DE1615039B2

DE1615039B2 - Isolieranordnung für Hochspannung

Info

Publication number: DE1615039B2
Application number: DE1615039A
Authority: DE
Inventors: Lee A. Export Kilgore; Derrill F. Pittsburgh Shankle
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1965-07-26
Filing date: 1966-05-25
Publication date: 1974-12-19
Also published as: CH452638A; JPS4315459B1; GB1120108A; US3324272A; DE1615039A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Isolieranordnung für Hochspannung mit einem festen Isolator zwischen zwei Teilen verschiedenen Potentials. Sie ist insbesondere für eine isolierende Abstützung der Leiter einer gekapselten Hochspannungsschaltanlage gedacht.

Wenn die Spannungsgradienten an der Stoßstelle zwischen einem Isolator und einem Hochspannungsleiter hoch sind, kann in dem schmalen Spalt zwischen dem Isolator und dem Leiter Korona entstehen. In diesem Fall ergibt sich eine Verringerung der Überschlagsspannung des Isolators, wenn die Koronaentladungen in den Raum an der Oberfläche des Isolators hineindiffundieren können. Außerdem kann Korona in dem Spalt der Stoßstelle zwischen einem Porzellanisolator und einem Leiter örtliche Erwärmungen ergeben, die z. B. zu Haarrissen im Porzellan führen und schließlich einen Bruch und damit ein elektrisches Versagen des Porzellanisolators zur Folge haben.

Der hohe Spannungsgradient an der Stoßstelle zwischen einem Isolator und einem Leiter ergibt sich aus der hohen Dielektrizitätskonstante des Isolators, der einen verhältnismäßig hohen dielektrischen Fluß trägt, der den Spalt zwischen dem Isolator und dem Leiter überwinden muß. Der Spalt selbst hat eine geringere Dielektrizitätskonstante und trägt daher eine höhere Spannung. Das Verhältnis der Spannungsgradienten im Spalt zu dem im Isolator nähert sich dem Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten von Isolator und Medium im Spalt. Bei einem mit Luft von Normaldruck gefüllten Spalt steigt der Spannungsgradient im Spalt direkt proportional mit der Dielektrizitätskonstante des Isolators. Wenn der Isolator beispielsweise aus Porzellan besteht.

dessen Dielektrizitätskonstante etwa 7 ist, so muß der Spannungsgradient im Luftspalt siebenmal so groß sein wie der im Porzellan.

Es ist bereits bekannt, das elektrische Feld an der Stoßstelle eines Isolators mit einem Hochspannung führenden Leiter durch einen in den Isolator hineinragenden leitenden Körper zu beeinflussen (US-PS 2 355 111). Ferner ist es bekannt, ein Rohr als Hochspannung führenden Leiter zu verwenden und das Rohr an der Stoßstelle mit einem Isolator mit einer Einziehung zu versehen, wodurch ein feldgeschwächter Raum gebildet wird (BE-PS 647 471). Bei den bekannten Anordnungen sind jedoch die Ränder der Scheibenisolatoren nicht spezifisch entlastet.

Die Erfindung geht von einer Isolieranordnung für Hochspannung mit einem zwischen zwei auf unterschiedlichem Potential befindlichen Teilen angeordneten Isolierkörper aus, der an dem auf Hochspannungspotential liegenden Teil in einen Raum mit verringerter Feldstärke hineinragt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Spannungsgradienten an der Stbßstelle zwischen einem Isolator und einem Leiter zu verringern, um dadurch Koronaentladungen zu vermeiden und die Überschlagsspannung des Isolators zu vergrö-Bern. In der gleichen Weise soll eine örtliche Erwärmung der Stoßstelle zwischen dem Leiter und dem Isolator vermieden werden, um dadurch eine mechanische Gefährdung und zu hohe elektrische Beanspruchung des Isolators zu vermindern.

Gemäß der Erfindung dienen zur Verringerung der Feldstärke ein in den Isolierkörper hineinragender, mit dem Hochspannung führenden Teil verbundener leitender Körper und beidseitig des Isolierkörpers mit dem Hochspannung führenden Teil verbundene Abschirmkörper, derart, daß der Isolierkörper mit seinen Rändern in je eine zwischen dem in den Isolierkörper hineinragenden Körper und den Abschirmkörpern gebildete Vertiefung eingreift. In den Vertiefungen ist der Spannungsgradient geringer. Daher sind die Ränder des Isolierkörpers gegenüber den üblichen Anordnungen dielektrisch entlastet.

