DE3709544A1 - Isolier- und stuetzvorrichtung fuer einen elektrischen leiter in einem geschlossenen und gasdichten schaltkasten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Isolier- und Stützvorrichtung für einen elektrischen Leiter in einem gasdichten Schaltkasten, insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer verbesserten Isolier- und Stützvorrichtung in einem geschlossenen Schaltkasten, der gasdicht mit einem Isoliergas gefüllt ist und ein geerdetes, kastenartiges Gehäuse aufweist, dessen Innenraum durch eine oder mehrere Trennplatten oder Trennwände in voneinander abgesonderte Kammern unterteilt ist, wobei die Trennwände Durchgangsöffnungen zum isolierten Hindurchführen von Leitern von einer zur anderen Kammer aufweisen.

Allgemein gesprochen, weist ein geschlossener Schaltkasten nach dem Stand der Technik ein geerdetes, kastenartiges Gehäuse auf, in welchem Abschalter, Trennschalter, Leitungsschienen, Verbindungsleiter und dergleichen untergebracht sind, wobei jeder Schaltkreis von den anderen Schaltkreisen durch eine geerdete Trennwand oder Trennplatte abgeteilt ist. Ein isolierendes gasförmiges Medium, vorzugsweise SF₆ ist abgedichtet in dem Gehäusekasten untergebracht, zwar aus Gründen einer Verminderung der Gesamtgröße, der Wartung und des vereinfachten Zugangs.

Zum Zweck der Herstellung einer elektrischen Verbindung unter den elektrischen Komponenten sind Verbindungsleiter in den Kammern des abgedichteten Schaltkastens vorgesehen, wobei Teile dieser Verbindungsleiter mit abgedichteten Isolierspalten durch eine oder mehrere Durchgangsöffnungen hindurchgeführt sind, welche sich in den Trennplatten befinden. In dem Bereich der Durchgangsöffnungen sind isolierende Stützvorrichtungen vorgesehen bzw. angebracht. Zwischen dem Umfang jeder Durchgangsöffnung durch die Trennwand und dem die Öffnung durchsetzenden Leiter befindet sich ein Isolierspalt genügender Größe, wobei der Querschnitt der die Öffnung begrenzenden Umfangs-Randfläche in Richtung nach innen abgerundet ist, vorzugsweise in Form eines Halbkreises, um so eine Dekonzentration der ansonsten sehr konzentrierten elektrischen Kraftlinien zu erreichen.

Der isolierende Stützkörper weist eine Sitzfläche auf, die unter Druck auf einer Sitzfläche der Trennplatte aufliegt, wobei im zusammengebauten Zustand zwischen den beiden Sitzflächen noch Dichtungselemente vorgesehen sind.

Es hat sich gezeigt, daß sich ein sehr scharfer, keilförmiger Spalt, gesehen im Querschnitt, zwischen der halbkreisförmigen Randfläche der Durchgangsöffnung der Trennplatte und der Sitzfläche des isolierenden Stützkörpers bildet, wodurch eine starke Konzentration der entsprechenden elektrischen Kraftlinien auftritt, in anderen Worten, es erfolgt eine starke Konzentration des entsprechenden Bereichs des elektrischen Feldes. Genauer gesagt, es tritt eine charakteristische Singularität in der Feldintensität an der Berührungslinie zwischen dem zugehörigen Isolator als ganzes und der Elektrode auf, und die Feldintensität ändert sich beträchtlich, und zwar abhängig von dem Winkel der Berührung zwischen Isolator und Elektrode, wobei in der Beschreibung und in den Ansprüchen dieser Winkel stets als "Berührungswinkel" bezeichnet wird. Wird die Intensität des elektrischen Feldes mit E bezeichnet, dann ergibt sich folgende Gleichung

E = kl ^m

wobei k eine Konstante ist, die von der Gestalt der entsprechenden Teile abhängt, l die Entfernung vom Berührungspunkt bzw. der Berührungslinie ist.

Wenn der Berührungswinkel R kleiner ist als 90°, dann wird die Konstante m negativ und die elektrische Feldintensität wird unendlich groß, während die entsprechende Durchbruchspannung theoretisch zu null wird, weil sich die Spannung umgekehrt proportional zur Feldintensität ändert.

Wird ein Verbindungsisolator mit einer geerdeten Trennplatte in Berührung gebracht, die einen abgerundeten Rand an einem Ende aufweist, dann wird die elektrische Feldintensität an dieser Stelle äußerst groß und - umgekehrt - die Durchbruchspannung sehr klein.

