DE2631943A1

DE2631943A1 - Abstandhalter fuer zwei elektrische leiter

Info

Publication number: DE2631943A1
Application number: DE19762631943
Authority: DE
Inventors: Jerome Donon
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1975-07-22
Filing date: 1976-07-15
Publication date: 1977-02-03
Also published as: FR2319183A1; GB1504233A; US4145565A; FR2319183B1

Description

Fo 9652 D 15. Juli 1976

Dipl.-Ing. Jürgen WEINMIU-ER

PATENTASSESSOR

SOF!=*! GmbH 2631943

SOCiJ Kiur.-hon 80
Zeppeiinstr. 63

COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 Frankreich

ABSTANDHALTER FÜR ZWEI ELEKTRISCHE LEITER

Die Erfindung betrifft einen Abstandhalter für zwei elektrische Leitungen. Sie findet insbesondere Anwendung bei Hochspannungskoaxialkabeln mit flüssigem oder gasförmigem Dielektrikum, in denen der innere Leiter koaxial zum äußeren Leiter gehalten werden muß. Es ist bekannt, daß zur Erhöhung der über ein derartiges Kabel übertragenen elektrischen Leistung versucht wird, die Spannung zwischen den Leitern zu erhöhen, jedoch ist man auf diesem Wege durch die Gefahr elektrischer Überschläge und durch die notwendige Begrenzung des Kabeldurchmessers beschränkt.

Es ist bekannt, zur Aufrechterhaltung eines Abstands zwischen zwei Leitern, an die eine hohe Spannung angelegt werden soll, zwischen zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen dieser

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Leiter eine dielektrische Feststoffverstrebung anzuordnen. Das der angelegten Spannung entsprechende elektrische Feld, das sich zwischen diesen beiden Leiteroberflächen ausbildet, und damit die Gefahr elektrischer Überschläge, hängen ausschließlich von der Form und der relativen Anordnung dieser Oberflächen, jedoch nicht von der Gesamtstruktur dieser Leiter ab. Außerdem können bestimmte Teile der Leiteroberflächen beispielsweise aus dünnen Metallfolien bestehen, die mit den Leitern elektrisch verbunden, jedoch mechanisch voneinander getrennt sind.

Zur Vereinfachung der Problemdarstellung soll zunächst angenommen werden, daß die beiden leitenden Oberflächen eben, parallel zueinander und horizontal liegen und daß der Zwischenraum zwischen diesen beiden Oberflächen leerιoder von einem beispielsweise gasförmigen Dielektrikum eingenommen wird. Die Verstrebung kann die Form eines Prismas oder eines Zylinders mit senkrechten Mantellinien aufweisen, deren einander gegenüberliegende horizontale Stirnseiten mit den leitenden Oberflächen in Berührung stehen und deren senkrechte Flächen von dem gasförmigen Dielektrikum umspült werden und so zwischen dem Feststoff—Dielektrikum und dem gasförmigen Dielektrikum eine Übergangsfläche bilden. Die auf gleichem Potential befindlichen Flächen sind dann die horizontalen Stirnseiten, und das elektrische Feld verläuft senkrecht und ist homogen. Liegt der Abstand zwischen den leitenden Oberflächen fest und will man die an diesen Flächen anliegende elektrische Spannung möglichst weit erhöhen, so wird diese Bemühung durch Durchschläge begrenzt, bei denen zwischen diesen Flächen ein elektrischer Lichtbogen entsteht. Dieser Durchschlag entsteht an einem Punkt des festen oder gasförmigen Dielektrikums, an dem die elektrische Feldstärke

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größer als die dielektrische Spannungsfestigkeit ist. Eine Verstrebung könnte als vollkommen betrachtet werden, wenn bei allmählicher Erhöhung der angelegten elektrischen Spannung die örtliche Durchschlagsspannung, d.h. die angelegte Spannung, die in dieser Verstrebung oder in ihrer unmittelbaren Nähe einen Durchschlag hervorruft, mindestens gleich der allgemeinen Durchschlagsspannung, d.h. der angelegten Spannung ist, die im gasförmigen Dielektrikum im Abstand der Verstrebung einen Durchschlag hervorruft.

Leider genügt jedoch eine wesentlich unter der Durchschlagsspannung angelegte Spannung im Gas, um im Bereich der dreifachen Übergangsfläche, d.h. an einem Punkt, der auf den Seitenflächen der Verstrebung in unmittelbarer Nähe einer der leitenden Oberflächen liegt, einen Durchschlag herbeizuführen.

