DE2209089C3

DE2209089C3 - Elektrisches Hochspannungsgerät

Info

Publication number: DE2209089C3
Application number: DE2209089A
Authority: DE
Inventors: Alan H. Pittsburgh Cookson; Owen Monroeville Farish; John M. Trafford Gauntz
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-03-09
Filing date: 1972-02-22
Publication date: 1978-10-26
Also published as: IT949984B; DE2209089A1; BE780342A; DE2209089B2; US3898408A; US3895176A; FR2128735B1; FR2128735A1; AT311480B; GB1388201A; JPS4729867A; US3814879A; JPS5144750B1; CH542532A; ES400532A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Hochspannungsgerät, insbesondere Hochspannungsleitung, mit einem rohrförmigen Außenleiter, einem Innenleiter sowie einem zwischen dem Außen- und dem Innenleiter enthaltenen Isoliermittel, wobei durch eine zumindest periodische Beaufschlagung mit unterschiedlichem elektrischen Potential ein entsprechendes elektrisches Feld zwischen dem Innen- und dem Außenleiter aufbaubar ist, und mit Einbauten, die feldgeschwächte, als Partikelfalle wirksame Räume begrenzen.

Bei einem derartigen bekannten elektrischen Hochspannungsgerät (US-PS 35 15 939) sind zur Schaffung der Partikelfallen metallische Einbauten bzw. Anbauten am Außenleiter vorgesehen, um Bereiche mit einem geschwächten elektrischen Feld bzw. feldfreie Bereiche zu schaffen. Die in Form von am Außenleiter längs verlaufenden metallischen Rohren oder am Außenleiter befestigten metallischen Schirmen angebrachten Einbauten verkürzen die Spannungsfestigkeit bei gleichbleibendem Außenleiterdurchmesser. Werden jedoch am Außenleiter in Längsrichtung verlaufende Ausbuchtungen als Partikelfallen vorgesehen, so ergibt sich ein nicht unerheblicher Mehraufwand bei der Herstellung des Außenleiters, Die Verkürzung der elektrischen Spannungsfestigkeit einerseits und andererseits der nicht unerhebliche Mehraufwand bei der Herstellung des Außenleiters werden als gravierende Nachteile empfunden.

Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, mit denen feldgeschwächte Räume innerhalb des Außenleiters eines elektrischen Hochspannungsgerätes geschaffen werden können, mit denen die volle Isoliermittelstrecke zur Spannungsfestigkeit ausgeschöpft werden kann, ohne daß dies mit einem erheblichen Mehraufwand bei der Herstellung derartiger Hochspannungsgeräte verbunden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch jelöst, daß die Einbauten aus dicht an der an die Isoliermiuelstrecke angrenzenden Oberfläche des Innenleiters und/oder des Außenleiters angeordneten Isolierstoffelementen bestehen, welche gegenüber dem Isoliermittel eine hohe Dielektrizitätskonstante haben.

Durch diese Maßnahmen wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Isolierstoffelemente, welche zur Schaffung der Partikelfallen Verwendung finden, verhältnismäßig einfach auch in komplizierter Form durch Gießen oder ähnliche Herstellungsverfahren hergestellt werden können. Da im Vergleich zu Partikelfallen aus Metallelementen bei der Verwendung von Isolierstoffelemenien die Keldintensivierung auf der Oberfläche dieser Isolierstoffelemente geringer ist, enthält man auch eine höhere Spannungsfestigkeit, so daß bei gleichen Abmessungen der Hochspannungsgeräte sogar die Verwendung höherer Spannungen möglich ist. Es ist bekannt, daß bei der Verwendung von Metallelementen für Partikelfallen eine gute elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Metallelemem: und dem Leiter bestehen muß, um die Gefahr von Funkenbildung zu vermeiden. Demgegenüber hat die Erfindung den Vorteil, daß die Grenzschicht zwischen dem Isolierstoffelement und dem metallischen Leiter in dieser Hinsicht unkritisch ist. Durch die Möglichkeit, auch komplizierte Formen bei Isolierstoffelementen leichter verwirklichen zu können, ergibt sich als weiterer Vorteil, daß eine Optimierung der Wirkung der Partikelfallen sehr viel leichter durch konstruktive Maßnahmen verwirklicht werden kann, wobei sich auch der Vorteil ergibt, daß bei eier Herstellung solcher Isolierstoffelemente auch eine Variation der Dielektrizitätskonstante zur Optimierung möglich ist.

