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Hochspannungsdurchführung mit einem gewickelten
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Isolationskörper Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungsdurchführung
mit einem auf Hochspannungspotential von mindestens 100 kV, vorzugsweise mindestens
200 kV liegenden Leiterteil sowie einem hohlzylinderförmigen, gewickelten Isolationskörper,
der Lagen aus Folien aus einem Kunststoffmaterial mit einer Dielektrizitätskonstanten
6 von mindestens 2 und einer Dicke von höchstens 100 /um enthält, wobei diese Folien
mit einem vorbestimmten Wickelzug unter geringfügiger Dehnung innerhalb ihres elastischen
Bereiches gewickelt sind, der ferner mit elektrisch leitenden Potentialsteuereinlagen
versehen ist und der sich im Betriebszustand in einem gasförmigen oder flüssigen
Isoliermedium befindet. Eine derartige Hochspannungsdurchführung ist aus der DE-OS
28 43 081 bekannt.
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An den Anschlußstellen von elektrischen Einrichtungen mit hohen Betriebsspannungen
von beispielsweise 100 kV und höher müssen hochspannungsführende Teile dieser Einrichtungen
durch auf Erdpotential liegende Teile so isoliert hindurchgeführt werden, daß mit
Sicherheit Uberschläge zwischen diesen Teilen vermieden werden. Eine entsprechende
Anschlußstelle stellt beispielsweise der Endverschluß eines Hochspannungskabels
oder der Anschluß eines Hochspannungstransformators dar. Auch bei Wandlern und Schaltanlagen
können entsprechende isolierte Durchführungen erforderlich sein.
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Zur Vermeidung solcher unerwünschter Uberschläge sind die auf Hochspannungspotential
liegenden, elektrisch leitenden Teile in den Hochspannungsdurchführungen von besonderen
DurchfUhrungsisolatoren umgeben, deren geometrische Abmessungen unter anderem durch
die geforderten elektrischen Festigkeitswerte festgelegt sind.
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Ein aus dem Bericht der wFourth BEAMA International Electrical Insulation
Conference n, Brighton (England), 10. - 13. Mai 1982, Seiten 139 bis 147 bekannter
Durchführungsisolator einer HochspannungsdurchfUhrung ist aus dünnen, flexiblen
Folien aus Kunststoffmaterialien gewickelt, deren relativer dielektrischer Faktor
$ größer 2 ist. In diesem Durchführungsisolator sind außerdem sogenannte elektrisch
leitende Potentialsteuereinlagen konzentrisch zueinander und untereinander isoliert
mit eingewickelt.
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Mit diesen Einlagen läßt sich kapazitiv eine Steuerung der Spannungsverteilung
über den Durchführungsisolator und somit eine Erhöhung der Teilentladungs-und Stoßspannungsfestigkeit
erreichen (vgl. z.B.
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P.Böning: Kleines Lehrbuch der elektrischen Festigkeit, Karlsruhe
1955, Seiten 140 bis 142).
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Bei diesen Hochspannungsdurchführungen treten bekanntlich die höchsten
elektrischen Feldstärken an den Rändern dieser kapazitiven Steuereinlagen auf.
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Bisher wurde davon ausgegangen, daß bei Durchführungen des genannten
Hochspannungsbereiches diese Ränder von einem Isoliermedium wie z.B. SF6-Gas umgeben
sein müssen (vgl. den genannten Bericht, insbesondere Seite 141 unten), da bekanntlich
die Teilentladungs-Einsatzfeldstärke in SF6 mindestens doppelt so hoch wie in Luft
ist. Die in dem Wickel vorhandene Luft muß deshalb abgepumpt und durch das
SF6-Gas
ersetzt werden. Um dies zu ermöglichen, werden für den bekannten Isolationskörper
genoppte Kunststoffolien vorgesehen. Aufgrund der Noppung sind dann die in dem Wickel
vorhandenen Spalte und Hohlräume praktisch untereinander verbunden und können somit
leichter evakuiert und dann mit dem Isoliermedium gefüllt werden. Für die bekannte
Hochspannungsdurchführung wird also eine Tränkung ihres Isolationskörpers unbedingt
für erforderlich gehalten (val. auch "Third International Symposium on High Voltage
Engineering", Mailand (Italien), 28. - 31.8.1979, Bericht 32.09). Wird ein solcher
fertiggewickelter Isolationskörper Jedoch Temperaturen von beispielsweise mehr als
70°C ausgesetzt, die auch im ungestörten Betriebsfall ohne weiteres auftreten können,
so besteht die Gefahr, daß sein gewickelter Isolationskörper sich lockert und dann
keine ausreichende mechanische Festigkeit mehr aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß die Noppen des verwendeten Folienmaterials bei der genannten Temperatur schrumpfen.
