ist derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass es ein den Durchführungsisolator durchdringendes und umgebendes elektrisches Feld beeinflusst.
Die Erfindung ergänzt also einen Durchführungsisolator, beispielsweise eine Durchführung oder einen Schottisolator, in gasisolierten Schaltanlagen durch Feldsteuermechanismen in verschiedenen Ausführungsformen zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit in Clean Air.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Durchführungsisolator eine aus einem Feldsteuerungsmaterial gefertigte Beschichtung auf, die eine Außenoberfläche des Basiskörpers wenigstens teilweise beschichtet. Beispielsweise ist das die wenigstens teilweise Beschichtung des Basiskörpers bildende Feldsteuerungsmaterial halbleitend.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Basiskörper aus dem Hauptmaterial mit einer Beimischung eines elektrisch leitfähigen Varistormaterials als Feldsteuerungsmaterial gefertigt. Beispielsweise weist das Varistormaterial Zinkoxid auf.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Basiskörper wenigstens eine in das Hauptmaterial eingebettete Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Feldsteuerungsmaterial auf.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Basiskörper aus dem Hauptmaterial mit einer Beimischung seine Permittivität erhöhenden dielektrischen Feldsteuerungsmaterials gefertigt. Beispielsweise weist das dielektrische Feldsteuerungsmaterial Bariumtitanat und/oder Aluminiumoxid auf. Ferner kann die Konzentration des dielektrischen Feldsteuerungsmaterials in dem Basiskörper räumlich variieren.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Hauptmaterial ein Gießharz oder ein Silikon, oder ein Gießharz oder ein Silikon mit einer Beimischung wenigstens eines Füllstoffes, beispielsweise mit einer Beimischung von Aluminiumnitrid und/oder Bornitrid als Füllstoff.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verläuft wenigstens eine Elektrode um den Basiskörper herum.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Basiskörper gasdicht mit jedem elektrischen Leiter verbunden, der durch eine Öffnung des Basiskörpers geführt ist.
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 schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators,
3 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators,
4 eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators,
5 eine schematische Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators,
6 eine schematische Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 (1) zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Durchführungsisolator 1 ist als ein Schottisolator in der Verbindung zweier Gehäuseteile 2, 3 eines Gehäuses 4 einer Elektroenergieübertragungseinrichtung ausgebildet. Die Gehäuseteile 2, 3 können beide jeweils elektrisch leitend, insbesondere metallisch, oder elektrisch isolierend ausgeführt sein. Alternativ ist ein Gehäuseteil 2, 3 elektrisch leitend, insbesondere metallisch, ausgeführt und der andere Gehäuseteil 2, 3 ist elektrisch isolierend ausgeführt.
Der Durchführungsisolator 1 weist einen Basiskörper 5 mit wenigstens einer Öffnung 6 auf. Durch jede Öffnung 6 ist ein Innenleiter 7 der Elektroenergieübertragungseinrichtung geführt. Beispielsweise umschließt der Basiskörper 5 jeden durch ihn geführten Innenleiter 7 gasdicht.
Der Basiskörper 5 ist aus einem elektrisch isolierenden Hauptmaterial 8 gefertigt. Das Hauptmaterial 8 ist beispielsweise ein Gießharz oder ein Isolationsmaterial mit Beimischungen zur Anpassung der thermischen Leitfähigkeit und Wärmeausdehnung des Materials, z.B. Aluminiumnitrid (AlN) oder Bornitrid (BN). Eine Außenoberfläche des Basiskörpers 5 ist wenigstens teilweise mit einer aus einem halbleitenden Feldsteuerungsmaterial 10 gefertigten Beschichtung 11 beschichtet. Die Beschichtung 11 dient der Feldsteuerung eines den Durchführungsisolator 1 durchdringenden und umgebenden elektrischen Feldes. Zudem ist die Beschichtung 11 vorteilhaft bei Verschmutzung durch Schaltstäube oder Zersetzungsprodukte.
2 (2) zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Basiskörper 5 des Durchführungsisolators 1 keine Beschichtung 11 aufweist, sondern aus dem Hauptmaterial 8 mit einer Beimischung eines elektrisch leitfähigen Varistormaterials als Feldsteuerungsmaterial 10 gefertigt ist. Das Varistormaterial ist beispielsweise Zinkoxid (ZnO).
3 (3) zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Basiskörper 5 des Durchführungsisolators 1 keine Beschichtung 11, sondern in das Hauptmaterial 8 eingebettete Elektrodenschichten 12 aus einem elektrisch leitfähigen Feldsteuerungsmaterial 10 aufweist.
4 (4) zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Basiskörper 5 des Durchführungsisolators 1 keine Beschichtung 11 aufweist, sondern in dem Schottisolator beziehungsweise der Durchführung oder in der Nähe von leitfähigen Teilen der gasisolierten Schaltanlage Elektroden 13 auf freien oder gesteuerten Zwischenpotentialen eingefügt werden.
