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"Isolieranordnung für Hochspannung" Die Erfindung bezieht sich auf
eine Isolieranordnung für Hochspannung mit einem zwischen zwei auf unterschiedlichem
Potential befindlichen Teilern angeordneten Isolierkörper, der auf dem auf Hochspannungspotential
liegenden Teil in einen Raum mit verringerter Feldstärke hineinragt.
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Es sind eine Reihe von Isolieranordnungen bekanntgeworden, welche
ein Hochspannung führendes Teil von einem auf Erdpotential liegenden Teil isolieren.
Häufig werden solche Isolieranordnungen bei elektrischen Schaltanlagen eingesetzt,
bei denen ein oder mehrere Innenleiter in einer Metallkapselung eingeschlossen sind,
wobei als isolierendes Medium zwischen dem Innenleiter und der Außenkapselung Gas
oder Flüssigkeit, vorzugsweise aber gasformiges SF6,Verwendung finden. Bei der Ausführung
einersolchen Isolieranordnung kommt es insbesondere auf die Verteilung der Tangentialfeldstärke
über den Isolierkörper an, da in der Hauptsache diese die Ursache für einen Uberschlag
zwischen dem Innenlelter und der Außenkapselung am Isolierkörper ist.
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Benutzt man einen Isolierkörper mit parallelen Seitenwänden, dann
verläuft die Tangentialfeldstärke von einem hohen Wert an der Stoßstelle zwischen
Innenleiter und Isolierkörper bis auf einen niedrigen Wert an der Stoßstelle zwischen
Isolierkörper und Außenkapselung, wobei der Verlauf arnäFernd hyperbolisch ist.
Dies hat den Nachteil, daß die Tangentialfeldstärke gerade im kritischen Bereich
an der Stoßstelle von Innenleiter zu Isolierkörper zu hoch ist.
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Es ist versucht worden, insbesondere an der Stoßstelle zwischen Innenleiter
und Isolierkörper die Tangentialfeldstärke herabzusetzen. Dies ist dadurch erreicht
worden, daß der Auflagefußdes Isolierkörpers am Innenleiter extrem verbreitert wurde,
wobei der Isolierkörper im übrigen Bereich radial nach außen hin parallel verlaufende
Seitenwandungen aufweist. Die Tangentialfeldstärke fällt von innen nach außen von
einem vergleichsweiseniedrigen Wert bis zum Übergang vom breiten Fuß zum parallelen
Abschnitt ab, steigt an dieser Stelle stark an bis auf einen erheblich über dem
an der Innenseite liegenden Wert und fällt von dort wieder langsam ab. Zwar ist
auf diese Weise erreicht worden, daß an der Stoßstelle zwischen Isolierkörper und
Innenleiter die Tangentialfeldstärke verringert ist und daß wegen der langen Strecke
an der Übergangs stelle von Fuß zu parallelem Außenabschnitt Kriechentladungen in
weitem Maße verhindert werden können. Andererseits ist der Verlauf der Feldstärke
gerade an der Ubergangsstelle von Fuß zu parallelem Außenabschnitt wegen des steilen
Anstiegs ungünstig; insbesondere ist auch die Fertigung eines solchen Isolierkörpers
schwierig.
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Es ist weiterhin ein Isolierkörper bekanntgeworden, der als konischer
Isolator ausgebildet ist und dessen Breite vom Innenradius, d.h. von der Stoßstelle
zwischen Innenleiter und Isolierkörper aus kontinuierlich nach außen hin abfällt.
Hierdurch kann ein im wesentlichen konstanter Verlauf der Tangentialfeldstärke zwischen
Innen- und Außendurchmesser erreicht werden.
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Obwohl ein solcher Verlauf gegenüber dem Verlauf bei anderen bekannten
Ausführungen erhebliche Vorteile bringt, ist er dennoch noch nicht optimal, da an
den Stoßstellen eine vergleichsweise hohe Feldstärke vorhanden ist.
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Es ist weiterhin ein kegelstumpfförmiger Isolierkörper bekanntgeworden,
welcher mit Rippen versehen ist, so daß hierdurch die Kriechwege erheblich verlängert
werden.
