DE2526668A1 - Isolator - Google Patents

Description

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! Mp.-Hr. 586/75 Mannheim, 12.6.1975

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"Isolator

j Die Erfindung bezieht sich auf einen Isolator zur Isolierung j von auf unterschiedlichem elektrischen Potential befindlichen ! Elektroden und zu deren Abstützung gegeneinander, insbesondere zur Isolierung und Abstützung von Innen- und Außenleiter gegeneinander in gekapselten, gasisolierten elektrischen Schaltanlagen.

Zur Halterung von elektrischen Leitern innerhalb einer Kapselung und zur gegenseitigen Isolierung werden Isolatoren verwendet, welche neben einer ausreichenden mechanischen Festigkeit auch eine ausreichende elektrische Festigkeit aufweisen müssen. Y/ährend in dem Bereich zwischen Innen- und Außenleiter ein isolierendes Gas, beispielsweise SFg, oder eine isolierende Flüssigkeit vorgesehen ist, so daß dort Überschläge nur unter besonderen Voraussetzungen stattfinden können, besteht bei Stützisolatoren die Gefahr, daß auch aufgrund von Verschmutzungen Kriech- oder Gleitentladungen entstehen, welche ggf. zur Be Schädigung des Isolators führen können.

Aus diesem Grunde sind die Isolatoren nach bestimmten Kriterien ausgelegt, wobei zum Teil Maßnahmen zur Verlängerung der Kriechwege gewählt wurden; dies wird bei einer Ausführung dadurch erreicht, daß die Kontur des Isolators mit Rippen versehen wird (siehe Elektrizitätswirtschaft, Jahrgang ■ 7.5, 1974, Heft 5, S.124 bis 128). Andere Isolatoren sind derart ausgebildet, daß die Tangentialfeldstärke längs des Isolators annähernd konstant gehalten ist (ISH-Band 1972, S. 1 bis 8). Wieder andere Isolato-

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ren sind derart ausgebildet worden, daß die Höchstwerte für die Tangential- und/oder Normalfeldstärken und/oder die Betragswerte der Feldstärke einen Maximalwert nicht überschreiten.

Bei den bekannten Lösungen blieb unberücksichtigt, daß es Feldlinien gibt, die auf einer der sich gegenüberstehenden Elektroden verschiedenen Potentials im Gas- oder Flüssigkeitsbereich beginnen, an die Isolatoroberfläche stoßen und in den Isolator eindringen. Liegt auf einer der Elektroden eine geringe Verunreinigung vor, so bilden sich Entladungen aus, die - den Feldlinien folgend - auf die Isolatoroberfläche stoßen und dort durch den bekannt niedrigen Feldstärkebedarf von Gleitentladungsmechanismen leicht zum Überschlag am Isolator führen können. Der auf diese Weise entstehende Gleitüberschlag am Isolator führt, wie oben schon ausgeführt, im Gegensatz zum Durchschlag in der freien Gas- bzw. Flüssigkeitsstrecke leicht zu bleibender Verschlechterung des Isolierverhaltens.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Isolierkörper bzw. einen Isolator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Gefahr von Gleitentladungen weiter verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die sich längs der Isolierstrecke erstreckende Oberfläche des Isolators so gestaltet ist, daß zwischen den Elektroden verlaufende, außerhalb des Isolators von den Elektroden ausgehende elektrische Feldlinien stets außerhalb des Isolators verlaufen.

Eine weitere Verbesserung wird dann erzielt, wenn erreicht wird, daß die Oberfläche des Isolators längs der Isolierstrecke so gestaltet ist, daß das Integral der Normalfeidstärke entlang der Grenzfläche von Isolator zum umgebenden Gas annähernd Null wird.

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Gegenstand der Erfindung ist somit eine Gestaltungsregel, vie die Oberfläche eines Isolators zu gestalten ist, damit keine der von einer der Elektroden im Gasbereich ausgehende Feldlinie an die Isolatoroberfläche stößt und in den Isolator eindringt. Selbstverständlich ist es möglich, die gleiche Gestaltungsregel auch dann zu verwenden, wenn anstatt Gas Flüssigkeit zur Isolierung zwischen den beiden Elektroden eingesetzt wird. Die Kontur wird im wesentlichen mittels einer numerischen Berechnung elektrischer Felder erhalten, wobei die Gesamtanordnung Isolator-Elektroden durch Iterativrechnung unter Anwendung der numerischen Feldberechnung verbessert wird. Dabei sind sämtliche Einflüsse wie die relativen Dielektrizitätszahlen, die Konturen der Grenzschicht, Potentiale und Konturen der Elektroden zu berücksichtigen. Das Ziel der Berechnung gilt dann erreicht, wenn unter Einhaltung von Toleranzen eine rechnerische Verfolgung der Feldlinien eine durch die Auftreffpunkte der Isolatorkanten auf die Elektroden verlaufende Feldlinie liefert, die nicht an die Oberfläche des Isolators stößt. Mit dieser Gestaltungsregel ist der Isolator im Vergleich z.B. mit bekannten Rippenisolatoren oder anderen bekannten Isolatoren erheblich verbessert, insbesondere was die Isoliereigenschaften anbetrifft. j