Bei dieser Schrumpfung verringert sich der Durchmesser des Wickels, so daß darüber
hinaus die in ihn mit eingewickelten Potentialsteuereinlagen knicken können und
somit an den Kanten dieser Knicke die elektrische Feldstärke in unerwünschter Weise
erhöht wird. Da ferner die für den bekannten gewickelten Isolationskörper verwendeten
geprägten Folien nur mit einer verhältnismäßig geringen Breite von beispielsweise
1 m erhältlich sind, müssen bei Durchführungen, deren axiale Ausdehnung größer als
diese Breite ist und z.B. für 420 kV-Durchführungen etwa 3 m beträgt, mehrere Bahnen
dieser Folien vorgesehen werden, die gegeneinander versetzt gewickelt werden müssen.
Die entsprechende Wickeltechnik ist dementsprechend aufwendig.
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Um für den gewickelten Isolationskörper einer solchen Hochspannungsdurchführung
eine ausreichende mechanische Festigkeit auch bei den auftretenden Betriebstemperaturen
von über 70 0C zu erreichen und insbesondere ein Lockern und gegebenenfalls sogar
ein Verrutschen auszuschließen, falls die Hochspannungsdurchführung vertikal angeordnet
wird, kann man geprägte Isolierfolien verwenden, die vor dem Wickelvorgang einer
thermischen Schrumpfungsbehandlung unterzogen worden sind (DE-OS 30 01 779).
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Da ein solcher gewickelter Isolationskörper unter Betriebsbedingungen
bis zu der bei der thermischen Vorbehandlung gewählten Temperatur weniger schrumpft,
ergibt sich eine entsprechend erhöhte mechanische Festigkeit. Bei der thermischen
Vorbehandlung bleibt die ursprüngliche Prägung der Folie großenteils erhalten, so
daß der mit diesen Folien gewickelte Isolationskörper verhältnismäßig leicht evakuierbar
und für ein Isoliermedium wie z.B. SF6 ausreichend durchlässig ist. Das Herstellungsverfahren
eines solchen mit einem Isoliermedium zu tränkenden Isolationskörpers ist jedoch
aufgrund der besonderen Vorbehandlung der geprägten Folien verhältnismäßig aufwendig.
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Ein weiterer gewickelter Isolationskörper mit einer verhältnismäßig
großen mechanischen Festigkeit ist aus der eingangs genannten DE-OS 28 43 081 bekannt.