Zur Behebung dieses Nachteils besteht eine bekannte Lösung darin, das elektrische Feld an der dreifachen Obergangsfläche dadurch stark zu verringern, daß man die Verstrebung in den Leiter einbezieht, d.h. daß die leitende Oberfläche auf beiden Seiten der Verstrebung so gekrümmt wird, daß sie sich allmählich von der anderen leitenden Oberfläche in dem Maße entfernt, wie man sich der Verstrebung annähert. Auf diese Weise entsteht beispielsweise in der unteren leitenden Oberfläche eine Vertiefung, auf deren horizontalem Boden die Verstrebung sich abstützt; natürlich muß die Länge der Verstrebung entsprechend der Vertiefung vergrößert werden. Die Ränder dieser Vertiefung sind nach oben und zur Verstrebung hin abgerundet. Ihr von der Verstrebung am weitesten entfernter Bereich verbindet sich tangential mit dem Rest der leitenden horizontalen Fläche,

Ihr der Verstrebung am nächsten liegender Bereich verläuft vertikal und schließt rechtwinklig in Form einer Kante mit dem Boden der Vertiefung ab. Die Verstrebung nimmt die gesamte Bodenfläche der Vertiefung ein, so daß die Abschlußkante die zuvor erwähnte dreifache Übergangsfläche bildet. Die erwähnte Tiefe der Vertiefung wird nachfolgend Einbindungstiefe genannt.

Aus der soeben beschriebenen Einbindung ergibt sich eine erhebliche Verringerung des elektrischen Feldes im Bereich der dreifachen Übergangsfläche, wodurch in diesem Bereich die Gefahr von Überschlägen gebannt ist. Bekanntlich ist an der Verbindung von zwei senkrecht zueinander verlaufenden leitenden Flächen das elektrische Feld null. Dort bleibt die örtliche Übergangsspannung weit unter der allgemeinen Überschlagsspannung. Erhöht man die angelegte Spannung,, so entsteht im gasförmigen Dielektrikum in einem Zwischenbereich des oben definierten konvexen Randes der Vertiefung oder an der Oberfläche der Verstrebung in der Nähe dieses Zwischenbereichs des Randes ein Überschlag. Der Überschlag beruht auf der Tatsache, daß das elektrische Feld in der Nähe der konvexen Form einer leitenden Oberfläche verstärkt wird.

Ziel der Erfindung ist es, die örtliche Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen.

Gegenstand der Erfindung ist ei.n Abstandhalter für zwei unter Spannung stehende elektrische Leiter mit einer zwischen einem ersten und einem zweiten Stützbereich, die Teile der beiden Leiter sind, angeordneten dielektrischen Verstrebung, wobei diese Stützbereiche sich gegenüberliegen, und mindestens der

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erste Stützbereich auf dem Boden einer Vertiefung in der Oberfläche des ersten Leiters liegt, so daß dieser Stützbereich von der Oberfläche des zweiten Leiters weiter entfernt ist als die Restoberfläche dieses Leiters, wober die Ränder dieser Ver-

in

tiefung allmählich die übrige Leiteroberfläche übergehen, wodurch die Verstrebung in diese leitende Oberfläche eingebunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstrebung in der Nähe des ersten Stützbereichs ein Teil aufweist, das aus einem dielektrischen Material höherer Dielektrizitätskonstante besteht, als sie die übrige Verstrebung aufweist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

An Hand der beiliegenden vier Figuren werden nachfolgend drei Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben.

Sofern gleiche Bauteile in diesen Figuren auftauchen, werden sie mit demselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen bekannten Abstandhalter.

Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen Schnitte durch eine erste, zweite und dritte Ausführungsform der Erfindung.

Mit der in Fig. 1 dargestellten bekannten Vorrichtung können zwei horizontale leitende Platten, eine obere Platte 2 und eine untere Platte 4, in einem bestimmten Abstand gehalten werden; die Vorrichtung ist um eine senkrechte Achse 6 rotationssymmetrisch. Die sich gegenüberliegerden Flächen der beiden Teile sind mit 20 bzw. 40 bezeichnet. Die Vorrichtung weist eine zylindrische Isolierverstrebung 8 auf, die um die Achse 6 rotationssymmetrisch ist. Die beiden leitenden Flächen sind zu einer durch die Mitte der Verstrebung 8 verlaufenden horizontalen

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Ebene symmetrisch. Die leitende Fläche 40 weist um die Verstrebung 8 herum einen nach unten gekrümmten Bereich auf, so daß sich eine Vertiefung bildet, deren Boden 10 eben und horizontal liegt und für die untere Stirnfläche der Verstrebung 8 einen Stützbereich bildet» Der Rand 12 dieser Vertiefung ist nach oben und zur Verstrebung 8 hin abgerundet. Seine Form ist die eines Viertels einer torischen Fläche, d.h. daß ein Schnitt einen Viertelkreis zeigt. Sein von der Verstrebung am weitesten entfernter Bereich ist horizontal und geht tangential in die horizontale leitende Fläche 40 der Elektrode 4 über. Ihr der Verstrebung 8 am nächsten liegender Bereich verläuft senkrecht und trifft unter einem rechten Winkel auf den horizontalen Boden 10 der Vertiefung entlang einem Kreis 14, der eine dreifache Übergangsflache zwischen dem Leiter, der Verstrebung und dem gasförmigen Dielektrikum bildet.

