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Hochspannungsdurchführung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungsdurchführung durch
eine Wand oder dergleichen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet besonders
Anwendung bei der Einführung einer Hochspannungsleitung von Freilurt durch eine
Wand in einen Innenraum und/oder das Gehäuse einer Schaltanlage.
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Die Erfindung geht von einer elektrischen Durchführung gemäß DE-AS
25 49 018 aus, welche mit einem Mtttelflansch zum Festspannen an der Wand sowie
mit zwei auf Je einer Seite desselben angeordneten metallischen Endflanschen versehen,
wobei dazwischen je ein hohler Isolierkörper festgeklemmt ist. Die beiden Endflansche
sind mittels zweter sich längs einer Strecke gegenseitig überlappender, auf Zug
beanspruchter länglicher Metallkörper miteinander verbunden, derenjeder mit einem
Ende an je einem der Endflansche befestigt ist, wobei längs des überlappenden Bereiches
der beiden längl-ichen Metallkörper ein Druck übertragenes Glied in kraftübertragender
Merblndung zwischen deren freien Enden angeordnet ist.
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Dieses kann ein dritter Metallkörper mit größerer Wärmedehnung oder
ein in einer Druckkammer befindliches Druckmittel sein, zu dessen Aufnahme die beiden
Metallkörper als zweiteilige Druckkammer mitte einem Hohlzylinder- und einem Kolbenteil
ausgebildet sind, deren Zwischenraum mit dem Druckmittel aus Gummi
oder
dergleichen ausgefüllt ist. Der Durchführungsleiter kann auch als die mehrteilige
Spannvorrichtung umschließendes Rohr mit einem Dehnungs-Kompensationsabschnttt ausgebildet
sein.
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Alle Ausführungsvarianten dieser bekannten Durchführung sollen ohne
besondere Federglieder,wie etwa die aus DE-AS 1 208 783 bekannten, in die Endarmaturen
der beiden Isolatoren eingebauten, kostenaufwendigen Tellerfedern ein Lösen der
die Isolatoren gegen den Mittelflansoh drückenden Spannvorrichtung als Folge unterschiedlicher
Wärmedehnung verhindern.
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Es sind also für die Kompensation der-unterschiedltchen Wärmeausdehnungen
bei solchen Durchführungen zusätzliche Federelemente wie Tellerfedern in. den Endarmaturen
oder - an deren statt -eine in den Durchführungsleiter eingebaute mehrteilige Spannvorrichtung
vorgesehen, andernfalls - wie etwa bei der Durchführungsanordnung gemäß SW-PS 90
977 mit starrer Verbindung der Endflansche mittels eines auf Zug vorgespannten Durchführungsleiters
- mit zunehmender Erwärmung im Betrieb der Durchführung die Gefahr einer Lockerung
threr-Tetle als Folge einer erhöhten Wärmedehnung des Leiters besteht, womit die
Betriebssicherheit einer solchen Durchführung erheblich gefährdet ist. Demgegenüber
geht die Erfindung einen neuen Weg zur Lösung dieses Problemes, wobei unter Vermeidung
aufwendiger -Leiter-. oder Endarmaturkonstruktionen der feste Zusammenschluß der
Teile der Wanddurchführung unter allen auftretenden Temperaturvernältnissen mit
Sicherheit gewährleistet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wanddurchführung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die unte~rschiedlichen Wärmedehnungen des
Leiters und der Gehäusete-ile bei Umgebungs- bzw. Betriebstemperatur ohne besondere
Ausbildung des Leiters oder den Einbau von Dehnungs- Kompensationselementen thermoelastisch
auszugleichen. Diese Aufgabe wird durch die im vorstehenden Anspruch 1 gekennzeichnete
Erfindung gelöst.
