DE3634946C2 - Anordnung zur Übertragung eines Hochspannungsgleichstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung eines Hochspannungsgleichstromes gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.

Aus der US-PS 4 142 230 ist der Aufbau von Stromrichtersta­ tionen für Hochspannungsgleichstrom-Übertragungsanlagen in SF₆-gekapselter Bauweise bekannt. Dabei werden die einzelnen Bauteile der Stromrichterstation durch Leiter verbunden, die sich in SF₆-isolierten Kanälen verlaufen.

Aus der US-PS 2 797 175 ist es bereits bekannt, Freiluftiso­ latoren zur Unterdrückung von Koronarentladungen und zur Beeinflussung der Spannungsverteilung die Oberfläche der Isolatoren mit einer halbleitenden Glasur zu überziehen, die ein Gemisch aus Eisenoxid, Chromoxid und Titanoxid enthält. Der Oberflächenwiderstand des Überzuges beträgt etwa 10⁶ bis 10⁷ OHM/.

Dadurch, daß ein Leiter mit einer geerdeten Hülle in der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art umgeben wird, wird verhindert, daß eine Durchführung für beispielsweise einen Transformator, an welchen der Leiter angeschlossen ist, Schmutzablagerungen und Feuchtigkeit ausgesetzt ist, durch welche Oberflächenüberschläge verursacht werden kön­ nen, wie dies bei einer Luftdurchführung der Fall ist. Die Verwendung von unter Druck stehendem SF₆, welches eine hohe dielektrische Festigkeit (Durchschlagsfestigkeit) hat, ge­ stattet es, eine Hülle mit relativ kleinen Abmessungen zu verwenden. Jedoch ist es bisher nichts möglich gewesen, die dielektrische Festigkeit des Gases voll auszunutzen, weil Feststoffisolatoren, welche den Leiter in der Hülle tragen, eine niedrigere dielektrische Festigkeit als das Gas haben, so daß diese Isolatoren die Abmessungen der Hülle bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der bei gegebener Spannung die Abmessungen der aus festem Stoff bestehenden Isolatoren in ihren Abmessungen beträchtlich verkleinert werden können, so daß folglich auch die von diesen Isolato­ ren getragene und den Leiter umgebende Hülle kleiner ausge­ führt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfin­ dungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ge­ nannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Gemäß der Erfindung wird eine Verkleinerung der Abmessungen der aus festem Stoff bestehenden Isolatoren dadurch er­ reicht, daß diese Isolatoren aus einem zentralen Körper aus Isoliermaterial und einem auf dem zentralen Körper aufge­ brachten Überzug aufgebaut sind, welcher aus einem Harzbin­ demittel besteht, welches pulverförmiges Füllmaterial aus Chromoxid oder Eisenoxid oder einer Mischung aus diesen Sub­ stanzen enthält. Diese Substanzen haben selbst einen hohen spezifischen Widerstand, d. h. sie haben eine geringe Eigen­ leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit beruht auf Elektronenlei­ tung. Ferner sind diese Substanzen sehr beständig, so daß keine Gefahr besteht, daß die Leitfähigkeit der Substanzen durch äußere Faktoren beeinflußt wird und die Leitfähigkeit des Überzuges aus diesem Grunde zu hoch wird, was dazu füh­ ren könnte, daß die isolierende Funktion des Isolators ge­ fährdet wird. Die Funktion des Isolators wäre auch dann nicht gefährdet, falls sich das Harzbindemittel verändern sollte und Bindemittelbarrieren zwischen Körnern des Füllma­ terials infolge der niedrigen Eigenleitfähigkeit des Füllma­ terials zusammenbrechen sollten.

Für den Überzug kann eine große Anzahl kommerziell erhältli­ cher Harzbindemittel verwendet werden. Als Beispiele für verwendbare Harzbindemittel können genannt werden Ep­ oxyharze, ölmodifizierte Alkydharze, Polyurethanharze, Poly­ amidharze, ungesättigte Polyesterharze, Silikonharze und Acrylharze.

