DE2827298A1

DE2827298A1 - Gasisolierte hochspannungseinrichtung

Info

Publication number: DE2827298A1
Application number: DE19782827298
Authority: DE
Inventors: Roy E Wootton
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-06-21
Filing date: 1978-06-21
Publication date: 1979-01-04
Also published as: IT7824681A0; JPS548900A; CA1107360A; FR2395575A1; IT1096551B; GB1570163A; US4190733A

Description

Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Hochspannungseinrichtung mit einem auf niederem Potential liegenden sowie leitenden Außenmantel und einem auf hohem Potential liegenden Innenleiter, der gegen den Außenmantel mit isolierten Abstandshaltern abgestützt ist, und mit einem im freien Raum zwischen Außenmantel und Innenleiter vorgesehenen isolierenden Gas, in welchem sich leitende bzw. halbleitende Teilchen als Verunreinigungen befinden.

Bei einer derartigen gasisolierten Hochspannungseinrichtung läßt sich durch die Verwendung des isolierenden Gases der Abstand zwischen dem Außenmantel und dem Innenleiter verringern, da das isolierende Gas bessere dielektrische Eigenschaften hat und damit die Durchbruchsfestigkeit erhöht. Es ist bekannt, als isolierendes Gas Schwefelhexafluorid zu verwenden, da dieses viele gute Eigenschaften wie z.B. chemische Stabilität, geringe Kosten, hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit, thermische Leitfähigkeit und viele andere Eigenschaften hat und auch nicht giftig ist.

Fs/mü

Die

809881/1033

FLEUCHAUS & WEHSER

^Seite: ^ Unser Zeichen: WS130P-1779

Die Schwierigkeiten, die sich bei gasisolierten Hochspannungseinrichtungen ergeben, rühren von der Mobilität leitfähiger und halbleitender Teilchen her. Diese Teilchen können das Dielektrikum durchwandern und eine Funkenentladung bzw. Coronaentladung auslösen oder auch zu kurzzeitigen Spannungsdurchbrüchen bzw. einem totalen Spannungsdurchbruch führen. Dies ergibt sich aufgrund der Verringerung der Durchbruchsfestigkeit des Schwefelhexafluorid-Gases durch die Verunreinigung, was häufig dazu führt, daß die Abmessungen solcher gasisolierter Hochspannungseinrichtungen vergrößert werden müssen, um die nötige Durchbruchsfestigkeit zu erhalten. Es ist auch möglich, innerhalb der gasisolierten Ho chspannungs einrichtungen Maßnahmen zu treffen, um die Aktivität der leitenden Teilchen zu verringern bzw. diese unschädlich zu machen.

Der Erfindung liegt jedoch die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, um anstelle eines reinen isolierenden Gases ein Gasgemisch zu verwenden, bei welchem die Durchbruchsfestigkeit gegenüber dem reinen isolierenden Gas verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das isolierende Gas einen Druck von größenordnungsmäßig etwa 3, 9 bis etwa 14, 5 bar (4, O bis 14, 5 atm. abs.) hat und aus einem Gemisch aus Schwefelhexafluorid mit einem Partialdruck von etwa 2, 8 bis etwa 3,4 bar (2,9 bis 3,4 atm. abs), bei etwa 18 bis 65 Volumenprozentanteilen sowie Helium besteht, das einen Partialdruck von etwa O, 9 bis etwa 11,5 bar (1, 0 bis 11,5 atm. abs.) bei einem Anteil von etwa 33 bis etwa 80 Volumenprozent hat.

Weitere vorteilhafte Zusammensetzungen des isolierenden Gasgemisches sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Durch

809881/1033

FLEUCH AUS & WEHSER U„se_rZe,_Che_n:^WS130P-¹⁷⁷⁹

Durch die Maßnahmen der Erfindung wird erreicht,, daß bei einem durch leitende bzw. halbleitende Partikelchen verunreigten isolierenden Gas durch die Verwendung eines Gasgemisches die Durchbruchsfestigkeit gegenüber dem reinen Schwefelhexafluorid-Gas bei der gleichen Verunreinigung wesentlich verbessert wird.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich a uch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine gasisolierte Übertragungsleitung;