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Weiterbildungen und verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung sind
mit den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben, von welchen sich der Anspruch 2 auf die
Ausbildung eines Gehäuseteiles als Isolierkörper aus einem Isolierstoff mit hohem
Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Abstimmung der Baulänge desselben mit jener
der übrigen Durchführungsgehäuseteile bzw. des Durchführungsleiters bezieht, und
der Anspruch 3 nähere Einzelheiten bezüglich der zur Ausbildung dieses Isolierkörpers
geeigneten Werkstoffe und der Bemessung seiner effektiven Baulänge angibt. Der Anspruch
4 betrifft die genaue Ermittlung und Abstimmung der Baulänge der übrigen Durchführungsteile
sowie die hierbel zu berUckstchttgenden Temperaturbereiche, während die Ansprüche
5 bis 7 spezielle Maßnahmen für die Feinabstimmung der Aufteilung der gesamten Baulänge
einer solchen Durchführung betreffen, unter Berücksichtigung ihres thermoelastischen
Verhaltens, bei Verwendung von in Standardlängen vorgefertigten Bauteilen.
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Die Vorteile der Erfindung liegen bei voller Gewährleistung der Betriebssicherheit
vor allem in einer nennenswerten Verminderung der Herstellungskosten einer solchen
Wanddurchführung, welche sich aus an sich üblichen Teilen, wie einem einzigen länglichen,
massiven oder rohrförmigen DuchfUhrungsleiter aus Kupfer oder Aluminium, einem Porzellanisolator,
einem zweiten Isolierkörper, z.B. Isolterrohr, aus einem Isolierstöff mit großem
Wärmeausdehnungskoeffizienten und einem Mittelflansch bzw. Flanschträger aus Stahi
oder Aluminium kostengünstig herstellen bzw. zusammensetzen läßt.
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Somit liegt das Wesentliche der Erfindung an der wärmedehungsabhängigen
Werkstoffauswahl und Bemessung des zweiten Isollerkörpers sowie der entsprechenden
Aufteilung der effektiven Baulänge jedes der Gehäuseteile bei deren Zusammenbau.
Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die Bauteile des Gehäuses der Durchführung
aus Werkstoffen bestehen, von welchen die
Summe- der Wärmedehnungen,
nämlich der Produkte aus ihren linearen Wärmeausdehnungskoeffi.zienten, der Baulänge
und der Temperaturdifferenz zwischen Umgebungs und maximaler Betriebstemperatur
- über den gesamten Temperaturbereich - der Wärmedehnung des Durchführungsleiters
entspricht.
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Bei Verwendung eines z.B. aus Porzellan bestehenden üblichen Isolators
besteht also der diesem gegenüberliegend an den Mittelflanschträger angeschlossene
Isolierkörper, der vorzugsweise auch feldsteuernde Kondensatoreinlagen enthält,
aus einem Isolierstoff mit hohem Wärmeausdehnungskoefftzienten. - Wesentlioh ist
hierbei, daß die Baulängenabmessungen des Isolators und des Mittelflanschträgers
mit der effektiven Länge des Isolierkörpers und der Spannlänge des Durchführungsleiters,
unter Berücksichtigung ihrer unterschiedlichen Wärmeehnung, zum thermoelastischen
Ausgleich ihrer Ausdehnungsdifferenzen aufeinander abgestimmt sind, und daß in dem
gesamten Bereich zwischen Raum-bzw. Umgebungstemperatur und dem zulässigen Maximalwert
der Betriebstemperatur die effektive Gesamtlänge des Durchführungsgehäuses stets
jener des festgespannten Abschnittes des Durchführungsleiters gleich bleibt.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 in Ansicht eine Wanddurchführung nach
der Erfindung, Fig. 2 in vergrößerter Darstellung im Längsschnitt ein Mittelstück
dieser Wanddurchführung und Fig. 3 ebenfalls vergrößert und im Langsschnitt ein
Endstück derselben.
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In allen Zeichnungsfiguren ist mit 1 ein Durchführungsleiter, üblicherweise
aus Kupfer oder Aluminium, mit 2 ein Isolator aus Glas, Porzellan oder einem sonstigen,
insbesondere keramischen Isolierstoff oder auch aus einem Kunststoff mit relativ
geringer
Wärmedehnung., und mit 3 ein Isolierkörper aus Hartpapier, Gießharz oder einem Wickel
aus harzgetränktem Krepppapier oder dergleichen bezeichnet. Als Tränkharze kommen
hierfür z.B. ein Phenolharz, Epoxidharz oder dergleichen in Betracht.