Der Gehalt an Füllmaterial in dem Überzug beträgt zweckmäßi­ gerweise 5 bis 80% und vorzugsweise 10 bis 55% des Volu­ mens des Überzugs. Die Partikel des Füllmaterials, und zwar mindestens 90% von ihnen, haben zweckmäßigerweise eine Größe von 0(0,01)-200 Mikrometer und vorzugsweise eine Größe von 0(0,01)-100 Mikrometer. Besonders be­ vorzugt ist eine Größe der Partikel von 0(0,01)-20 Mikro­ meter. Die in Klammer angegebene Ziffer 0,01 gibt an, daß die Partikel eine tatsächliche Größe haben, also nicht infinitesimal klein sind. Die mittlere Partikelgröße beträgt zweckmäßigerweise 0,2-15 Mikrometer und vorzugsweise 0,3-10 Mikrometer. Besonders bevorzugt ist eine mitt­ lere Partikelgröße von 0,3-3 Mikrometer. Die Dicke des Überzugs beträgt zweckmäßigerweise 2-2000 Mikro­ meter und vorzugsweise 20-300 Mikrometer.

Zusätzlich zu dem genannten Füllmaterial kann das Harzbinde­ mittel beziehungsweise der Überzug im begrenzten Umfange an­ dere feste Partikel enthalten, deren Leitfähigkeit gegenüber der Leitfähigkeit des Füllmaterials vernachlässigbar ist, wie zum Beispiel Aluminiumoxid-, Quartz-, Dolomit-, Kreide- oder Glimmerpulver.

Der Überzug hat einen Oberflächenwiderstand von vorzugsweise 10¹²-10¹⁸ Ohm/ und einen besonders bevorzugten Oberflächen­ widerstand von 10¹³-10¹⁷ Ohm/ bei einer elektrischen Feldstärke von 1 kV/mm an der Oberfläche des Feststoffisola­ tors. Die Feldstärke ändert sich mit dem Ort auf der Ober­ fläche des Isolators in Abhängigkeit der geometrischen Form des Isolators, und über dem Hauptteil der Oberfläche liegt die Feldstärke unter Betriebsbedingungen im Bereich von 0,5 kV/mm-10 kV/mm.

Eine mögliche Erklärung des erreichten Effektes könnte die folgende sein: Wenn der Feststoffisolator mit Gleichstrom belastet wird, sammelt sich auf der Isolatoroberfläche eine unkontrollierbare Ladung an, die zu einer beträchtlichen Verzerrung des Feldverlaufes auch in dem Gas nahe der Isola­ toroberfläche führt. Dies kann zu derart hohen lokalen Feld­ stärken führen, daß die dielektrische Festigkeit des Gases überschritten und ein Oberflächenüberschlag ausgelöst wird. Durch die Aufbringung eines Überzugs gemäß der Erfindung kann auf der Isolatoroberfläche eine kontrollierte Stromver­ teilung erreicht werden, die ihrerseits eine Feldverteilung mit verminderten lokalen Feldstärkeüberhöhungen bewirkt. Um dies zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Überzug eine nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristik hat.

Der zentrale Körper des Feststoffisolators kann aus Porzel­ lan oder anderem keramischen Material oder aus Kunststoff bestehen, vorzugsweise aus ausgehärtetem gegossenem Kunst­ harz, wie zum Beispiel einem Epoxyharz, einem ungesättigten Polyesterharz, einem Acrylharz oder einem Polyurethanharz, welchem ein Füllmaterial beigefügt ist, das beispielsweise aus Aluminiumoxid-, Quartz-, Dolomit-, Kreide- oder Glimmer­ pulver besteht. Der Gehalt an Füllmaterial beträgt zweck­ mäßigerweise 5-65% und vorzugsweise 25-55% des Gesamt­ volumens aus Harz und Füllmaterial. Das Füllmaterial hat zweckmäßigerweise eine Partikelgröße von 0(0,01)-100 Mi­ krometer mit einer mittleren Partikelgröße von 2-15 Mikrometer.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung naher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung in Ansicht von oben, die Leiter­ verbindungen zeigt zwischen Transformatoren und Stromrichterventileinheiten in einer Stromrichter­ station einer Hochspannungsgleichstromübertragungs­ anlage,

