DE2348136B2 - Elektrisches geraet fuer hochspannung mit einer ein isoliergas enthaltenden kapselung aus metall - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Gerät für Hochspannung mit einer ein Isoliergas enthaltenden Kapselung aus Metall sowie mit Mitteln zur kapazitiven Beeinflussung im Sinne einer Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung über die Längserstreckung des Gerätes bei rotationssymmetrischem Verlauf der Feldlinien unter Zuhilfenahme von das Gerät umschließenden, mit gegenseitigem axialen Abstand verteilt angeordneten leitenden Ringen.-

Ein Gerät dieser Art kann Bestandteil einer metallgekapselten elektrischen Hochspannungsanlage mit Druckgasisolierung sein, beispielsweise einer Verteilungs- oder Übertragungsanlage. In solchen Anlagen sind die Leiter oder Sammelschienen in rohrförmigen Metallkapselungen eingeschlossen, die mit einem unter Druck stehenden Gas mit geeigneten Eigenschaften, z. B. Schwefelhexafluorid, gefüllt sind. (,0 Zugeordnete Geräte wie Leistungsschalter, Isolatoren, Erdungsschalter und ähnliche Geräte sind ebenfalls in Metallkapselungen untergebracht, so daß eine vollständige Anlage oder ein anderes elektrisches System aus Bauteilen aufgebaut sein kann, die in untereinander verbundenen Metallkapselungen enthalten t:nd durch das Druckgas isoliert sind. Ein System dieser Art gestattet bekanntlich eine wesentliche Verringerung des Raumbedarfs, zugleich auch eine verbesserte Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie verringerte Unterhaltungskosten, wobei noch der weitere Vorteil gegeben ist, daß sich das System für eine Anlagenkonstruktion aus einheitlichen Bauteilen anbietet.

Die in diesen metallgekapselten Systemen angewandte Isolierung durch ein Druckgas gestaltet verhältnismäßig geringe Abstände zwischen der geerdeten Metallkapselung und der in der Kapselung enthaltenen Hochspannungsausrüstung. Wenn eine hohe Spannung, z. B. die Leiter-Erd-Spannung eines Netzes, an ein Gerät bei derart großer Nähe einer geerdeten Fläche angelegt wird, führt dies zu einer starken Verzerrung des elektrischen Feldes. Dadurch wird die Arbeitsweise bestimmter Geräte, z. B. von Überspannungsableiter^ gestört, weil die Feldverzerrung zu einer ungleichförmigen Spannungsverteilung führt. Auch andere Geräte, wie Kopplungskondensatoren und Hochspannungsdurchführungen, können durch eine ungleichmäßige Spannungsverteilung nachteilig beeinflußt werden.

Es ist bereits bei einem Hochspannungsgerät der eingangs genannten Art bekannt. Mittel zur kapazitiven Beeinflussung im Sinne einer Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung über die Längserstreckung des Hochspannungsgerätes vorzusehen. Hierbei ist ein mit einem Isoliergehäuse versehener Überspannungsableiter in einer mit einem Isoliergas gefüllten Metallkapselung eingebaut, wobei eine sich über die Länge des Ableiters erstreckende Reihenschaltung von Widerständen und Kondensatoren zur Steuerung der Spannungsverteilung dient. Mit diesen Steuerungselementen sind leitende Ringe verbunden, die den Einfluß der Metallkapselung ausgleichen und für eine gleichförmige Verteilung des Potentials in der Umfangsrichtung des Ableiters sorgen (US-PS 36 49 875).

Ferner ist es dem Fachmann geläufig, durch eine vorgeschobene Hochspannungselektrode bei Stützisolatoren oder durch eine vorgezogene geerdete Fassung bei Durchführungen eine Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über die Längserstreckung eines metallgekapselten Hochspannungsgerätes der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der keine Bauelemente wie Widerstände oder Kondensatoren benötigt werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe in einer ersten Ausführungsform bei Geräten mit einer Isolation gegen Erde nach dem Stützprinzip durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. In einer zweiten Ausführungsform erfolgt eine weitere Lösung der gestellten Aufgabe bei Geräten mit einer Isolation gegen Erde nach dem Durchführungsprinzip durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 2 angegebenen Merkmale.

Da es sich um einen schräg abgeschnittenen Hohlzylinder handelt, ist die Abschirmung leicht herstellbar.