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Dieser Isolierkörper kann ferner - zur Erhöhung seiner elektrischen
Festigkeit darin eingebettete Kondensatoreinlagen 13, z.B. aus Metallfolie, enthaiten,
welche etnander in vorgegebenen, von innen nach außen abnehmend abgestuften Längen
konzentrisch überlagern, um in diesem Bereich das elektrische Feld wirksam zu steuern.
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Wie insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind der Isolator 2 und
der Isolierkörper 3, gegebenenfalls unter Zwischenlage von Dichtungen 18, beldsettig
an einen Mittelflanschträger 4 aus Metall angeschlossen bzw. in diesen eingeführt,
welcher mit einem vorzugsweise daran lösbar befestigten Flansch 7 für die Montage
der Durchführung an einer Wand bzw. dem Gehäuse einer Schaltanlage ausgestattet
ist. Bei Fretlurt-Innenraumdurchführungen ist zumindest der rreiluftseittge~Isolator
2 mit umfänglichen Rippen 14 ausgebildet, welche als Schirme und/oder auch zur Verlängerung
des Kriechweges dienen können, zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit des aus
dem Isolator 2, dem-Mittelflanschträger 4 und dem Isolierkörper 3 aus einem Werkstofr
hoher Wärmedehnung be.stehenden Gehäuses 5. An ihren freien Enden, über welche jeweils
ein Anschlußstück des Durchführungsbolzens 1 vorragt, sind der Isolator 2 und der
Isolierkörper 3 mit je einer Kopfarmatur 6 bzw. Endarmatur 8 bestückt, welche zum
Festlegen des unter Zugspannung dazwischen festgelegten Abschnittes des das Durchführungsgehäuse
5 in der Längsrichtung axial durchsetzenden Durchführungsleiters 1 eingerichtet
sind und dessen Festlegebereiche bilden.
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Vorzugsweise besteht der Isolierkörper 3 mit der großen Wärmedehnung
aus einem Kunststoff, z.B. Gießharz oder einem Kunststofr-Papier-Schichtstofr, wie
Hartpapter oder einem gehärteten Wickel aus harzgetränktem Kreppapier, der in einem
Temperaturbereich
zwischen -3O0-C und 700 C einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 50 bis 50 aufweist. Dieser beträgt in dem genannten Temperaturbereich z.B. für
Hartpapier 45 x 10 Ó, hingegen für glasiertes Porzellan oder Glas nur etwa 4 x 10-6,
jedoch für Kupfer 17 x 10-6 und für Aluminium 23 x 10-6 Hierzu kommt als weitere
Überlegung die Beachtung des Verhältnisses der gegenseitigen Längen- Wärmedehnung
dieser Teile zur Wärmedehnung des Durchführungsleiters 1, der abgesehen von seinen
aus den Armaturen vorragenden Anschlußabschnitten - eine festgespannte Schlaglänge
aufweist, die der Summe derIsolator- bzw. Isolterkörperlängen, vermehrt um die Länge
des mit einem Durchlaß ausgebildeten Flanschträgers 4 entspricht. Das heißt, der
relativ geringe Ausdehnungskoeffizient von Porzellan oder dergleichen, die dem Durchführungsleiter
1, z.B. einem Leiterbolzen, ähnliche lineare Ausdehnung des Flanschträgers 4 und
die relativ große Ausdehnung des Isolierkörpers 3, z.B. aus Gießharz oder Hartpapier,
müssen in der Summe bei allen hier in Betracht zu ziehenden Temperaturen der linearen
Wcirmeausdehnung des Durchführungsleiters 1 entsprechen.
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Die effektive Länge des Isolierkörpers 3 ergibt sich aber aus der
Differenz zwischen der Länge des festgespannten Leiterabschnittes samt dem Produkt
von dessen Wärmeausdehnungskoeffi zienten mit der maximalen Leitertemperatur einerseits
und der Summe der Längen des Isolators 2 und des Mittelrlanschträgers 4 andererseits,
wobei jede dieser Gehauseteil-Langer, also auch Jene des Isolierkörpers 3 um den
Wert des-Produktes aus dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des betreffenden- Werkstoffes
und dem vorgesehenen Temperaturbereich vergrößert ist-. Dies muß für die Bestimmung
der effektiven Baulänge bei Raumtemperatur erücksichtigt werden, wie dies anhand
des nachstehenden Be rechnungsbeispieles gezeigt ist.