Fig. 2 und 3 Diagramme für die Durchbruchs spannung eines Gemisches aus Helium und Schwefelhexafluorid in einem etwa 76 mm weiten Spalt zwischen planen Begrenzungsflächen beim Vorhandensein einer Verunreinigung der Gasatmosphäre durch Aluminiumteilchen;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Durchbruchsspannung in

Abhängigkeit vom Gasdruck eines Gemisches aus Helium und Schwefelhexafluorid in einem etwa 76 mm-Spalt bei der Anwesenheit von Verunreinigungen aus Aluminiumteilchen, wobei der Partialdruck des Schwefelhexafluorids konstant ist;

Fig. 5 und 6 graphische Darstellungen der Durchbruchs spannungen eines Gemisches aus Helium und Schwefelhexafluorid in einem etwa 76 mm-Spalt bei der Anwesenheit von Verunreinigungen aus Kupferteilchen;

Fig, 7

•09881/1033 ^or'G'Nal inspected

FLEUCHAUS & WEHSER

Seite: fl" Unser Zeichen: WS130P-1779

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Durchbruchs pannungvom Druck des Gasgemisches aus Helium und Schwefelhexafluorid bei konstantem Partialdruck des Schwefelhexafluorids in einem etwa 76 mm-Spalt beim Vorhandensein einer Verunreinigung aus Kupferteilchen.

In Fig. 1 ist ein Abschnitt einer gasisolierten Übertragungsleitung 10 im Schnitt dargestellt. Obwohl die Erfindung anhand dieser gasisolierten Übertragungsleitung beschrieben wird, ist sie auf weitere gasisolierte Hochspannungseinrichtungen wie z.B. Leistungsschalter, Trennschalter und dergl. immer dann anwendbar, wenn ein isolierendes Gas zwischen elektrischen Leitern verwendet wird, beidenen zwischen dem äußeren Leiter mit niederem Potential und einem Innenleiter eine hohe Potentialdifferenz anliegt. Die Übertragungsleitung 10 besteht aus einem zylindrischen, langgestreckten Außenmantel 12 und einem rohrförmigen Innenleiter 14, der in einem räumlichen Abstand vom Außenmantel verläuft. Sowohl der Außenmantel als auch der Innenleiter können typischerweise aus Aluminium bestehen. Der Außenleiter 12 liegt in der Regel auf einem niederen Potential, vorzugsweise Massepotential, wogegen der Innenleiter die hohe elektrische Spannung führt, wobei Spannungen in der Größenordnung von 138 kV bis 1200 kV Verwendung finden können. Der Innenleiter 14 wird innerhalb des Außenmantels 12 mit Hilfe von isolierenden Abstandshaltern 18 festgehalten. Der Zwischenraum ist mit dem isolierenden Gas ausgefüllt.

Das isolierende Gas 16, das bei bekannten Einrichtungen dieser Art Verwendung fand, bestand im wesentlichen aus reinem. Schwefelhexafluorid,

mit einem Gasdruck von etwa 3, 5 kg/cm (50 lbs. /sq. in.). Das Schwefelhexafluorid-Gas würde theoretisch eine sehr hohe Durchbruchspannung haben, jedoch wird dieser theoretische Wert in der Praxis nicht erreicht, und zwar aufgrund einer innerhalb des Außenmantels 12 befindlichen

809881/1033

FLEUCHAUS & WEHSER

Patentanwälte

Seite: sT ^r Unser Zeichen: WSl 3OP-177 9

liehen Verunreinigung aus mobilen elektrisch leitenden bzw. elektrisch halbleitenden Teilchen. Diese Teilchen gelangen in das Innere des Außenmantels 12, z.B. wäb rend der Installation bzw. während der Herstellung der Übertragungsleitung 10 und können sogar durch die Verschiebung des Innenleiters 14 infolge thermischer Ausdehnung im Innern hervorgerufen werden. Andere Möglichkeiten der Erzeugung dieser unerwünschten Teilchen ergeben sich z.B. bei Leistungsschaltern und Trennschaltern durch die Bewegung der Kontaktelektroden gegen- oder voneinander und insbesondere beim Kontaktschluß bzw. beim Aufbrechen des Kontaktes , wenn die Kontaktelektroden aneinanderreiben und sich dabei Materialteilchen ablösen. Durch diese Teilchen wird die isolierende Eigenschaft des Schwefelhexafluoridgases gegenüber dem theroetisch möglichen Wert stark verschlechtert.

