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Gießharzisolierter elektrischer Meßwandler, Durchführung od. dgl.
Es bereitet Schwierigkeiten, die Gießharzisolation für elektrische Hochspannungsapparate
höherer Reihenspannungen einteilig herzustellen, weil die bei den erforderlichen
Schichtdicken während und nach der Härtung auftretenden Schrumpfspannungen leicht
zur Bildung von Rissen führen, wenn man die Isolation so stark ausführt, daß die
elektrische Beanspruchung an den Krümmungen der hochspannungsführenden Teile genügend
gering ist. Um die Feldbeanspruchung der Gießharzisolation in den inneren Bereichen
zu reduzieren und weiter nach außen hin zu vergleichmäßigen, ist es bekannt, die
Isolation durch kapazitive Steuerbeläge zu unterteilen. Dabei sind bisher folgende
Herstellungsverfahren üblich.
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Erstens werden die Steuerbeläge vorher eingeformt und danach der Gießharzkörper
in einem Arbeitsgang vergossen. Bei diesem Verfahren bleibt die Schwierigkeit bestehen,
daß der Gießharzkörper als starrer Block zu betrachten ist und zum Reißen neigt.
Außerdem besteht bei diesem Verfahren die Gefahr, daß die innenliegenden Gießharzschichten
beim Aushärten dazu neigen, sich von den außenliegenden Steuerbelägen, falls diese
eine starre Struktur aufweisen, abzulösen und so Spalten zu bilden, welche später
zu Glimmerscheinungen führen. Zweitens ist es bekannt, die Einzelschichten in aufeinanderfolgenden
Gießvorgängen herzustellen und die kapazitiven Steuerbeläge, die dann mechanisch
stabil sein müssen, jeweils gleichzeitig als Gießform zu benutzen. Dieses Verfahren
hat jedoch den Nachteil, daß die äußeren Gießharzschichten größeren Durchmessers
auf die bereits auspolymerisierten inneren Gießharzschichten aufzugießen sind und
daß bei der nachfolgenden Polymerisation auf ihrer Polymerisationsschrumpfung in
der jeweils äußeren Gießharzschicht unzulässig hohe mechanische Spannungen auftreten.
Bei einem anderen bekannten Gießharzwandler, bei dem kapazitive Steuerbeläge zur
Unterteilung der Isolation vorgesehen sind, sollen diese aus Metallfolien bestehen,
die aufbandagiert werden, oder die metallischen Beläge sollen aufgespritzt werden.
Auch bei diesem Wandler ist der fertige Gießharzkörper als starrer Block zu betrachten,
der zum Reißen neigt.
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Diese Nachteile, wie sie bei gießharzisolierten elektrischen Meßwandlern,
Durchführungen od. dgl. mit aus mehreren übereinander aufgebrachten, gleichartigen
Einzelschichten bestehender Isolation und dazwischenliegenden, aus elektrisch leitenden
Stoffen gebildeten kapazitiven Steuerbelägen auftreten, werden erfindungsgemäß dadurch
vermieden, daß die kapazitiven Steuerbeläge zur Schaffung von Dehnungsreserven zwischen
den einzelnen Isolierstoffschichten ganz oder teilweise aus einem kompressibel-elastischen
Material bestehen, das entweder selbst elektrisch leitend oder mit untereinander
verbundenen elektrisch leitenden Oberflächen versehen ist. Das kompressibelelastische
Material der kapazitiven Steuerbeläge soll dabei in der Hauptsache dazu dienen,
die während der Polymerisation bzw. nachfolgenden Temperaturänderungen der (des)
Gießharzkörper(s) auftretenden Schrumpfspannungen bzw. die durch die Wärmeausdehnung
bzw. -kontraktion hervorgerufenen Spannungen aufzunehmen oder abzuschwächen. Dabei
müssen die kompressibel-elastischen Schichten, die vorzugsweise aus schaumartigem
Kunststoff bestehen, zur Vermeidung von Glimmentladungen elektrisch entlastet sein,
was dadurch ereicht wird, daß sie aus elektrisch leitendem Material ausgeführt oder
mit leitenden Oberflächen, die miteinander verbunden sind, versehen werden. Der
kompressibel-elastische kapazitive Steuerbelag gemäß der Erfindung weist beispielsweise
an seiner Oberfläche leitfähige Folien auf, unter denen eine Schicht aus beispielsweise
schaumartigem Kunststoff liegt. Bei anderen Ausführungsformen besteht der kompressibel-elastische
kapazitive Steuerbelag aus einer oder mehreren Schichten eines schaumartigen Kunststoffes
mit Leitfähigkeitszusatz, deren äußere Oberflächen mit einer dichten Haut aus dem
gleichen oder einem ähnlichen Kunststoff in an sich bekannter Weise überzogen sind.
