DE3214141C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsstabisolator zur Verwendung in Freiluftanlagen bei Spannungen oberhalb 138 kV, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochspannungstabisolatoren aus Polymeren oder Elastomeren weisen bei ihrem Einsatz in Hochspannungsanlagen eine nicht­ lineare Potentialverteilung über ihre Länge in größerem Ausmaße auf als Isolatoren die durch zwischenliegende Me­ tallteile unterbrochen sind, wie z. B. die konventionellen Stabisolatoren mit keramischen Isolations-Segmenten. Diese nichtlineare Potentialverteilung führt zu übermäßigen Spannungsbeanspruchungen im Bereich der Anschlußarmaturen, insbesondere im Bereich der hochspannungsseitigen Armatur. In Folge der ungleichmäßigen Potentialverteilung kommt es darüber hinaus zu örtlich erhöhten Potentialgradienten mit entsprechender Feldstärke, die die Coronaeinsatzspan­ nung überschreitend Corona- und Feldstörungen erzeugt und die u. U. zu einem Durchschlag führen kann.

Die US-PS 43 12 123 zeigt einen gegenüber hohen Spannungen widerstandsfähigen Stabisolator, der gegebenenfalls auch als Wanddurchführung Verwendung finden kann. Der Isolator besteht aus einem zentralen Isolierkörper, der als Stab ausgebildet Zugkräfte aufnimmt und der von einer Hülle aus einem Elastomer umgeben ist. Auf diese Hülle sind anein­ andergereiht eine Anzahl schirmförmiger Segmente aufgesetzt, die mit der Hülle des Zentralstabs durch Vulkanisation ver­ bunden mit dieser eine Einheit bilden. Die hochspannungs­ seitige Metall-Armatur nimmt mit einer zentralen Bohrung den stabförmigen Isolierkörper auf, wobei dessen Hülle von der äußeren Oberfläche der Armatur ausgehend ohne Aus­ nehmung glatt fortgesetzt ist. Maßnahmen zur Unterdrückung unerwünschter Feldkonzentrationen, insbesondere am iso­ latorseitigen Ende der Armatur sind nicht vorgesehen. Die US-PS 33 17 569 beschreibt einen Hochspannungsisolator mit innerer Corona-Schirmung, bei dem besonders im Bereich des hochspannungsseitigen Endes in das Isoliermaterial leitfähige Schichten eingebettet sind, die im wesentlichen der äußeren Form des Isolators folgen. Derartige leitfähige Schichten stellen notwendigerweise Äquipotentialflächen da, deren Potential sich aufgrund der Geometrie und der Dielektrizitätskonstante des isolierenden Materials frei einstellt. Das Herstellen solcher mit leitfähigen Schich­ ten durchsetzter Isolator-Körper bedingt erhebliche Fer­ tigungsprobleme und führt darüber hinaus auch zu Festig­ keitsproblemen. Die GB-PS 14 51 071 betrifft schließlich die Ausbildung des hochspannungsseitigen Anschlußendes eines Hochspannungsisolators, insbesondere eines solchen mit einem die Zugspannung aufnehmenden Zentralstab. Dabei ist zwischen der hochspannungsseitigen Armatur und dem dieser Armatur zugeordneten Abschlußsegment in eine um­ laufende U-förmige Rinne ein Metallring eingelegt, der mit der Armatur elektrisch verbunden ist und der mit einem Gummiring gehalten wird. Nach einer Weiterbildung sollen der in die U-förmige Rinne eingelegte Metallring einschl. des Gummirings ersetzt werden durch ein Formteil aus leitfähigem Gummi, das mit einer nach innen gerichteten Lippe die Innenseite der Hülse übergreift und dessen außer­ halb der Hülse liegender Teil in eine ringförmige Aus­ nehmung auf der Außenseite der Hülse eingreift. Zwar kann - wie auch schon durch die metallische Ringeinlage - der für die Feldverteilung wesentliche Krümmungsradius ver­ größert und so der Potentialgradient herabgesetzt werden. Schwierig bleibt bei dieser Ausbildung jedoch der Zu­ sammenbau des Isolators. Schließlich lehrt die DE-OS 29 05 150 den Aufbau eines Hochspannungsstabisolators mit einem Zugstab, auf den eine Anzahl von sinusförmigen Einzelsegmenten aus Elastomeren im bestimmten Abstand auf­ gesetzt oder mit ihm fest verbunden sind, wobei die Einzel­ schirme auch aus halbleitendem Material bestehen können. Durch diese Einzelschirme kann über die Länge des Stab­ isolators eine gewisse Vergleichmäßigung der Potential­ verteilung erzwungen werden, obwohl das Potential der halbleitenden Segmente wegen ihrer isolierten Anbringung unbestimmt ist. Die kritische Potentialverteilung am iso­ latorseitigen Ende der hochspannungsseitigen Anschlußar­ matur wird durch diese Lehre nicht beeinflußt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde einen Hoch­ spannungsstabisolator der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, der einfach und wirtschaftlich herstellbar eine erhöhte Spannungsfestigkeit aufweist und dessen Funk­ frequenzen beeinflussendes Störfeld deutlich verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch das Kennzeichen des Anspruchs 1; Weiterbildungen beschreiben die Unteransprüche 2 bis 4.

