DE3738065C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gekapselte gasisolierte Dreiphasen-Schaltanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-AS 15 40 618 ist eine gasisolierte gekapselte Hochspannungsschaltanlage bekannt, bei der in einem zylin­ drischen Rohr drei gegeneinander isolierte Leiter vorgesehen sind. Letztere werden von an der Rohrinnenwand angeordneten und einwärts ragenden Stützisolatoren getragen. Die Anord­ nung der Leiter gegeneinander ist derart, daß sie durch die Ecken eines quer zur Längsrichtung der Leiter angeordneten gleichschenkligen Dreiecks verlaufen. Die Stützisolatoren sind gegenüber der Rohrinnenwand jeweils unterschiedlich ab­ gewinkelt. Der Grad der Abwinkelung ist aus der Fig. 2 er­ sichtlich. Danach sind die Stützisolatoren im Bereich der spitzen Winkel des Dreiecks fast parallel zum Stützisolator im rechten Winkel des Dreiecks ausgerichtet. Dies soll eine größere Festigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen aufgrund von großen Strömen in zwei jeweils benachbarten Leitern be­ wirken. Dabei sind ausschließlich die Ströme, damit auch die Stromkräfte, in den einzelnen Leitern berücksichtigt.

In der DE-DS "etz-Archiv, 1986, Seiten 99-105" wird eine Be­ rechnung von Verlustleistungen in ferromagnetischen Mänteln von Dreileiter-Kapselungen angegeben. Irgendwelche Hinweise auf auftretende Kräfte im Falle eines Kurzschlusses oder die daraus resultierenden Biegemomente in Stützisolatoren ent­ hält diese Veröffentlichung nicht.

Die US-DS "IEEE Trans. on PAS, Vol. PAS-99, No. 3, 1980, Seiten 947-954" befaßt sich mit der Auslegung dreiphasiger gekapselter Schaltanlagen. Abb. 10 in Verbindung mit dem Text auf Seite 951, rechte Spalte oben, befaßt sich mit der mechanischen Beanspruchung der Leiter und der dazugehörigen Abstandhalter im Falle eines Kurzschlusses. In der genannten Textstelle wird ausgeführt, daß die auf die Leiter wirkenden Kräfte nach einem bestimmten Verfahren, und zwar unter Hin­ weis auf eine weitere Literaturstelle, berechnet werden. Die graphische Darstellung der Kräfte ihrem Betrag und ihrer Richtung nach ist somit das Ergebnis einer theoretischen Be­ rechnung. Darüber hinaus ist der Abb. 10 zu entnehmen, daß zwar die Richtung der auf einen Leiter wirkenden Kraft in gewissen Grenzen schwanken kann. Gleichwohl weist jeder zu einem Leiter gehörende Kraftverlauf nur ein Maximum auf, welches außerdem sehr ausgeprägt ist.

Schließlich sei noch auf den Stand der Technik gemäß dem JP-GM 55-98 117 hingewiesen, der nachstehend anhand der Fig. 6 und 7 näher erläutert wird.

Bei dieser bekannten Ausführungsform sind drei Hochspan­ nungsleiter 2 in einem Metallbehälter 1 enthalten, und der Metallbehälter 1 ist mit einem Isolierglas 3 gefüllt. Die Hochspannungsleiter 2 sind von Einfachsockel-Stützisolatoren 4 isolierend abgestützt.

Wie die Fig. 6 und 7 zeigen, sind die Hochspannungsleiter 2 parallel so angeordnet, daß sie durch die Spitze eines gleichseitigen rechtwinkligen Dreiecks verlaufen, und die Hochspannungsleiter sind von den Einfachsockel-Stützisolato­ ren 4 abgestützt, die entlang der Mittenachse des Metallbe­ hälters 1 und in Radialrichtung des Metallbehälters 1 ver­ laufen. Normalerweise wird die optimale Stützrichtung des Einfachsockel-Stützisolators 4 in der gekapselten gasiso­ lierten Dreiphasen-Schaltanlage unter Berücksichtigung des mechanischen und des elektrischen Verhaltens bestimmt. Vom Gesichtspunkt des mechanischen Verhaltens muß die Stützrich­ tung unter Berücksichtigung der aufgrund einer Kurzschluß­ störung auftretenden Kurzschluß-EMK gewählt werden, so daß das den Einfachsockel-Stützisolator 4 beaufschlagende Biege­ moment minimiert wird. Vom Gesichtspunkt des elektrischen Verhaltens muß die Stützrichtung ferner so bestimmt werden, daß die Schlagweite entlang dem Einfachsockel-Stützisolator 4 verlängert wird, um dadurch die Stehspannungs-Charakteri­ stiken zu verbessern.