In einer
weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung besteht der
kompressibel-elastische kapazitive Steuerbelag innen aus einer auf den Gießharzkörper
aufgebrachten zusammenhängenden leitfähigen Schicht, über der eine Schicht schaumartigen
Kunststoffes liegt, die außen mit einer zusammenhängenden leitfähigen Oberfläche
versehen oder mit einer leitenden Folie überzogen ist.
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Zwar ist es im Gießharzwandlerbau bereits bekannt, aktive Teile mit
kompressibel-elastischen, elektrisch entlasteten Polsterschichten zu umgeben. Diese
bekannten Polsterschichten liegen aber direkt auf den aktiven Teilen und weisen
daher stets auch deren Potential auf, dienen also nicht als kapazitive Steuerbeläge,
sondern lediglich als Polsterschichten und zur Abrundung der Kanten der aktiven
Teile und damit zur Vermeidung von Glimmerscheinungen. Dies trifft auch für einen
bekannten Gießharzstromwandler züt, bei dem die eventuell schon beim Härten des
Gießharzes auftretende Pressung der Polsterschicht vermieden werden soll, um bei
hohen Überströmen auftretende dynamische Auswirkungen auffangen zu können. Dieser
Wandler weist folgenden Aufbau auf: Auf die aktiven Wandlerteile wird ein Überzug
aus bei Raumtemperatur vernetzendem elastischem. gegebenenfalls kompressiblem Werkstoff
aufgebracht. Danach wird der Wandler auf die Gießtemperatur des Ummantelungsharzes
erwärmt und dann mit einem leitenden Belag versehen. Wird nun ein Ummantelungsharz
gewählt, welches einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Überzug
aus elastischem, gegebenenfalls kompressiblem Material, so wird sich bei der Aushärtung
des Wandlers zwischen dem elastischen C-berzug und dem Ummantelungsharz ein Hohlraum
ergeben, der dadurch, daß der leitende Belag an dem Ummantelungsharz haftenbleibt,
also von dem elastischen Überzug abschrumpft, elektrisch entlastet ist. Kapazitive
Steuerbeläge der vorn beschriebenen erfindungsgemäßen Bauart wird man anwenden,
wenn der Gießharz-Isolierkörper des elektrischen Hochspannungsapparates in einzelnen
Teilen und Herstellungsphasen gegossen bzw. gepreßt und ausgehärtet wird, wobei
die kapazitiven Steuerbeläge ganz oder teilweise die Grenzen zwischen diesen Teilen
darstellen. Hat man jedoch den Wunsch, einen Gießharzisolierkörper herzustellen,
bei welchem ein in einem Teil bzw. einer Herstellungsphase hergestellter Gießharz-Isolierkörper
einen oder mehrere kompressibel-elastische kapazitive Steuerbeläge enthält, so wendet
man für diese Steuerbeläge erfindungsgemäß eine Bauart an, bei welcher dieser Steuerbelag
in seiner Mittelschicht einen selbsttragenden Körper aus Blech oder Metallgeflecht
aufweist. der beiderseits von Schichten schaumartigen Kunststoffes umgeben ist,
die ihrerseits außen eine leitfähige Oberfläche aufweisen oder mit einer leitenden
Folie überzogen sind. Die Gestaltung der Steuerbeläge kann bei all diesen Ausführungsformen
so erfolgen. daß der Abstand zwischen benachbarten Steuerbelägen am Rand der Beläge
größer ist als in ihrer Mitte. Dadurch werden die Feldkonzentrationen an den Rändern
der Steuerbeläge herabgesetzt. Zum gleichen Zweck läßt man die Steuerbeläge in Wulsten
dicht unter der Oberfläche des Gießharzkörpers enden. In diesem Falle weist der
schmale, zwischen Wulst und Oberfläche liegende Streifen des Gießharzkörpers gummielastische
Eigenschaften auf. Weiterhin kann der Gießharzisolator eines solchen Hoch-Spannungsapparates
in an sich bekannter bzw. in schon vorgeschlagener Weise mit einem oder mehreren
Porzellanüberwürfen versehen werden.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt.