Es wurde festgestellt, daß ein Gasgemisch aus Schwefelhexafluorid und Helium eine gewisse Unempfindlichkeit gegen die Einflüsse der leitenden Partikelchen hat. Anhand von Versuchen mit Gasgemischen aus Schwefelhexafluorid und Helium unterschiedlicher Konzentrationen und unterschiedlicher Gasdrücke wurde das Verhalten eines solchen Gasgemisches ermittelt und in den Diagrammen gemäß den Fig. 2 bis 7 festgehalten. Diese Versuche wurden unter Verwendung von etwa 6, 3 mm langem sowie etwa 0, 4 mm dickem Kupferdraht bzw. Aluminiumdraht in einem etwa 76 mm planparallelen Spalt durchgeführt. Die Durchbruchsfestigkeit für verschiedene Konzentrationen und verschiedene Drücke des Gasgemisches aus Helium und Schwefelhexafluorid ist in den Fig. 2 bis 7 aufgezeichnet, wobei man feststellen kann, daß es Partielldrücke des Schwefelhexafluorid im Gasgemisch derart gibt, daß das Hinzufügen von weiterem Helium die Durchbruchsfestigkeit des Gasgemisches bei 60 Hz verbessert. Bei einem beliebig fixierten Gesamtdruck desGemisches erhält man die höchste Durchbruchsfestigkeit bei einem

Partialdruck

S08881/1033

FLEUCHAUS & WEHSER

Patentanwälte

282T298

Unser Zeichen: WS130P-1779

Partialdruck für das Schwefelhexafluorid in der Größenordnung von etwa 2, 9 bar bis etwa 3,4 bar (2, 9 bis 3,4 atm. abs,). Bei diesem Partialdruck für das Schwefelhexafluorid-Gas ergibt sich mit dem Beifügen von Helium eine Erhöhung der Durchbruchfestigkeit des Gasgemisches. Diese Erscheinung steht im Gegensatz zu der bisherigen Auffassung, wonach in einem gleichförmigen oder nahezu gleichförmigen Feld beim Fehlen von leitenden Teilchen als Verunreinigung das Ersetzen einer Volumenmenge von Schwefelhexafluorid durch Helium zu einer Verschlechterung der Durchbruchfestigkeit führen soll.

In der nachfolgenden Tabelle werden die aus den Fig. 2 bis 7 hervorgehenden Ergebnisse zahlenmäßig zusammengefaßt, die den Verlauf der Durehbruchspannung für verschiedene Konzentrationen und Partialdrücke des Schwefelhexafluorid-Gases für unterschiedliche Drücke des Gasgemisches zeigen.

Tabelle

Druck im Gasgemisch (bar)	14,0 _i	10,7	7,5 .	4,2	2,8	0
Prozentanteil von SF für höchste Durehbruchspannung	20,0	30,0	40,0 :	65,0	100,	.0
(psi) p— T-Hη 1 Ητ-noir Ana* ^TP -	^: 43,0	50, 0 3,3	46,0 ^; 3,0	44,0 3,9	42 ο	8
^b (bar)	j 2,8	275,0	260,0.	250,0	245	0
Durehbruchspannung bei 60 Hz (KV_eff)	t 280,0 ι I

Aus der Tpbelle kann man entnehmen, daß bei einem Partialdruck für das Schwefelhexafluorid-Gas in einem Bereich zwischen etwa 2, 8 bis etwa 3, 3 bar (2, 9 bis 3, 4 atm. abs. ) die höchste Durehbruchspannung im isolierenden Gas bei einem Druck im Gasgemisch von etwa