Wenn mann als Gegenmaßnahme die Isolationsstrecke vergrößert und/oder den Radius der Krümmung am abgerundeten Begrenzungsrand der Durchgangsöffnung der Trennplatte für den Durchgang des Leiters, dann wird die Gesamtgröße des Schaltkastens beträchtlich größer, was beim Stand der Technik ein schwerwiegendes Problem darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Schaffung eines gasdicht geschlossenen Schaltkastens, bei dem die geerdete Trennwand oder Trennplatte mit zumindest einem eingesetzten Isolier- und Stützkörper versehen ist, wobei Vorkehrungen zur Dekonzentration örtlich konzentrierter und hoher Feldintensitäten vorgesehen sind, die am Berührungspunkt bzw. der Berührungslinie zwischen der geerdeten Trennplatte und dem Isolier- und Stützkörper vorgesehen sind, die wirkungsvoll sind und trotzdem einer Verkleinerung des Schaltkastens nicht entgegenstehen. Dabei ist die Trennwand mit zumindest einer Öffnung zum Hindurchführen eines Leiters versehen, wobei die Öffnung ausreichende Größe besitzt. Die Öffnung wird durch einen Umfangsrand begrenzt, der einen gerundeten und nach innen gerichteten Querschnitt besitzt. Ein Isolator für den Leiter und ein Stützkörper ist lösbar an der Trennplatte bzw. Trennwand angebracht und dadurch gekennzeichnet, daß der Körper an seiner Sitzfläche mit zumindest einer bogenförmigen, vorzugsweise kreisförmigen Ausnehmung vorgegebener Tiefe versehen ist. Der sich dabei bildende Berührungswinkel an der Führungs-Randkante der die Ausnehmung begrenzenden Umfangswand zwischen der Trennplatte und dem Isolier- und Stützkörper beträgt dabei etwa 90° oder mehr.

Die erwähnte Tiefe der Ausnehmung liegt bei etwa 3 mm oder mehr.

Die Führungs-Randkante der Umfangswand der Ausnehmung wird in Ausfluchtung mit dem Außenende des abgerundeten Begrenzungsrandes der Trennplatte gehalten.

Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen üblichen gasdicht geschlossenen Schaltkasten, in welchem der Isolier- und Stützkörper nach der Erfindung unterbringbar ist, und zwar an der mit "A" bezeichneten Stelle,

Fig. 2 eine Isolier- und Stützvorrichtung nach der Erfindung, wie sie an der Stelle "A" von Fig. 1 verwendbar ist,

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch einen Teil der Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der elektrischen Feldintensität E, aufgetragen über den Isolierspalt,

Fig. 5 ein Schema einer parallelen Plattenelektrode,

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, darstellend jedoch eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein geschlossener Metallkasten bezeichnet, dessen Innenraum in zwei Kammern unterteilt ist, nämlich eine Abschaltkammer 2 und eine Trennschaltkammer 3, die voneinander durch eine Trennplatte 4 abgeteilt sind. Diese Kammern 2 und 3 sind mit einem isolierenden Gas gefüllt, vorzugsweise mit SF₆.

In der ersten Kammer 2 befindet sich ein Abschalter 5, während in der zweiten Kammer 3 Trennschalter 6 und 7 vorgesehen sind.

Mit 8 ist ein Tragkörper bezeichnet, der über Isolatoren 9 Sammelschienen 10 trägt, die über Verbinder 11 mit dem Trennschalter 6 verbunden sind, während der andere Trennschalter 7 über Verbinder 13 mit einem Kabelkopf 12 verbunden ist.

Der Abschalter 5 ist mit den Trennschaltern 6 und 7 über entsprechende Verbindungsleiter 15 verbunden, die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet sind. Diese Verbindungsleiter 15 durchsetzen Durchlaßöffnungen 16, die in die Trennplatte 4 eingeformt sind, wobei in jede diese Öffnungen ein isolierender Stützkörper 14 eingepasst ist.

Die Verbesserung gemäß vorliegender Erfindung betrifft nun eine isolierende Stützkonstruktion, die an und zwischen dem isolierenden Stützkörper und der Trennplatte angeordnet ist, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben wird, die zunächst auf Fig. 6 Bezug nimmt, welche eine übliche isolierende Stützkonstruktion zeigt.

