DE3017253C2

DE3017253C2 - Hochspannungsdurchführung

Info

Publication number: DE3017253C2
Application number: DE19803017253
Authority: DE
Inventors: Dieter 5000 Köln Renk
Original assignee: Felten & Guilleaume Energietechnik 5000 Koeln De GmbH; Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Current assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Priority date: 1980-05-06
Filing date: 1980-05-06
Publication date: 1984-07-12
Also published as: DE3017253A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungsdurchführung durch eine Wand oder dergleichen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.Sie findet besonders Anwendung bei der Einführung einer Hochspannungsleitung von Freiluft durch eine Wand in einen Innenraum und/oder das Gehäuse einer Schaltanlage.

Eine Hochspannungsdurchführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bereits bekannt (US-PS 34 t>2 545). Üblicherweise sind bei derartigen Durchführungen Kondensatoren gleicher Kapazität in Serie zwischen dem Durchführungsleitcr und einem äußeren Plansch vorgesehen und als konzentrische zylindrische Metallfolie in Isoliermaterial ausgeführt, das aus isolierenden Lagen zwischen den Folien besteht. Die Trennung der Metallfolien durch die isolierten Lagen führt zu einem wachsenden Durchmesser, während die Längen der Metallfolien aus Gründen der gleichen Kapazität na<:h außen hin abnehmen. Um diesem Mangel abzuhelfen, sind bei der Hochspannungsdurchführung der eingangs geschilderten Art wechselnde Lagen von leitenden Folien und isolierendem Material zwischen einem äußeren Flansch und einem sich axial durch den Mansch erstreckenden Leiter vorgesehen, wo schließlich einige der Folien mit Ausnahme der äußeren mit

4^r> Unterbrechungen von einem zum anderen Ende angeordnet sind. Die Kapazitäten zwischen den nachfolgenden Lagen werden egalisiert, in dem die Länge der Unterbrechung in der Folie justiert wird, die in der Mitte ihrer Enden liegt.

Es ist ferner eine elektrische Durchführung bekannt, welche mit einem Mittelflansch zum Festspannen an der Wand sowie mit zwei auf je einer Seite desselben angeordneten metallischen Endflanschen versehen ist, wobei dazwischen je ein hohler Isolierkörper festgeklemmt ist (DE-AS 25 49 018). Die beiden Endflansche sind mittels zweier sich längs einer Strecke gegenseitig überlappender, auf Zug beanspruchter länglicher Metallkörper miteinander verbunden, deren jeder mit einem Ende an je einem der Endflansche befestigt ist, wobei längs des überlappenden Bereichs der beiden länglichen Metallkörper ein Druck übertragenes Glied in kraftübertragender Verbindung zwischen deren freien Enden angeordnet ist.

Dieses kann ein dritter Metallkörper mit größerer

b"> Wärmedehnung oder ein in einer Druckkammer befindliches Durckmittel sein, zu dessen Aufnahme die beiden Metallkörper als zweiteilige Druckkammer mit je einem llohlzylinder- 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-Kompensationsabschnitt ausgebildet sein. Alle AusfiKirungsvariantcn dieser bekannten Durchführung sollen ohne besondere Federglieder, wie etwa die aus der DE-AS 12 08 783 bekannten, in die Endarmaturen der beiden Isolatoren eingebauten, kostenaufwendigen Tellenedern, ein Lösen der die Isolatoren gegen den Mittelflansch drückenden Spannvorrichtung als Folge unterschiedlicher Wärmedehnung verhindern.

Es sind also für die Kompensation der unterschiedlichen 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 SE-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 ihrer Teile 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 Temperaturverhältnissen mit Sicherheit gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wanddurchführung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die unterschiedlichen Wärmedehnungen des Leiters und der Gehäuseteile bei Umgebungs- bzw. Betriebstemperatur ohne besondere Ausbildung des Leiters oder den Einbau von Dehnungs-Kompensationselementen thermoe'astisch auszugleichen. Diese Aufgabe wird durch die im vorstehenden Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patenansprüchen 2 bis 6 angegeben. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß der dichte Zusammenschluß der einzelnen Teile über den gesamten Betriebstemperaturbereich gesichert ist. Darüber hinaus lassen sich die Herstellungskosten einer solchen Wanddurchführung vermindern, welche sich aus an sich üblichen Teilen, wie einem einzigen länglichen, massiven oder rohrförmigen Durchführungsleiter aus Kupfer oder Aluminium, einem Porzellanisolator, einem zweiten Isolierkörper, z. B. Isolierrohr, aus einem Isolierstoff mit großem Wäreausdehnungskoeffizienten und einem Mittelflansch bzw. Flanschträger aus Stahl oder Aluminium kostengünstig herstellen bzw. zusammense^fzen läßt.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 in Ansicht eine Hochspannungsdurchführung,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung im Längsschnitt ein Mittelstück dieser Wanddurchführung und

F i g. 3 ebenfalls vergrößert und im Längsschnitt ein Endstück deAelbcn.

