DE3911542A1 - Gasisolierte, metallgekapselte schaltanlage mit einem daempfungselement fuer hochfrequente wanderwellen - Google Patents

Description

Gasisolierte, metallgekapselte Schaltanlage mit einem Dämp­ fungselement für hochfrequente Wanderwellen.

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer gasisolierten, metallgekapselten Schaltanlage gemäß dem Oberbegriff von Pa­ tentanspruch 1.

STAND DER TECHNIK

Hierbei nimmt die Erfindung Bezug auf eine gasisolierte, me­ tallgekapselte Schaltanlage, wie sie etwa aus der Patentver­ öffentlichung DE 32 16 275 A1 bekannt ist. Bei der bekannten Schaltanlage werden durch Schalthandlungen hervorgerufene, hochfrequente Wanderwellen mit Hilfe von Belägen aus einem Material geringer elektrischer Leitfähigkeit und großer ma­ gnetischer Permeabilität gedämpft. Diese Beläge werden auf der Außenseite eines hochspannungsführenden Innenleiters und auf der Innenseite einer den Innenleiter koaxial umschließ­ enden Metallkapselung aufgebracht. Hierdurch werden in der Schaltanlage befindliche Isolationsanordnungen von den ein erhebliches Gefährdungspotential für Isolationsstrecken dar­ stellenden hohen Spannungen der Wanderwellen entlastet. Um eine ausreichende Dämpfung zu erreichen, ist es jedoch erfor­ derlich, eine vergleichsweise große Fläche der Schaltanlage mit den Belägen zu beschichten. Zudem verhindern die Beläge gerade an den Stellen der Schaltanlage, wie etwa am Innenlei­ ter, an denen sie ihre größte dämpfende Wirkung entfalten, eine ausreichende Abfuhr der durch den Betriebsstrom der Schaltanlage erzeugten Wärme.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, löst die Aufgabe, eine gasisolierte, metallgekapselte Schalt­ anlage zu schaffen, bei der durch Schalthandlungen ausgelöste Wanderwellen durch geeignete Dämpfungselemente nicht nur wirksam unterdrückt werden, sondern zugleich eine Beeinträch­ tigung der Schaltanlage im Dauerbetrieb nahezu ausgeschlossen ist.

Die Schaltanlage nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in einfacher Weise eine ausreichende Dämpfung der Wanderwellen gewährleistet ist, ohne daß im Dauerbetrieb der Anlage unzulässig hohe Temperaturen auftreten. Daher kann die Schaltanlage bei gleichen geometrischen Abmessungen höhere Betriebsströme führen als eine Schaltanlage nach dem Stand der Technik. Zudem kann die Schaltanlage nach der Erfindung leicht hergestellt werden, da die eingesetzten Dämpfungsele­ mente aufgrund ihrer vorteilhaften Geometrie als normierte Teile eines Baukastensystems ausführbar sind und auch nach­ träglich problemlos in bereits bestehende Schaltanlagen ohne Dämpfungselemente eingebaut werden können.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen längs einem Innenleiter ge­ führten Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines mit zwei Dämpfungselementen versehenen Teils der Schaltanlage nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des Schaltanlagenteils nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen längs einem Innenleiter geführ­ ten Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines mit einem Dämpfungselement versehenen Teils der Schaltanlage nach der Erfindung,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des Schaltanlagenteils nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Aufsicht auf einen längs einem Innenleiter ge­ führten Schnitt durch eine dritte Ausführungsform ei­ nes mit einem Dämpfungselement versehenen Teils der Schaltanlage nach der Erfindung, und

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild des Schaltanlagenteils nach Fig. 5.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 sind im Zuge eines einphasig gekapselten Leitungsabschnittes 1 mit einem hochspannungsführenden Innenleiter 2 und einer den In­ nenleiter 2 mit Abstand umschließenden und mit einem Iso­ liergas, wie Schwefelhexafluorid, gefüllten Metallkapselung 3 Dämpfungselemente 4 und 5 angeordnet. Diese Dämpfungselemente sind jeweils in einem außerhalb des ungestörten Leitungsab­ schnittes 1 befindlichen Volumen vorgesehen. Hierbei wird un­ ter ungestörtem Leitungsabschnitt ein Leitungsabschnitt ver­ standen, bei dem die den Innenleiter 2 umschließende Metall­ kapselung 3 zylinderförmig ausgebildet und frei von Material­ ausformungen ist. Ersichtlich trifft dies bei den in Fig. 1 dargestellten Teilen 6 und 7 der Metallkapselung 3 zu, welche den Innenleiter 2 im wesentlichen koaxial umschließen und eine Stoßstelle zur Aufnahme eines Ausformungen aufweisenden Kapselungsteils 8 bilden.