Fig. 2 schematisch die Anordnung gemäß Fig. 1 in Richtung der Pfeile P-P in Fig. 1,

Fig. 3 schematisch die Anordnung gemäß Fig. 1 in Richtung der Pfeile P₁-P₁ in Fig. 1,

Fig. 4 eine Verbindungsleitung in der Anordnung nach den Fig. 1 bis 3 im Längsschnitt.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen schematisch eine Stromrichterven­ tileinheit V1, V2, V3 und die Stromrichtertransformatoren A und B in einer Stromrichterstation in einer Hochspannungs­ gleichstromübertragungsanlage. Die beiden Transformatoren sind außerhalb der Halle H angeordnet, in der die Ventile untergebracht sind. Der Transformator A ist in Stern/Stern geschaltet und der Transformator B ist in Stern/Dreieck ge­ schaltet. Die nicht dargestellten Hauptwicklungsanschlüsse der Transformatoren sind an ein dreiphasiges Wechsel­ stromnetz angeschlossen. Die Stromrichterwicklungen des Transformators A haben Anschlußklemmen A1, A2, A3 und die Stromrichterwicklungen des Transformators B haben An­ schlußklemmen B1, B2, B3.

Jede der drei Ventileinheiten V1-V3, die in der Ventil­ halle H untergebracht sind, sind sogenannte Vierfachtypen und umfassen vier elektrisch in Reihe geschaltete Ventile, von denen jedes aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Thyristoren oder Dioden besteht. Die beiden bodennahen Ven­ tile in den drei Ventileinheiten bilden zusammen eine erste dreiphasige Stromrichterbrücke mit der Pulszahl 6, deren Wechselstromanschlüsse an die Anschlüsse A1, A2, A3 des Transformators A mittels der Anschlußleitungen L_A1, L_A2, L_A3 angeschlossen sind. Die beiden oben gelegenen Ventile in den drei Ventileinheiten bilden zusammen eine zweite dreiphasige Stromrichterbrücke mit der Pulszahl 6, deren Wechselstroman­ schlüsse an die Anschlüsse B1, B2, B3 des Transformators B mittels der Anschlußleitungen L_B1, L_B2, L_B3 angeschlossen sind.

Aufbau und Arbeitsweise einer Stromrichterstation der oben beschriebenen Art ist bestens bekannt, beispielsweise aus dem Buch von Erich Uhlmann: "Power Transmission by Direct Current", Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1975, und zwar beispielsweise aus den darin enthaltenen Fig. 2,7, 6,7 und 21,2 mit zugehörigem Text.

Die Verbindungsleitungen L_A1, L_A2, L_A3, L_B1, L_B2, L_B3 stehen unter Gleichspannung und sind als gasisolierte Leitungen ausgeführt, die SF₆ mit einem Druck von 3,5-5,5 Atmosphä­ ren enthalten.