In allen Ztiichnungsfiguren ist mit 1 ein Durchfiihrungsleiter, üblicherweise aus Kupfer oder Aluminium, mit 2 ein Isolator aus Glas. Porzellan oder einem sonstigen, insbesondere keramischen Isolierstoff oder auch aus einem Kunststoff mit realtiv geringer Wärmedehnung, und mit 3 ein Isolierkörper aus Hartpapier, Gießharz oder einem Winkel aus harzgetränktem Kreppapier oder dergleichen bezeichnet Als Trägerharze kornmen h-erfür z. B. Phenolharz, Epoxidharz oder dergl. in Betracht Dieser Isolierkörper kann ferner — zur Erhöhung seiner elektrischen Festigkeit darin eingebettete Kondensatoreinlagen 13, z. B. aus Metallfolie, enthalten, welche einander in vorgegebenen, von innen nach au-Ben abnehmend abgestuften Längen konzentrisch überlagern, um in diesem Bereich das elektrische Feld wirksam zu steuern.

Wie insbesondere aus F i g. 1 ersichtlich ist sind der Isolator 2 und der Isolierkörper 3, gegebenenfalls unter Zwischenlage von Dichtungen 18, beidseitig an einen Mitteiflanschträger 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 Freiluft-Innenraumdurchführungen ist zumindest der freiluftseitige Isolator 2 mit umfänglichen Rippen 14 ausgebildet, weiche 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 Werkstoff hoher Wärmedehnung bestehenden 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.

Vorzugsweise besteht der Isolierkörper 3 mit der großen Wärmedehnung aus einem Kunststoff, z. B. Gießharz oder einem Kunststoff-Papier-Schichtstoff, wie Hartpapier oder einem gehärteten Wickel aus harzgetränktem Kreppapier, der in einem Temperaturbereich zwischen —30°C und 70⁰C einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 30 bis 50 · 10-* aufweist. Dieser beträgt in dem genannten Temperaturbereich z.B. für Hartpapier 45 ■ 10-⁶, hingegen für glasiertes Porzellan oder Glas nur etwa 4 · 10-^b, jedoch für Kupfer 17 ■ 10-⁶ und für Aluminium 23 · 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 der Isolator- bzw. Isolierkörperlängen, 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 linerae 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 Wärmeausdehnung des Durchführungsleiters t entsprechen.

b^r> Die effektive Länge des Isolierkörpers 3 ergibt sich aber aus der Differenz zwischen der Länge des festgespannten Leiterabschnittes samt dem Produkt von dessen Wärmeausdehnungskoeffzienten mit der maximalen

Leitertemperatur einerseits und der Summe der Längen des Isolators 2 und des Mittelflanschträgers 4 andererseits, wobei jede dieser Gehäuseteil-Längen, 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 berücksichtigt werden, wie dies anhand des nachstehenden Berechnungsbeispieles gezeigt ist.

Hierbei ist die Baulänge des Isolators 2 in Abhängigkeit von der vorgegebenen Betriebsspannung und dem jeweils notwendigen Kriechweg gewählt, während die Abmessungen des Durchführungsleiters 1 entsprechend der Betriebsspannung und -Stromstärke für eine maximale Betriebstemperatur von 120⁰C ausgelegt sind, unter Berücksichtigung der Wärmedehnung seines festgespannten Abschnittes in einem Temperaturbereich von 150°C, gegenüber einem Wärmedehnungstemperaturbereich der Gehäusebauteile 2, 3, 4 von 100⁰C. Dies beruht auf der Erkenntnis, daß bei Außerbetriebnahme der Durchführung Außentemperaturen bis zu —30⁰C auftreten können, wogegen der Durchführungsleiter 1 im Betrieb eine maximale Temperatur von 12O⁰C erreichen kann, während das Gehäuse 5 zufolge der kühlenden Einwirkung der Umgebungsluft in der Regel eine Temperatur von 7O⁰C nicht überschreitet.

Bei dem Berechnungsbeispiel handelt es sich um eine Freiluft-Innenraum-Wanddurchführung für 123 kV bei 1000 A, mit einer der festgespannten Leiterlänge entsprechenden Gesamtlänge des Gehäuses von 2500 mm im kalten Zustand.