Die Dämpfungselemente 4, 5 sind nun jeweils gebildet von ei­ nem eine dieser Ausformungen des Kapselungsteils 8 bewirken­ den zylinderförmigen Gehäusesegment 9 bzw. 10 und einem ko­ axial hierzu angeordneten Leitersegment 11 bzw. 12. Die die Dämpfungselemente 4 bzw. 5 bildenden Gehäusesegmente 9 bzw. 10 und Leitersegmente 11 bzw. 12 sind zueinander gegenläufig erstreckt und bilden mit dem ungestörten Leitungsabschnitt 1 ein Kreuz. Die Gehäusesegmente 9 bzw. 10 sind hierbei auf Öffnungen eines zylinderförmig ausgebildeten Abschnitts des Kapselungsteils 8 aufgesetzt, wohingegen die Leitersegmente 11 bzw. 12 durch die Öffnungen hindurch mit dem Innenleiter 2 elektrisch leitend verbunden sind. Die Leitersegmente 11 bzw. 12 enhalten jeweils mindestens einen im wesentlichen koaxial zum Gehäusesegment 9 bzw. 10 angeordneten hohlen Widerstand 13 bzw. 14 aus einem im Vergleich zur Metallkapselung eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Material.

Für die bei einem Schaltvorgang in der Schaltanlage gemäß Fig. 1 ausgelösten elektromagnetischen Wanderwellen hoher Fre­ quenz stellen die Dämpfungselemente 4, 5 Störungsstellen im Wellenwiderstand Z _2-3 des ungestörten Leitungsabschnittes 1 der Schaltanlage dar. Wie in Fig. 2 anhand des Ersatzschalt­ bildes des vom Leiterabschnitt 1 und den Dämpfungselementen 4, 5 gebildeten Teils der Schaltanlage nach der Erfindung dar­ gestellt ist, entsprechen die Wellenwiderstände Z _9-11 bzw. Z_10-12 der Dämpfungselemente 4, 5 einer elektrischen Parallel­ schaltung. Die Wellenwiderstände des ungestörten Leitungsab­ schnittes 1 und der Dämpfungselemente 4, 5 sind hierbei durch folgende Beziehungen gegeben

Z _2-3 = (1/2π) ln(R₂/R₁) und
Z _9-11 = Z _10-12 = (1/2π) ln(R₄/R₃), wobei

µ₀ die Induktionskonstante,
ε₀ die Influenzkonstante,
R₁ der Durchmesser des Innenleiters 2,
R₂ der Innendurchmesser der Kapselungsteile 6, 7,
R₃ der Durchmesser der Leitersegmente 11, 12 und
R₄ der Innendurchmesser der Gehäusesegmente 9, 10 bedeuten.

Der an der Störungsstelle des Leitungsabschnittes 1 ausgekop­ pelte Teil der Wanderwelle wird dann optimal gedämpft, wenn die Wellenwiderstände Z _9-11 bzw. Z _10-12 der Dämpfungselemente 4, 5 jeweils gleich sind dem Wellenwiderstand Z _2-3 des unge­ störten Leitungsabschnittes 1.

Die Länge 1 der Widerstände 13,-14 in Achsenrichtung der Dämp­ fungselemente 4, 5 bzw. in Ausbreitungsrichtung des ausgekop­ pelten Teils der Wanderwelle ist hierbei vorteilhafterweise durch die folgende Beziehung bestimmt:

l = t · c₀, wobei

c₀ die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der in die Dämp­ fungselemente 4 bzw. 5 eingekoppelten Wanderwelle und
t deren Laufzeit

bedeuten.

Hieraus ergibt sich bei vorgegebener Länge l und einem Dämp­ fungsfaktor A eine Abschätzung für die spezifischen Wider­ standswerte R′_D der Widerstände 13, 14 gemäß folgender Bezie­ hung:

R′ _D ≈ -(Z _2-3/l) · ln A

Bei einem Wellenwiderstand Z _2-3 von 50 Ω, einem Dämpfungsfak­ tor von 0,2 und einer Länge der Widerstände 13, 14 von 1,2 m ergeben sich so Widerstandsbelagswerte von 67 Ωm.