Im Rahmen der Erfindung können die Vertiefungen, in welche die Ränder des Isolierkörpers eingreifen, ebenso tief wie breit sein.

In an sich bekannter Weise können Koronaentladungen in dem Spalt zwischen dem Isolierkörper und dem in ihn hineinragenden leitenden Körper durch eine leitende Schicht vermieden werden, die an der Fläche des Isolierkörpers angebracht ist, mit der er den in ihn hineinragenden Körper übergreift.

Eine einfache Möglichkeit zur Bildung der Vertiefungen besteht in der Verwendung eines auf den Hochspannung führenden Leiter aufgesetzten Blechteils, das den in den Isolierkörper hineinragenden Körper und die äußeren Abschirmkörper bildet.

■ .· Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die F i g. 1 zeigt im Schnitt eine Isolieranordnung mit einem Scheibenisolator, einem Hochspannung führenden Leiter und einer Metallkapselung.

In Fig.2 ist in einer vergrößerten Darstellung das Feldbild im Bereich eines hochspannungsseitigen Randes des scheibenförmigen Isolierkörpers nach der F i g. 1 gezeigt:

Die F i g. 3 zeigt im Schnitt einen Teil eines Leistungsschalters mit einem geerdeten Gehäuse. Eine Seitenansicht des gesamten Leistungsschalters ist in

F i g. 4 dargestellt.

In den Zeichnungen, insbesondere in F i g. 1, umfaßt die dargestellte Isolieranordnung ein im wesentlichen zylindrisches Rohr oder ein Gehäuse 11, einen zylindrischen Leiter 12, einen im wesentlichen scheibenförmigen Isolator 13, der den Leiter innerhalb des Gehäuses trägt, und eine metallische Abschirmung 14, die um den Leiter 12 herum verläuft und zwischen Isolator und Leiter liegt. Wie dargestellt, besteht der Isolator 13 aus Porzellan. Er könnte jedoch auch aus anderen geeigneten Stoffen, beispielsweise aus Glas oder Kunstharz, hergestellt sein.

Wenn der Leiter 12 ein verhältnismäßig hohes Potential führt, beispielsweise 345 kV aufweist, sind die Spannungsgradienten an der Stoßstelle zwischen Isolator und Leiter hoch. Bei hohen Spannungsgradienten kann selbst die kleinste Luftstrecke zwischen Isolator und Leiter, die beispielsweise durch Unvollkommenheiten oder Unregelmäßigkeiten im Isolator verursacht ist, eine Quelle für Koronentladungen werden. Diese Korona kann eine verringerte Überschlagsspannung längs der Isolatoroberfläche zur Folge haben. Ferner kann der Spalt eine Erwärmung veranlassen, die Brüche oder elektrische Versager des Isolators verursacht.

Um die Spannungsgradienten zu verringern, ist die Abschirmung 14 um den Leiter 12 gelegt und so geformt, daß der Isolator 13 in eine Vertiefung (Schlitz) hineinreicht. Vorzugsweise besitzt der Isolator zwei mit Abstand angeordnete Rippen 15 an seinem Innenrand, von denen jede in einen Ringschlitz 16 der Abschirmung 14 eingreift. Die Tiefe des Schlitzes 16 ist annähernd gleich seiner Breite. Die Abschirmung 14 kann in Längsrichtung geteilt sein, um die Montage der Abschirmung und des Isolators auf dem Leiter 12 zu erleichtern. Eine Lage 17 aus leitendem Material, z. B. SiI-ber, ist auf der Oberfläche des Isolators zwischen den Rippen 15 zur Kontaktgabe mit dem Teil 18 der Abschirmung 14 zwischen den Schlitzen 16 vorgesehen. Dadurch wird jede Spaltbildung vermieden, die zwischen dem Isolator und dem Leiter vorliegen könnte. Die Abschirmung steht unmittelbar in Berührung mit dem Leiter, und das Silber 17 ist am Isolator 13 befestigt.

