DE3409709C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Mittel- oder Hochspannungsanlage mit Isoliergas­ atmosphäre in einem Druckraum, der von einem Feststoffisoliermaterial umschlossen ist, und der auf seiner äußeren Oberfläche zumindest teilweise metallische Bereiche aufweist.Insbesondere betrifft die Erfindung kompakt gestaltete Anlagenteile, wie z. B. Schalterabgänge von Mittel­ spannungsleistungsschaltern. Als Mittelspannung wird hierbei der Spannungsbereich von 1 bis 76 KV definiert.

Derartige elektrische Anlagenteile werden verwendet, wenn aus Gründen der örtlichen Gegebenheiten eine Frei­ luftverlegung nicht möglich oder nicht zweckmäßig ist, sondern die Übertragung der elektrischen Energie auf kleinstem Raum erfolgen muß. Hierbei dienen die Isolier­ gasatmosphäre und die Feststoffisolierschicht auf der Innenoberfläche der in der Regel geerdeten Metallkapse­ lung als Dielektrikum. Als Isoliergas werden vorzugswei­ se Luft oder Stickstoff aber auch Schwefelhexafluorid eingesetzt, für die Feststoffisolierschicht kommen Schaumstoffe, Harze oder ölgetränkte Papiere in Be­ tracht.

Die nachstehend aufgeführten Druckschriften befassen sich mit elektrischen Anlagen oder Anlagenteilen die in kompakter Bauweise zum Zwecke ausreichender Isolation meist mit Isoliergas gefüllt sind.

Die DE-AS 20 48 989 beschreibt eine druckgasisolierte Hochspannungsleitung mit einer geerdeten vorzugsweise zylindrischen Metallkapselung und einem darin zentrisch angeordneten Hochspannungsleiter, der mit Isolatoren an der Metallkapselung abgestützt ist. Die Metallkapselung ist hierbei mit einem inneren Korrossionsschutzüberzug versehen, der gleichzeitig Dichtfunktion übernimmt.

In der DE-AS 16 65 184 wird schließlich ein Hochspan­ nungskabel mit einem in einem mit Schaumstoff ausge­ füllten Isolierrohr angeordneten Leiter behandelt, der annähernd das gleiche Potential hat wie eine leitende Schicht an der Innenseite des Isolierrohres, wodurch die vom Leiter resultierende elektrische Feldstärke deutlich verringert wird.

In der DE-OS 31 51 406 ist eine Isolierstoffkapselung für Anlagenteile einer elektrischen Mittelspannungs­ schalt- und verteileranlage dargestellt, welche mit einem Isoliergas gefüllt und von einer dünnwandigen gasdicht verschlossenen Metallkapselung umgeben ist. Durch den Einsatz von Isolierstoff können die Anlagen­ teile noch kompakter gestaltet werden, ohne daß die elektrische Festigkeit der Isolation beeinträchtigt ist.

Bei allen behandelten und genannten Ausführungsformen stellt sich die Frage nach der Durchschlagfestigkeit, die von der gewählten Konstruktion und dem gewählten Dielektrikum abhängt. Insbesondere bei gasgefüllten Leitungsanordnungen spielt dies eine Rolle. Gerade die in der DE-AS 20 48 989 beschriebene Lehre stellt sich die Aufgabe, einen jahrelangen Betrieb der druckgasiso­ lierten Hochspannungsleitung ohne Wartung zu ermög­ lichen.

In der Praxis ergeben sich jedoch Probleme durch Schwund von Isoliergas infolge Gasverbrauch durch Lichtbogenab­ brand oder durch Leckageverluste. Dieser Schwund führt zu einer Veränderung des dielektrischen Verhaltens der Isoliergasfüllung und muß daher durch Nachfüllen von Isoliergas kompensiert werden.

Ein Verfahren zum Füllen von Hochspannungsleitungen mit einer einen Hochspannungsleiter umgebenden Metallkap­ selung, die nur mit unter Druck stehendem Isoliergas, insbesondere Schwefelhexafluorid (SF₆), gefüllt ist, ist aus der DE-AS 20 48 994 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren eignet sich ausschließlich nur für solche isoliergefüllte Anlagenteile, die nur eine metalli­ sche Kapselung aufweisen, da hier jeder Ort gleicher­ maßen bevorzugt Lichtbogenfußpunkt sein kann.