Mit solchermaßen beschaffenen Dämpfungselementen wird die in der Schaltanlage nach der Erfindung hinter der Störungsstelle weiterlaufende Wanderwelle auf die Hälfte der bei ihrer Er­ zeugung gebildeten Strom- und Spannungswerte begrenzt. Hier­ bei sind die Dämpfungselemente für Wanderwellen in beiden Ausbreitungsrichtungen wirksam.

Bei den in den Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsfor­ men der Schaltanlage nach der Erfindung beziehen sich die Be­ zugszeichen 1, 2, 3, 6 und 7 jeweils auf Teile, welche den in Fig. 1 damit bezeichneten Teilen entsprechen. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist bei den Ausführungsformen gemäß den beiden Fig. 3 und 5 ein Dämpfungselement 15 vorgesehen, welches ein gegenüber den Kapselungsteilen 6, 7 des ungestörten Leitungsabschnittes 1 aufgeweitetes, rotationssymmetrisch ausgebildetes Gehäusesegment 16 aufweist sowie ein von diesem Gehäusesegment koaxial umschlossenes hohles Leitersegment. Dieses Leitersegment ist mit beiden Stirnseiten vom umschließenden Gehäusesegment 16 beabstandet und weist einen den Kapselungsteilen 6, 7 des ungestörten Lei­ tungsabschnitts 1 entsprechenden Innendurchmesser auf.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ein hohles Leiter­ segment 17 mit die Einkopplung von hochfrequenten Wanderwel­ len begünstigenden U-förmig aufgebogen Stirnseiten vorgese­ hen. Zwischen einem nach außen aufgebogenen Ende des U und dem Gehäusesegment 16 ist an beiden Seiten des Leitersegments 17 jeweils ein Absorptionswiderstand 18 bzw. 19, etwa auf der Basis von Graphit, vorgesehen. Zwischen beiden Absorptionswi­ derständen 18 bzw. 19 befindet sich ein das Gehäusesegment 16 mit dem Leitersegment 17 elektrisch leitend verbindender Lei­ terbügel 20, welcher zur Reduzierung der Dämpfung bei Wech­ selstrombetriebsbedingungen der Schaltanlage nach der Erfin­ dung beiträgt. Zwischen den Stirnseiten des Leitersegmentes 17 und den Absorptionswiderständen 18 bzw. 19 sind nach außen vom Gehäusesegment 16 und nach innen vom Leitersegment 17 begrenzte Isolationsvolumina 21 bzw. 22 vorgesehen. Diese Isolationsvolumina enthalten ein Material mit gegenüber Luft vergleichsweise großer Dielektrizitätskonstante und magneti­ scher Permeabilität, wie etwa ein in Epoxid eingebettetes Ferritpulver.

Für die bei einem Schaltvorgang in der Schaltanlage gemäß Fig. 3 ausgelösten elektromagnetischen Wanderwellen hoher Fre­ quenz stellt das Dämpfungselement 15 eine Störungsstelle im Wellenwiderstand Z _2-3 des ungestörten Leitungsabschnittes 1 der Schaltanlage dar. Wie in Fig. 4 anhand des Ersatzschalt­ bildes vom Leitungsabschnitt 1 und dem Dämpfungselement 15 gebildeten Teils der Schaltanlage dargestellt ist, entspricht das Dämpfungselement 15 einer elektrischen Serienschaltung mit Wellenwiderständen Z _16-17, welche durch die Geometrie des aufgeweiteten Gehäusesegments 16 und des Leitersegments 17 sowie die Materialeigenschaften des in den Isoliervolumina 21, 22 vorgesehenen Materials bestimmt sind.

Der Wellenwiderstand Z _16-17 des Dämpfungselementes 15 links oder rechts des Kurzschlußbügels 20 ist hierbei durch fol­ gende Beziehung gegeben

Z _16-17 = (1/2π) · ln(R₆/R₅),

wobei

µ _r die magnetische Permeabilität und
ε _r die Dielektrizitätskonstante des in den Isolationsvolu­ mina 21, 22 vorgesehenen Materials,
R₅ der Außendurchmesser des Leitersegments 17 an den U-för­ mig aufgebogenen Enden und
R₆ der Innendurchmesser des aufgeweiteten Gehäusesegments 16 im Bereich der Isolationsvolumina 21, 22

bedeuten.