Die Leiter in den Verbindungsleitungen werden von Feststoff­ isolatoren getragen, was anhand von Fig. 4 näher beschrie­ ben wird. Fig. 4 zeigt eine mit L bezeichnete Verbindungs­ leitung. Zu dieser gehört ein Leiter 10 und eine geerdete Hülle 11 in Form eines Rohres, welches den Leiter 10 umgibt. In dem gezeigten Teil der Verbindungsleitung liegen zwei Hüllenteile 11a und 11b mit ihren Stirnflächen entweder di­ rekt oder über die äußeren Flansche des Festisolierkörpers 13 aneinander an. Längs des größten Teils seiner axialen Er­ streckung ist der Leiter 10 gegenüber der Hülle 11 durch in dem Raum 12 vorhandenes, unter Druck stehendes SF₆ isoliert, und längs eines Teils seiner axialen Erstreckung ist der Leiter 10 gegenüber der Hülle 11 mittels eines oder mehrerer Feststoffisolator/en 13 isoliert, der/die zwischen dem Lei­ ter 10 und der Hülle 11 angeordnet ist/sind. Der Isolator 13 ist dichtend mittels eines Ringes 14 in der Hülle 13 befe­ stigt und trägt den Leiter 10 in einem zentralen Loch 15. Der Isolator 13 besteht aus einem inneren Körper 13a aus Isoliermaterial und einem Überzug 13b, der auf der freien Oberfläche des inneren Körpers 13a aufgebracht ist. Der Überzug besteht aus einem unten erläuterten Material, wel­ ches einen Oberflächenwiderstand von 10¹⁵ Ohm/ bei einer Spannung am Leiter 10 von 300 kV haben kann, was in dem ge­ zeigten Beispiel eine mittlere elektrische Feldstärke von 1 kV/mm an dem überwiegenden Teil der Oberfläche des Isolators 13 ergibt.

Der innere Körper 13a des Feststoffisolators 13 kann gemäß einer Ausführungsform aus einem Harz hergestellt sein, wel­ ches besteht aus 100 Teilen eines Epoxyharzes aus Bisphenol vom A-Typ und 5,15-5,5 Mol Epoxygruppen pro kg enthält (zum Beispiel CY 205 von der Firma Ciba Geigy, Schweiz), 80 Teilen Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid und 1 Teil Ben­ zyldimethylamin, welchem Aluminiumoxidpulver mit einer Korn­ größe von 0(0,01)-100 Mikrometer und einer mittleren Korngröße von 15 Mikrometer zugegeben ist, so daß der Gehalt an Aluminiumoxid 35 Volumenprozent des so zusammenge­ setzten Produktes beträgt. In dem vorhergehenden Satz und in der weiteren Beschreibung bezieht sich das Wort "Teile" auf Gewichtsteile. Das Aushärten des Harzes kann durch Gelbil­ dung bei einer Temperatur von 150°C während einer Dauer von 45 Minuten und einem Nachaushärten bei einer Temperatur von 130°C während einer Dauer von 10 Minuten durchgeführt wer­ den.

Anstelle eines Epoxyharzes kann unter anderem ein Acrylharz verwendet werden, welches hergestellt ist aus 100 Teilen ei­ nes Decylmethacrylats, 5 Teilen eines 1-4 Butandioldimeth­ acrylats und 1 Teil eines Benzoylperoxids, welches drei Stunden lang bei 50°C ausgehärtet werden kann, oder ein un­ gesättigtes Polyesterharz, welches aus einem Reaktionspro­ dukt von einem Mol Isophthalsäure, 0,5 Mol Adipinsäure, 0,5 Mol Maleinsäure und 2,2 Mol Propylenglykol besteht, welchem 30 Gewichtsprozent Styrol und 1 Gewichtsprozent Benzoylper­ oxid beigegeben sind. Das Harz kann drei Stunden bei 130°C ausgehärtet werden.

Der Überzug 13b auf dem inneren Körper 13a kann mittels ei­ nes an Luft trocknenden Alkyds aufgebracht werden (zum Bei­ spiel SOALKYD 3046 von der Firma AB SOAB, Schweden), welches in Xylol gelöst ist und 30 Volumenprozent Chromoxid, bezogen auf das Alkyd ohne Lösungsmittel, enthält mit einer Größe der Chromoxidkörner zwischen <0,2 Mikrometer und 13 Mikrometer hat und eine mittlere Korngröße von 1,2 Mi­ krometer. Der Überzug wird in einer Dicke von etwa 80 Mikrometer aufgebracht.