Gemäß Fig. 6 weist die Trennwand 4 eine Durchlaßöffnung 16 auf, durch welche der Verbindungsleiter 15 hindurchgeführt ist, wie bereits oben erwähnt wurde. Ersichtlichermaßen wird der Umfang der Öffnung 16 durch den nach innen vorstehenden, im Querschnitt halbkreisförmigen Rand 17 der Trennplatte 4 begrenzt, und zwar zum Zweck einer Dekonzentration eines starken elektrischen Feldes, das ansonsten in dem betreffenden Raum herrschen würde, wenn die Vorrichtung in Betrieb ist, wie später noch im einzelnen erläutert werden wird.

Ein isolierender Stützkörper 14, vorzugsweise aus Epoxyharz, ist mit einer exakt geglätteten Sitzfläche 14 a versehen, um so eine dichte Berührung mit der zugekehrten Oberfläche der Trennplatte 4 zu gewährleisten, und zwar nachdem eine Mehrzahl von Befestigungsbolzen 19 angezogen worden ist. Zwischen den beiden sich berührenden Oberflächen ist eine ein Gasleck verhindernde Dichtung vorgesehen, vorzugsweise ein Dichtungsring 18. Bei der dargestellten und beschriebenen üblichen isolierenden Stützanordnung ist der Berührungswinkel R zwischen der Sitzfläche 14 a des isolierenden Stützkörpers 14 und dem die Durchlaßöffnung 16 begrenzenden Umfangsrand der Trennplatte 4 kleiner als 90° und der an der Verbindungsstelle zwischen dem abgerundeten Rand und der verbleibenden ebenen Oberfläche der Platte 4 gemessene Berührungswinkel ist null, mit der Folge, daß die Intensität des entsprechenden elektrischen Feldes unendlich groß wird und somit die haltbare Spannung entsprechend abnimmt. In diesem Fall muß deshalb die Länge "l" der Isolierstrecke auf einem entsprechend hohen Wert gehalten werden, und der Krümmungsradius des abgerundeten Randes muß groß sein, womit die Gesamtgröße der Vorrichtung notwendigerweise ansteigt, und zwar verbunden mit einer beträchtlichen Kostenerhöhung, was einen beträchtlichen Nachteil der vorbekannten Anordnung darstellt.

Mit der Erfindung ist es nun möglich, diesen Nachteil zu vermeiden, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ergibt, das in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel bezeichnet das Bezugszeichen 20 einen verbesserten Isolier-Stützkörper, der vorzugsweise - wie bisher - aus Epoxyharz gefertigt ist und der aus einer Nabe 21 und einem Befestigungsflansch 22 mit Sitzfläche 23 besteht. Der Leiter 15 durchdringt axial den Körper 20, wie bei der bekannten Ausführungsform. Im zusammengebauten Zustand wird die Sitzfläche 23 durch eine Mehrzahl von Befestigungsbolzen 19 in innigem Kontakt mit der gegenüberliegenden Oberfläche 4 a gehalten. Die Sitzfläche 23 ist mit einer kreisförmigen Ausnehmung 24 versehen, die durch eine Umfangswand 25 begrenzt wird und deren Tiefe mit "G" bezeichnet ist. Im zusammengebauten Zustand befindet sich die Außenkante 25 a der Umfangswand 25 an der Verbindungsstelle zwischen dem die Durchgangsöffnung 16 begrenzenden, abgerundeten Umfangsrand 17 und der Sitzfläche 4 a der Trennplatte 4. Der Berührungswinkel R, gemessen an der erwähnten Verbindungsstelle, beträgt somit 90°, wie sich aus Fig. 3 deutlich ergibt.

Die Bodenfläche 27 der Ausnehmung verläuft parallel zur Anlagefläche 4 a der Trennplatte 4, mit der Folge, daß die Tiefe der Ausnehmung 24 der Spaltgröße G zwischen der Trennplatte 4 und der Bodenplatte 27 entspricht. Durch geeignete Wahl des Wertes der Spaltgröße G kann somit die Dichte E des elektrischen Feldes beträchtlich vermindert und somit die Durchschlagsspannung beträchtlich verbessert werden.