Die Silberschicht kann durch Aufspritzen oder Aufbürsten eines geeigneten Stoffes auf das Porzellan vor dem Brennen aufgebracht werden. Ein geeignetes Material umfaßt eine Suspension von Silberteilchen oder ein Pulver in einem organischen Bindemittel mit einem Flußmittel für Glas. Beim Brennen des Überzugs verdampft das organische Bindemittel, und das Glasflußmittel dient als Binder, der eine feste Bindung zwischen den Silberteilen und dem Porzellangrundkörper zur Folge hat. Mithin entsteht eine leitende Silberschicht, die keinerlei Lufteinschlüsse zwischen dem Silber und dem Porzellan aufweist. Es können aber auch andere leitende Überzüge vorgesehen werden.

Wie das Flußbild in F i g. 2 zeigt, teilt sich der dielektrische Fluß auf die Wände des Schlitzes 16 auf. Daraus erhält man einen sehr viel geringeren Spannungsgradient im Grunde des Schlitzes. Die Anbringung der Rippen 15 am Isolator 13 macht es möglich, daß die Tiefe des Schlitzes mindestens gleich seiner Breite zwischen den leitenden Oberflächen oder Wänden 19 gemacht wird. Die Verringerung des Spannungsgradienten an der Kante der Isolatorstoßstelle mit dem Leiter verkleinert die Spannungsbeanspruchung in diesem Punkt unter die Koronaeinsatzspannung, so daß die Stoßstelle keine Koronaentladungen hervorruft, die schließlich die Überschlagsspannung des Isolators verringern. ■··■■.'■.

Es ist festzuhalten, daß Abschirmungen und Steuerringe zur Spannungssteuerung an den Endflächen von Isolatoren bereits vorgesehen wurden, um die Überschlagsspannung zu steigern. In der bisher üblichen Weise bringen sie jedoch nur eine begrenzte Verbesserung und sind nicht annähernd so wirksam wie bei der vorliegenden Erfindung im Bereich der Stoßstelle zwischen einem Isolator und einem Leiter, die in einen Schlitz eingesenkt wird. Natürlich müssen die Außenkanten des Schlitzes abgerundet werden, etwa so, wie dargestellt, um eine nennenswerte Erhöhung des Spannungsgradienten in diesem Punkt zu vermeiden. Anderenfalls würde dort die Koronaentladung beginnen und die Überschlagsspannung herabsetzen.

Die vorstehend beschriebenen isolierenden Abstützungen sind besonders geeignet für Hochspannungsanlagen, die in unter Druck stehenden Rohren angeordnet sind. Ein anderes Anwendungsgebiet für die Erfindung ist der Einsatz in Leistungsschaltern mit geerdeten Gehäusen. Ein Teil eines solchen Schalters ist in F i g. 3 gezeichnet. Die Schaltstellen 20, die in F i g. 4 im ganzen dargestellt sind, sind auf einem Rahmen 25 befestigt, der von einem Träger 16 gehalten wird. Der Träger 16 ist am oberen Ende eines hohlen zylindrischen Isolators 27 befestigt, dessen unteres Ende auf einer Grundplatte 28 sitzt. Die Grundplatte ist ein Teil eines im wesentlichen zylindrischen Behälters 29. Von dem Behälter 29 weg erstreckt sich ein konischer Vorsprung 31, der die Grundplatte 28 umgibt. Die Grundplatte 28 wird von einem Antriebsgehäuse 32 mit Erdpotential gehalten. Der Träger 26 für die Schalteinrichtung, die ein verhältnismäßig hohes Potential haben kann, ist gegenüber Erde mit einem Isolierkörper 27 abgestützt, der vorzugsweise aus Porzellan besteht. Der Rahmen 25 ist am Teil 26 mit Schrauben 30 befestigt. Ein Isolierstoffrohr 33 verbindet einen nicht dargestellten Speicher, der ein Löschmittel, z. B. Schwefelhexafluorid (SFö), bei einem verhältnismäßig hohen Druck enthält, mit den Schaltstellen; Leitungsanschlüsse können an den Durchführungen 40 erfolgen, die am Gehäuse 29 befestigt sind. Bei dem Schalter nach F i g. 4 sind zwei Schaltstellen 20 in Reihe geschaltet.