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Zur Herstellung dieses Isolationskörpers wird gleichzeitig mit einer
Isolierstoffbahn eine dünne Kunststoffolie unter Zug mit elastischer Vordehnung
gewickelt. Diese Kunststoffolie dient dabei als Zug-bzw. Spannfolie für die unter
ihr befindliche Isolierstoffbahn. Durch dieses Mitwickeln wird die gewünschte Festigkeit
erreicht. Auch bei diesem
bekannten Isolationskörper soll nach seinem
Einbau in einer Hochspannungsdurchführung eine Imprägnierung mit einem Isoliergas
vorgesehen sein. Aus diesem Grunde wird eine Perforation oder Struktierung der verhältnismäßig
dicken Isolierstoffbahn vorgesehen oder als Isolierstoffbahn ein Gewebe-, Geflecht-
oder Vliesband verwendet. Durch eine Aufrauhung oder Perforation der Potentialsteuereinlagen
kann die Imprägnierbarkeit noch weiter erleichtert werden. Die Wickeltechnik des
bekannten Isolationskörpers ist Jedoch wegen der gleichzeitig zu wickelnden dünnen
Kunststoffolie und dickeren Isolierstoffbahn entsprechend aufwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannte Hochspannungsdurchführung
so zu verbessern, daß sie einfacher und kostengünstiger herzustellen ist, wobei
die geforderten elektrischen Festigkeitswerte und eine ausreichende mechanische
Festigkeit auch bei Betriebstemperaturen über 700C zu gewährleisten sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Isolationskörper
bis auf die Potentialsteuereinlagen nur aus glatter Kunststoffolie mit einem solchen
hohen Wickelzug gewickelt ist, daß er praktisch gasdicht ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Hochspannungsdurchführung wird somit auf
eine Tränkung ihres Isolationskörpers mit einem gesonderten Isoliermedium nach dem
Wickelvorgang verzichtet. Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, daß dennoch
die elektrischen Werte wie z.B. der Teilentladungs-Einsatz ihres
gasdicht
gewickelten Isolationskörpers praktisch nicht schlechter sind als bei nachträglich
imprägnierbaren Wickeln. Die Stoßspannungsfestigkeit des erfindungsgemäßen Isolationskörpers
ist sogar vorteilhaft erhöht, da die Ränder der Potentialsteuereinlagen gasdicht
abgeschlossen sind und eine Gasentladung zur Oberfläche des Wickels somit verhindert
wird. Eine solche gasdichte Trennung zwischen Steuereinlagen und äußerer Gasisolierung
ist hingegen bei allen nachträglich imprägnierten Wickeln nicht möglich. Ferner
können aufgrund des hohen Wickelzugs die Gasräume vor den Potentialsteuereinlagen
sehr klein gehalten werden. Dies verbessert die elektrischen Werte des Wickels.
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Außerdem vereinfacht die Verwendung von handelsüblichen glatten Kunststoffolien
das Herstellungsverfahren des Isolationskörpers ganz wesentlich und verbilligt es,
Die Gasdichtheit des gewickelten Isolationskörpers läßt sich auf alle Fälle gewährleisten,
wenn gemäß weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen HochapannangsdurchfUhrung
die Dehnung der Kunststoffolie mindestens 0,5 % beträgt und unterhalb der Streckgrenze
des plastischen Bereiches liegt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Hoch-Spannungsdurchführung
nach der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Ausführungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur
1 eine Hochspannungsdurchführung schematisch veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt
schematisch einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Teil dieser Hochspannung sdurchführung.
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Bei der in Figur 1 als Längsschnitt dargestellten Hochspannungsdurchführung
kann z.B. von einem Teil des Endverschlusses eines Hochspannungskabels ausgegangen
werden, wie es aus dem genannten Bericht des "Third International Symposium on High
Voltage Engineeringn zu entnehmen ist. Die Durchführung enthält einen zentralen
Leiter 2, der z.B. ein Kupfer-,Aluminium- oder Stahlrohr ist und auf Hochspannungspotential
von mindestens 100 kV, vorzugsweise 200 kV bei 50 Hz liegt. Um den zentralen Leiter
ist konzentrisch ein hohlzylinderförmiger Isolationskörper 3 angeordnet, der zwei
abgeschrägte, kegelmantelförmige Seitenteile 4 und 5 und dazwischen eine zylinderförmige
Mantelfläche 6 aufweist.
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Dieser Isolationskörper ist erfindungsgemäß aus einer glatten isolierenden
Folie aus einem Kunststoffmaterial mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten
6 r von mindestens 2 und einer Dicke von höchstens 100 /um mit einem vorbestimmten
Wickelzug gasdicht gewickelt. In den Isolationskörper 2 sind außerdem konzentrisch
zueinander und isoliert gegeneinander angeordnete Kondensatorsteuereinlagen 7 bis
10 mit eingewickelt, die in der Figur durch achsenparallele Linien angedeutet sind
und zur Potentialsteuerung dienen. Diese Kondensatoreinlagen können beispielsweise
Folien aus einem Metall wie z.B.