Die Anwendbarkeit auf Anordnungen gemäß der DE-OS 31 51 406 ist in keiner Weise gegeben, da bei derartig ge­ stalteten Anlageteilen, deren geerdete Metallkapselung auf der Innenoberfläche, d. h. zum stromführenden Leiter hin, vollständig mit Isolierstoff bedeckt ist, so daß jede Störung dieser Isolierschicht, die den Zugang zur Metallkapselung freigibt, zur Bildung von bevorzugten Lichtbogenfußpunkten führt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine elektrische Anlage der eingangs genannten Art eine einfache, betriebssichere Befüllvorrichtung zu schaffen, die die Entstehung eines Lichtbogenfußpunktes verhindert.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnen­ den Teil des Anspruchs 1 dergestalt, daß ein Füllkanal labyrinthartig durch die Feststoffisolierschicht geführt ist.

Wie bereits darauf hingewiesen, ergibt sich die Isolier­ wirkung der elektrischen Kapselung aus der Kombination von Isoliergas und Feststoffisolierschicht wobei bis Spannungen von etwa 30 KV die gewählte Feststoffisolier­ schicht ca. 50% der Isolierfestigkeit der drucklosen SF₆-Gasfüllung erreicht. Bei einem geradlinig in Rich­ tung der Feldlinien verlaufenden Füllkanal durch die Feststoffisolierschicht zur Metallkapselung besteht die unmittelbare Gefahr von Spannungsüberschlägen, da hier im wesentlichen nur das Isoliergas als Isolator wirkt, wobei dessen Isolierwirkung allein nicht ausreicht, um Lichtbögen zu unterdrücken. Um diese sicher auszu­ schließen, ist der Füllkanal erfindungsgemäß so gestal­ tet, daß die Ladungsträger nicht nach außen gelangen können, so daß ein Entstehen von Lichtbogen und/oder Spannungsdurchschlägen nicht möglich ist.

In einer konkreten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens tritt der Füllkanal radial von dem mit Isoliergas gefüllten Druckraum in die Feststoffisolierschicht ein und verläuft bei Erreichen eines Wendepunktes in axialer Richtung weiter. Dieser Wendepunkt ist so gewählt, daß zwischen dem axial verlaufenden Füllkanal und dem Druckraum eine ausreichend durchschlagfeste Isolierdicke vorhanden ist. An einem weiteren Wendepunkt wird der Füllkanal ebenfalls in axialer Richtung parallel zurück­ geführt und schließt ab einem dritten Wendepunkt radial nach außen verlaufend an die Metallkapselung an.

Am Auftreffpunkt des Füllkanals auf die Metallkapselung wird diese von einem Anschlußstutzen mit integriertem gasdichten Rückhalteventil durchdrungen, an das zum Zwecke der Befüllung mit Isoliergas eine entsprechende Befüllungseinrichtung angeschlossen werden kann. Grundsätzlich ist darauf zu achten, daß zwischen den elektrisch aktiven Bereichen (Druckraum, Füllkanäle, Metallkapselung) jeweils ausreichende Isolierdicke vorgesehen sind, wie bereits oben erläutert.

Die Länge des beschriebenen Füllkanals ist so gewählt, daß im bestimmungsgemäßen Betrieb auch bei Überspan­ nungen infolge Blitz- oder Schaltstoß etwaige Ladungs­ träger zur Übertragung eines Lichtbogens die als Erd­ leiter ausgebildete Metallkapselung nicht erreichen. Zur Herstellung des labyrinthartigen Verlaufs des Füllkanals ist ein Isolierrohr vorgesehen, das in der gewünschten Ausgestaltung des Verlaufs vorgeformt an die Metall­ kapselung isoliert angesetzt ist und anschließend von der Feststoffisolierschicht umschlossen wird.