Die Fig. 2 und 3 zeigen erfindungsgemäße Vorrichtungen, die bei einem koaxialen Kabel Anwendung finden, dessen Achse mit 50 bezeichnet ist und das einen inneren ^Leiter 52 und einen äußeren Leiter 54 aufweist. Diese beiden Leiter werden durch eine Verstrebung 56 in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten. Die Verstrebung weist die Form einer dicken Lochscheibe auf, durch deren axialen Bereich der innere Leiter 52 verläuft.

Die äußere Wandung der Verstrebung 56, die mit der aus der Innenseite des Leiters 54 gebildeten äußeren leitenden Fläche 55 in Berührung steht, ist metallisiert und bildet eine einbindungsfreie zylindrische Fläche. Das elektrische Feld ist in einer koaxialen Struktur in der Nähe des Außenleiters relativ

klein. Dagegen ist die mit der aus der Oberfläche des Leiters 52 gebildeten leitenden Fläche 53 in Berührung stehende innere Wandung der Verstrebung 56 in diesen inneren Leiter eingebunden. Der Rand 58 der Einbindung weist die Form feines um die Achse 50 herumlaufenden Viertelkreistorus auf. Der Boden 60 der Einbindung bildet einen ersten Stützbereich. Er besitzt die Form eines koaxialen Drehzylinders, dessen Durchmesser kleiner als der des Leiters 52 außerhalb des Bereichs der Verstrebung ist.

Erfindungsgemäß weist die Verstrebung 56 in der Nähe des inneren Stützbereichs 6O ein Teil mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante auf, durch dessen Vorhandensein die Linien gleichen Potentials sich vom Leiter 52 entfernen, wodurch Überschläge auf dem gekrümmten Rand 58 oder an der Oberfläche der Verstrebung 56 in der Nähe dieses Randes vermieden werden.

In einer ersten Ausführungsform, die in Fig. 2 dargestellt ist, nimmt dieses-Teil hoher relativer Dielektrizitätskonstante, das mit 62 bezeichnet ist, die gesamte Dicke der Verstrebung 56 in der Nähe des Stützbereichs ein. Seine Höhe h, d.h. der Abstand seines achsfernsten Punktes 64 vom Stützbereich, liegt vorzugsweise zwischen dem Einfachen und Vierfachen der Tiefe ja der Einbindung. Die Scheitelfläche ist flach, d.h. daß sie die Form eines Drehzylinders mit der Achse 50 besitzt. An ihren beiden Rändern geht sie über zwei Viertelkreisringe 66 in die beiden Seitenflächen der Verstrebung 56 über, wobei die Viertelkreiskrümmung nach der Außenseite der Verstrebung 56 und zum Außenleiter 54 hin ausgerichtet ist.

Die Verbindung zwischen diesem Teil 62 und dem Rest der Verstrebung 56 wird durch Verkleben hergestellt.

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Bei der in der Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform weist die Grenzfläche zwischen dem Teil mit der hohen relativen Dielektrizitätskonstante 70 und dem Rest der Verstrebung 56 keine abgerundeten Ränder auf, d.h., daß sie über ihre ganze Breite hinweg zylinderförmig ist. Daraus ergibt sich eine große Vereinfachung bei der Herstellung der Verstrebung, jedoch auch ein größeres Risiko dafür, daß sich ein elektrisches Feld in der Nähe des Randes dieser Grenzfläche konzentriert. Eine derartige Anordnung ist daher weniger äurchschlagfest als die gemäfipig. 2.