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Aluminium sein und haben eine Dicke, die vorteilhaft
höchstens
gleich der Dicke der benachbarten Kunststoffolienteile ist. Auch mit einem entsprechenden
Metall kaschierte Folien aus einem Kunststoff wie Polyvinylchlorid (PVC), Polyäthylen
(PE), Polypropylen (PP) oder Polykarbonat (PC) sind als Potentialsteuereinlagen
geeignet. Ferner ist es auch möglich, zunächst die Kondensatoreinlagen durch Aufdampfen
von dünnen Metallschichten auf vorbestimmte Bereiche der Kunststoffolie auszubilden
und mit der so beschichteten Folie dann den Isolationskörper zu wickeln. Die zur
Potentialsteuerung dienenden Kondensatoreinlagen in dem Isolationskörper 2 sind
zweckmäßig so abgestuft zueinander angeordnet, daß sich längs der abgeschrägten
Seitenflächen 4 und 5 des Isolationskörpers j von innen nach außen ein annähernd
lineares Potentialgefälle ausbildet. Eine solche Potentialcharakteristik an den
Seitenflächen 4 und 5 läßt sich dabei in bekannter Weise durch eine geeignete Wahl
der radialen Abstände zwischen den einzelnen Kondensatoreinlagen sowie durch ihre
axialen Längen erreichen (vgl. z.B. US-Patentschrift 3,462,545).
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Die innersten, leiternahen und mit 8 und 9 bezeichneten Kondensatoreinlagen
liegen dabei annähernd auf dem genannten Hochspannungspotential, während sich die
äußerste Kondensatoreinlage 10 an der Mantelfläche 6 mit einem elektrischen Anschluß
11 auf Erdpotential befindet.
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Im Betriebszustand der erfindungsgemäßen Hochspannungsdurchführung
ist ihr gasdicht gewickelter Isolationskörper 3 zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit
in einem isolierenden Medium unter Überdruck angeordnet. Geeignete Medien sind z.B.
spezielle Öle oder insbesondere Gase wie SF6 oder N2. Hierbei
tritt
eine Tränkung des Isolationskörpers mit dem isolierenden Medium praktisch nicht
auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Figur sei eine SF6-Atmosphäre 12 um
den Isolationskörper 3 angenommen.
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Falls die Hochspannungsdurchführung für eine auf Tiefsttemperatur
befindliche Einrichtung, beispielsweise für den Endverschluß eines supraleitenden
Kabels, vorgesehen sein soll, kann der Isolationskörper auch von einem kryogenen
Medium wie z.B. von gasförmigem oder flüssigem Helium umgeben sein.
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Die Gestaltung des erfindungsgemäß gewickelten Isolationskörpers 3
geht aus Figur 2 näher hervor, in der ein entsprechendes, in Figur 1 mit 13 bezeichnetes
Teilstück des Isolationskörpers vergrößert dargestellt ist. Dabei sind mit Figur
1 übereinstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Der Isolationskörper a der Hochspannungsdurchführung nach der Erfindung
enthält gemäß dem in Figur 2 als Längsschnitt dargestellten Teilstück 13 eine Vielzahl
gewickelter Lagen aus glatten Kunststoffolien, von denen einige in der Figur mit
14 bezeichnet sind.
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Da solche Folien mit einer der axialen Ausdehnung des Durchführungsisolators
entsprechenden Breite erhältlich sind, können diese Lagen zweckmäßig aus nur einer
einzigen Folienbahn gewickelt werden, um so Stöße, Überlappungen und Gasspalte innerhalb
einer Lage zu vermeiden, welche die elektrischen Werte der Hochspannungsdurchführung
verschlechtern können. Z.B. kann man mit einer 3 m breiten Folienbahn die Spannungsebene
bis 525 kV beherrschen. Bei
6 m Folienbreite können noch höhere
Spannungsebenen erreicht werden. Wird nur eine Folienbahn gewickelt, ergibt sich
darüber hinaus der Vorteil einer verhältnismäßig einfachen Fertigungsmaschine.