Als Material für die Feststoffisolierschicht ist ein schäum-, gieß- oder spritzfähiger Werkstoff vorgesehen, z. B. Gießharz oder Polyurethan, der örtlich verarbeitbar auf die vormontierte Anordnung aufgebracht werden kann. Bei der Auswahl eines solchen Werkstoffes ist neben der erforderlichen Dielektrizitätskonstanten auch auf ausreichende Dicke des aufzubringenden Materials zu achten, um ausreichendes Volumen für die vorgesehene Kanalführung zur Verfügung zu haben.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es möglich, den Kanalverlauf so zu wählen, daß er strecken­ weise in radialer Richtung von innen nach außen ver­ läuft, wodurch etwaige Ladungsträger, die sich im Füllkanal befinden, in ihrer Bewegung zum Erdpotential durch die Kraft des radial nach außen wirkenden elek­ trischen Feldes des elektrischen Leiters gebremst werden. Allerdings setzt diese Lösungsvariante voraus, daß die Feststoffisolierschicht eine ausreichende Dicke aufweist, um die geometrischen Bedingungen bezüglich ausreichender Isolierdicke gegen Durchschlag sicherzu­ stellen.

Bei letztgenannter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann es zweckmäßig sein, am Ende des radial verlaufenden Eintritts des Füllkanals aus dem Druckraum in die Fest­ stoffisolierschicht nach Überschreiten des Wendepunktes, von dem aus der weitere Kanalverlauf nach innen gerich­ tet ist, ein Sackloch vorzusehen. Dieses Sackloch hat die Aufgabe, etwaige Ladungsträger zu sammeln, die sich unter der Kraft des elektrischen Feldes des elektrischen Leiters radial nach außen bewegen.

Abhängig vom Energieniveau, das die stromführenden Teile in der Kapselung führen, sowie auch von der Geometrie der Einfülleinrichtung kann es zweckmäßig sein, die Zahl der Hin- und Rückführungen des Füllkanals zu variieren. In jedem Falle ist jedoch darauf zu achten, daß die verbleibenden Restdicken der Feststoffisolierschicht, sei es zum Druckraum, sei es zur Metallkapselung, so bemessen sind, daß die Durchschlagfestigkeit in jedem Fall sichergestellt ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

An Hand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbei­ spiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie Einzelheiten der Erfindung näher er­ läutert und beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht (längs) durch eine erfin­ dungsgemäße Leitungsanordnung mit überwiegend axialem Verlauf des Füllkanals,

Fig. 2 eine Schnittansicht (längs) durch eine erfin­ dungsgemäße Leitungsanordnung mit überwiegend radialem Verlauf des Füllkanals und

Fig. 3 eine Schnittansicht (längs) durch eine Lei­ tungsanordnung gemäß Fig. 2 ergänzt um eine Falle für Ladungsträger,

Fig. 4 eine Schnittansicht (längs) durch eine erfin­ dungsgemäße Anordnung mit überwiegend axialem Verlauf des Füllkanals,

Fig. 5 eine Schnittansicht (von oben) der Anordnung gemäß Fig. 4.

In Fig. 1, ist eine Leitungsanordnung 10 dargestellt, bei der innerhalb einer rohrförmigen Metallkapselung 12 mit kreisrundem Querschnitt ein elektrischer Leiter 14 zentrisch angeordnet von einer Isoliergasatmosphäre in einem Druckraum 16 umgeben ist, der seinerseits von einer an der Innenoberfläche der Metallkapselung 12 aufgebrachten Feststoffisolierschicht 18 begrenzt ist. In dieser Feststoffisolierschicht 18 verläuft von einem Anschluß 21 mit Rückschlagventil 20 an der Metallkapse­ lung 12 aus radial nach innen ein Füllkanal 22, der sich nach ca. ¹/₃ Gesamtdicke der Feststoffisolierschicht an einem Wendepunkt 24 in axialer Richtung fortsetzt.

An einem weiteren Wendepunkt 25 nimmt sein Verlauf in etwa ²/₃ Gesamtdicke der Feststoffisolierschicht die entgegengesetzte Richtung, bis er nach etwa der zweifa­ chen Länge des vorherigen axialen Verlaufs an einem Wendepunkt 26 radial nach innen zum Druckraum verläuft.

