DE2348134A1 - Elektrische hochspannungseinrichtung mit einer metallkapselung und einem ueberspannungsableiter - Google Patents

Description

Westinghouse

Electric Corporation

Pittsburgh 2 1. SEP. 1973

Mein Zeichen: VPA 72/8363

Elektrische Hochspannung,seinrichtung mit einer Metallkapselung und einem Überspannungsableiter

Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Anmeldung Serial No. 296 68? vom 11.10.1972 beansprucht.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer elektrischen Hochspnmiungseinrichtung ri.it einer ein Isoliergas enthaltenden geerdeten Kapselung und einem in der Metallkapselung angeordneten Überspannungsableiter, der an seinem einen Ende eine Anschießvorrichtung für die Netzspannung und an seinem anderen Ende eine weitere Anschlußvorrich^ung für die Erdung besitzt«

Einrichtungen dieser Art werden vielfach als Bestandteil metallgekapselter und durch ein unter Druck stehendes Isoliergas isolierter Energieverteilungs™ und -übertragungsanlagen verwendet, die für Spannungen von 69 bis 345 kV entworfen worden sind. Die zugehörigen Geräte wie Leistungsschalter, Isolatoren, Erdungsschalter und ähnliche Geräte sind ebenfalls in gasgefüllten Metallkapselungen untergebracht, die untereinander in Verbindung stehen. Da die Druckgasisolierung eine wesentlich höhere dielektrische Festigkeit als Luft besitzt, können metallgekapselte Hochspannungsanlagen mit gegenüber den bekannten Freiluftanlagen bedeutend verringerten Abmessungen errichtet werden.

Der durch die Druckgasisolierung ermöglichte verringerte Ab-.stand zynischen spannungführenden Teilen und der geerdeten Kapselung führt Jedoch zum Auftreten verhältnismäßig großer Erdkapazitäten und damit zu einer stärkeren Beeinflussung des elektrischen Feldes, als dies von Freiluftanlagen her

409816/0784 -2-

VPA 72/8363

bekannt ist. Insbesondere bei Überspannungsableitern und gewissen anderen Geräten wie Kopplungs-Kondensatoren führt die größere Nähe der geerdeten Metallkapselung zu einer Verzerrung des elektrischen Feldes und dadurch zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung, welche die Leistungsfähigkeit . der Geräte nachteilig beeinflußt.

Bisher sind Überspannungsableiter in Metallkapselungen bei verhältnismäßig niedrigen Spannungen benutzt worden (US-PS 3 469 14-6), jedoch wurde auch schon ihre Anwendung in gasisolierten Hochspannungssystemen empfohlen (US-PS 3 624 450), wobei aber abgesehen von den üblichen Steuerringen keino Mittel-zur Beeinflussung der Spannungsverteilung zur Verfügung standen. Solche Steuerringe werden bekanntlich an dem Spannungsanschluß der Geräte angebracht und können bei Überspannungsableitern für Hochspannung eine sehr erhebliche Größe annehmen und bedeutende Kosten verursachen. Dennoch wird die gewünschte Spannungsverteilung nicht unbedingt erreicht. Für metallgekapselte Anlagen koramen Steuerringe außerdem wegen ihres großen Raumbedarfes nicht in Betracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfache und preisgünstige Mittel zur Herbeiführung einer gleichförmigen Spannungsverteilung bei inetallgekapselten Überspannungsableitern zu schaffen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere den Ableiter umschließende und in axialer Richtung des Ableiters mit gegenseitigem Abstand angeordnete Abschirmkörper vorgesehen sind, von denen einer die Anschlußvorrichtung für die Netzspannung umschließt und elektrisch mit dieser verbunden ist, und daß zwischen zwei benachbarte Abschirmkörper ein Kondensator geschaltet ist· Mittels der Kondensatoren kann an dem Überspannungsableiter eine beliebige, insbesondere aber die besonders erwünschte gleichmäßige Spannungsverteilung hervorgerufen v/erden. Die Abschirmkörper nehmen das durch die Kondensatoren bestimmte Potential an und sorgen für einen axialsymmetrischen Aufbau des elektrischen Feldes. Der Einfluß der Metallkapselung auf die Spannungs-

409816/0 784 ~³~

YPA 72/8363 " - 3 -

verteilung an dem Überspannungsableiter wird dadurch überwunden, und der Ableiter erreicht seine volle Leistungsfähigkeit, Die Erfindung schafft daher die Möglichkeit, alle üblichen Überspannungsableiter unverändert auch in metallgekapselten Hochspannungseinrichtungen einsetzen zu können.