Darüber hinaus ist nun noch die Regel, wonach das Integral der Normalfeldstärke über die Oberfläche annähernd zu Null wird, zu beachten; die letztere Regel dient quasi als "Proberegel" und j als Optimierungsregel. j

Der erfindungsgemäße Gedanke ist dabei weitgehend auf beliebige Elektroden-Anordnungen anwendbar, wobei nicht nur zwei-dimen- i sionale sondern auch drei-dimensionale Ausführungen denkbar sind. Darüber hinaus ist es auch möglich, den Erfindungsgedanken bei ; Isolieranordnungen mit Zwei- oder Mehrelektroden und zwar bei I gleichen, unterschiedlichen oder sich frei einstellenden Poten-;

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tialen zu benutzen.

Anhand der Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele bekannter Isolatoren,

Fig. 3 und 3a einen ebenfalls bekannten Isolator,

Fig. 4 bis 6 einen Isolator gemäß der Erfindung,

Fig. 7 den Verlauf der Normalfeldstärke über die abgewickelte Kontur des Isolators und

Fig. 8 den Verlauf der elektrischen Feldlinien bei einem< Isolator gemäß der Erfindung. ■ j

Von zwei sich gegenüberliegenden und im Abstand zueinander angeordneten Elektroden bezeichnet die Bezugsziffer 1 immer die
Elektrode, die sich auf hohem Potential, und die Elektrode mit
der Ziffer 2 immer die Elektrode, die sich auf niedrigem Poten- ^; tial befindet. In dem Raum zwischen den beiden Elektroden 1 und2 ist ein Isolator angeordnet, der in den verschiedenen Figuren
verschiedene Bezugsziffern aufweist. Jn den Bereichen links bzw. rechts des Isolators befindet sich bei den vorliegenden Beispielen ein Isoliergas, und zwar

Der Isolator in der Fig. 1, der mit der Bezugsziffer 3 bezeich-' net ist, ist im mittleren Bereich zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 dicker ausgebildet als an den Stoßstellen zwischen ^: Elektrode 1 - Isolator 3 bzw. Isolator 3 - Elektrode 2. Es sind. nun zwei elektrische Feldlinien 4 und 5 eingezeichnet, welche ' in den Bereichen außerhalb des Isolators 3 aus den Elektroden 11

uns 2 austreten und an den Punkten I und II in den Isolator
eintreten.

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Die Fig. 2 zeigt einen etwa S-förmig geschwungenen Isolator 6, der angenähert überall gleiche Dicke aufweist. Eine Feldlinie 7, welche hier mehr oder weniger willkürlich ausgewählt ist, tritt am Punkt III bzw. IV in den Isolator ein bzw. aus.

Die Fig. 3 zeigt einen Isolator 8, dessen Seitenflächen genau parallel verlaufen und senkrecht auf den Oberflächen der Elektroden 1 und 2 stehen. Hier ist es möglich, daß die Feldlinien nicht in den Isolator eindringen, wie dies beispielsweise in ' den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Da in der Praxis eine absolut ebene Oberfläche bei Gießharzisolatoren nicht erzielt werden kann, ist nicht gewährleistet, daß nicht doch eine Feldlinie in den Isolator beispielsweise bei einer Unebenheit eindringt und auf diese Weise für eine Gleitentladung sorgt. Eine solche Möglichkeit ist in der Fig. 3a dargestellt. Diese Figur zeigt einen Querschnitt durch einen Isolator in stark vergrößerter Darstellung, welche zwei Erhebungen 10 und 11 zeigt, deren Spitzen durch die Rauhtiefe bei der Fertigung des Isolators bestimmt sind. Eine elektrische Feldlinie, welche in sehr geringem Abstand zur Isolatoroberfläche verläuft.und die mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet ist, dringt in die Erhebung 10 und in die Erhebung 11 ein und verursacht ggf. an darstellen V und VI (Stellen bei der Erhebung 10 nicht gezeichnet) Gleitentladungen.

Konzipiert man nun einen Isolator gemäß der Erfindung, dann gelangt man zu einem Isolator, wie er in der Fig. 4 bzw. 5 dargestellt ist. Hier besitzt der Isolator 12 entlang der Isolierstrecke zwischen den 31ektroden 1 und 2 insgesamt drei verschiedene Bereiche 13, 14 und 15» wobei die beiden Bereiche 13 und breiter sind als der Bereich 15. Verfolgt man eine elektrische Feldlinie 17, die an der Elektrode 1 bzw. 2 innerhalb des Iso- _: lators 12 aus der Elektrode austritt, dann tritt die Feldlinie 16 an den Punkten VII und VIII aus dem Isolator 12 heraus. Be-