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Bei Betrachtung der bekannten Isolierkörper kann zusammenfassend gesagt
werden, daß die Isolierkörper nach den Gesichtspunkten entweder langer Kriechwege
oder gegebener Höchstwerte für Tangential- und/oder Normal feldstärken und/oder
Betragswerte der Feldstärke dimensioniert wurden. Darüber hinaus ist auch eine Ausführung
bekanntgeworden, bei welcher eine konstante Tangentialfeldstärke erzielt wurde.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Tangentialfeldstärke sowohl an der
Stoßstelle zwischen Innenleiter und Isolierkörper als auch an der Stoßstelle zwischen
Isolierkörper und Kapselung stark zu verringern, so daß im Bereich der Stoßstellen
oder auch Einspannstellen Tangentialfeldstärkernirerte erreicht werden, welche erheblich
niedriger liegen als der Mittelwert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Isolierkörper
an seinem Innen- und Außenradius breiter ist als am mittleren Radius, daß er weiterhin
am Außenradius hinter die innere Oberfläche des auf niedrigem Potentials befindlichen
Teiles eingezogen ist, daß er am Innenradius eine in den IsoliaF körper eingezogene,
mit dem die Hcchspannung führenden Teil elektrisch verbundene Eingußarmatur aufweist
und daß der IsolieF körper am Innenradius beidseitig von in Abstand angeordneten
Abschirmelektroden umfaßt ist, so daß der Isolierkörper mit seinen Rändern in die
durch die Eingußarmatur und die beidseitigen Abschirmelektroden gebildete Vertiefung
eingreift.
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Dadurch, daß der Isolierkörper an dem am Innenradius liegenden Abschnitt
eine Eingußarmatur aufweist und beidseitig von in Abstand angeordneten Abschirmelektroden
umfaßt ist, so daß der Isolierkörper mit seinen Rändern in die durch die Eingußarmatur
und die beidseitigen Abschirmelektroden gebildete Zone verringerter Feldstärke eingreift,
und daß der Isolierkörper an seinem Außenradius hinter die innere Oberfläche des
auf niedrigem
Potential befindlichen Teiles eingezogen ist, wird
erreicht, daß die Tangentialfeldstärke am Innen- bzw. Außenradius abfällt.
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Durch die gemeinsame Anwendung der genannten Merkmale wird erreicht,
daß die Tangentialfeldstärkenwerte an den Einspannstellen verhältnismäßig niedrig
sind, während sie im Bereich des mittleren Radius, d.h. auf halbem Abstand zwischen
dem Innenleiter und der Außenkapselung, höher als der Mittelwert liegen.
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Durch diesen bauchförmigen Verlauf werden die beiden kritischen Stellen,
nämlich die Stoßstellen des Isolierkörpers mit dem Innenleiter und der Außenkapselung
elektrisch erheblich entlastet.
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Streng genommen gilt, daß die eben beschriebenen Maßnahmen nur für
rotationssymmetrische Anordnungen von Innenleiter, Isolierkörper und Kapselung gelten.
Es ist aber ohne weiteres möglich, die Isolieranordnung auch dann anzuwenden, wenn
die Schaltanlage nicht einpolig, sondern dreipolig ausgeführt ist, d.h. wenn nicht
nur en einziger Innenleiter, sondern beispielsweise drei Innenleiter von einer Außenkapselung
umgeben sind. Natürlich ist eine gewisse gegenseitige Beeinflussung der Tangentialfeldstärke
durch die drei Innenleiter gegeben. Es hat sich aber he ausgestellt, daß die Abweichungen
von dem für rotationssymmetrische Anordnung geltenden Verlauf verhältnismäßig klein
sind.
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Für ein durchgerechnetes Beispiel liegen die Abweichungen etwa zwischen
10 bis 15 %.
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Weitere vorteilhafte Aus führung 5 formen und Verbesserungen der Erfindung
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße Isolieranordnung im Querschnitt,
Fig. 2 den prinzipiellen Verlauf der Tangentialfeldstärke.
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Eine gekapselte SF6 -Sammelschiene besitzt einen Innenleiter 1 und
eine Außenkapselung 2, welche von einem Isolierkörper 3 gegeneinander isoliert und
durch ihn gegeneinander abgestützt sind. Die Außenkapselung 2 ist geteilt und aus
zwei Kapselungsrohren 21 uns 22 aufgebaut, welche jeweils in einem Flansch 23 und
24 endigen. Der Isolierkörper 3 befindet sich zwischen den beiden Flanschen 23 und
24. Am inneren Abschnitt des Isolierkörpers 3 ist, vom Isolierkörper 3 umgeben,
eine Eingußarmatur4 angeordnet, welche mit ihrem Mittelabschnitt 41 in das Innere
des Isolierkdrpers 3 hineinragt. Die Eingußarmatur 4 überragt nun den Isolierkörper
3 in axialer Richtung. Beidseitig zur Eingußarmatur 4 sind, an dieser anschließend,
spiegelbildliche und symmetrische Abschirmungen 5 und 6 vorgesehen, welche, ebenso
wie die Eingußarmatur 4, aus elektrisch leitendem Material bestehen und mit dem
Innenleiter 1, ebenso wie die Eingußarmatur 4, elektrisch in Verbindung stehen.