Hierbei beträgt:

die Baulänge (kalt) des Kupfer-Durchfiihrungsleiters (ohne
Anschlußendstücke) 2500 mm,

die unter Berücksichtigung der
hohen Spannungs und sonstiger
Erfahrungswerte ermittelte Länge
des Isolators aus Porzellan 1132 mm,

die konstruktiv bestimmte axiale
Länge des Flanschträgers 4
aus Aluminium 200 mm,

und die in der nachstehend gezeigten Weise ermittelte Länge
des Isolierkörpers aus einem
Wickel aus Epoxidharz-getränktem
Kreppapier mit Kondensatoreinlagen 1168 mm

Als Produkt aus Baulänge ■ Wärmeausdehnungskoeffizient · Temperaturbereich beträgt hierbei die maximale Dehnung:

L\ des Kupferleiters

2500 ■ 16,5 · 10-° ■ 150°C = 6,18 mm,
L₂ des Porzellanisolators

1132 - 4 ■ 10-6 . too-c = 0,453 mm,

L₃ des Aluminium-Flanschträgers

200 · 23,8 · 10-' · 100⁰C = 0,476 mm

und — da L\ = L₂ + L₃ + L₄ — die erforderliche Dehnung des Isolierkörpers

entsprechend X ■ 45 ■ 10-° · 100, wobei mit X die effektive Baulänge dieses Isolierkörpers bezeichnet ist. Daraus ergibt sich nach der Formel

X =

5,256

45 x 10"⁶X 100

= 1168 mm,

L₁-L₂- L₃

= 6.18 - 0.453 - 0,476

= 5,256 mm.

also eine effektive Baulänge Xdieses Isolierkörpers von 1168 mm. Diesem rechnerischen ermittelten Wert wurden die Ausdehnungskoeffizienten von 16,5 · 10~⁶ für Kupfer, 4 · ΙΟ-' für Prozellan, 23,8 · 10—^b für Aluminium und 45 · 10-⁶ für den harzgetränkten Wickel zugrunde gelegt.

Die so bestimmten Bemessungswerte der Baulänge lassen sich in bezug auf Meßtoüeranzcr. 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 Längenverhältnissen die Temperatur-Dehnungsdifferenzen der verschiedenen Bauteile bei allen hier in Betracht zu ziehenden Temperaturen im wesentlichen ausgleichen.

Wie sich am Besten in F i g. 3 der Zeichnung erkennen läßt, ist bei vorgegebener Gesamtbaulänge der Durchführung der Isolierkörper 3 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 3 eingesetzt. Dieser ist hierzu in dem Bereich seines freien Endes mit einer zylindrischen Ausnehmung 9 entsprechender Tiefe ausgebildet. Somit lassen sich in Standardlänge vorgefertigte Isolierkörper 3 verwenden, die für jeden Anwendungsfall an dem betreffenden Ende mit einer Ausnehmung 9 der berechnete oder ermittelten Tiefe versehen werden können.

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. 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 Drehmomentschiüssei bis zum Erreichen des gewünschten mechanischen Spannungswertes festgezogen werden.

Ähnlich wie die Endarmatur 8 kann auch die Kopfarmatur 6 des Isolators 2 mit wenigsgens einer Ringscheibe 17 und einer diese festgegen den Kopf des Isolators 1 drükenden Ringmutter 15 ausgestattet sein, über welch« ein Anschlußabschnitt des Durchführungsleiters 1 vorragt Es versteht sich, daß Distanzringscheiben 17 unterschiedlicher Stärke oder auch eine Anzahl derselben ir

ω der Ausnehmung 9 am Isolierkörper angeordnet wer den können, um geringfügige Änderungen der effekti ven Baulänge des Gehäuses und somit der Wärmedeh nungsdifferenz zwischen diesem und dem Durchfüh rungsleiter t zu bewirken.

Für die zusätzliche Abstimmungsmöglichkeit voi Ausdehnungsdifferenzen kann femer der Isolierkörpe 3 in einen von seiner zylindrischen Ausnehmung 9 un das Maß seiner für die Abstimmung des Wärmedeh

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nungsgleichgewichts ermittelten effektiven Länge ent- | fernten Bereich seiner Oberfläche mit einem unfängli- ;| chen Absatz 10 versehen sein, wie dies in F i g. 2 der Ii Zeichnung gezeigt ist. Mit diesem ist er gegen eine | Ringschulter 11 im Inneren des Durchlasses des Mittel- 5 | flanschträgers 4 abgestützt, wobei er mit seinem abge- $ setzten Abschnitt 12 geringeren Durchmessers in den | Isolator 2 ragt. Somit läßt sich zur Feinabstimmung der | Längenaufteilung der Bauteile des Gehäuses 5 der '& Durchführung bzw. zur Korrektur ihres Wärmedeh- io ij nungsgleichgewichtes in bezug auf Maß-, Temperatur- (\ oder Ausdehnungszahltolleranzen die effektive Baulän- 2 ge des Isolierkörpers auf verschiedene Weise dadurch I beeinflussen, daß die effektive Länge des Isolierkörpers § 3 veränderbar ist. Dies kann z. B. mittels in die Ausneh- 15 1 mung 9 eingesetzter bzw. auf den Absatz iö aufgesetzter Ringscheiben 17 oder durch Vertiefung der Ausnehmung 9 bzw. Verlängerung des abgesetzten Abschnittes
12 dieses Isolierkörpers 3 unschwer auch bei der Montage dieser Durchführung erfolgen. 20