Es empfiehlt sich, die Kondensatoren in axialer Richtung des Ableiters entlang dessen einer Seite innerhalb des von den Abschirmkörpern erfaßten Raumes anzuordnen. Man vermeidet dadurch ansonsten unter Umständen mögliche Entladungserscheinungen. Im übrigen kann jede gewünschte oder erforderliche Reihen- oder Parallelschaltung von Kondensatoren benutzt werden.

Die gewünschte Spannungsverteilung kann dadurch erreicht werden, daß die einzelnen Kondensatoren unterschiedliche Kapazitäten b3sitzen. Insbesondere läßt sich die besonders erwünschte gleichmäßige Spannimgsverteilung dadurch erreichen, daß die Kapazität der Kondensatoren auegehend von der Anschlußvorrichtung für die Netzspannimg progressiv abnimmt.

Im Rahmen der Erfindung kann die Anschlußvorrichtung für die Netzspannung ein Verbindungsmittel zur Verbindung mit einem äußeren Leiter sowie eine mit dem Verbindungsmittel verbundene leitende Platte umfassen, an welcher der oberste der Abschirmkörper angebracht ist, und es können Mittel zur Verbindung des obersten Kondensators mit der leitenden Platte vorgesehen sein. Die leitende Platte dient somit als Träger des obersten Abschirmkörpers und als Ausgangspunkt der Kondensatorschaltung .

Ferner können an dem Ableiter mit gegenseitigem Abstand mehrere kreisringförmige Halter befestigt sein, an denen die Abschirmkörper befestigt und an die die Kondensatoren angeschlossen sind, wobei der oberste Abschirmkörper an der Anschlußvorrichtung für die Netzspannung befestigt ist.

-4-409816/0784

VPA 72/8363

Beim Einsatz von Überspannungsableitern in gasisolierten Metallkapselungen ist es erwünscht, daß bei einer Überlastung des Ableiters keine durch Zersetzung im Inneren des Ableiters gebildeten Gase in die Kapselung eindringen und das darin befindliche Isoliergas verunreinigen» Andererseits soll auch eine Explosion des Ableiters und eine dadurch eventuell hervorgerufene Beschädigung der Metallkapselung mit der Folge eines Druckverlustes und Schaden an anderen Ausrüstungsteilen der Hochspannungseinrichtung vermieden werden. In Weiterbildung der Erfindung kann dies unter Verwendung eines Überspannungsableiters erreicht werden, der eine Druckentlastungseinrichtung besitzt, wobei die Anschlußvorrichtung für die Erdung eine Endkappe mit einer zentralen Öffnung und Mittel zur abgedichteten Verbindung mit der Metallkapselung .aufweist und daß die Metallkapselung mit einer von der Abdichtung umschlossenen und der Öffnung der Endkappe benachbarten Öffnung versehen ist. Die bei einer Überlastung des Ableiters entstehenden Gase können somit durch die Öffnung der Endkappe und der Kapselung nach außen entweichen« Dabei wird weder das Isoliergas in der Kapselung verunreinigt, noch tritt ein Druckverlust in der Kapselung auf. Ferner v/erden eine Zerstörung des Gehäuses des Überspannungsabieiters und damit Schaden an weiteren Geräten der Hochspannungseinrichtung und an der zur Spannungssteuerung vorgesehenen Abschirmeinrichtung vermieden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines kapazitiv gesteuerten metallgekapselten Überspannungsabieiters.

Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des Überspannungsabieiters, während in Figur 3 eine teilweise geschnittene Ansicht des Spannungsanschlusses und des oberen Endes des Überspannungsabieiters dargestellt ist.

-5-409816/0784

VPA 72/8363

In den Figuren ist ein in einer geerdeten Metallkapselung 11 angeordneter Uberspaiinimgsableiter 10 gezeigt. Die Metallkapselung 11 ist im wesentlichen derart zylindrisch ausgebildet, daß sie den Ableiter 10 mit Abstand umschließt. In der Kapselung 11 befindet sich ein geeignetes Isoliergas, z.B. Schwefelhexafluorid unter einem Druck von 3»1 Bar, obwohl andere geeignete Gase und Drücke benutzt werden können. Die Druckgasisolierung erlaubt die Wahl eines verhältnismäßig geringen Abstandes zwischen der Kapselung und dem Ableiter und verringert auf diese Weise den für die Anlage benötigten Raum.

Nähere Einzelheiten des Atoleiters 10 sind nicht dargestellt, da jede übliche Bauart eines Hochspannungsabieiters benutzt werden kann, der aus einer geeigneten Anordnung von Funkonstrecken und Ventilwiderständen besteht. Eine geeignete Konstruktion ist z.B. in den US-Patontscliriften 3 534 221 und 3 611 044 beschrieben» obwohl jede andere geeignete - Konstruktion benutzt -werden könnte. Der Ableiter 10 besitzt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit glatter Oberfläche aus Porzellan oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial. Der Ableiter ist an seinem oberen Ende durch eine metallische Endkappe 12 abgeschlossen, die als Träger einer Anschlußvorrichtung für einen Leituiigsanschluß dient. In ähnlicher Weise ist der Ableiter an seinem unteren Ende durch eine metallische Endkappe 13 abgeschlossen, die zugleich eine Anschlußvorrichtung für die Erdung bildet. Ein spannungführender Leiter 14, der stabförmig entweder massiv oder rohrförmig ausgebildet sein kann, ist an die Endkappe 12 zur Verbindung mit der durch den Ableiter zu schützenden Ausrüstung angeschlossen, wie noch beschrieben wird. Der Leiter 14 ist an einer rohrförmigen Metallkapselung 15 enthalten, die 'mit der Kapselung 11 in Verbindung steht und Bestandteil einer vollständigen metallgekapselten Unterstation oder eines anderen elektrischen Systems ist.

-6-409816/0784

VPA 72/8363

Überspannungsableiter sind bei üblichem Gebrauch auf einem Anlagengerüst oder einem Sockel oder einem anderen, geerdeten Stützgestell angeordnet, üblicherweise in freier Luft. Die Spannungsverteilung an dem Ableiter ist dann im wesentlichen gleichförmig oder kann durch übliche Steuerringe im wesentlichen gleichförmig gemacht werden. Zwar kann die Spannungsverteilung bei der üblichen Preiluftaufstellung durch Streukapazitäten nach Erde beeinflußt werden, jedoch ist der größte Teil des Ableiters von der geerdeten Unterstützung genügend weit entfernt, so daß diese Kapazitäten verhältnismäßig klein sind und die Spannungsverteilung nicht wesentlich beeinflussen. Ist dor Ableiter jedoch in einer Metallkapselung 11 wie in Fig. 1 eingeschlossen, hat die Anwesenheit einer geerdeten leitenden Fläche in großer Nähe des Ableiters über seine ganze Länge einen erheblichen Einfluß auf die Spannimgsverteilung, falls nicht zu ihrer Steuerung besondere Mittel vorgesehen sind. Der Abstand zwischen der Kapselung 11 und dem Ableiter 10 ist natürlich verhältnismäßig gering, um die Vorteile des metallgekapselten Systems beizubehalten; deshalb sind die Kapazitäten nach Erde zwischen dem Ableiter und der Kapselung verhältnismäßig groß, und das elektrische Feld ist dementsprechend .stark verzerrt. Die Leistungsfähigkeit eines üblichen Ableiters wäre durch die sich ergebende Ungleichförmigkeit der Spannungsverteilung nachteilig beeinflußt.