Bei Hochspannungsstabisolatoren aus Polymeren hat sich gezeigt, daß die Standardanschlußarmatur (etwa nach US-PS 43 12 123) bei Netzspannungen von 161 kV und darüber wegen der übermäßigen Störfelder nicht mehr verwendet werden können. Zur Reduzierung des den Isolator beanspruchenden Feldes werden beispielsweise Corona-Ringe eingesetzt, die jedoch kostenaufwendig, unförmig in der Größe und - bei relativ dicht am Beobachter über Erdniveau verlaufenden Freileitungen - visuell aufdringlich wirken. Dabei wird nicht die Ursache für die Beanspruchung, die in der hohen Feldflußdichte (Potentialgradient) an der Grenzfläche von hochspannungsseitiger Anschluß-Armatur und Isolatorkörper liegt, beseitigt. Elektrische Felder, deren Stärke und diese begleitenden Spannungsdifferenzen können bis zu be­ stimmten Werten tolleriert werden, bevor es zu einem Durchschlag in der Atmosphäre kommt. Sogar bei hohen Netz­ spannungen können Corona- und Feldstörungen (sowie die da­ mit verbundenen Verluste elektrischer Energie) vermieden werden, falls ein zu steiler Potentialgradient verringert werden kann. Durch Verwendung halbleitender Polymere und Elastomere am isolatorseitigen Ende der hochspannungs­ seitigen Anschlußarmatur wird der Potentialgradient in der gewünschten Weise reduziert, Störfelder und Corona werden unterdrückt oder auf annehmbare niedrige Werte reduziert. Es wurde auch gefunden, daß diese Verringerung bzw. Reduzierung genau wie eine Zunahme des Leckageabstan­ des (welcher für sich genommen bereits für jeden Isolator - besonders für die die in verschmutzter Umgebung einge­ setzt werden - wünschenswert ist) durch die Verwendung eines "Coronaschirmes" erreicht werden kann, dessen Er­ scheinungsbild in übrigen Schirmen am Isolator entspricht, wodurch ein gefälliges Erscheinungsbild erreicht wird. Zu­ sätzlich ist ein derartiger Coronaschirm nicht mit hohen Kosten verbunden, da er durch konventionelle Spritzguß­ techniken hergestellt werden kann.

Es wurde weiter gefunden, daß bei Verwendung halbleitender Polymere bzw. Elastomere es nicht notwendig ist, daß die halbleitende elastomere Einlage (bzw. der Coronaschirm) überall mit dem isolatorseitigen Ende der Metall-Armatur im innigen elektrischen Kontakt steht. Es ist nur not­ wendig, daß der Kontakt an einigen Punkten - im Grenzfall an einem Punkt - besteht, da dies ausreicht um das halb­ leitende Material auf das gleiche Potential zu bringen wie die Armatur, Lufteinschlüsse zwischen dem halbleiten­ den Material und der Armatur sind quasi feldfrei, sie führen nicht zu den mit einer Corona-Entladung verbundenen Verlusten und dem von der Corona-Entladung bewirkten Störfeldern. Im Gegensatz dazu müssen bei Konstruktionen ohne halbleitenden Einlagen Lufteinschlüsse zwischen der auf Potential liegenden hochspannungsseitigen Anschluß­ armatur und dem Isolator peinlich vermieden werden, da in derartigen Lufteinschlüssen Corona-Entladungen nicht ver­ mieden werden können und falls so eine Corona entsteht, kann sie das organische Material des Isolators beschädigen, wenn nicht gar zerstören. Soweit ein nichtmetallischer Coronaschirm ohne halbleitenden Einsatz bzw. halbleiten­ den Eigenschaften mit der Metall-Armatur zusammengefügt wird, ergibt sich weil die Metall-Armatur nicht gleich­ förmig glatt sein kann eine hohe Wahrscheinlichkeit für derartige Lufteinschlüsse und somit auch für das Auftreten unerwünschter Corona-Entladungen.