Es ist zwar bereits bekannt, bei elektrostatischen Abscheidern (GB-PS 7 16 868) elektrisch leitende Gitter oder Schirme mit einer Isolierstoffbeschichtung in einem Abstand vor der Sammelelektrode anzuordnen. Anstelle dieser metallischen, mit Isolierstoff beschichten Schirme oder Gitter können auch nichtleitende Materialien Verwendung finden. Dabei sollen jedoch die Schwierigkeiten überwunden werden, die sich durch das unterschiedliche Potential der Gitter gegenüber den Sammelelektroden ergeben. Mit derartigen Schirmen odv;r Gittern soll eine Konzentration der Feldlinien auf die Sammelelektrode bewirkt werden, damit eine Ablagerung von Teilchen auf denjenigen Oberflächen der Elektroden verhindert wird, welche dem Abgasstrom im Abscheidegerät ausgesetzt sind. Durch derartige von dem Leiter angeordnete Gitter oder Schirme ergeben sich wegen der gewünschten Beein flussung des Feldlinienverlaufes keine Bereiche an der Leiteroberfläche, in denen das elektrische FeIU eine wesentliche Feldschwächung erfährt. Eine derartige Feidschwächung ist auch nicht beabsichtigt,

Zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit ist es auch bekannt, Hochspannungsleiter zu beschichten (Zeitschrift »ETZ-A«, Heft 20, S. 711 bis 713), jedoch ergeben sich daraus keine Hinweise zur Erzeugung von

Partikelfallen. Dies trifft auch für zum selben Zweck beschichtete Hochspannungsleiter zu (US-PS 35 15 909), wenn die Isoliersioffbeschichtung mit schmalen Schlitzen versehen ist, um bei einer Wärmeausdehnung des Leiters eine Beschädigung der Isolierstoffschicht zu vermeiden. Mit Hilfe dieser Schichten soll nach wie vor die Wirkung einer völlig beschichteten Leiteroberfläche erzielt werden. Für derartige Isolierstoffbeschichtungen wird vorgeschlagen, daß sie eine verhältnismäßig niedere Dielektrizitätskonstante ha- IQ ben, damit ein gewisser Ladungsausgleich über die Schicht möglich ist. Eine solche verhältnismäßig niedere Dielektrizitätskonstante wirkt sich sehr nachteilig für die Schaffung von Partikelfallen aus.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Es zeigt

Fig. 1 zwei Kondensatorplatten mit entgegengesetzter Polarität und einem dazwischenliegenden Isolierstoffelenient.

F i g. 2 zwei Kondensatorplatten mit entgegengesetzter Polarität mit zwei dazwischen angeordneten Isolierstoffelementen, die eine Partikelfalle bilden.

F i g. 3 ein koaxiales Leitersystem mit Partikelfallen auf der Oberfläche des Innenleiters und des Aüßenleiters,

Fig.4 ein koaxiales Leitersystem mit einem schalenförmigen Isoliersloffelement als Partikelfalle auf dem Außenleiter,

Fig. 5 ein koaxiales Leitersystem mit Isolierstoffstä ben auf der Oberfläche des Außenleiters als weitere Ausführungsform einer Pariikelfalle gernäß der Erfindung,

Fig. 6 ein koaxiales Leitersystem mit einer weiteren Ausführungsform einer Partikelfalle in Form einer gewellten Isolierstoffschale,

Fig. 7 ein koaxiales Leitersystem mit einem schrau benförmig auf die innere Oberfläche des Außenleiters aufgewickelten Isolierstoffstab zur Schaffung einer Partikelfalle.

Fig. 8 ein koaxiales Leitersystem mit einem schraubenförmig auf den Innenleiter aufgewickelten Isolierstoffstab zur Schaffung einer Partikelfalle.

F ι g. 9 ein koaxiales Leitersystem mit ringförmigen, in einem Abstand voneinander angeordneten Isolierstoffstäben auf dem Innenleiter zur Schaffung von Partikelfallen,

Fig. 10 ein koaxiales Leitersystem mit auf dem Innenleiter längsverlaufenden Isolierstoffstäben zur Schaffung von Partikelfallen.