Die beiden Eingußarmaturen5u.6bejAzen an ihren dem Isolierkörper 4 zugewandten Enden
zylinderförmige Anformungen 51 und61, deren Außendurchmesser Da 51 bzw. 61 dem Außendurchmesser
Da4 der Endbereiche der Eingußarmatur 4 entsprechen. Damit wird durch den Mittel
abschnitt 41 der Eingußarmatur 4 und den beiden Abschirmungen 5 und 6 eine Vertiefung
7 und 8 gebildet, in die die Seitenflächen 31 des Isolierkörpers hineinragen.
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An seinem Außenrand ist der Isolierkörper 3 von einer Ringarmatur
9 umgeben, welche die mechanische Festigkeit des Isolierkörpers 3 erhöht und zur
Halterung des Isolierkörpers 3 zwisiwh den beiden Kapselungsrohren 21 und 22 dient.
Dabei besitzt die Ringarmatur 9 eine U-förmige Eindrehung 10, so daß der Innendurchmesser
der
Ringarmatur 9 gestuft ist. Die Außenfläche des Isolierkörpers 3 ist der Innenfläche
der Ringarmatur 9 angepaßt; der Isolierkörper 3 besitzt eine Ausformung 32, die
in die Eindrehung 10 eingreift. Im Bereich des Außendurchmessers des Isolierkörpers
3 sind an seinen Seitenflächen umlaufende Ringnuten 33 vorgesehen, welche zur Aufnahme
eines Dichtungsringes 11 dienen. Zwischen der Außenfläche des Isolierkörpers 3 und
der Innau fläche der Ringarmatur 9 ist ein Spalt 12 während des Betriebes vorhanden,
der auf folgende Weise entsteht: Der Isolierkörper 3 wird zusammen mit der Eingußarmatur
4 und der -Ringarmatur 9 aus Kunststoff durch ein Gießverfahren hergestellt. Dabei
liegt die Gießtemperatur über der späteren Betriebstemperatur. Sobald sich der Isolierkörper
3 abkühlt, schrumpft der Isolierkörper erheblich stärker als die Eingußarmatur 4
bzw. die Ringarmatur 9.
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Dadurch liegt der Isolierkörper 3 gasdicht an der Eingußarmatw an,
während zwischen der Ringarmatur 9 und dem Isolierkörper der Spalt 12 entsteht.
Der Isolierkörper schrumpft nun nicht nur radial, sondern auch in axialer Richtung,
so daß sich zwischen den axialen Begrenzungsflächen der Ringarmatur 9 und des Isolierkörpers
3 ein sogenanntes Abschrumpfmaß d bildet.
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Dieses Maß d ist auch deshalb vorteilhaft, weil bei Zusammenschrauben
der beiden Flansche 23 und 24 mittels einer Schrauben-Mutterverbindung 25 eine direkte
Druckbelastung des Isolierkörpers in seinem Außenbereich vermieden wird und dadurch
eine metallische Verbindung der Kapselung 2 gewährleistet ist. Diese metallische
Verbindung ist für das Führen eventuell auftretender Ströme (z.B, beim Erden der
Kapselung) erforderlich. Der Spalt 12 und das Abschrumpfmaß d sind bei Tieftemperatur
am größten. Da die Betriebstemperatur der Isolieranordnung immer unter der Gießtemperatur
des Isolators liegt, ist eine Belastung durch Wärmedehnung nicht gegeben und innere
mechanische (thermische) Spannungen können nicht auftreten, da bei Betriebstemperatur
sich der Isolierkörper 3 weder von innen gegen die Rint armatur noch in axialer
Richtung gegen die Flansche 23 und 24
preßt. Ferner bleibt die Verbindung
Eingußarmarmatur 4 zu Isolierkörper 3 immer gasdicht, da durch Spezialbehandlung
der Oberflache, z .3. Sandstrahlen, der Eingußarmatur kein Abschrumpfen stattfinden
kann.
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Wird die Oberfläche mit Sandstrahlen bearbeitet, dann wird die Oberflächenhaftung
des Isolators 3 auf der Eingußarmatur 4 verbessert.