Bei einigen früheren Versuchen mit nicht leitenden Corona- Schirmen wurde versucht Fette für das Auffüllen der Leer­ räume an der Grenzfläche zwischen der Metall-Armatur und dem Corona-Schirm einzusetzen. Solche Fette unterliegen je­ doch im Laufe der Zeit einem Kriechen und/oder einer Ab­ sorption im festen, organischen Isolationsmaterial können daher keine permanente Maßnahme zur Corona-Unterdrückung sein. Zwei Konstruktionen mit unverbundenen Komponenten werden in den US-PS 35 49 791 und 38 98 372 gezeigt.

Frühere Konstruktionen von verbundenen und vulkanisierten Typen in den GB-PS 11 82 045 und 12 92 276 sowie den DE-PS 26 50 363 und 27 46 870 (entsprechend den US-PS 42 17 466 und 42 46 696) beschrieben.

Anhand der Fig. 1 bis 4 werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben; dabei stellt

Fig. 1 einen Schnitt durch das hochspannungs­ seitige Ende eines Hochspannungsstab­ isolators entsprechend dem bekannten Stand der Technik,

Fig. 2 ein Schnitt gemäß Fig. 1, jedoch mit einem halbleitenden Corona-Schirm als Abschlußsegment,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Fig. 1, jedoch mit halbleitender Einlage im mit Wetterschirm versehenen Abschlußsegment,

Fig. 4 Schnitt eines Abschlußsegments mit halblei­ tender Einlage, jedoch ohne Wetterschirm.

Wie in Fig. 1 dargestellt besteht ein allgemein mit 1 be­ zeichneter Hochspannungsstabisolator in der Konstruktion nach dem bekannten Stand der Technik aus einem zentralen Isolierkörper 10, gebildet aus harzvernetzten Glasfasern, an das die Metallarmatur 11 am unteren (und am oberen) Ende befestigt ist. Diese Metallarmaturen 11 können am Zentralkörper 10 auf verschiedene Weisen befestigt sein.

Die Befestigung mit einem gegossenen Epoxykonus 12 ist ty­ pisch und daher gezeigt. Der zentrale Isolierkörper 10 ist von einer Hülle 14 umgeben, die gegenüber einer ringförmigen Lippe 15 der Metallarmatur 11 abgedichtet sein kann. Auf der Hülle 14 des zentralen Isolierkörpers 10 sind eine An­ zahl von Wetterschirmen 16 befestigt, die im allgemeinen identisch sind. Der Aufbau eines Hochspannungsstabiso­ lators ist in der Technik wohl bekannt, wegen der hohen Potentialgradienten im Bereich der Metallarmatur treten jedoch im Betrieb bei höheren Spannungen bedingte Stör­ felder auf, insbesondere bei höheren Netz-Spannungen als 138 kV.

Mit der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wurde eine geeignete Konstruktion eines aus einem Polymer bzw. Elasto­ mer gebildeten Hochspannungsstabisolators gefunden, bei der das Prinzip einer halbleitenden "Haut" über dem zen­ tralen Isolatorkörper angewendet wird. Bei dieser Aus­ führungsform der Konstruktion besteht der zentrale Iso­ latorkörper aus einem harzvernetzten Glasfaserstab 18, über den eine isolierende Hülle 17 gezogen ist, die wie­ derum den Schirm 19 mit einem Kragen 20 (und weitere nicht dargestellte) trägt. Die Konstruktion des Wetterschirmes 19 mit integriertem Kragen 20 ist derart, daß jeder Wetterschirm mit seinem Kragen den nächsten Wetterschirm berührt. Wie in Fig. 2 deutlich gezeigt kommt dabei jeder Kragen 20 mit einer vom nächsten danebenliegenden Wetter­ schirm gebildeten Ausnehmung in Eingriff. Der das Ab­ schlußsegment bildende, der Metall-Armatur 11 am nächsten liegende Wetterschirm (mit Kragen 20) muß bis zur Metall- Armatur 11 reichen und mit dieser in Kontakt stehen. In Fig. 2 ist dieser Kontakt durch die Hülse 22 hergestellt, die die Oberfläche des zentralen Isolierkörpers im Bereich des Abschluß-Segments (Wetterschirms 21) zwischen Metall- Armatur und dem dem Abschluß-Segment benachbarten ersten Wetter­ schirm 19 vollständig überdeckt. Sowohl die den Zugstab 18 umgebende Hülse 17 als auch die Wetterschirme 19 (mit Kragen 20) können aus einem Material bestehen, das sich für eine Verwendung im Freien als Hochspannungsisolator- Material geeignet erwiesen hat, z. B. Ethylen-Propylen- Gummi. Die Wetterschirme 19 (mit Kragen 20) müssen in adäquater Weise an der Isolierhülse 17 und die Isolier­ hülse 17 am Zugstab 18 befestigt werden, um jegliche Grenz­ flächenwege für Kriechströme, Feuchtigkeitsansammlungen etc. zu vermeiden. Diese Verbindungen können durch Kleben oder Vulkanisation einer unvulkanisierten Hülle 17 an vorher vulkanisierte Schirme (mit Kragen 20) bzw. an den Zugstab 18 erreicht werden.