Eine andere Möglichkeit, den Füllkanal 23 lichtbogenfuß­ punktfrei anzuordnen, ist in der Leitungsanordnung 11 gemäß Fig. 2 dargestellt. Der Aufbau der Leitungsanord­ nung ist nahezu identisch mit der in Fig. 1, lediglich die Feststoffisolierschicht 19 weist eine größere Dicke auf. Dies hat darin seinen Grund, daß im Gegensatz zur Ausführung gemäß Fig. 1 hier der Füllkanal 23 überwie­ gend radial verläuft. Ausgehend von einem Isoliergasan­ schluß 21 mit Rückschlagventil 20 an der Metallkapselung 12 verläuft der Füllkanal 23 auf ca. ²/₃ bis ³/₄ der Gesamtdicke der Feststoffisolierschicht 19 in radialer Richtung nach innen, bis er einen Wendepunkt 27 er­ reicht. Ab hier verläuft er in entgegengesetzter Rich­ tung bis zu einem weiteren Wendepunkt 29 bei ca. ¹/₄ bis ¹/₃ der Gesamtdicke der Feststoffisolierschicht radial nach außen. Am Wendepunkt 29 ändert der Füllkanal 23 erneut seine Richtung und erreicht wieder radial nach innen verlaufend den Druckraum 16.

In Fig. 3 ist schließlich eine besondere Ausgestaltung der Ausführung gemäß Fig. 2 dargestellt. Hierbei mündet der vom Druckraum 16 radial nach außen führende Füll­ kanal 23 nach Erreichen des Wendepunktes 29 in einen Sammelraum 28. Ansonsten ist der weitere Verlauf des Füllkanals 23 ab dem Wendepunkt 29 entsprechend der obigen Beschreibung.

In Fig. 4 ist eine ähnliche Anordnung des Füllkanals 22 wie in Fig. 1 dargestellt, jedoch ist hier der Füllkanal 22 nicht wie dort in Dickenrichtung der Feststoffiso­ lierschicht schleifenförmig ausgebildet, sondern die Schleifen sind in einer Ebene angeordnet, die parallel zur Oberfläche des Mantels 12 der Kapselung ist.

Aus Fig. 5, die einen Schnitt quer zu der in Fig. 4 gezeigten Ansicht darstellt, ist die räumliche Anordnung des Füllkanals 22 zu erkennen.

Die Wendepunkte 24, 25, 26 liegen auf der gleichen Ebene im mittleren Bereich der Feststoffisolierschicht 18 bezogen auf deren Dicke. An den Wendepunkten 14, 16 winkelt der Füllkanal jeweils ab zum Druckraum 16 bzw. zum Anschluß 21 am Mantel 12 der Kapselung, d. h., der Füllkanal 22 ändert an den Wendepunkten 24, 26 seine Richtung vom axialen in einen radialen Verlauf, während er an dem weiteren Wendepunkt 25 seine Richtung ledig­ lich umkehrt, sein Verlauf aber weiterhin axial ist. Wesentlich ist bei dieser Anordnung des Füllkanals 212 die geringe Ausdehnung in Dickenrichtung der Feststoff­ isolierschicht, so daß bereits bei aus dielektrischen Gründen nur geringen Dicken der Feststoffisolierschicht 18 die erfindungsgemäße Anordnung des Füllkanals 22 möglich ist, ohne daß die Isolierdicke aus den bereits angesprochenen Gründen der Durchschlagfestigkeit zum axial verlaufenden Füllkanal 22 erhöht werden muß.

Die besondere Anordnung des Füllkanals 22, 23 berück­ sichtigt den Effekt, daß ein Potentialunterschied zwischen dem elektrischen Leiter 14 und der geerdeten Metallkapselung 12 besteht. Diese Potentialdifferenz kann bei Fehlen ausreichender Isolation mittels geeig­ neter Dielektrika zu Entladungsvorgängen führen.

Diese Gefahr wird vergrößert, wenn zur Verstärkung der Isolationsfestigkeit der Anordnung feste nichtleitende Stoffe diskontinuierlich zum Einsatz kommen. Hierbei kann eine ausschließlich radial verlaufende, als Füll­ kanal 22, 23 dienende, die gesamte Feststoffisolations­ schicht 18, 19 durchdringende Öffnung die Entstehung elektrischer Entladungsvorgänge begünstigen.

Aus diesem Grunde ist die Streckenführung des Füllkanals 22, 23 so gewählt, daß die Bewegung von Ladungsträgern durch entsprechende Weglänge (Fig. 1) oder durch Ausnutzen des elektrischen Feldes (Fig. 2 und 3) behindert bzw. verhindert ist.