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trachtet man eine Feldlinie 17, die in dem Punkt, in dem die Kontur des Isolators 12 auf die Elektrode 1 bzw. 2 auftrifft, aus der Elektrode 1 bzw. 2 austritt, also an den Punkten B bzw. A, dann erkannt man, daß sich diese Feldlinie immer außerhalb des Isolators befindet. Gleiches gilt auch für die Feldlinie Bei einer Verunreinigung auf der Elektrodenoberfläche 1 oder kann zwar eine Entladung entstehen; sie trifft aber, wenn sie der elektrischen Feldlinie 17 folgt_; an keiner Stelle mehr auf den Isolator 12 auf, so daß ein Gleitüberschlag nicht auftritt. Damit ist aber die Kontur des Isolators 12, wie in der Fig. 4 dargestellt, optimal. Auch geringfüngige Abweichungen von der Kontur gemäß der Fig. 4 (siehe Fig. 5) führen höchstens dazu, daß die in dem Punkt B aus der Elektrode 2 austretende Feldlinie erst nach langer Wegstrecke in Gas bzw. Flüssigkeit an die Isolatoroberfläche im Punkt IX stößt, so daß der erfindungsgemäße Vorteil der Lösung gemäß der Fig. 4 voll erhalten bleibt. Eine Gleitentladung im Punkt IX findet wegen der langen Wegstrecke im Gas bzw. in der Flüssigkeit nicht mehr statt.

Die Fig. 6 zeigt nun eine Isblieranordnung, bei der die auf niedrigem Potential befindliche Elektrode 2 die gleiche Form hat, wie die Elektrode 2 in den Fig. 1 bis 5» die auf hohem Potential liegende Elektrode 25 hat einen tragflügelartigen Querschnitt; der Querschnitt ist nur zufällig gewählt. Der zwischen beiden Elektroden 2 und 25 liegende Isolator 26 ist so ausgebildet, daß eine in den Punkten A und B an den Elektroden 2 und 25 endende Feldlinie an keiner Stelle in die-Isolatoroberfläche eindringt.

Die Fig. 7 zeigt mm die Normalfeldstärke längs einer Grenzfläche der Fig. 8; die Grenzfläche ist mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet. Der Raum rechts von der Grenzfläche 31 ist außerhalb des Isolators, der Raum mit der Bezugsziffer 32 ist inner-

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halb des Isolators. Verfolgt man den Verlauf der Normalfeidstärke längs der Kontur 30, dann erhält man einen Verlauf, wie er j in der Fig. 7 dargestellt ist. j

Die Kontur 30 ist nun optimal, wenn das Integral der Normalfeldstärke entlang der Abwicklung gleich Null ist, d.h. wenn die mit + bezeichnete Fläche, die in der Fig. 7 mit 33 bezeichnet ' ist, gleich ist der unterhalb der Abszisse liegenden Fläche, welche die Bezugsziffer 34 aufweist.

Die Gestaltungsregel, den Isolator so auszubilden, daß das Integral der Normalfeldstärke über die Grenzfläche zwischen Isolator und umgebendem SF -Isoliergas annähernd Null wird, ist nur unter einer Voraussetzung zu benutzen. Betrachtet man nämlich den Isolator 3 gemäß der Fig. 1, dann stellt man fest, daß j auch bei entsprechender Ausbauchung in der Mitte, also bei entsprechender konvexer Gestaltung, die Normalfeldstärke einen ähnlichen Verlauf aufweist, wie er in Fig. 7 dargestellt ist, wobei allerdings die Vorzeichen vertauscht sind. Will man also einen Isolator optimal gestalten, dann müssen beide Regeln j gleichzeitig beachtet werden: einmal dürfen die Feldlinien nicht in den Isolator eindringen, (wie bei Isolator 12 in Fig'; 4), zum andern soll das Integral der Normalfeldstärke über die Grenzfläche annähernd Null werden. Die letztgenannte Gestaltungsregel ist also nur noch eine Art "Probe", ob der Isolator optimal ist.

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PaMF 1 (870.10000/KE)

Claims (2)

1. Mp.-Nr. 586/75

   Patentansprüche

   Isolator zur Isolierung von auf unterschiedlichem elektrischen Potential befindlichen Elektroden voneinander und zu deren Abstützung gegeneinander, insbesondeie zur Isolierung und Abstützung von Innen- und Außenleitern in gekapselten, vorzugsweise SFg-isolierten elektrischen Schaltanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die sich längs der Isolierstrecke erstreckende Oberfläche des Isolators (15»26) so gestaltet ist, daß zwischen den Elektroden (1,2) verlaufende, außerhalb des Isolators von den Elektroden ausgehende elektrische Feldlinien (17,18) auf ihrer gesamten Länge außerhalb des Isolators verlaufen.
2. 2. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Isolators längs der Isolierstrecke so gestaltet ist, daß das Integral der Normalfeldstärke entlang der Grenzfläche von Isolator zum umgebenden Gas annähernd Null wird.

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   PaI 4 F ! (172 11500/KE)

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