Fig. 4 zeigt eine Kennlinie der Intensität E des elektrischen Feldes, und zwar aufgetragen über dem Spalt G, wobei sich diese Kurve aus praktischen Versuchen ergeben hat. Zuerst wurde die Kurve C aufgetragen, und zwar auf der Grundlage eines Versuchsmodells, entsprechend der Ausführungsform von Fig. 3. Der Krümmungsradius des abgerundeten Umfangsrandes 17 betrug dabei 15 mm. Zwischen der Hochspannungselektrode 15 und dem isolierenden Stützkörper 20, dessen spezifische Dielektrizitäts-Konstante ε=5 betrug, wurde der Spalt G zwischen 0 und 10 mm verändert. Die entsprechende elektrische Felddichte wurde gemessen und aufgetragen. Wie sich aus Fig. 4 ergibt, nimmt die Dichte E ziemlich schnell bis zum Punkt G=3 mm ab, worauf dann im Bereich von G größer als 3 mm die Dichte nur noch langsam bzw. im wesentlichen linear abnimmt. Die zweite Kurve D von Fig. 4 stellt die Veränderung der elektrischen Dichte dar, wie sie durch einen Potentialteiler eines zweischichtigen dielektrischen Körpers in der aus parallelen Platten bestehenden Anordnung von Fig. 5 bestimmt wird. In Fig. 5 repräsentiert A′ einen Isolator, B eine SF₆-Gasatmosphäre, ε _d die spezifische Dielektrizitäts-Konstante des Isolators A′ und ε _g die spezifische Intensität des dielektrischen Feldes der SF₆-Gasatmoshäre. Damit gilt dann

ε _d  < ε _g

In Fig. 4 nähern sich die Kurven C und D an einen Punkt G=3 mm an und nehmen dann im Bereich G<3 mm gemeinsam linear ab. Im Anfangsbereich, wo also G kleiner als 3 mm ist, wird die Dichte am Spalt zwischen isolierendem Stützkörper und Trennplatte größer sein als durch den Teilspannungskreis für parallele Elektroden gegeben ist. Somit liegt also in dem betreffenden elektrischen Feld eine charakteristische Singularität vor.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das Diagramm von Fig. 4 auf der Grundlage von einer Nennspannung von 77 kv erstellt wurde. Wenn die Nennspannung schwankt, dann wird auch die optimale Spalttiefe G Schwankungen um den Wert 3 mm als Mittelpunkt unterworfen, und zwar in einem bestimmten Ausmaß. Beispielsweise wird mit einem Anstieg der Nennspannung die Kriechstrecke l größer, mit der Folge einer entsprechenden Vergrößerung des Minimalwertes desjenigen Spalt G, der für das Auftreten der Singularität des elektrischen Feldes notwendig ist, und zwar relativ zum kritischen Wert 3 mm. Der Grund dafür ist, daß die kritische Länge bzw. Tiefe des Spalts G, welche zu der Feld-Singularität Singularität führt, sich in einer funktionellen Beziehung mit der Kriechstrecke l ändert. Es ist darauf hinzuweisen, daß dabei die funktionelle Beziehung nicht proportional ist.

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß mit einer Änderung der spezifischen Induktivität der kritische Spalt G ebenfalls einer Änderung unterworfen ist. Genauer gesagt, mit einem Anstieg der spezifischen Induktivität wird die auf die spezifische Induktivität des Isoliergases einwirkende Teilspannung größer, womit auch die Felddichte in einen höheren Bereich gelangt. In diesem Fall wird der Spalt G größer als 3 mm. Bei der praktischen Ausführung der Erfindung ist es deshalb wichtig, den Spalt G in einen solchen Bereich zu legen, daß das Nichtauftreten irgendeiner Feld-Singularität gesichert ist.

Claims (4)

1. Isolier- und Stützvorrichtung für einen elektrischen Leiter in einem geschlossenen und gasdichten Schaltkasten, der ein geschlossenes und gasdichtes Kastengehäuse aufweist, dessen Innenraum in eine Mehrzahl von Kammern mittels zumindest einer geerdeten Trennplatte unterteilt ist, die mit einer Durchgangsöffnung versehen ist, wobei die Durchgangsöffnung einen Umfangsrand mit abgerundetem und nach innen vorstehendem Querschnitt aufweist und wobei ein den Verbindungsleiter haltender Stützkörper an der Trennplatte angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Aufsitzfläche (23) des isolierenden Stützkörpers (20) eine bogenförmige, vorzugsweise kreisförmige Ausnehmung (24) vorgegebener Tiefe eingeformt ist und daß der Berührungswinkel ( R ) zwischen der Trennplatte (4) und dem isolierenden Stützkörper (20), gemessen an der Berührungslinie (25 a), die mit der Führungskante der Umfangswand (25) der Ausnehmung (24) zusammenfällt, zumindest 90° beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Tiefe der Ausnehmung (24) größer ist als diejenige, an welcher ein spezifischer Kennwert (Singularität) der Felddichte auftritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Tiefe der Ausnehmung (24) größer als 3 mm ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskante der Umfangswand der Ausnehmung (24) in Ausfluchtung mit dem Fußende des abgerundeten Randvorsprungs der Trennwand gehalten ist.