5 (5) zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Basiskörper 5 des Durchführungsisolators 1 keine Beschichtung 11 aufweist, sondern der Basiskörper 5 aus dem Hauptmaterial 8 mit einer Beimischung eines seine Permittivität erhöhenden dielektrischen Feldsteuerungsmaterials 10 gefertigt ist. Beispielsweise kommt für den Schottisolator im Bereich hoher Feldstärken (z.B. in der Nähe eines Innenleiters 7) Epoxidharz als Hauptmaterial 8 mit Bariumtitanat als dielektrischem Füllstoff 10 zum Einsatz. Dadurch wird die Dielektrizitätszahl des Materials erhöht und somit die Feldbelastung reduziert. Durch geeignete Herstellungsverfahren ist auch die gezielte Einbringung eines gradierten Verlaufs der Bariumtitanat-Beimischung möglich (z.B. durch zusätzliche Beimischung von Zusätzen, z.B. Aluminiumoxid, oder durch Konzentrationsanpassungen des Bariumtitanats) .
6 (6) zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Durchführungsisolator 1 statt der Beschichtung 11 eine Ummantelung 14 aufweist, die einen Abschnitt eines Innenleiters 7 im Bereich einer Verbindungsstelle 15 sowie einen an diesen Abschnitt des Innenleiters 7 angrenzenden Bereich der Oberfläche des Basiskörpers 5 umgibt. Die Ummantelung 14 ist beispielsweise eine Silikonhülle, insbesondere eine Silikonmatrix, die Beimengungen von Füllstoffen enthalten kann, z.B. AlN (Aluminiumnitrit) oder BN (Bornitrit), um die Wärmeleitfähigkeit des Silikons zu verbessern. Zusätzlich sind Beimengungen zur Erhöhung der Permittivitätszahl ε_r, z.B. Bariumtitanat, möglich.
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. Insbesondere können in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiele miteinander zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.

Claims

Durchführungsisolator (1), der - einen Basiskörper (5) mit wenigstens einer Öffnung (6), die zur Durchführung wenigstens eines elektrischen Leiters (7) geeignet ist, aufweist - und aus einem elektrisch isolierenden Hauptmaterial (8) und wenigstens einem von dem Hauptmaterial (8) verschiedenen Feldsteuerungsmaterial (10) gefertigt ist, wobei - das Feldsteuerungsmaterial (10) derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass es ein den Durchführungsisolator (1) durchdringendes und umgebendes elektrisches Feld beeinflusst.
Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 1 mit einer aus einem Feldsteuerungsmaterial (10) gefertigten Beschichtung (11), die eine Außenoberfläche des Basiskörpers (5) wenigstens teilweise beschichtet.
Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 2, wobei das die wenigstens teilweise Beschichtung (11) des Basiskörpers (5) bildende Feldsteuerungsmaterial (10) halbleitend ist.
Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) aus dem Hauptmaterial (8) mit einer Beimischung eines elektrisch leitfähigen Varistormaterials als Feldsteuerungsmaterial (10) gefertigt ist.
Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 4, wobei das Varistormaterial Zinkoxid aufweist.
Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) wenigstens eine in das Hauptmaterial (8) eingebettete Elektrodenschicht (12) aus einem elektrisch leitfähigen Feldsteuerungsmaterial (10) aufweist.
Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) aus dem Hauptmaterial (8) mit einer Beimischung seine Permittivität erhöhenden dielektrischen Feldsteuerungsmaterials (10) gefertigt ist.
Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 7, wobei das dielektrische Feldsteuerungsmaterial (10) Bariumtitanat und/oder Aluminiumoxid aufweist.
Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 8, wobei die Konzentration des dielektrischen Feldsteuerungsmaterials (10) in dem Basiskörper (5) räumlich variiert.
Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hauptmaterial (8) ein Gießharz oder ein Silikon ist.
Durchführungsisolator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Hauptmaterial (8) ein Gießharz oder ein Silikon mit einer Beimischung wenigstens eines Füllstoffes ist.
Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 11, wobei Aluminiumnitrid und/oder Bornitrid als ein Füllstoff verwendet werden.
Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer um den Basiskörper (5) herum verlaufenden Elektrode (13).
Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) gasdicht mit jedem elektrischen Leiter (7) verbunden ist, der durch eine Öffnung (6) des Basiskörpers (5) geführt ist.
Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) eine Beschichtung (11) oder Ummantelung (14) aufweist, die einen Abschnitt eines durch eine Öffnung (6) des Basiskörpers (5) geführten Leiters (7) sowie einen an diesen Abschnitt des Leiters (7) angrenzenden Bereich der Oberfläche des Basiskörpers (5) umgibt.