Die Erfindung ist besonders für ein Schaltgerät zum Betrieb an einer Spannung von etwa 230 kV oder mehr bestimmt. Bevorzugt wird als Isoliermittel Schwefelhexafluorid bei einem Druck von 16 Atmosphären verwendet.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in F i g. 1 ein Kondensatorsystem 114 mit parallelen Platten gezeigt. Das Kondensatorsystem 114 umfaßt eine positive Platte 116 und eine negative Platte 110. Zwischen diesen Platten ist ein Isolierstoffelement 120 als Einbauteil bo vorgesehen. Elektrische Feldlinien sind in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, sondern nur die Schnittlinien von Äquipotentialflächen, die als Äquipotentiallinien 122, 124, 126, 128, 130 und 131 angedeutet sind. Wie bekannt ist, haben metallische, M elektrisch leitende Körper normalerweise keine Äquipotentiallinien in ihrem Inneren, und ihre gesamte Oberfläche besitzt praktisch das gleiche elektrische Potential. Dies gilt aber nicht fur dielektrische Körper, und, wie durch die Äquipotentiallinien 128, 130 und 131 angedeutet ist, können innerhalb eines Dielektrikums durchaus Potentialdifferenzen vorhanden sein. Die Dielektrizitätskonstante eines Isolierstoffes hat jedoch die Neigung, die Äquipotentiallinien. die durch ein Dielektrikum verlaufen, zu bei'gen. Infolgedessen verursacht die Anwesenheit eines Isolierstoffelementes 120 im Kondensator 114, daß die Äquipotentiallinien sich im wesentlichen bogenförmig oder wellenförmig verformen, wie bei 124A im Bereich der Äquipotentiallinie 124 und durch den gekrümmten Teil 126/4 der Äquipotentiallinie 126 angedeutet ist, der sich gegen die Platte 116 verbiegt. Je höher die Dielektrizitätskonstante des Isoliersioffelememes 120 ist, um so größer ist die Verformung der Äquipotentiallinien 122, 124, 126, 128 und 130, und um so schwächer ist das elektrische Feld im Querschnitt 132.

Ein Kondensator 115, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt eine positive Platte 116/4 und eine negative Platte 118Λ sowie zwei dielektrische Korper bzw Isolierstoffelemente 120Ai. und 120 ■;? zwischen den Platten 116,4 und 118A. Die dielektrische.. Isolierstoff elemente 120Ai. und 1204/? bilden zusammen einen Abschmit einer Partikelfalle. Wie in F ig. 2 zu sehen ist sind die Äquipoieniiallinien 122S und 124Ö relativ unverfor.it. wahrend die Äquipotentiallinien 126A und 128.4 weitgehend durch die Anwesenhei: der Isolier Stoffelemente !20AZ. und 120A/? im elektrischen Feid 115 verforint werden. Infolgedessen kann eint- Partikel 134, die sich zwischen den Isolierstoffelementen 120A/. und 120A/? bewegt, nach ihrer Entladung zur Platte 118A hm einen relativ feldfreien Bereich 135 vorfinden, in dem Beschleunigungskräfte, die durch ein elektrisches Feld verursacht werden, nicht mehr in so wesentlichem Maße vorhanden sind, daß sie die Partikel 134 zu einer Wanderung oder Schwmgbewegung gegenüber der Platte 116A veranlassen könnten.

Eine Partikelfalle kann demnach mit Isolierstoffelementen hoher Dielektrizitätskonstante hergestellt werden, die in geeigneten Abständen angeordnet sind, so daß Partikeln in den Zwischenraum oder die Öffnungen der i-alle gelangen können.

Fig. 3 zeigt ein koaxiales System 137A, das. eine Hochspannungselektrode als Innenltiter 138A. eine Sperre 140A aus Isolierstoff, also elektrisch nichtleitendem Material, und eine Niederspannungselektrode als Außenleiter 142A umfaßt und Schwefelhexafluorid im Isolierbereich 146A und 148A zwischen der Sperre und den Elektroden aufweist Das System 137A kann mehrere dielektrische Partikelfallen 152 aufweisen, die im wesentlichen zylindrisch geformt sind. Die Fallen können dem Innenleiier 138A zugeordnet sein, wo die Partikeln in Bereichen 135C festgehalten werden. Das Syste.i i37A kann ferner zusätzlich oder unabhängig davon eine ähnliche Falle 150A aus Isolierstoff oder unter Verwendung von Metall mit Öffnungen oder Zwischenräumen 135A in der Nähe des Innendurchmessers der Sperre 140A aufweisen, so daß sich ein Bereich niedriger Feldstärken ergibt und Partikeln eingefangen werden. Ferner kann zusätzlich oder für sich allein eine ähnliche Partikelfalle 150Ö um den äußeren Umfang der Sperre 140 gelegt werden, in der sich ein elektrisches Feld geringer Feldstärke einstellt und Partikeln gefangen werden können. Schließlich kann das System 137A für sich oder in Kombination mit anderen Fallen eine Partikelfalle aufweisen, die aus mehreren elektrisch isolierenden Stangen 149 mit im wesentlichen kreisför-