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Die Ringarmatur 9 hat darüber hinaus noch einen weiteren Vorteil,
sofern der Bolzen 25a der Schraubenverbindung 25 in die Ringarmatur 9 eingeschraubt
ist (wie im Beispiel gezeigt): Wird bei einer Demontage beispielsweise des Kapselungsrohres
21 die in der Zeichnung rechts befindliche Mutter 25b gelöst, dann besteht zwischen
dem Flansch 24 und der Ringarmatur 9 noch enne Schraubverbindung über die in der
Zeichnung links dargestellte Mutter 25c und den in die Ringarmatur 9 eingeschraubten
Bolzen 25. Obi1bmde Kapselungen im Betrieb unter Isoliergasdruck (SF6) stehen, kann
ein Kapselungsrohr, z.B. 21, abgebaut werden, während das andere, 22 in Betrieb
bleiben kann. In diesem Falle wäre aber (nicht dargestellt) der Isolierkörper 3
als Schotttz isolator ausgeführt. Der Isolierkörper 3 hält dabei den GasdruR des
Kapselungsrohres 22 gegen den atmosphärischen Druck, da sich die in der Zeichnung
rechts befindliche Fläche 34 der Ausformung 32 gegen die entsprechende Fläche der
Eindrehung 10 der Ringarmatur anlegt. Hierdurch wird eine Zerstörung des Isolierkörpers
oder zumindest eine Beschädigung durch die vorhandene Druckdifferenz vermieden.
Es besteht auch die Möglichkeit den Isolierkörper 3 nur als Tragisolator auszubilden.
Dann besitzt er Durchtritte, die einen Druckausgleich von einem Kapselungsrohr in
das andere gestatten. Die erfinderische Kontur kann damit sowohl bei Schottungsisolatoren
als auch bei Tragisolatoren benutzt werden.
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I Die Form des Isolierkörpers 3 ist nun erfindungsgemäß im mittleren
Abschnitt,
d.h. in dem Bereich zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser in axialer
Richtung dünner als am Innen- bzw. Außendurchmesser. Dabei verläuft die Seitenfläche
311 im folgenden auch Kontur 31 genannt, vom Innenradius, der dem Radius Da bzw.
Da 4 entspricht, zunächst ein kurzes Stück in radialer Richtung, also etwa bis zum
Punkt A; sodann läuft sie bis etwa zum Bereich B nach innen, wobei sie vom Punkt
A bis in den Bereich B einem großen Radius folgt; im Bereich 3 verläuft sie ein
kurzes Stück wieder in radialer Richtung und geht dann über im Bereich C in einen
Abschnitt mit verhältnismäßig kleinem Radius derart, daß sie nach außen gegen denFlanh
unter dem Winkel Cy stößt, wobei der Winkel t angenähert 900 beträgt. Der Punkt,
an dem sie den Flansch trifft, ist mit E bezeichnet; der Radius Rm oder anders ausgedrückt
der Durchmesser, auf dem der Punkt E liegt, ist größer als der Innendurchmesser
Di 2, so daß hieraurch der Isolierkörper hinter die innere Oberfläche d.h. die Innenfläche
26 der Außenkapselung 2 hineinragt bzw. eingezogen ist.
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Auf grund der besonderen Ausführungsform mit den durch EinguB-armatur
4 und Abschirmkörper 5 und 6 gebildeten Vertiefungen 7 und 8 und aufgrund der Hinterziehung
des Isolierkörpers 3 in die Oberfläche 26 und der in radialer Richtung veränderlichen
Breite des Isolierkörpers 3 wird eine Tangentialfeldstärkenverteilung von innen
nach außen etwa wie in der Fig. 2 dargestellt, erzielt. An dem inneren Durchmesser,
d.h. an dem Durchmesser, an dem der Isolierkörper 3 mit seinen Seitenflächenbzw.
mit seiner Kontur 31 gegen die Eingußarmatur stößt (dies ist der Punkt F), ist die
Tangentialfeldstärke minimal; der Wert beträgt Etmin Sodann steigt die Tangentialfeldstärke
an bis zum Wert Etmax und fällt von dort wieder ab bis angenähert Etmin, wobei zu
beachten ist, daß Etmin am Innendurchmesser durchaus
einen unterschiedlichen
Wert aufweisen kann als Etmin am Außendurchmesser, da beide Werte stark von der
Geometrie abhängen.
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Jedenfalls liegen beide Werte Etmin unterhalb des mittleren Wertes
Etmittel. Dabei ist die Fläche unter der Kurve gleich der Fläche zwischen der Abszisse
und der durch Etmittel gebildeten Gerade.