Aufgrund der von den Erfindern in bezug auf die kurzschluß­ bedingten elektromagnetischen Kräfte in einer gekapselten gasisolierten Dreiphasen-Stromschiene durchgeführten Versu­ che und deren Analyse wurde festgestellt, daß sich Größe und Richtung der maximalen EMK je nach dem Werkstoff des Metall­ behälters 1 ändern. Daher ist die optimale Stützrichtung des Einfachsockel-Stützisolators 4 in bezug auf das mechanische Verhalten je nach dem Werkstoff des Metallbehälters 1 unter­ schiedlich.

Da bei der vorstehend beschriebenen konventionellen gekap­ selten gasisolierten Dreiphasen-Schaltanlage die Einfach­ sockel-Stützisolatoren normalerweise in Radialrichtung gemäß Fig. 7 angeordnet sind, und zwar unabhängig vom Werkstoff des Metallbehälters, ist die Anordnung der Stützisolatoren nicht in Abhängigkeit vom Werkstoff des Metallbehälters op­ timiert.

Ausgehend vom letztgenannten Stand der Technik ist es Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung, die Ausrichtung der Stütz­ isolatoren in Abhängigkeit von den auftretenden Belastungen zu optimieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

In aufwendigen Ver­ suchen wurde herausgefunden, daß die bei einem Kurzschluß auf die Stützisolatoren wirkenden Kräfte auch und insbeson­ dere vom Werkstoff des die Leiter umgebenden Metallbehälters abhängen. Die vorliegende Erfindung trägt dieser Erkenntnis Rechnung durch die vorgeschlagene Ausrichtung der stabförmi­ gen Isolatoren für die Abstützung der Hochspannungsleiter innerhalb des Metallbehälters, wobei Patentanspruch 1 sich auf die qualitative Abhängigkeit vom Werkstoff des Metallbe­ hälters bezieht, während die Ansprüche 2 und 3 diese quali­ tative Abhängigkeit quantifizieren.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine weitere Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 3 und 4 Diagramme, die Modelle für die Analyse der optima­ len Stützrichtung des erfindungsgemäßen Einfach­ sockel-Stützisolators sind, wobei Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung und Fig. 4 eine Teil-Sei­ tenansicht ist;

Fig. 5 ein Verhaltens-Diagramm, das durch die Analyse er­ halten wurde und die Abhängigkeit des den Einfach­ sockel-Stützisolator beaufschlagenden Biegemoments und der axialen Länge (Länge der Überschlagfläche) vom Stützwinkel aufzeigt;

Fig. 6 eine Teil-Seitenansicht einer konventionellen ge­ kapselten gasisolierten Dreiphasen-Schaltanlage; und

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII von Fig. 6.

Die Fig. 3-5 zeigen die Ergebnisse der durchgeführten Ana­ lyse hinsichtlich der optimalen Stützrichtung des Einfach­ sockel-Stützisolators. Die Fig. 3 und 4 zeigen dabei das verwendete Analysemodell, wobei die Größe und die Richtung der maximalen elektromagnetischen Kräfte, die den Hochspan­ nungsleiter 2 der jeweils gezeigten Phasen U, V und W be­ aufschlagen, bestimmt sind und wobei die auf die festge­ legten Enden 5 der im folgenden Einfachsockel-Stützisolatoren genannte stabförmige Isolator 4 an der Innenseite des Metallbehälters 1 wirkenden Biegemomente M bestimmt sind durch Berechnen der gezeigten Stützrichtung R für die verschiedenen Metallbehälter 1 aus Flußstahl, nichtrostendem Stahl, einer Aluminiumlegierung etc.

Ferner ist die axiale Länge (Länge der Überschlagfläche) L des Einfachsockel-Stützisolators 4 in Form der Stützrich­ tung R bestimmt.

Bei dieser Analyse sind die entgegengesetzten Enden 6 des Hochspannungsleiters 2 an den Einfachsockel-Stützisolatoren 4 gesichert. Die Grafik von Fig. 5 zeigt die Analyseergeb­ nisse, wobei für jeweils verschiedene Metallbehälter 1 aus Flußstahl, nichtrostendem Stahl und einer Aluminiumlegie­ rung die Abhängigkeit der auf den Einfachsockel-Stützisola­ tor 4 wirkenden Biegemomente M und der axialen Länge (Länge der Überschlagfläche) L von der Stützrichtung R gezeigt ist. Es ist zu beachten, daß das Biegemoment M und die axiale Länge (Länge der Überschlagfläche) L durch die jeweiligen Minimalwerte Mmin bzw. Lmin standardisiert sind.