Abhilfe wird durch die Erfindung dadurch, geschaffen, daß der Ableiter 10 mit einer Reihe von im wesentlichen kreisringförmigen Abschirmkörpern versehen ist, zu denen Abschirmkörper 16 und 17 gehören, die den Spannungsanschluß und das obere Ende des Ableiters umgeben, sowie mit einer Anzahl von Abschirmkörpern 18 versehen ist, die mit gegenseitigem Ab~ stand in der axialen Erstreckung des Ableiters angeordnet sind. Wie besonders in Fig. 3 dargestellt, ist eine kreisförmige Metallplatte 19 am oberen Ende des Ableiters an der oberen Endkappe 12 mittels Klammern 20 jeder geeigneten Art befestigt, um eine mechanische und elektrische Verbindung mit der Endkappe 12 herzustellen. Die Abschirmkörper 16 und

409816/0784 -7-

VPA 72/8363

sind, an der Platte 19 durch Schrauben 21 befestigt und umgeben die Anschlußvorrichtung und die Endkappe oberhalb bzw. unterhalb der Platte 19.

Die Platte 19 besitzt eine mittlere Öffnung 22, die im wesentlichen konzentrisch mit der Achse des Ableiters verläuft und durch die sich die Spannungsanschlußmittel erstrecken. Zur Verbindung des spannungführenden Leiters 14 mit dem Ableiter 10 sind alle geeigneten Anschlußmittel anwendbar. Wie in Fig. 3 näher gezeigt, umfaßt die bei dem vorliegenden Ableiter benutzte Anschlußvorrichtung ein mit Innengewinde versehenes Anschlußstück 23» das mit der Endkappe 12 vorzugsweise einstückig sein kann. Eine Verbindungsbuchse 24 ist in das Anschlußstück 23 eingeschraubt, und über die Verbindungsbuchse 24 ist ein im wesentlichen zylindrisches Kontaktglied 25 geschraubt. Das Kontaktglied 25 kann ein zylindrisches Stahlteil mit Innengewinde sein. An dem anderen Ende ist eine Vielzahl von Kontaktfingern 26 schwenkbar auf dem Kontaktglied 25 angeordnet und durch Federn 27 radial nach innen vorgespannt, wobei die Kontaktfinger 26 in radialen Schlitzen des Gliedes 25 in ausreichendem Maß beweglich sind. Der Leiter 14 greift in die federbelasteten Kontaktfinger 26 ein*

Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, können die Abschirmkörper 16, 17 und 18 aus einem Blech oder einem anderen geeigneten leitenden Material hergestellt sein und sind im wesentlichen zylindrisch, vorzugsweise mit eingerollten Kanten, hergestellt. Der oberste Abschirmkörper 17 umgibt die Endkappe 12 und ist daran in der beschriebenen Weise befestigt. Der vorzugsweise ebenfalls vorgesehene Abschirmkörper 16 für den Spannungsanschluß erstreckt sich nach aufwärts, um die Anschlußmittel zu umschließen. Die übrigen Abschirmkörper 18 sind kürzer in axialer Höhe und sind in axialer Richtung mit gegenseitigem Abstand angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Abschirmkörpern groß genug gewählt ist, um die Gefahr eines Überschlages unter allen zu erwartenden Betriebsbedingungen zu vermeiden. Die Abschirmkörper/sind auf ringförmigen

409816/0784

VPA 72/8363

Haltern 30 befestigt, welche die Gestalt geteilter Ringe bzw. Halbringe aufweisen können, die sich um den Ableiter 10 an den gewünschten Stellen erstrecken und auf dem Ableiter durch Klammerglieder 31 und Bolzen 32 dicht anliegend befestigt sind. Die Abschirmkörper 18 sind auf den Haltern 30 mittels Schrauben 33 oder in anderer gewünschter Weise angebracht.