Unter einem Gerät mit einer Isolation gegen Erde nach dem Stützerprinzip soll ein Gerät verstanden werden, dessen Hochspannungsanschluß (bzw. -anschlüsse) in entsprechender Entfernung von einer Erdpotential führenden Stützfläche oder -konstruktion angeordnet ist (sind), wobei der Abstand zwischen dem Spannungsanschluß und der Stützfläche durch einen Isolierkörper überbrückt ist. Dementsprechend ist unter einem Gerät mit einer Isolation gegen Erde nach dem Durchführungsprinzip ein Gerät zu verstehen, dessen

Hochspannungsleiier eine Erdpoteniial führende Stützfläche oder -konstruktion durchsetzt, wobei der Abstand zwischen dem Leiter und dem Rand der Öffnung in der Stützfläche durch einen Isolierkörper überbrückt ist. s

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele naher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Ansicht eines abgeschirmten Überspannungsabieiters, der in einer gasgefüllten Metallkapsol untergebracht ist,

Fig. 2 ist eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht einer abgeschirmten Hochspannungsdurchführung.

In Fig. 1 ist ein Überspannungsableiter 10 gezeigt, dei innerhalb einer Metallkapselung ti angeordnet ist, die normalerweise in der angedeuteten Weise geerdet ist. Die Kapselung 11 ist im wesentlichen zylindrisch gestaltet und umhüllt den Ableiter 10 mit einem gewissen Abstand. Es handelt sich daher im Sinn der vorstehenden Definition um eine Anordnung nach dem ;o Stützerprinzip. Die Kapselung 11 ist zu Isolierzwecken mit einem geeigneten Gas, z. B. Schwe^felhexaflurid, unter einem Druck von 3,1 bar, gefüllt, obwohl auch andere Gase und Drücke anwendbar sind. Die Druckgasisolierung ermöglicht einen verhältnismäßig geringen Abstand zwischen der Kapselung und dem Ableiter und verringert so den Raumbedarf der Anlage. Es sei erwähnt, daß metallgekapselte gasisolierte Systeme, auf die sich die Erfindung bezieht, hauptsächlich bei Unterstationen und Übertragungssystemen zur Anwendung kommen. Solche gasisolierten Systeme sind für Spannungen im Bereich von 63 bis 345 kV konstruiert worden, obwohl sie offensichtlich auch für andere Spannungen benutzt werden können. Bei diesen hohen Spannungen ist die Raumersparnis dank der verringerten Abstände sehr bedeutsam, jedoch führen die verhältnismäßig geringen Erdabstände zu dem obenerwähnten Problem der ungleichmäßigen Spannungsverteilung.

Der Überspannungsableiter 10 ist nicht in seinen Einzelheiten dargestellt, da es sich um einen üblichen Ableiter handeln kann, der ähnlich wie ein Stützer ein Isoliergehäuse und einen Spannungsanrchluß 12 sowie einen Erdanschluß 13 besitzt. Die Anschlüsse 12 und 13 sind als metallische Endkappen dargestellt, die mit allen üblichen und erforderlichen Mitteln für die Verbindung mit einem spannungsführenden Leiter und mit Erde versehen sind. Ein massiver oder rohrförmiger Leiter 14 von Stabform ist zur Verbindung mit der durch den Ableiter 10 zu schützenden Ausrüstung an den so Spannungsanschluß 12 angeschlossen, während der Leiter 14 in einer rohrförmigen Metallkapselung 15 enthalten ist, die mit der Kapselung 11 in Verbindung steht und Bestandteil einer metallgekapselten Unterstation oder eines anderen elektrischen Systems ist.

Bei üblichem Gebrauch in Freiluftanlagen sind Überspannungsableiter auf dem Gerüst der Unterstation oder einem Träger oder einem gleichartigen geerdeten Stützgestell aufgestellt. Unter diesen Umständen ist die Spannungsverteilung im wesentlichen ho gleichförmig oder kann durch übliche Steuerringe im wesentlichen gleichförmig gemacht werden. Zwar kann die Spannungsverteilung durch Streukapazitäten nach Erde beeinträchtigt werden, jedoch ist der größte Teil des Ableiters von der 2^eerdetcn Unterstützung hs ausreichend weit entfernt, so daß diese Kapazitäten verhältnismäßig klein sind und die Spannungsverteilung nicht wesentlich beeinflussen. Wenn jeder der Ableiter in einer Metallkapselung 11 wie in F i g. 1 eingeschlossen ist, hat die Anwesenheit der geerdeten leitenden Fläche in großer Nähe des Ableiters einen starken Einfluß auf die Spannungsverteilung, falls nicht Mittel zur Steuerung des elektrischen Feldes vorgesehen sind. Der Abstand zwischen der Kapselung 11 und dem Ableiter 10 ist notwendigerweise verhältnismäßig klein, um die Vorteile des oben beschriebenen metallgekapselten Systems zu erhalten; deshalb sind die Erdkapazitäten zwischen dem Ableiter und der Kapselung 11 verhältnismäßig groß, und das elektrische Feld ist stark verzerrt. Das Betriebsverhalten eines üblichen Ableiters wäre durch die sich ergebende Ungleichförmigkeit der Spannungsverteilung nachteilig beeinflußt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird Abhilfe durch eine unsymmetrische Abschirmung 16 geschaffen, die so konstruiert ist, daß sie den Ableiter IO im Bereich seines Spannungsanschlusses 12 im wesentlichen umschließt und sich entlang einer Seite des Ableiters axial derart erstreckt, daß die Kapazität zwischen der Abschirmung und dem Ableiter in der Längsrichtung progressiv abnimmt. Die Abschirmung 16 hat die Gestalt eines sich in der Längsrichtung des Ableiters erstreckenden Hohlzylinders aus Metall, der in einer mit 17 bezeichneten Ebene endet, die in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Ableiters steht, so daß die Abschirmung den Ableiter in dem Bereich des Spannungsanschlusses 12 ganz umschließt und sich die Erstreckung in Umfangsrichtung entlang der Längsachse zunehmends verringert, so daß die Kapazität zwischen der Abschirmung und dem Ableiter zunehmend kleiner wird.