migem Querschnitt besteht. Die Isolierstöffstangerr sind dicht an der Innenfläche des Außenleiter 142 angeordnet, wo Partikeln zwischen benachbarten Isolierstoffstangen in den Bereichen 135/4 gefangen werden.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.4 dargestellt, bei der Hochspannungselektroden als Innenleiter 204 und Niederspannungs- oder Erdelektroden als Außenleiter 202 koaxial zueinander angeordnet sind. Der Außenleiter 202 dient gleichzeitig zwei Zwecken bei dieser und den folgenden Ausführungsformen, weil er gleichzeitig einen Behälter für das partikelhaltige Isolieriniltel darstellt, das zum Hoch· sp;innungssystem gehört. Das koaxiale System 200 umfaßt ein hohles, im wesentlichen zylindrisches Isolierstoffelement 206 als Partikelfalle mit mehreren im Abstand angeordneten Löchern oder Vertiefungen 208 an ihrem Umfang und längs seiner Längsachse. Die Par'ike'fa!!? i?t im Innprn nnrl in dirplcler Nachbarschaft des Außenleiters 202 angeordnet. Beim Betrieb des Systems 200 werden alle frei wandernden Teilchen (nicht dargestellt) in den Löchern 208 des Isolierstoffelementes 206 aus den vorstehend erörterten Gründen gefangen und festgehalten.

Ein aus zwei Elementen bestehendes koaxiales System 210, ähnlich dem System 200. ist in Fig. 5 dargestellt. Es besitzt eine Hochspannungselektrode als Innenleiter 204 und eine Nicderspannungselektrode als Außenleiter 202. Im System sind Isolierstoffstangen im wesentlichen parallel zu den Elektroden 202 und 204 in der Nähe des als Behälter wirkenden Außenleiters 202 und im Zwischenraum zwischen dem Innen- und Außenleiter 204 und 202 längs verlaufend angeordnet. Vorhandene Partikeln werden in dem relativ feldfreien Bereich 215 zwischen benachbarten holierstoffelementen 212 gefangen.

Fig.6 zeigt eine koaxiale Anordnung elektrischer Leiter 214 mit einer positiven oder Hochspannungselektrode als Innenleiter 204 und einer negativen oder Niederspannungs- bzw. Erdelektrode als Außenleiter 202. Das System umfaßt eine hohle zylindrische wellenförmige Falle 216, die Ausnehmungen aufweisen kann. Die Falle besitzt mehrere abwechselnde Vorsprünge 220 und Vertiefungen 218 und verschiedene, in axialer Richtung mit Abstand voneinander angeordnete Löcher oder freie Zwischenräume 222 in den Vertiefungen 218, so daß alle vorhandenen Partikeln in ähnlicher Weise, wie im Zusammenhang mit den Fig. 2 bis 4 beschrieben, gefangen werden können.

F i g. 7 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Erfindung in einer zwei Elektroden aufweisenden koaxialen Anordnung 242. Die Hochspannungselektrode als Innenleiter 204 und ein als Behälter wirkender Außenleiter 202 umfassen ein Isoliermittel, z. B. Öl oder Schwefelhexafluorid, das frei bewegliche, geladene und ungeladene Partikeln enthalten kann. Die Partikelfalle ist hier ein schraubenlinienförmig gewundener Isolierstoffstab 244, der sich in Längsrichtung in bezug auf den äußeren Behälter erstreckt. Geladene Partikeln werden im Raum 245 zwischen benachbarten Abschnitten oder Windungen des nichtleitenden Isolierstoffstabs 244 gefangen.

Fig.8 zeigt eine andere Ausführungsform eines Systems 246 mit einer Behälterelektrode als Außenleiter 202, einer Hochspannungselektrode als Innenleiter 204 and einer aus isolierstoff bestehenden Stange, die im wesentlichen schraubenlinienförmig angeordnet und am Innenleiter 204 befestigt ist, so daß sie diesen konzentrisch umgibt. Schwingende Partikeln werden hier irrt Raum 249 zwischen benachbarten Abschnitten

5 oder Windungen des Isolierstoffstabs 248 festgehalten.

Fig.9 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung in einem I-Iochspannungssystem mit einer Partikelfalle 285, die mehrere im wesentlichen konzentrische, kreisförmige oder ringförmige Isolierstoffsläbe 284 aufweist. Die genannten Isolierstoffsläbe sind in Längsrichtung oder axial längs des Innenlciters 204 mit Abstand angeordnet und bilden abgerundete Erhebungen 285 Die Zwischenräume 287 bilden Bereiche geringer Feldstärke, die oszillierende, geladene Teilchen cinfangen können.

Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung in einer koaxialen Leiteranordnung 288 mit einer Partikelfallc. die mehrere in Längsrichtung angeordnete Isolierstoffstäbe 286 in der Umgebung des jnnenleiters 204 umfaßt. Diese Isolierstoffstäbc 286 bestehen aus einem Material hoher Dielektrizitätskonstante und bilden Vorsprünge, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Feldes 289 mit geringer Feldstärke angeordnet sind. Dort können Partikeln eingefangen werden. Es ist festzuhalten, daß verschiedene Ausführungsformen in Hochspannungsisoliersystenien verwendet werden können, die ohne Beschränkung darauf öl. Vakuum und Isoliergase, z. B. Schwefelhexafluorid und Druckluft als Dielektrikum verwenden. Ferner können Hoch- und Niederspannungselektroden bei den vorstehend beschriebenen Beispielen gegebenenfalls vertauscht werden, so daß der äußere Behälter die Hochspannungselektrode und der innere Leiter die Niederspannungselektrode sein kann.

Es ist zu bemerken, daß elektrisch isolierende Partikelfallen, wie sie vorstehend angegeben sind, vorzugsweise aus einem Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante hergestellt werden, beispielsweise aus einem Epoxydharz mit Aluminiumoxydtrihydrat als Füllstoff. Die verschiedenen vorstehend genannten Partikelfallen können auch in Kombination benutzt werden. Es ist darüber hinaus festzuhalten, daß, obwohl die Partikelfalle in erster Linie für die Verwendung bei hohen Spannungen bedeutsam ist und unter Druck stehende Isoliermittel besonders begünstigt, die technischen Lehren der Erfindung auch bei Isoliermitteln mit geringem Druck vorteilhaft benutzt werden können.

Festzuhalten ist ferner, daß die Grundzüge der

so Erfindung auch auf andere Arten elektrischer Systeme, z. B. Kabel, gekapselte Sammelschienen, Schaltf'ationen. Transformatoren und Überspannungsableiter ohne Ausschließlichkeit angewendet werden können.

Die Erfindung ist keinesfalls auf koaxiale Leiteran-Ordnungen beschränkt

Hochspannungsgeräte nach der Erfindung haben verschiedene Vorteile, z. B. kann eine aus Isolierstoff bestehende Partikelfalle verhältnismäßig komplizierter Gestalt durch Gießen oder ähnliche Formgebung leicht

6n hergestellt werden, um die entsprechende Form zu erhalten. Außerdem sind derartige Partikelfallen leicht und einfach zu reparieren. Die Partikelfalle der beschriebenen Art wird zur schnellen und leichten Säuberung der Isoliermittel von Partikeln verwendet,

f,'. wodurch die Isoliermittel gegen Hochspannungsüberschläge verbessert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisches Hochspannungsgerät, insbesondere Hochspannungsleitung, mit einem rohrförmigen Außenleiter, einem Innenleiter sowie einem zwisehen dem Außen- und dem Innenleiter enthaltenen Isoliermittel, wobei durch eine zumindest periodische Beaufschlagung mit unterschiedlichem elektrischen Potential ein entsprechendes elektrisches Feld zwischen dem Innen- und dem Außenleiter aufbau- ίο bar ist, und mit Einbauten, die feldgeschwächte, als Partikelfalle wirksame Räume begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten aus dicht an der an die Isoliermittelstrecke angrenzenden Oberfläche des Innenleiters (138A; is 204) und/oder des Außenleiters (142; 202) angeordneten Isolierstoffelementen (152,149; 206; 212; 244; 248; 284) bestehen, welche gegenüber dem Isoliermittel eine hohe Dielektrizitätskonstante haben.

2. Elektrisches Hochspannungsgerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffelementc gelochte Isolierstoffschalen (206) sind.

3. Elektrisches Hochspannungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffelemente aus mehreren, in Längsrichtung des Innen- und/oder Außenleiters in Abstand nebeneinanderverlaufenden Isolierstoffstäben (212) bestehen.

4. Elektrisches Hochspannungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffelemente aus einem schraubenförmig auf den Innen- oder Außenleiter gewundenen Isolierstoffstab (244; 248) bestehen.

5. Elektrisches Hochspannungsgerät nach Anspruch 1, dadurch geker-uizeichj: jt, daß die Isolierstoffelemente ringförmig und im Abstand nebeneinander um den Innenleiter (204) v« -laufende Isolierstoffstäbe (285) sind.