Die gewünschte kapazitive Steuerung wird durch Kondensatoren 34 erhalten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden vier Abschirmkörper 17 und 18 und drei Kondensatoren 34 benutzt, wobei jeder Kondensator zwischen zwei benachbarte Abschirmkörper geschaltet ist, obwohl auch jede andere benötigte Anzahl von Abschirmkörper!! und Kondensatoren benutzt werden könnte. Der oberste Kondensator 34 ist mit einer Klammer 35 elektrisch und mechanisch verbunden, die durch eine Schraube 36 an der Platte 19' angebracht ist. Das untere Ende des obersten Kondensators erfaßt den obersten Halter 30 und ist elektrisch und mechanisch mit diesem durch ein Fußstück 38 verbunden, das an dem Halter 30 befestigt ist. Jeder der anderen beiden Kondensatoren 34 ist in ähnlicher Weise an seinem unteren Ende durch ein Fußstück 38 mit einem Halter und an seinem oberen Ende durch ein Klammerglied 39 mit dem benachbarten Halter 30 verbunden. Auf diese Weise sind die Kondensatoren innerhalb des Schutzraumes der Abschirmkörper angeordnet und 'erstrecken sich entlang der äußeren Oberfläche des Ableiters 10, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist. Obwohl jeweils ein einzelner Kondensator zwischen je zwei Abschirmkörpern gezeigt ist, könnten auch zwei oder mehr Kondensatoren in jeder gewünschten Reihen- oder Parallelschaltung benutzt werden.

Der oberste Abschirmkörper 17 befindet sich auf dem Potential des Leiters 14, und die folgenden Kondensatoren 34 sind so gewählt, daß ihre Kapazität progressiv abnimmt, um für jeden Abschirmkörper 18 das gewünschte Potential herbeizuführen. Daher kann durch geeignete Konstruktion und geeignete Wahl

-9-409816/0784

VPA 72/8363

"⁹ " 234813A

der Kondensatoren die Spannungsverteilung an dem Ableiter im wesentlichen gleichförmig gemacht werden oder, falls dies gewünscht ist, kann jede andere Spannungsverteilung durch Auswahl der Kondensatoren herbeigeführt werden, derart, daß die Potentiale der aufeinanderfolgenden Abschirmkörper die gewünschten Vierte annehmen.

Wie zuvor angedeutet, kann der Ableiter 10 von jeder geeigneten oder üblichen Konstruktion sein. Viele Ableiter sind mit Druckentlastungseinrichtungen an ihrem unteren Ende ausgerüstet, um den Austritt von Gasen zu gestatten; die innerhalb des Ableiters bei einem Versagen erzeugt werden können, um dadurch die Gefahr einer Explosion des Ableiterg und die lintstchung von Schaden an anderen Ausrüstungsteilen zu verhindern. Wenn ein mit Druckentlastungsmitteln ausgerüsteter Ableiter dieser Art ira Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist es wünschenswert, eine Verunreinigung des unter Druck stehenden Isoliergases in der Motallkapseiung 11 durch die aus dem Ableiter austretenden Gase zu verhindern, und es ist ferner wünschenswert, die Unversehrtheit der abgeschlossenen Kapselung aufrechtzuerhalten, um das Entweichen des Isoliergases oder einen Druckverlust in dem geschlossenen System zu verhindern. Dei' Ableiter nach der vorliegenden Erfindung ist in der Metallkapselung 11 so eingebaut, daß diese Bedingungen erfüllt sind« Wie in Fig. gezeigt, besitzt die Bodenplatte 40, die den unteren Abschluß der Metallkapnelung 11 bildet, eine mittlere Öffnung 41. Der Ableiter 10 ist auf der Platte 40 in einer solchen Lage aufgestellt, daß seine Achse konzentrisch mit der Öffnung 41 verläuft und deshalb im Fall des Versagens des Ableiters Lind der Freisetzung von Gasen aus dem Inneren des Ableiters diese durch die Öffnung 41 abströmen können. Ein Dichtungsring 42 ist zwischen die untere Endkappe 13 des Ableiters und die Platte 40 mit einer mittleren Öffnung eingefügt, 'die mit der Öffnung 41 fluchtet. Der Ableiter 10 kann in seiner Stellung durch geeignete Befestigungsbolzen oder andere Mittel befestigt sein, die eine elektrische Verbindung