Um die Spannungsgradienten ρπ der Stoßstelle zwischen dem Isolator 27 und dem Träger 26 zu verringern, ist ein Metallring 34 in das obere Ende des Isolators eingelassen. Ferner sind Abschirmungen 35 und 36 vorgesehen, die einen Schlitz 37 bilden. In diesen ist das obere Ende des Isolators eingesetzt. Der Isolator umgibt vorzugsweise den Ring 34, so daß dessen Oberkante im wesentlichen mit der Stirnseite des Isolators fluchtet. Im Ring 34 sind Gewindebohrungen zur Aufnahme von Schrauben 38 vorgesehen, mit denen Teil 26 am Isolator 27 befestigt wird. Ein Ring 39, ähnlich dem Ring 34, ist am unteren Ende des Isolators 27 befestigt. Mit ihm wird der Isolator an der Grundplatte 28 mit zusätzlichen Schrauben 38 angebracht. Die Abschirmung 35 wird durch einen Flansch 41 gehalten, der zwischen dem Ring 34 und Teil 26 mit den Schrauben 38 festgeklemmt ist. Ein Flansch 42 an der Abschirmung 36 ist am Teil 26 mit winkelförmigen Streben 43 befestigt. Eine Öffnung 44 in der Mitte der Abschirmung 35 gestattet den Durchtritt des Rohres 33. Die Abschirmungen 35 und 36 sind an den Kanten des Schlitzes 37 abgerundet, um dort eine Steigerung des Spannungsgradienten zu vermeiden.

Der Ring 34 und die Abschirmungen 35 und 36 erge-

ben eine divergierende Aufteilung des dielektrischen Flusses an den Wänden des Schlitzes 37, wie vorher beschrieben wurde. Dadurch wird der Spannungsgradient im Grunde des Schlitzes verringert, wo der Isolator 27 auf Teil 26 mit Hochspannungspotential stößt. Der Ring 34 teilt den Schlitz 37 in zwei Bereiche, von denen jeder einen Teil 45 des Isolators 37 enthält. Mithin ist die Tiefe jedes Teiles des Schlitzes 37 größer als die Breite jedes Teiles. Wie vorher erläutert, sollte die Tiefe des Schlitzes mindestens gleich seiner Breite sein, um den Spannungsgradient im Zuge des Schlitzes wirksam zu verringern. Der Ring 34 steht in inniger Beriih-

IO

rung mit dem Isolator 27 und über den Flansch 41 der Abschirmung 35 auch mit dem Teil 26.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird ersichtlich, daß die Erfindung für eine Verringerung der Spannungsgradienten an der Stoßstelle zwischen einem Isolator und einem Leiter sorgt, wodurch Koronaaufladungen vermieden werden, die ein ernstes Problem in Hochspannungsanlagen sind. Die dargestellte Anordnung kann bei elektrischen Geräten eingesetzt werden, die mit Gas von normalem Druck oder höheren Drükken betrieben werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Isolieranordnung für Hochspannung mit einem zwischen zwei auf unterschiedlichem Potential befindlichen Teilen angeordneten Isolierkörper, der an dem auf Hochspannungspotential liegenden Teil in einen Raum mit verringerter Feldstärke hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Feldstärke ein in den Isolierkörper (13) hineinragender, mit dem Hochspannung führenden Teil (12) verbundener leitender Körper (18) und beidseitig des Isolierkörpers (13) mit dem Hochspannung führenden Teil (12) verbundene Abschirmkörper dienen, derart, daß der Isolierkörper (13) mit seinen Rändern (15) in je eine zwischen dem in den Isolierkörper (13) hineinragenden Körper (18) und den Abschirmkörpern gebildete Vertiefung (16) eingreift.

2. Isolieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (16) ebenso tief wie breit ist.

3. Isolieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (13) an seiner den in ihn hineinragenden Körper (18) übergreifenden Fläche eine leitende Schicht (17) besitzt.

4. Isolieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Isolierkörper (13) hineinragende Körper (18) und die äußeren Abschirmkörper von einem auf den Hochspannung führenden Teil (12) aufgesetzten Blechteil (14) gebildet sind.