Falls die Wetterschirme 19 (mit Kragen 20) sämtlich aus isolierten Ausführungen bestehen, wird kein Spannungsver­ lust zu verzeichnen sein. Ist jedoch der das Abschluß-Segment bildende Wetterschirm 21 (mit Kragen 20) und eine ihm zu­ geordnete Kontakthülse 22 als Verbindung zur Metallarma­ tur 11 halbleitend, verbreitet sich das Potential der Metallarmatur über eine größere Fläche, was zu einer Re­ duzierung der Feldflußdichte und damit der Corona-Intensi­ tät führt. Die Wirksamkeit ist auch gegeben, wenn eine Vielzahl der Wetterschirme 21 (mit Kragen 20) und eine Kontakthülse 22 sämtliche halbleitend sind.

Eine andere Ausführungsform zeigt die Fig. 3, bei der die Notwendigkeit entfällt, das Isoliermaterial lückenlos und unter Vermeidung von Lufteinschlüssen an das Metall der Armatur anzulegen. Wird nämlich das in eine Ausnehmung des Wetterschirmes 24 eingelegte Elastomer 23 leitend aus­ gebildet, sind leitendes Elastomer und Metall der Armatur auf dem selben elektrischen Potential, Lufteinschlüsse bleiben feldfrei und es entstehen keine partiellen Entladungen mehr. Der Erfolg dieser Maßnahme zeigt sich in der Redu­ zierung der Corona-Verluste und der Verringerung des damit verbundenen Störfeldes.

Hochspannungsstabisolatoren mit halbleitendem Corona-Schirm 21 und Kontakthülse 22 nach Fig. 2 sowie mit dem Corona- Schirm 24 mit halbleitender Einlage 23 nach Fig. 3 wurden getestet. Es wurde gefunden, daß diese Hochspannungsstab­ isolatoren bis zu Netzspannungen von 230 kV bei sehr ge­ ringen (100 uV) Störspannungspegel (RIV) und ohne sicht­ bare Corona verwendet werden können. Die nämlichen Hochspan­ nungsstabisolatoren, jedoch ohne die Merkmale der Erfindung, er­ zeugten bei den selben Spannungen nicht nur weit höhere Störspannungspegel, sondern auch eine sichtbare Corona- Entladung. Die vorgeschlagenen Corona-Schirme sind wirt­ schaftlich; verglichen mit den klassischen Corona-Ringen verursachen sie wesentlich geringere Kosten in der Herstellung und sind weit weniger unhandlich und störend bei Montage und Wartung. Die vorgeschlagenen Corona-Schirme haben das gleiche allgemeine äußere Aussehen wie unmodifizierte Wetterschirme und damit bieten die mit ihnen hergestellten Hochspannungsstabisolatoren für den Betrachter ein ange­ nehmes Aussehen. Schließlich vergrößert der mit einer halbleitenden Einlage 23 versehene Corona-Schirm 24 gemäß Fig. 3 den Leckageabstand des Hochspannungsstabisolators und verbessert somit seine Leistungsfähigkeit auch unter Verschmutzungsbedingungen.