-10-409816/0784

VPA 72/8363

mit; der Platte 40 herstellen. Es zeigt sich, daß der Dichtungsring 42 den Ableiter an der Bodenplatte 40 der Metallkapselung wirksam abdichtet, so daß bei einem Versagen des Ableiters im Betrieb und einem Ansprechen der Druckentlastungseinrichtung zur Freigabe der in dem Ableiter erzeugten Gase diese durch die Öffnung 41 abströmen können, ohne das in der Kapselung 11 enthaltene, unter Druck stehende Isoliergas zu verunreinigen und ohne irgendeinen Druckverlust oder ein Entweichen von Gas aus der abgeschlossenen Kapselung hervorzurufen. Zur Befestigung des Ableiters 10 auf der Bodenplatte 40 können alle geeigneten Abdichtungsund Befestigungsmittel benutzt werden.

7 Ansprüche
3 Figuren

-11-409816/0784

Claims (7)

1. \ΓΡΑ 72/8363

   Patentan sotüche

   1 ./Elektrische Hochspannungseinrichtung mit einer ein Isoliergas enthaltenden geerdeten Metallkapselung und einem in der Metallkapselung angeordneten Überspannungsableiter, der an seinem einen Ende eine Allschlußvorrichtung für die Netzspannung und an seinem anderen Ende eine weitere Anschlußvorrichtimg für die Erdung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere den Ableiter (10) umschließende und in axialer Richtung des Ableiters mit gegenseitigem Abstand angeordnete' Abschirmkörper (16, 17, 18) vorgesehen sind, von denen einer (16) die Anschlußvorrichtung (12, 23 _f 24, 25, 26) für die Netzspannung umschließt und elektrisch mit dieser verbunden ist, und daß zwischen zwei benachbarte Abschirmkörper (18) oin Kondensator (34) geschaltet is
2. 2. Hochspannungseinrichttttig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (34) in axialer Richtung des Ableiters (10) entlang dessen einer Seite innerhalb des von den Abschirmkörpern (16, 17» 18) erfaßten Raumes angeordnet sind.
3. 3. Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kondensatoren (34) unterschiedliche Kapazitäten besitzen.
4. 4. Hochspannungseiiirichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Kondensatoren (34) ausgehend von der Anschlußvorrichtung (12, 23, 24, 25, 26) für die Netzspannung progressiv abnimmt.

   -12-409816/0784

   YPA 72/8363
5. 5» Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußvorrichtung für die Netzspannung Verbindungsmittel (25, 26) zur Verbindung mit einem äußeren Leiter (14) sowie eine mit dem Verbindungsmittel verbundene leitende Platte (19) umfaßt, an welcher der oberste der Abschirmkörper (16) angebracht ist, und daß Mittel (35, 36) zur Verbindung des obersten Kondensators (34) mit der leitenden Platte (19) vorgesehen sind.
6. 6. Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit gegenseitigem Abstand an dem Ableiter (10) durch Kleinmsitz mehrere kreisringförmige Halter (30) befestigt sind, an denen die Abschirmkörper (17) befestigt und an die die Kondensatoren (34) angeschlossen sind, wobei die obersten Abschirmkörper (16, 17) an der Anschlußvorrichtung für die Netzspannung befestigt sind.
7. 7. Kochspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußvorrichtung für die Erdung eine Endkappe (13) mit einer zentralen Öffnung und Mittel zur abgedichteten Verbindung mit der Metallkapselung (11) aufweist, wobei die Metallkapselung mit einer von der Abdichtung (42) umschlossenen und der Öffnung der Endkappe (13) benachbarten Öffnung (41) versehen ist..