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Hierbei ist die Baulänge des Isolators 2 in Abhängigkeit von der vorgegebenen
Betriebsspannung und dem jeweils notwendigen Kriechweg gewählt, während die Abmessungen
des DurchfUhrungsleiters 1 entsprechend der Betriebsspannung'und -Stromstärke für
eine maximale Betriebstemperatur von 120 cc ausgelegt sind, unter Berücksichtigung
der Wärmedehnung seines festgespannten Abschnittes in einem Temperaturbereich von
150 OC, gegenüber einem Wärmedehnungstemperatrberclch der Gehåusebauteile 2, 5,
4 von 100 OC. Dies beruht auf der Erkenntnis, daß bei Außerbetriebnahme der Durchführung
Außentemperaturen bis zu -50 OC auftreten können, wogegen der Durchführungsleiter
1 im Betrieb eine maximale Temperatur von 120 0C erreichen kann, während das Gehäuse
5 zufolge der kühlenden Einwirkung der Umgebungsluft in der Regel eine Temperatur
von 70°C nicht überschreitet.
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Bei dem Berechnungsbeispiel handelt es sich um eine Freiluft-Innenraum-Wanddurchführung
für 123 kV bei 1000 A3 mit einer der festgespannten Leiterlänge entsprechenden Gesamtlänge
des Ge häuses von 2500 mm im kalten Zustand.
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Hierbei beträgt: die Baulänge (kalt) des Kupfer-Durchführungsleiters
(ohne Anschlußendstücke) 2500 mm, die unter Berücksichtigung der hohen Spannungs
und sonstiger Erfahrungswerte ermittelte Länge des Isolators aus Porzellan 1132
mm3 die konstruktiv bestimmte axiale Länge des Flanschträgers 4 aus Aluminium 200
mm und die bn der nachstehend gezeigten Weise erittelte'Länp:e des Isolierkörsers
aus einem Winkel
aus
Kreppapier mit Kondensatoreinlagen 1168 mm
Als Produkt aus Baulänge
x Wärmeausdehnungskoeffizient x Temperaturbereich beträgt hierbei die maximale Dehnung:
L1 des Kupferleiters 2500 x 16,5 x 10-6 x 150 tC = 6,18 mm, L2 des 1132 x 4 x 10-6
x 100 °C - 0,453 mm, L3 des Aluminium-Flanschträgers 200 x 23,8x 10-6 x 100 °C =
0,476 mm und - da L1 = L2 + L3 + L4 - die erforderliche Dehnung des Isolierkörpers
L1 - L2 L L3 = 6,18 - 0,453 - 0,476 =-5,256 mm, entsprechend X x 45 x 1016 x 100,
wobei mit X die effektive Baulänge dieses Isolierkörpers bezeichnet ist. Daraus
ergibt sich nach der Formel 5,256 x -------- = 1168 mm, 45 x 10 x 100 also eine
effektive Baulänge ?< dieses Isolierkörpers von 1168 mm.
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Diesem rechnerisch ermittelten Wert wurden die Ausdehnungskoeffizienten
von 16,5 x j06 für Kupfer, 4 x 10 für Porzellan, 2),8 x 10-6 für Aluminium und 45
x 10'6 für den harzgetränkten Wickel zugrunde gelegt.
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Die so bestimmten Bemessungswerte der Baulängen lassen sich in Bezug
auf Meßtolleranzen und sonstige Fehlerquellen in der nachstehend hinsichtlich der
effektiven Länge des Isolierkörpers 3 beschriebenen Weise korrigieren. Praktische
Versuche haben ergeben, daß sich bei so ermittelten ängenverhältnissen die Temperatur-Dehnungsdifferenzen
der verschiedenen Bauteile bei -allen hier in Betracht-zu-ziehenden Temperaturen
im wesentlichen ausgleichen.