Um einen rotationssymmetrischen Verlauf der Feldlinien des elektrischen Feldes zu erreichen, ist außerdem eine Reihe von Steuerringen 20 an der Außenseite des Ableiters 10 angeordnet. Die Ringe 20 sind leitend ausgebildet und mit gegenseitigem Abstand zwischen den Enden des Ableiters verteilt angeordnet. Die Ringe können mit allen geeigneten Mitteln auf dem Isoliergehäuse des Ableiters befestigt sein. Die Ringe 20 befinden sich somit auf schwimmendem Potential und bilden ein Steuermittel innerhalb der Abschirmung 16, das im Inneren des Ableiters ein rotationssysmmetrisches Feld aufrechterhält.

Wie zuvor angedeutet, wird die Spannungsverteilung in strenger Abhängigkeit von den Erdkapazitäten bestimmt. In Fig. 1 ist angedeutet, daß zwischen den Steuerringen 20 bzw. zwischen dem Ableiter und der geerdeten Kapselung 11 an jeder Stelle in Längsrichtung des Ableiters eine Kapazität Ci besteht. In ähnlicher Weise ist eine Kapazität C₂ an jedem Punkt entlang der Längserstreckung des Ableiters zwischen den Steuerringen 20 und der Abschirmung 16 vorhanden. Es läßt sich zeigen, daß die Spannung an einer Stelle χ der Längserstreckung des Ableiters proportional dem Verhältnis

C₁ + C₂

ist. Dabei ist die Kapazität G von einem Ende des Ableiters bis zum anderen im wesentlichen konstant, so daß bei progressiver Abnahme der Kapazität Ci eine lineare Abhängigkeit der Spannung von der Höhe des Ableiters und damit eine im wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung erreicht werden kann. Ferner wird ersichtlich, daß durch eine geeignete Konstruktion der Abschirmung 16 jede andere gewünschte Spannungs-

verteilung erzielt werden kann, obwohl in den meisten Fällen eine gleichförmige Verteilung erwünscht ist. In jedem Fall wird mittels der Steuerringe 20 das Feld im Inneren des Ableiters rotationssymmetrisch gestaltet.

Die beschriebene unsymmetrische Abschirmung ist s auch bei metallgekapselten Hochspannungsgeräten nach Art von Durchführungen anwendbar, deren Arbeitsweise durch ungleichförmige Spannungsverteilung beeinträchtigt werden kann. Als Beweis hierfür ist in Fig. 2 eine Hochspannungsdurchführung für ein metallgekapseltes System gezeigt. Die Durchführung kann z. B. eine Transformatordurchführung oder eine sogenannte Gasdurchführung sein, die das metallgekapselte System abschließt und die Verbindung mit einer Freileitung herstellt. κ