Der an der Störungsstelle des Leitungsabschnittes 1 ausgekop­ pelte Teil der Wanderwelle wird dann optimal gedämpft, wenn der Wellenwiderstand Z _16-17 des Dämpfungselementes links oder rechts des Leiterbügels 20 gleich ist dem zweifachen Wellen­ widerstand Z _2-3 des ungestörten Leitungsabschnittes 1.

Zudem sind die Absorptionswiderstände 18, 19 hinsichtlich ih­ rer Widerstandwerte an den Wellenwiderstand Z _16-17 des Dämp­ fungselementes 15 angepaßt. Die Einstellung des Wellenwider­ standes Z _16-17 kann durch geeignete geometrische Abmessungen der Isolationsvolumina 21, 22 und eine gezielte Auswahl des in den Isolationsvolumina vorgesehenen Materials hinsichtlich seiner Dielektrizitätskonstanten und seiner magnetischen Per­ meabilität vorgenommen werden.

Durch das in Fig. 3 dargestellte symmetrisch aufgebaute Dämp­ fungselement 15 werden die Wanderwellen zweifach gedämpft, so daß bei der zuvor beschriebenen optimalen Bemessung des Dämpfungselementes 15 die in der Schaltanlage gemäß Fig. 3 hinter der Störungsstelle weiterlaufende Wanderwelle auf ein Viertel der bei ihrer Erzeugung gebildeten Strom- und Span­ nungswerte begrenzt wird. Entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist hierbei das Dämpfungselement für Wanderwel­ len in beiden Ausbreitungsrichtungen wirksam.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist ein im wesentlichen zylinderförmig ausgebildetes Leitersegment 23 vorgesehen, welches über den Leiterbügel 20 - entsprechend dem Leiterseg­ ment 17 - am Gehäusesegment 16 befestigt ist. Zusätzlich trägt das Leitersegment 23 an seinen beiden Stirnseiten in reusenförmiger Anordnung zueinander erstreckte und mit dem Kapselungsteil des ungestörten Leitungsabschnitts 1 elek­ trisch leitend verbundene Leiterbügel 24, 25. Durch diese Lei­ terbügel werden die durch induzierende Wirkung bei Wechsel­ strombetriebsbedingungen hervorgerufenen Dämpfungsverluste zusätzlich reduziert. Die Belegungsdichte der Reusenstruktur ist derart bemessen, daß die hochfrequenten Wanderwellen in ausreichendem Maße in zwischen dem Gehäusesegment 16 und dem Leitersegment 23 vorgesehene Isolationsvolumina 26, 27 ein­ dringen können. Diese Isolationsvolumina 26, 27 bestehen ent­ sprechend den Isolationsvolumina 21, 22 aus einem Material großer Dielektrizitätskonstante und magnetischer Permeabili­ tät, nehmen jedoch im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 3 nahezu den gesamten Raum zwischen Gehäusesegment 16 und Leitersegment 23 ein und enthalten leitfähiges Material, wie Graphitpulver. Separate Absorptionswiderstände sind daher nicht mehr erforderlich.

Wie in Fig. 6 anhand des Ersatzschaltbildes des vom Leitungs­ abschnitt 1 und dem Dämpfungselement 15 gebildeten Teils der Schaltanlage gemäß Fig. 5 dargestellt ist, entspricht auch dieses Dämpfungselement einer elektrischen Serienschaltung mit Wellenwiderständen Z _16-23. Diese Wellenwiderstände sind bestimmt durch die Geometrie des aufgeweiteten Gehäusesegmen­ tes 16 und des Leitersegmentes 23 sowie die Materialeigen­ schaften des in den Isoliervolumina 26, 27 vorgesehenen Mate­ rials.

Sind Geometrie und Materialbeschaffenheit der Isolationsvolu­ mina 26, 27 derart bemessen, daß der ohmsche Ableitungsbelag G′_D der Isolationsvolumina 26, 27, in die die Wanderwellen eintreten, der folgenden Dimensionierung entspricht:

G′ _D ≈ -(1/L) · (1/Z _16-23) · ln A,

wobei L die Länge eines Isolationsvolumens in Ausbreitungs­ richtung der Wanderwelle und A der ca 0,1 ... 0,3 betragende Dämpfungsfaktor bedeuten, so können die Spannungen und Ströme der in der Schaltanlage weiterlaufenden Wanderwelle entspre­ chend der Ausführungsform gemäß Fig. 3, jedoch ohne Verwen­ dung separater Absorptionswiderstände, gedämpft werden.