Anstelle eines an Luft trocknenden Alkyds kann unter anderem ein Bindemittel verwendet werden, welches besteht aus 100 Teilen eines Epoxyharzes aus Biphenol vom A-Typ und welches 5,15-5,5 Mol Epoxygruppen pro kg enthält (zum Beispiel Epikote 828 von Fa. Shell, Holland), und 50 Teilen eines Härters aus Aminoamid mit einem Aminwert von 400-460 mg KOH/g, welches in gleichen Teilen von Xylen und Butanol ge­ lost ist, oder ein Bindemittel in Form eines Polyurethan­ harzes, welches aus 100 Teilen einer Hydroxylverbindung (zum Beispiel Desmofen 160 von Bayer AG, Bundesrepublik Deutsch­ land) und 21 Teilen Isocyanat (zum Beispiel Desmodur N 75 von Bayer AG) besteht, das in Ethylglykolazetat gelöst ist.

Anstelle von Chromoxid kann in dem oben als Beispiel genann­ ten Fall ein gleich großer Volumenprozentsatz von Eisenoxid mit gleicher Korngröße verwendet werden oder ein Gemisch aus 15 Volumenprozent Chromoxid und 15 Volumenprozent Eisenoxid, wobei beide Oxide die oben genannten Korngrößen haben.

Claims (9)

1. Anordnung zur Übertragung eines Hochspannungsgleichstro­ mes, zu welcher ein von der Spannung direkt beaufschlagter Leiter (10) gehört, der gegenüber einer ihn umgebenden geer­ deten Hülle (11) durch unter Druck stehendem Schwefelhe­ xafluoridgas (SF₆) isoliert ist und längs eines Teils seiner axialen Erstreckung durch mindestens einen Feststoffisolator (13) isoliert ist, der mit dem Gas in Kontakt steht und zwi­ schen dem Leiter (10) und der Hülle (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Feststoffisolator (13) aus einem inneren Körper (13a) aus Isoliermaterial und einem darauf angebrachten Überzug (13b) besteht,
• - daß der Überzug (13b) aus einem Harzbindemittel besteht, welches ein pulverförmiges Füllmaterial in Form von Chromoxid oder Eisenoxid oder einer Mischung dieser beiden Oxide enthält,
• - daß der spezifische Widerstand des Überzugs (13b) span­ nungsabhängig ist und
• - daß der Oberflächenwiderstand des Überzugs (13b) bei einer Feldstärke von 1 kV/mm an der Oberfläche des Feststoff­ isolators (13) 10¹³ bis 10¹⁸ Ohm/, vorzugsweise 10¹³ bis 10¹⁷ Ohm/, beträgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gehalt an Füllmaterial in dem Über­ zug (13b) 5-80 Volumenprozent des Überzugs beträgt.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Füllmaterial in dem Überzug (13b) 10-55 Volumenprozent des Überzugs beträgt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllma­ terial eine Partikelgröße von 0,01-100 Mikrometer hat.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (13b) eine Dicke von 20-300 Mikrometer hat.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trische Feldstärke an dem Hauptteil der Oberfläche des Fest­ stoffisolators (13) unter Betriebsbedingungen zwischen 0,5-10 kV/mm beträgt.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der innere Körper (13a) aus einem Kunststoff besteht, dem vorzugsweise pulverförmiges Füllmaterial beigegeben ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß im Überzug zu­ sätzlich zu dem genannten Füllmaterial im begrenzten Umfange andere feste Partikel vorhanden sind, deren Leitfähigkeit gegenüber der Leitfähigkeit des Füllmaterials vernach­ lässigbar ist, wie zum Beispiel Aluminiumoxid-, Quartz-, Do­ lomit-, Kreide- oder Glimmerpulver.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anord­ nung als Leiter für die Verbindungsleitungen (L, L_A1, L_A2, L_A3, L_B1, L_B2, L_B3) zwischen einem Transformator (A, B) und einer Stromrichterventileinheit (V1, V2, V3) in einer Strom­ richterstation einer Hochspannungsgleichstromübertragungs­ anlage dient.