Wie die F i g. 2 zeigt, ist die Durchführung 25 in einer geerdeten Wand 26 angebracht, bei der es sich um die Wand einer Metallkapselung oder eines Transformatorkessels handeln kann. Die Durchführung 25 kann aus Porzellan, Epoxydharz oder einem anderen Isoliermaterial bestehen und kann von jeder geeigneten oder üblichen Konstruktion sein. Die Durchführung 25 mit ihrem Leiter 27 ist in geeigneter Weise in die Wand 26 eingesetzt und dieser gegenüber abgedichtet. Die Durchführung 25 und ihr Leiter 27 sind von einer Metallkapselung 28 umschlossen, die mit einer rohrförmigen Kapselung 29 für den Leiter 27 in Verbindung steht und Bestandteil eines vollständigen metallgekapselten Systems ist. Die Kapselung 28 ist mit einem geeigneten Isoliergas gefüllt, z. B. mit unter Druck stehendem Schwefelhexafluorid. Wie zuvor erwähnt, führt die große Nähe der geerdeten Metallkapselung 28 zu der Durchführung 25 zu einer Verzerrung des elektrischen Feldes und zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung, was eine längere oder größere Durchführung erfordern würde, als für die Spannung des Systems normalerweise benötigt würde, um die Gefahr eines äußeren Überschlages zu vermeiden. Eine gebräuchliche Durchführung normaler Größe kann benutzt werden, wenn eine unsymmetrische Abschirmung 30 nach Fig. 2 vorgesehen wird. Die Abschirmung 30 umschließt das geerdete Ende der Durchführung 25 und erstreckt sich in axialer Richtung zu dem auf Hochspannungspotential befindlichen Ende, wobei ihre Erstreckung in Umfangsrichtung entlang der Durchführung progressiv abnimmt. Den Steuerringen 20 ähnliehe Steuerringe 31. sind mit gegenseitigem Abstand zwischen den Einden der Durchführung innerhalb der Kapselung 28 angeordnet. Die Ringe 31 können durch geeignete Mittel in ihrer Lage gehalten sein; ihr Potential ist schwimmend, und sie bilden ein Steuermittel zur Sicherstellung eines rotationssymmetrischen Feldes im Inneren der Durchführung. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, bestehen Kapazitäten zwischen der Abschirmung und der Durchführung und zwischen der Durchführung und der geerdeten Kapselung, wie dies im Zusammenhang mit der F i g. 1 erläutert wurde, und die Wirkung der Abschirmung 30 auf die Spannungsverteilung ist die gleiche wie die zuvor erläuterte, so daß trotz der Anwesenheit der geerdeten Kapselung 28 eine gleichmäßige Sipannungsverteilung erhalten wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Abschirmung 16, 30 in Verbindung mit den Ringen 20,31 eine gleichmäßige Spannungsverteilung an einem Überspannungsableiter oder einem anderen elektrischen Hochspannungsgerät herbeiführt, das in einer Metallkapselung eingeschlossen ist. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, da nun übliche Ableiter ohne zusätzliche Steuerwiderstände und -kondensatoren oder andere Standardgeräte in metallgekapselt gasisolierten Systemen mit derselben Leistungsfähigkeit wie bei Freilultaufstcllung trotz großer Nähe geerdeter Flächen benutzt werden können. Der Anwendungsbereich der unsymmetrischen Abschirmung ist nicht auf Überspannungsableiter beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf andere Arten elektrischer Geräte, z. B. aul Kopplungskondensatoren und Durchführungen, bei denen die Leistungsfähigkeit oder erforderliche Größe durch ungleichmäßige Spannungsverteilung nachteilig beeinflußt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunsien

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrisches Gerät für Hochspannung mit einer ein Isoliergas enthaltenden Kapselung aus Metall sowie mit Mitteln zur kapazitiven Beeinflussung im Sinne einer Vergleichmäßigung der Spannungsver-• teilung über die Längserstreckung des Gerätes bei rotationssymmetrischem Verlauf der Feldlinien unter Zuhilfenahme von das Gerät umschließenden, mit gegenseitigem axialen Abstand verteilt angeordneten leitenden Ringen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein großer Teil der Ringe (20) von einer leitenden, hohlzylindrischen Abschirmung (16) konzentrisch umgeben ist, deren freies Ende in einer zur Achse des Gerätes (10) geneigten Ebene endet und daß bei Geräten (10) mit einer Isolation gegen Erde nach dem Stützprinzip die Abschirmung (16) mit ihrem geschlossenen Ende von der Hochspannungselektrode ausgeht und mit dieser leitend verbunden ist (F i g. 1).

2. Elektrisches Gerät für Hochspannung mit einer ein Isoliergas enthaltenden Kapselung aus Metall sowie mit Mitteln zur kapazitiven Beeinflussung im Sinne einer Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung über die Längserstreckung des Gerätes bei rotationssymmetrischem Verlauf der Feldlinien unter Zuhilfenahme von das Gerät umschließenden, mit gegenseitigem axialen Abstand verteilt angeordneten leitenden Ringen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein großer Teil der Ringe (31) von einer leitenden, hohlzylindrischen Abschirmung (30) konzentrisch umgeben ist, deren freies Ende in einer zur Achse des Gerätes (25) geneigten Ebene endet und daß bei Geräten (25) mit einer Isolation gegen Erde nach dem Durchführungsprinzip die Abschirmung (30) von dem geerdeten Fassungsbereich ausgeht und mit diesem leitend verbunden ist (Fig. 2).