Claims (13)

1. Gasisolierte, metallgekapselte Schaltanlage mit einem von einem zylinderförmigen Teil (6, 7, 8) der Metallkapselung (3) und mindestens einem hochspannungsführenden Innenlei­ ter (2) gebildeten Leitungsabschnitt (1) und mit minde­ stens einem am Leitungsabschnitt (1) vorgesehenen Dämp­ fungselement (4, 5, 15) für hochfrequente Wanderwellen, da­ durch gekennzeichnet, daß im Zuge des Leitungsabschnitts (1) mindestens eine durch Ausformung der Metallkapselung hervorgerufenen Störungsstelle für die Wanderwellen ange­ ordnet ist mit einem außerhalb des ungestörten Leitungs­ abschnittes (1) befindlichen Volumen zur Aufnahme des mindestens einen Dämpfungselementes (4, 5, 15).

2. Schaltanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand (z.B. Z _9-11) des mindestens einen Dämpfungselementes (z.B. 4) etwa gleich ist dem Wel­ lenwiderstand (Z _2-3) des Leitungsabschnitts (1).

3. Schaltanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei zueinander gegenläufig erstreckte und mit dem Leitungsabschnitt (1) ein Kreuz bildende Dämpfungselemente (4, 5) vorgesehen sind.

4. Schaltanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der beiden Dämpfungselemente (z.B. 4) ein auf das Kapselungsteil (8) des Leitungsab­ schnittes (1) aufgesetztes Gehäusesegment (z.B. 9) und ein zu diesem koaxial angeordnetes und mit dem mindestens einen Innenleiter (2) des Leitungsabschnittes (1) verbun­ denes Leitersegment (z.B. 11) enthält.

5. Schaltanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitersegment (z.B. 11) mindestens einen Wider­ stand (z.B. 13) enthält aus einem im Vergleich zur Metall­ kapselung (3) eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf­ weisenden Material.

6. Schaltanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (z.B. 13) in Achsrichtung des Dämp­ fungselementes (z.B. 4) eine durch die folgende Beziehung l=t · C _obestimmte Länge l aufweist, wobei
C _o die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer in das Dämp­ fungselement (z.B. 4) eingekoppelten Wanderwelle und
t die Laufzeit der eingekoppelten Wanderwelle bedeuten.

7. Schaltanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (15) ein gegenüber dem Kapse­ lungsteil (6, 7) des Leitungsabschnitts (1) aufgeweitetes, rotationssymmetrisches Gehäusesegment (16) aufweist sowie ein von diesem Gehäusesegment (16) koaxial umschlossenes hohles Leitersegment (17, 23), welches mit beiden Stirn­ seiten vom umschließenden Gehäusesegment (16) beabstan­ det ist und einen dem Kapselungsteil (6, 7) des Leitungs­ abschnitts (1) entsprechenden Durchmesser aufweist.

8. Schaltanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Gehäusesegment (16) und dem hohlen Lei­ tersegment (17, 23) begrenzten Raum ein Material mit ge­ genüber Luft vergleichsweise großer Dielektrizitätskon­ stanten und magnetischer Permeabilität vorgesehen ist.

9. Schaltanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (15) hinsichtlich seiner geome­ trischen Abmessungen und seiner Materialeigenschaften derart bestimmt ist, daß sein Wellenwiderstand (Z _16-17, Z _16-23) für die Wanderwellen gleich ist dem Zweifachen des entsprechenden Wellenwiderstands (Z _2-3) des Leitungs­ abschnittes (1).

10. Schaltanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Leitersegment (17) an mindestens einer seiner Stirnseiten U-förmig aufgebogen ist und mindestens einen zwischen einem Ende des U und dem Gehäusesegment (16) an­ geordneten und an den Wellenwiderstand (Z _16-17) des Dämp­ fungselementes (15) angepaßten Absorptionswiderstand (z.B. 18) trägt.

11. Schaltanlage nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das hohle Leitersegment (17) über min­ destens einen zwischen seinen beiden Stirnseiten befe­ stigten Leiterbügel (20) mit dem Gehäusesegment (16) elektrisch leitend verbunden ist.

12. Schaltanlage nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das hohle Leitersegment (23) an seinen Stirnseiten in reusenförmiger Anordnung zueinander er­ streckte und mit dem Kapselungsteil (6, 7) des Leitungsab­ schnitts (1) elektrisch leitend verbundene Leiterbügel (24, 25) trägt.

13. Schaltanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine eine Absorption der Wanderwellen her­ vorrufende Leitfähigkeit aufweist.