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Der Isolationskörper 3 kann z.B. auch in Luft gewickelt werden. Besonders
vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Wickel schritt in einer Schutzgasatmosphäre
vorgenommen wird, wobei zweckmäßig als Schutzgas das Isoliergas wie z.B. SF6 vorgesehen
wird, das später den erstellten Winkel umgeben soll. Für den Wickelvorgang wird
erfindungsgemäß ein solcher Wickelzug vorgesehen, daß benachbarte Lagen 14 gasdicht
aneinanderliegen. Dies ist auf alle Fälle zu gewährleisten, wenn aufgrund des Wickelzugs
eine Dehnung der Kunststoffolie von mindestens 0,5 fi hervorgerufen wird. Der Wickelzug
muß Jedoch so begrenzt sein, daß diese Dehnung stets unterhalb der Streckgrenze
des plastischen Bereiches liegt. Durch das sehr stramme Wickeln sind dann die in
den Zwickeln ausgebildeten Gasräume 15 vor den Potentialsteuereinlagen, von denen
in der Figur nur die zwei Einlagen 7 und 10 ersichtlich sind, sehr klein. Dies verbessert
die elektrischen Werte der Isolation und somit der Durchführung. Bei Verwendung
von auf die Kunststoffolie aufgedampften Metallschichten als Potentialsteuereinlagen
entstehen praktisch keine Gasräume vor den Kanten dieser Einlagen.
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Sehr dünne Steuereinlagen erleichtern darüber hinaus das Wickeln,
da sich der Durchmesser im Bereich der Steuereinlagen kaum aufbaut. Es erübrigt
sich dann, Beilauf einzuwickeln,der den Wert des Teilentladungseinsatzes verschlechtern
könnte. Falls man Beilauffolien vorsieht, können diese generell dünner. sein als
die Wickelfolie.
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Bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform einer Hochspannungsdurchführung
nach der Erfindung ist davon ausgegangen, daß ihr auf Hochspannungspotential liegender
elektrischer Leiter zentral angeordnet ist und von einem Isolationskörper umgeben
ist. Die Hochspannungsdurchführung nach der Erfindung ist Jedoch ebensogut auch
für eine elektrische Einrichtung wie beispielsweise für einen Kopfstromwandler geeignet,
bei der an der äußeren Kondensatoreinlage Hoc hspannungspotential anliegt und deren
innerer Dorn sich auf Erdpotential befindet.
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Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde ein Isolationskörper
einer erfindungsgemäßen 145 kV-Durchführung mit einer den Figuren entsprechenden
Gestalt erstellt, der einen die Hochspannung führenden Inneleiter aus Stahl mit
einem Durchmesser von 70 mm umschloß. Dabei wurde um den Innenleiter eine Vielzahl
von Lagen aus einer 1,3 m breiten, 40 /um dicken Folienbahn aus biaxial gestrecktem
Polypropylen in Luft gasdicht gewickelt,wobei 18 Potentialsteuereinlagen aus 20
/um dicker Aluminium-Folie mit eingewickelt wurden. Für den Wickelzug wurde ein
Wert zwischen 200 und 300 N pro Meter Breite der Folienbahn eingestellt, wobei die
Polypropylen-Folie sich um einige Prozent dehnte und ihre Dicke um etwa 1 bis 2
/um abnahm. Der gewickelte Isolationskörper hatte einen maximalen Außendurchmesser
von 134 mm. Im Betriebszustand der gesamten erstellten Durchführung befand sich
ihr Isolationskörper in einer SF6-Gasatmosphäre unter 3,5 bar. Ein solcher Isolationskörper
weist eine hohe mechanische Festigkeit auf, so daß ein Verrutschen, selbst nach
Temperaturbeanspruchungen
von 1200C und Beschleunigungswerten von
über 100 # g, nicht auftritt.
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7 Patentansprüche 2 Figuren