In der dritten Ausfuhrungsform gemäß Fig. 4 nimmt das Teil hoher relativer Dielektrizitätskonstante 80, obwohl es die gleiche allgemeine Form beibehält wie das Teil 62 aus Fig. 2, nicht mehr die gesamte Dicke der Verstrebung 56 ein, d.h., daß dieses Teil hoher relativer Dielektrizitätskonstante nicht mehr die Seitenfläche der Verstrebung erreicht. Es berührt lediglich den Rest 56 der Verstrebung, d.h. den Bereich geringer relativer Dielektrizitätskonstante dieser Verstrebung und den zentralen Teil des Stützbereichs 6O. Die beiden Ränder dieses Stützbereichs stehen mit zwei Verlängerungen 82 und 84 des eine geringe relative Dielektrizitätskonstante aufweisenden Teils der Verstrebung in Verbindung. Das Teil hoher relativer Dielektrizitätskonstante 80 liegt zwischen diesen beiden Verlängerungen 82 und 84. Diese beiden Verlängerungen weisen parallel zur Achse 50 gemessen dieselbe Stärke auf. Die Grenzfläche zwischen dem Teil hoher relativer Dielektrizitätskonstante 80 und dem Rest der Verstrebung 56 umfaßt eine Scheitelfläche 86 und zwei Seitenflächen 88 und 90.

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Die Scheitelfläche 86 ist rotationssymmetrisch zur Achse 50 und bildet den von dieser Achse am weitesten entfernten Bereich dieser Grenzfläche.

Die beiden Seitenflächen 88 und 90 bilden gleichzeitig die inneren Seitenflächen der Verlängerung 82 bzw. 84. Diese Seitenflächen sind eben und weisen Kreisringform auf. Ihre Innenkreise berühren den Stützbereich 60. Ihre Außenkreise verbinden sich mit den beiden Rändern der Scheitelfläche 86 über zwei Viertelkreisringe 92 und 94, die nach der Außenseite der Verstrebung 56 und zum äußeren Leiter 54 hin gekrümmt sind.

Diese dritte Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Seitenfläche der Verstrebung 56 homogen ist und nicht durch die Grenzfläche zwischen dem Teil hoher relativer Dielektrizitätskonstante und dem Rest der Verstrebung unterbrochen wird. Da die Oberfläche der Verstrebung einen bevorzugten Weg für evtl. Lichtbogen bildet, kann sich daraus eine erhöhte Sicherheit gegenüber Durchschlägen ergeben. Zur Erhöhung dieser Sicherheit durch Verlängerung des Abstandes zwischen dem Innenleiter 52 und dem Außenleiter 54 und zur noch homogeneren Ausgestaltung des Feldes kann es vorteilhaft sein, dieser Oberfläche die dargestellte Form zu verleihen, d.h. die Dicke dieser Verstrebung parallel zur Achse 50 gemessen allmählich vom Innenleiter 52 zum Außenleiter 54 hin zu verringern.

Nachfolgend werden einige Zahlenbeispiele zu den beiden ersten Ausführungsformen der Erfindung und zur bekannten Anordnung gegeben. Die Vorrichtung umfaßt beispielsweise eine homogene Verstrebung, die bei einem Koaxialkabel Anwendung findet, dessen Außenleiter 54 einen Innendurchmesser von 120 mm und

dessen Innenleiter 52 einen Außendurchmesser von 20 mm aufweist. Die Einbindungstiefe jd beträgt 5 mm, d.h., daß der Durchmesser im Stützbereich 10 mm beträgt. Der Radius des Viertelkreisrings 58, der den Rand der Einbindung bildet, beträgt 5 mm.

£n der ersten Ausführungsform beträgt der Radius des Viertelkreisrings 66 am Rand der Scheitelfläche des Teils hoher relativer Dielektrizitätskonstante 62 10 mm. Der Raum um die Verstrebung 54 herum ist mit Schwefelhexafluorid SF6 unter einem Druck von 3 Bar gefüllt, dessen relative Dielektrizitätskonstante e, in etwa den Wert Eins hat. Mit e„ wir die relative Dielektrizitätskonstante des äußeren Teils der Verstrebung 56 und mit e~ diejenige ihres Bereichs hoher relativer Dielektrizitätskonstante bezeichnet. Die Dielektrizitätskonstante e, ist vorzugsweise fünfmal größer als die relative Dielektrizitätskonstante e„.

Das Teil 62 hoher relativer Dielektrizitätskonstante der Verstrebung 56 besteht beispielsweise aus mit Barium-Titanat gefülltem Polyäthylen, während der Rest dieser Verstrebung aus zusatzfreiem Polyäthylen besteht oder aus Polyäthylen mit einem Zusatz, der auf die relative Dielektrizitätskonstante keine wesentliche Wirkung ausübt, jedoch die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Bereiche der Verstrebung ausgleicht.