Die besondere Konstruktion des das Abschluß-Segment des Hochspannungsstabisolators bildenden Corona-Schirms 24 mit halbleitender Einlage 23 nach Fig. 3 zeigt noch einen weiteren Vorteil: Es ist wünschenswert, Schäden an der halb­ leitenden Elastomereinlage 23 aufgrund von hohen Kriech­ strömen oder Gleitentladungen zu vermeiden. Im Hinblick auf dieses Ziel ist der halbleitende Elastomereinsatz 23 in einer Ausnehmung in Corona-Schirm 24 gelagert und so auf allen dem Wetter, Kriechströmen oder Oberflächen - Gleitentladungen ausgesetzten Seiten von einem kriech- und errosionsfesten, nicht leitenden Elastomer 24 einge­ faßt. Diese Konstruktion des Corona-Schirmes 24 mit halbleitender Einlage 23 ist dadurch gegen Errosion hoch beständig und liefert die gewünschte Antwort auf die Frage der Unterdrückung der Corona und der Verringerung des durch sie bedingten Störfeldes, auch bei hohem Feldfluß am Gummi/Metall/Luftübergang.

Eine dem Corona-Schirm 24 mit halbleitender Einlage 23 nach Fig. 3 sehr verwandte Ausführungsform des Abschluß-Segments ist in der Fig. 4 gezeigt und kann als "Corona-Schild" bezeichnet werden. Dieser Corona-Schild unterscheidet sich von dem Corona- Schirm lediglich darin, daß der Corona-Schild keinen vor­ stehenden Wetterschirm aufweist. Der Corona-Schild dient mit seiner halbleitenden Elastomer-Einlage dem gleichen Zweck, nämlich des Verhindern von Corona-Entladungen und damit der Lösung des Störfelderproblems. Der Corona-Schild wird in Anwendungsfällen eingesetzt, bei denen das Ab­ schlußsegment am oberen Ende des Hochspannungsstabiso­ lators einen derartigen Schutz benötigt. Würde nämlich ein Corona-Schirm am oberen Ende benutzt werden, könnte sich - wie leicht einzusehen - in seiner dann nach oben zeigenden, hohlen Seite Regenwasser sammeln.

Claims (4)

1. Hochspannungsstabisolator zur Verwendung in Freiluft­ anlagen bei Spannungen oberhalb 138 kV, bestehend aus einem zentralen durchgehenden Isolierkörper mit auf der spannungsführenden Seite daran befestigter Metall-Arma­ tur, deren freies Ende Anschlußmittel für einen Hoch­ spannungsleiter aufweist und deren nach außen weisende Oberfläche zumindest in einem von ihrer isolatorseitigen Stirnfläche ausgehenden, sich in axialer Richtung um eine vorbestimmte Länge in Richtung auf die Anschluß­ mittel hin erstreckenden Berührungsbereich durchgehend ohne Ausnehmungen glatt ausgebildet ist, sowie mit einer Schirmanordnung auf dem Isolierkörper, gebildet aus einer Vielzahl hintereinander aufgereihten, aus elastomerem Material bestehenden Segmenten mindestens mit einem schirmförmigen Segment und einem der Armatur benachbarten Abschluß-Segment, das mit deren isolator­ seitigem Ende in Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das das isolatorseitige Ende der Armatur (11) über­ fangende Abschluß-Segment (24) eine halbleitende, elastomere Einlage (23) aufweist, deren nach innen ge­ richtete Oberfläche im Berührungs-Bereich an der Ober­ fläche des isolatorseitigen Endes der Armatur (11) an­ liegt und mit ihr in elektrischem Kontakt steht, und deren nach außen weisende Oberfläche von der Oberfläche der Armatur (11) ausgehend deren äquipotentiale Fläche zur Verringerung des Potentialgradienten und somit des Rauschens vergrößert.

2. Hochspannungstabisolator nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zentrale durchgehende Isolier­ körper als Zugstab (18) ausgebildet ist, der von einer elastomeren Schicht (17) als Hülle umgeben ist, wobei die aus elastomeren Material gebildeten Segmente (19, 24) auf dieser Hülle angeordnet sind.

3. Hochspannungsstabisolator nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die auf der elastomeren Hülle ange­ ordneten elastomeren Segmente (19, 24) einstückig mit einem Kragen (20) versehen sind, wobei der Kragen (20) des einen der Segmente (19, 24) die Hülle (17) über­ deckend in einen Rücksprung auf der Unterseite des fol­ genden Segments (19) eingreift, wobei der Rücksprung im Abschluß-Segment (24) zur Aufnahme der halbleiten­ den, elastomeren Einlage vorgesehen sind.

4. Hochspannungsstabisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus halbleiten­ dem elastomeren Material bestehende Einlage (23) im Abschluß-Segment (24) mit nichtleitendem, elastomeren Material gegen Umwelteinflüsse abgedeckt ist.