2, 8 bis

809881/1033

FLEUCHAUS & WEHSER

Seite: if Unser Zeichen: W Sl 30P-1779

2,8 bis etwa 14. O (2,9 bis 14,3 atm. abs.) erhalten wird. Der Prozentanteil vom Schwefelhexafluorid für die höchste Durchbruchspannung variiert zwischen etwa 20 bis etwa 100 %, wobei der Restanteil im Gasgemisch Helium ist. Damit liegt der Partialdruck des Helium innerhalb eines Bereiches von etwa 1,2 bis etwa 11,1 bar (1, 3 bis 11,4 atm. abs.), wobei das Helium, volumenmäßig etwa 35 bis etwa 80 % des Gasgemisches beträgt. Man kann daraus entnehmen, daß mit dem Ansteigen des Druckes im Gasgemisch ein geringerer Prozentsatz an Schwefelhexafluorid benötigt wird, wobei trotzdem eine hohe Durchbruchspannung erzielbar ist. Die hohen Durchbruchspannungen treten nur beim Vorhandensein von leitenden bzw. halbleitenden, das Gas verunreinigenden Teilchen auf, wogegen beim Fehlen solcher Verunreinigungen reines Schwefelhexafluorid als isolierendes Gas die beste und höchste Durchbruchspannung haben würde.

Aus dem Vorstehenden kann man entnehmen, daß ein isolierendes Gas in Form eines Gasgemisches gemäß der Erfindung den Einfluß von leitenden oder halbleitenden Teilchen im Gas verringert, so daß das isolierende Gasgemisch eine höhere Stabilität und Festigkeit bezüglich eines Spannungsdurchbruches zeigt.

Patentansprüche ORiGSNAL INSPECTED

809381/1033

eerseite

Claims

P atentansprüche

1J Gasisolierte Hochspannungseinrichtung mit einem auf niederem Potential liegenden sowie leitenden Außenmantel und einem auf hohem Potential liegenden Innenleiter, der gegen den Außenmantel mit isolierten Abstandshaltern abgestützt ist, und mit einem im freien Raum zwischen Außenmantel und Innenleiter vorgesehenen isolierenden Gas, in welchem sich leitende bzw. halbleitende Teilchen als Verunreinigungen befinden, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Gas einen Druck von größenordnungsmäßig etwa 3, 9 bis etwa 14, 5 bar (4, 0 bis 14, 5 atm. abs. ) hat und aus einemGemisch aus Schwefelhexafluorid mit einem Partialdruck von etwa 2, 8 bis etwa 3, 4 bar (2, 9 bis 3, 4 atm. abs) bei etwa 18 bis 65 Volumenprozentanteilen sowie Helium besteht, das einen Partialdruck von etwa 0, 9 bis etwa U, 5 bar (1,0 bis 11,5 atm. abs.) bei einem Anteil von etwa 33- etwa 80 Volumenprozent hat.
2. Gasisolierte Hochspannungseinrichtungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Gasgemisch einen Druck von etwa 14, 0 bar (14, 3 atm. abs.) bei einem Partialdruck für das Schwefelhexafluorid-Gas von etwa 2,8 bar (2,9 atm. abs.) hat, wobei das Schwefelhexafluorid-Gas einen Anteil von etwa 20 Volumenprozent einnimmt.

ORIGINAL INSPECTED

809881/1033

Patentanwälte

Seite: 2 Unser Zeichen.· WS130P-1779
3. Gasisolierte Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Gasgemisch einen Druck von etwa 1O₃ 7 bar (11, 0 atm. abs.) bei einem Partialdruck des Schwefelhexafluorid-Gases von etwa 3, 3 bar (3, 4 atm. abs. ) hat, wobei der Anteil des Schwefelhexafluorid-Gases etwa 30 Volumenprozent beträgt.
4. Gasisolierte Hochspannungs einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Gasgemisch einen Druck von etwa 7, 5 bar (7, 7 atm. abs. ) bei einem Partialdruck für das Schwefelhexafluorid-Gas von etwa 3,0 bar (3, 1 atm. abs.) hat, wobei das Schwefelhexafluorid-Gas einen Anteil von etwa 40 Volumenprozent einnimmt.
5. Gasisolierte Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Gasgemisch einen Druck von etwa 4, 2 bar (4, 3 atm. abs.) bei einem Partialdruck für das Schwefelhexafluorid-Gas von etwa 2,9 bar (3,0 atm. abs.) hat, wobei das Schwefelhexafluorid-Gas einen Anteil von etwa 65 Volumenprozent einnimmt.
6. Gasisolierte Hochspannungseinrichtung nach einem der Ansprüche bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungs einrichtung eine Übertragungsleitung ist.
7. Gasisolierte Hochspannungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungs einrichtung ein gasisoliertes elektrisches Hochspannungs· system ist.

809881/1033