Der Wert des elektrischen Felds wird für den Fall angegeben, daß der Außenleiter 54 an der Masse liegt und der Innenleiter auf ein Potential von lOOO V gebracht ist. Die Feldstärkenwerte betreffen das Feld EI auf der inneren Oberfläche 53 des Leiters in einem Abstand von der Verstrebung 56, das Feld ER am konvexen Rand 58 der Einbindung an der Stelle, wo es am

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stärksten ist, das Feld ET auf der Seitenfläche der Verstrebung 56 in der Nähe der dreifachen Grenzfläche, d.h. genauer gesagt den Durchschnittswert des Feldes zwischen dem Punkt mit dem Potential 1000 V an der dreifachen Grenzfläche und dem Punkt mit dem Potential 950 V, und schließlich das Feld EM auf derselben Seitenfläche der Verstrebung an der Fläche, an der dieses Feld am stärksten ist.

Die Sicherheit vor Überschlagen ist um so größer, je geringer die drei letztgenannten Werte sind : genauer gesagt erhöht jede Verringerung des Werts EM die oben definierte örtliche Durchschlagsspannung zumindest für ungünstige Oberflächenzustände der Verstrebung 56.

Was den Wert ER anbetrifft, so genügt es, daß er kleiner als der Wert EI ist, um jegliches Risiko eines zu früh auftretenden Überschlags auf den Rändern der Einbindung zu vermeiden. Dies kann bei einem Koaxialkabel erreicht werden, jedoch nicht im Falle von ebenen parallel zueinander verlaufenden Leitern wie sie in Fig. 1 dargestellt werden. Die Feldwerte werden in V/mm angegeben. Schließlich muß noch die Höhe h des Teils hoher relativer Dielektrizitätskonstante der Verstrebung 56 berücksichtigt werden, d.h. der Abstand ihrer Scheitelfläche vom Stützbereich 60. Diese Höhe wird in mm angegeben.

	FRÜHERE ANORDNUNG	ERSTE AUSFÜHRUNGS FORM	ZWEITE AUS FÜHRUNGSFORM
^el	1	1	1
^e2	2	2	2
^e3	2	20	10

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~ 12

EI	56	56	56
ER	80	47	56
ET	23	14,4	15,5
EM	43	34	40
h	0	15	7,5

Die erste Ausführungsform der Erfindung scheint im gewählten Beispiel besser zu sein als die zweite, da mit ihr ein kleinerer Wert für EM erreicht werden kann. Was die bekannte Vorrichtung betrifft, so zeigt der hohe Wert für ER deutlich, daß, wenn die Spannung zwischen den Leitern erhöht wird, auf den Rändern der Einbindung ein Überschlag entsteht.

Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung liegt in der Verwendung bei Koaxialkabeln und insbesondere in der Verwendung mit dem Innenleiter, der das stärkste elektrische Feld aufweist. Da jedoch die Erfindung bewirkt, die elektrische Feldstärke an der kritischen dreifachen Grenzfläche zu verringern, kann die Erfindung auch bei parallelen ebenen Leitern nützlich sein, um das lokale elektrische Feld an den beiden Enden der Abstandhalter abzuschwächen.

Pate

ORIGINAL INSPECTED

i098ÖS/08S1

Claims

PATENTANSPRÜCHE

ί 1 -, Abstandhalter für zwei unter Spannung stehende elektrische Leiter mit einer zwischen einem ersten und einem zweiten Stützbereich, die Teile der beiden Leiter sind, angeordneten dielektrischen Verstrebung, wobei diese Stützbereiche sich gegenüberliegen,und mindestens der erste Stützbereich auf dem Boden einer Vertiefung in der Oberfläche des ersten Leiters liegt, so daß dieser Stützbereich von der Oberfläche des zwexten Leiters weiter entfernt ist als die Restoberfläche dieses Leiters, wobei die Ränder dieser Vertiefung allmählich die übrige Leiteroberfläche übergehen, wodurch die Verstrebung in diese leitende Oberfläche eingebunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstrebung in der Nähe des ersten Stützbereichs ein Teil aufweist, das aus einem dielektrischen Material höherer Dielektrizitätskonstante besteht, als sie die übrige Verstrebung aufweist.

2 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Scheitelfläche des Teils hoher relativer Dielektrizitätskonstante ausgehend vom ersten Stützbereich zwischen dem Einfachen und Vierfachen der Tiefe der Einbindung beträgt.

3 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil hoher relativer Dielektrizitätskonstante abgerundete Ränder aufweist.

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4 — Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil hoher relativer Dielektrizitätskonstante im Innern der Verstrebung liegt.

5 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Dielektrizitätskonstante des Teils hoher relativer Dielektrizitätskonstante mindestens fünfmal so hoch ist wie diejenige der übrigen Verstrebung.

χ χ