Gleichzeitig ist der Querschnitt des Füllkanals 22, 23 so zu optimieren, daß einerseits die Zufuhr des erforder­ lichen Volumens an Isoliergas gewährleistet ist und andererseits elektrische Entladungsvorgänge praktisch ausgeschlossen sind.

Im Falle Fig. 1 treten Ladungsträger vom Druckraum 16 aus unter der Wirkung des vom elektrischen Leiters 14 ausgehenden elektrischen Feldes in den Füllkanal 22 ein und bewegen sich durch nachdrängende Ladungsträger in den axial verlaufenden Teil des Füllkanals 22. Da aber auch hier ggf. das radial nach außen wirkende elek­ trische Feld eine gewisse Wirksamkeit hat, resultiert ein Kraftvektor, der den Ladungsträger schräg in die Feststoffisolationsschicht 18 drängt und nicht axial den Füllkanal entlang.

Der entsprechende Effekt wird in der Gestaltung gemäß Fig. 2 ausgenutzt. Hierbei sind die Ladungsträger, nachdem sie in den vom Druckraum 16 ausgehenden Füll­ kanal eingetreten sind und den Wendepunkt 29 erreicht haben, der ihrer Bewegungsrichtung entgegenwirkenden Kraft des vom elektrischen Leiter ausgehenden elek­ trischen Leiters ausgesetzt. Hierdurch wird ihre weitere Bewegung ebenfalls unterbunden, so daß auch in diesem Fall keine elektrischen Entladungsvorgänge stattfinden. In der Variante nach Fig. 3 ist eine Falle für Ladungs­ träger, die unter der Wirkung des elektrischen Feldes radial nach außen sich bewegen, vorgesehen in Form eines Sammelraums 28. Hierdurch kann der Effekt nach Fig. 2 aber auch nach Fig. 1 verstärkt werden.

Der Füllkanal 22, 23 einschließlich Sammelraum 28 wird so hergestellt, daß ein vorgeformtes Isolierrohr in die Feststoffisolierschicht eingegossen oder eingespritzt bzw. eingeschäumt wird als eine Art verlorene Form.

Claims (6)

1. Elektrische Mittel- oder Hochspannungsanlage mit Isoliergasatmosphäre in einem Druckraum, der vollständig von einem Feststoffisoliermaterial umschlossen ist und der auf seiner äußeren Oberfläche zumindest teilweise metallische Bereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befüllung des Druckraumes (16) mit Isoliergas ein Füllkanal (22, 23) vom Druckraum (16) labyrinthartig durch die Feststoffiso­ lierschicht (18) nach außen zu dem mit einem gasdichten Rückschlagventil (20) versehenen Anschluß (21) am Mantel (12) der Kapselung geführt ist.

2. Elektrische Mittelspannungs- oder Hochspannungs­ anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkanal (22) im mittleren Bereich der Feststoffiso­ lierschicht (18) in einer zur Oberfläche des Mantels (12) der Kapselung parallelen Ebene gerade oder schlei­ fenförmig mit wenigstens einem Wendepunkt (25) angeord­ net ist, wobei seine Enden von einem weiteren Wendepunkt (24, 26) jeweils radial nach innen zum Druckraum (16) bzw. nach außen zum Anschluß (21) am Mantel (12) der Kapselung geführt sind.

3. Elektrische Mittelspannungs- oder Hochspannungs­ anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkanal (23) in einer radial ausgerichteten Ebene vom Druckraum (16) innerhalb der Feststoffisolierschicht (19) schleifenförmig nach außen zum Anschluß (21) am Mantel (12) der Kapselung geführt ist, wobei sich seine Richtung an wenigstens zwei Wendepunkten (27, 29) jeweils umkehrt.

4. Elektrische Mittelspannungs- oder Hochspannungs­ anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (16) von einer auf ihrer Innenoberfläche eine Feststoffisolierschicht aufweisenden Metallkapselung umschlossen ist, in welche der Anschluß (21) eingesetzt ist.

5. Elektrische Mittelspannungs- oder Hochspannungs­ anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Füllkanal (22, 23) ein vorzugsweise verform­ bares Isolierrohr vorgesehen ist.

6. Elektrische Mittelspannungs- oder Hochspannungs­ anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkanal (22, 23) vorgeformt in seinem endgültigen Verlauf an die Metallkapselung (12) angesetzt ist.