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Hochspannungsdurchführung bestehend aus einem Mittelflanschträger und daran beidseitig angeschlossenen hohlzylindrischen, cndseitig mit je einer Kopf- und Endarmatur versehenen Isolierkörper, deren Armaturen mittels eines das Gehäuse durchsetzenden länglichen, massiven oder rohrförmigen Metallkörpers miteinander verbunden sind, welcher zwischen diesen Armaturen fest verspannt ist und die Isolierkörper gegen den Mittelflanschträgerdrückt, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Isolierkörper als Isolator (2) mit geringer Wärmedehnung und der diesem gegenüberliegende an dem Miuelflanschträgsr angeschlossene Isolierkörper aus einem Isolierstoff mit großer Wärmedehnung ausgebildet ist, und die Baulängenabmessungen des Isolators, des Mittelflanschträgers (4) und des Isolierkörpers (3) unter Berücksichtigung ihrer unterschiedlichen Wärmedehnung mit der Spannlänge des ohne Druck übertragendes Zwischenglied einstückig ausgebildeten, länglichen, massiven oder rohrförmigen Durchführungsleiters (1) aus einem elektrisch gut leitenden Metall, z. B. Kupfer, zum thermoelasüschcn Ausgleich der Ausdehnungsdifferenzen über den gesamten Bereich zwischen Umgebungstemperatur und der maximalen zulässigen Betriebstemperatur abgestimmt sind.

2. Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (3) mit der großen Wärmedehnung feldsteuernde Kondcnsatorcinlagen (13) enthält und aus einem Kunststoff oder einem Kunststoff-Papier-Schichtstoff, z. B. einem Gießharz, Hartpapier oder einem gehärteten Wickel aus harzgetränktem Kreppapier besteht, der in einem Temperaturbereich zwischen — 30°C und + 70°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 30-50 · 10-^baufweist.

3. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Durchführungsleiters (1) entsprechend der Betriebs-Spannung und -Stromstärke für eine maximale Betriebstemperatur von 120°C ausgelegt sind, wobei für die Abstimmung der Wärmedehnung seines festgespannten Abschnittes mit jener der Gehäuseteile (2, 3, 4) ein Temperaturbereich von 150"C gegenüber einem Wärmedehnungs-Temperaturbereich der letzteren von 100° C berücksichtigt ist.

4. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebener Gesamtbaulänge die Baulänge des Isolators (2) mit der geringen Wärmedehnung in Abhängigkeit von der vorgegebenen Betriebsspannung und dem jeweils notwendigen Kriechweg gewählt, und der Isolierkörper (3) länger als der Abstand zwischen seiner Endarmatur (8) und dem Mittelflanschträger (4) bemessen, und in dem Bereich seines freien Endes mit einer zylindrischen Ausnehmung (9) ausgebildet ist, in die zur wenigstens teilweisen Abstimmung des Wärmedehnungsgleichgewichtes die Armatur (8), welche das Ende des auf Zugspannung beanspruchten Abschnittes des Durchführungsleiters (I) festlegt, eingesetzt ist.

5. Durchführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (3) in einem von seiner zylindrischen Ausnehmung (9) entfernten Bereich seiner Oberfläche mit einem abgesetzten Ab-

schnitt (12) geringeren Durchmessers ausgebildet ist, mit dem er in den Isolator (2) ragt, wobei er in einem Abstand, der dem Maß seiner für die Abstimmung des Wärmedehnungsgleichsgewichtes ermittelten effektiven Länge entspricht, mit einem umfänglichen Absatz (12) gegen eine Ringschulter (11) im Inneren des Durchlasses des Miftelflanschträgers (4) abgestützt ist.

6. Durchführung nach Anspruch 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Länge des Isolierkörpers (3) zu ihrer Feinabstimmung durch Vertiefung der Ausnehmung (9) bzw. Verlängerung des abgesetzten Abschnittes (12) dieses Isolierkörpers (3) veränderbar ist, z. B. mittels in die Ausnehmung (9) ein — bzw. auf den Absatz (10) aufgesetzter Distanzringe (17).