Abb.l zeigt im Schnitt das Schema eines gießharzisolierten Einleiter-Stromwandlers.
11 ist ein metallenes Rohr, welches einerseits als Träger der Gießharzkörper 13,
15, 17 dient, andererseits zur späteren Aufnahme eines stabförmigen Primärleiters.
Auf das Metallrohr 11 sind die Gießharzkörper 13, 15, 17 aufgegossen, die ihrerseits
voneinander durch die kapazitiven Steuerbeläge 14 und 16 getrennt sind. Falls der
Außendurchmesser des Metallrohres 11 und seine statische Starrheit zu groß
sein sollte, so daß bei der Polymerisation oder Wärmekontraktion des Gießharzkörpers
13 unzulässig hohe mechanische Spannungen auftreten können, kann man an der
Grenzschicht 12 zwischen beiden in an sich bekannter Weise einen Polsterbelag anbringen.
Die kapazitiven Steuerbeläge 14 und 16 bestehen erfindungsgemäß ganz oder teilweise
aus einem kompressibel-elastischen Material, das elekteisch leitend ist oder miteinander
verbundene elektrisch leitende Oberflächen aufweist. Ihr innerer Aufbau ist je nach
Herstellungsweise der gesamten Gießharzkörper verschieden und soll deshalb an Hand
weiterer Abbildungen beschrieben werden. Allseitig vom Gießharzkörper 17 umgossen
sind die aktiven Teile des Einleiter-Stromwandlers, der ringförmige Eisenkern 18
und die auf ihm angebrachte Sekundärwicklung 19 angeordnet, und zwar konzentrisch
zum Trägerrohr 11. Dabei können diese Teile oder einer von ihnen wiederum nach Bedarf
in der Abbildung nicht dargestellte elektrostatisch entlastete kompressibel-elastische
Polsterschichten tragen. Die isolierte Oberfläche des Gießharzkörpers 17 endet in
den wulstförmigen Ringen 21 und 22, zwischen denen der mit einem geerdeten Leitbelag
versehene zylinderförmige Teil 20 angeordnet ist. An ihn kann der in der Abbildung
nicht dargestellte Flansch aufgeschraubt werden. Eisenkern 18 und Sekundärwicklung
19 befinden sich ebenfalls auf erdnahem elektrischem Potential. Das Potential
der Steuerbeläge 14
und 16 ist kapazitiv gesteuert und durch ihre Formgestaltung
und Wahl der Wanddicke der Gießharzkörper 13, 15 und 17 so gewählt, daß die beiden
Forderungen: elektrisch möglichst gleichmäßige Beanspruchung der Gießharzkörper
in radialer Richtung und möglichst lineare Aussteuerung der Isolatoroberfläche in
axialer Richtung, optimal erfüllt sind. An den Enden 23 und 24 erweitern
sich die Steuerbeläge 16 und 14 trompetenförmig, so daß der Abstand
zwischen benachbarten Steuerbelägen am Rande der Beläge größer ist als in ihrer
Mitte.
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Die Steuerbeläge 14 und 16 enden an den Stellen 23 und 24 unterhalb
der Oberfläche des im Beispiel mit Rillen versehenen Gießharzisolators, wobei die
Zwischenschicht zwischen den abgerundeten Belagenden und der Gießharzoberfläche
in der in Abb. 5 dargestellten Weise durch ein elastisch eingestelltes Gießharz
ausgefüllt wird.
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Abb. 2 zeigt im Schnitt in starker Vergrößerung einen Ausschnitt aus
einem solchen kapazitiven Steuerbelag. 27 ist ein kompressibel-elastisches Isoliermaterial,
beispielsweise ein Schaumkunststoff, welches mit leitfähigen Oberflächenschichten
25 und 26 überzogen ist, die ihrerseits miteinander leitend verbunden sind.