Gemäß den Versuchs- und Analyseergebnissen ist das Biege­ moment M bei Verwendung eines Behälters aus Flußstahl um ca. 25% höher als das Biegemoment M bei einem Behälter aus nichtrostendem Stahl. Ferner beträgt im Fall eines Alumini­ umbehälters das Biegemoment M ca. 35% des Biegemoments M bei einem Stahlbehälter. Bei der Berechnung der Biegemo­ mente M wird ein dreiphasiger Kurzschluß, bei dem es sich um den schwerstwiegenden Kurzschlußzustand in einem gebau­ ten System handelt, berücksichtigt.

Aus Fig. 5 ist folgendes ersichtlich: Im Fall eines Behäl­ ters aus Flußstahl oder nichtrostendem Stahl ist das den Einfachsockel-Stützisolator 4 beaufschlagende Biegemoment M am kleinsten, wenn der Stützwinkel R ca. 20° beträgt, und der optimale Stützwinkel R liegt im Bereich von ca. 20-55°, wenn die axiale Länge (Länge der Überschlagfläche) L in Betracht gezogen wird. Andererseits ist im Fall eines Behälters aus einer Aluminiumlegierung das Biegemoment M am kleinsten, und die axiale Länge (Länge der Überschlagflä­ che) L kann groß gemacht werden, wenn der Stützwinkel R bei ca. ±90° liegt, so daß der optimale Stützwinkel R ca. ±90° beträgt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Ausführungsform er­ läutert. Dabei wird ein Metallbehälter 1a aus Flußstahl oder nichtrostendem Stahl verwendet, und die Hochspannungs­ leiter 2 sind unter dem optimalen Stützwinkel R₁ abge­ stützt, wie durch den Einfachsockel-Stützisolator 4 gezeigt ist. In diesem Fall liegt der Stützwinkel R₁ im Bereich von ca. 20-55°, wie bereits gesagt wurde.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird ein Behälter 1b aus einer Aluminiumlegierung verwendet, und dabei liegt der optimale Stützwinkel R₂ durch die Einfachsockel-Stütz­ isolatoren 4 bei ca. 90°, wie vorstehend beschrieben wurde.

Gemäß der Erfindung werden also das mechanische und das elektrische Verhalten des Einfachsockel-Stützisolators je nach dem Werkstoff des Metallbehälters optimiert, so daß die gekapselte gasisolierte Dreiphasen-Schaltanlage in vor­ teilhafter Weise klein gebaut, hinsichtlich der Zuverläs­ sigkeit verbessert und kostengünstig hergestellt werden kann.

Claims (3)

1. Dreiphasig gekapselte gasisolierte Schaltanlage, deren Hochspannungsleiter in einem rohrförmigen Metallbehälter parallel zueinander angeordnet sind, die Spitzen eines im wesentlichen rechtwinkligen, gleichschenkligen Drei­ ecks bilden und von stabförmigen Isolatoren abgestützt sind, von denen zumindest zwei am rohrförmigen Metall­ behälter achsparallel zur Richtung einer an dem jeweili­ gen abgestützten Hochspannungsleiter auftretenden elek­ tromagnetischen Kraft ausgerichtet sind, wobei die Achse der stabförmigen Isolatoren und die durch den Mittelpunkt des rohrförmigen Metallbehälters und den Mittelpunkt des jeweiligen Hochspannungsleiters gehende Gerade einen Stützwinkel (R) einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß alle stabförmigen Isolatoren (4) achsparallel zur Rich­ tung der im Kurzschlußfall auftretenden maximalen elek­ tromagnetischen Kraft ausgerichtet sind, wobei der Stütz­ winkel (R) in Abhängigkeit vom Werkstoff des Metallbe­ hälters (1, 1a, 1b) bestimmt ist.

2. Schaltanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbehälter (1a) aus Flußstahl oder nichtrostendem Stahl besteht und der Stützwinkel (R₁) des stabförmigen Isolators (4) in einem Bereich von etwa 20-55° liegt.

3. Schaltanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbehälter (1b) aus einer Aluminiumlegierung besteht und der Stützwinkel (R₂) des stabförmigen Isolators (4) etwa 90° beträgt.