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Wie sich am Besten in Fig. 3 der Zeichnung erkennen läßt st bei vorgegebener
Gesamtbaulänge der Durchführung der Isolierkörper 5 länger als der Abstand zwischen.seiner
Endarmatur 8 und dem Mittelflanschträger 4 bemessen. Hierbei ist die Armatur 8,
welche das Ende des auf Zugspannung beanspruchten Abschnittes des Durchführungsleiters
1 festlegt, zur Abstimmung des Wärmedehnungsgleichgewichtes in das Innere dieses
Isolierkörpers 5 eingesetzt. Dieser ist hierzu in dem Bereich seines freien Endes
mit einer zylindrischen Ausnehmung 9 entsprechender Tiefe ausgebildet. Somit lassen
sich in Standardlängen vorgefertigte Isolierkörper 5 verwenden, die für jeden Anwendungsfall
an dem betreffenden Ende mit einer Ausnehmung 9 der berechneten oder ermittelten
Tiefe versehen werden können.
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Zur Bestimmung der Festlegebereiche ist der Durchführungsleiter 1
an den Enden seines festgespannten Abschnittes mit einem Gewindeabsatz 16 ausgebildet,
auf welchen eine Ringmutter 15 bis zur festen Anlage am Grund der Ausnehmung 9 aufschraubbar
ist.
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Es können jedoch an dieser Stelle entsprechend bemessene Distanzringscheiben
17 in die Ausnehmung 9 eingelegt werden, ehe die Ringmutter 15 aufgeschraubt wird,
um so eine feine Abstimmung der effektiven Länge des Isolierkörpers 3 zu bewirken
und zugleich eine gleichmäßige Druckfläche im Inneren der Ausnehmung 9 zu schaffen.
Zur Herbeiführung der gewünschten Zugspannung kann die Mutter 9 gegebenenfalls mit
Drehmomentschlüssel bis zum Erreichen des gewünschten mechanischen Spannungswertes
festgezogen werden.
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Ahnlich wie die Endarmatur 8 kann auch die Kopfarmatur 6 des Isolators
2 mit wenigstens einer Ringscheibe 17 und einer diese fest gegen den Kopf des Isolators
1 drückenden Ringmutter 15 ausgestattet setnS über welche ein Anschlußabschnitt
des Durchführungsleiters 1 vorragt. Es versteht sich, daß Distanzringscheiben 17
unterschiedlicher Stärke oder auch eine Anzahl derselben
in der
Ausnehmung 9 am Isolierkörperende angeordnet werden können, um geringfügige finderungen
der effektiven Baulänge des Gehäuses und somit der Wärmedehnungsdifferenz zwischen
diesem und dem Durchführungsleiter 1 zu bewirken.
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Für die zusätzliche Abstimmungsmöglichkeit von Ausdehnungsdifferenzen
kann ferner der Isolierkörper 5 in etnem von seiner zylindrischen Ausnehmung 9 um
das Maß seiner für die Abstimmung des Wärmedehnungsgleichgewichts ermittelten -effektiven
Länge entfernten Bereich seiner Oberfläche mit einem umfängllchen Absatz 10.versehen
sein, wie dies in Fig. 2 der Zeichnung'gezeigt ist. Mit diesem ist er gegen eine
Ringschulter 11 im Inneren des Durchlasses des Mittelflanschträgers 4 abgestützt,
wobei er mit seinem abgesetzten Abschnitt 12 geringeren Durchmessers in den Isolator
2 ragt. Somit läßt sich zur Feinabstimmung der Längenauftetlung der Bauteile des
Gehäuses 5 der Durchführung bzw. zur Korrektur ihres Wärmedehnungsgleichgewichtes
tn Bezug auf Maß-, Temperatur- oder Ausdehnungszahltolleranzen die effektive Baulänge
des Isolierkörpers auf verschiedene Weise dadurch beeinflussen, daß die effektive
Länge des Isolierkörpers 3 veränderbar ist. Dies kann z.B. mittels in-die Ausnehmung
9 eingesetzter bzw. auf den Absatz 10 aufgesetzter Ringscheiben 17 oder durch Vertiefung
der Ausnehmung 9 bzw. Verlängerung des abgesetzten Abschnittes 12 dieses Isolierkörpers
5 unschwer auch bei der Montage dieser Durchführung erfolgen.
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