Eine
andere Aufbauweise eines solchen kapazitiven Steuerbelages zeigt Abb. 3. Hier ist
28 ein kompressibel-elastisches Material, welches elektrisch leitende Eigenschaften
aufweist. Dieses besitzt an seinen Oberflächen dichte Häute 29 bzw.
30, die aus dem gleichen oder ähnlichen Kunststoff bestehen und das kompressibel-elastische
Material nach außen abschließen.
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Eine weitere Ausführungsform des kapazitiven Steuerbelages zeigt im
Schnitt Abb.4. Der Steuerbelag ist hier auf einem gegossenen und auspolymerisierten
Gießharzkörper aufgebracht. Einen Ausschnitt dieses Gießharzkörpers stellt
31 dar. Auf diesem ist die zusammenhängende leitfähige Schicht
32 aufgebracht, über der wiederum eine Schicht schaumartigen Kunststoffes
33 liegt. Diese Schicht weist außen eine zusammenhängende leitfähige Oberfläche
25 auf, die elektrisch mit der anderen leitfähigen Schicht 32 verbunden ist.
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Abb. 5 zeigt im Schnitt ein Beispiel eines kapazitiven Steuerbelages,
der dann anzuwenden ist, wenn ein Gießharzkörper, welcher einen oder mehrere kapazitive
Steuerbeläge enthält, in einer einzigen Herstellungsphase gegossen werden soll.
Die Abbildung stellt eine Teilzeichnung aus einem Schnittbild dar. Es handelt sich
um eine rotationssymmetrische Anordnung, wobei 34 die Rotationsachse darstellt.
Erfindungsgemäß besteht dieser kapazitive Steuerbelag in seiner Mittelschicht aus
einem selbsttragenden Körper 35, beispielsweise aus Isolierstoff, Blech-
oder Metallgeflecht, welcher in einer tubusähnlichen Abrundung 36 endet.
Beiderseits ist dieser Körper von Schichten schaumartigen Kunststoffes
33 umgeben, die ihrerseits außen eine leitfähige Oberfläche aufweisen oder
mit einer leitfähigen Folie überzogen sind, was .im einzelnen nicht dargestellt
ist. Das tubusartige Ende 36 endet unter der Oberfläche des Gießharzkörpers
13, 15, in welchem es eingebettet ist. Der Zwischenraum zwischen diesem Ende
36 und der Oberfläche des Gießharzkörpers wird gebildet durch einen Ring
37, welcher aus elastisch eingestelltem Gießharz besteht.
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Die Abb. 6 und 7 zeigen die Anwendung des Erfindungsgedankens auf
einen Wickelstromwandler mit ringförmigem Eisenkern, und zwar Abb. 6 in einem Schnitt
durch die Achse des Hochspannungsisolators und Abb. 7 in einem Schnitt durch die
Mittelebene des Ringkernes. Die Bezugszeichen in beiden Abbildungen sind die gleichen.
Der ringförmige Eisenkern 38 mit Sekundärwicklung, die der Einfachheit halber
nicht dargestellt ist, ist gegenüber dem Gießharzkörper abgeschlossen durch einen
leitfähigen, gegebenenfalls gepolsterten Belag 39. Der eigentliche Gießharzkörper
besteht aus den Zonen 40,41 und 42,
welche als Hohlringkörper mit entsprechenden
zylinderförmigen Ansätzen um die ebenfalls ringförmige Primärwicklung
43 angeordnet sind. Zwischen diesen Gießharzzonen 40, 41 und
42 liegen die kapazitiven Steuerbeläge 44 und 45, die ebenfalls
die Form eines Hohlringes mit tubusförmigem Ansatz an der Stelle des Ausleitungsisolators
46 aufweisen. Die tubusartigen Ansätze 47 und 48 enden unter
der Oberfläche des Gießharzisolators in der in Abb. 5 bereits dargestellten Weise.
Durch entsprechende Wahl der Schichtdicken der Gießharzzonen 40, 41 und
42 sowohl wie der Ausleitungslänge der Tubusansätze 47
und
48 läßt sich das Teilungsverhältnis der Einzelkapazitäten zwischen den Hochspannungs-
und Erdelektroden bzw. den einzelnen Steuerbelägen im gewünschten Sinne beeinflussen.