DE4007335A1 - Elektrischer isolator - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Isolator nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein derartiger Isolator wird in der Mittel- und Hochspannungs­ technik zum Abstützen eines spannungsführenden Leiters ge­ genüber geerdeten Teilen einer Anlage verwendet.

STAND DER TECHNIK

Ein elektrischer Isolator der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus DE 33 11 218 A bekannt. Bei diesem Iso­ lator sind im Bereich eines von seinem Isolatorkörper ge­ tragenen Leiters sowie an einem zwischen Flanschen einer geerdeten Metallkapselung eingespannten Halteteils des Iso­ lators Elektroden in den aus einem füllstoffverstärkten Duroplast bestehenden Isolatorkörper eingegossen. Diese Elektroden steuern das zwischen Leiter und Metallkapselung herrschende elektrische Feld aus besonders gefährdeten Be­ reichen des Isolators. Unerwünschtes Glimmen und damit ver­ bundene Beschädigungen des Isolators werden so drastisch reduziert. An den Grenzflächen der Elektroden und des Mate­ rials des Isolatorkörpers können jedoch bei Erwärmung und mechanischer Belastung des Isolators Delaminationen auftre­ ten, welche zu unerwünschten Teilentladungen und damit zu einer Zerstörung des Isolators führen können.

Aus CH 3 06 161 A ist eine Hochspannungsdurchführung be­ kannt, bei der im Dauerbetrieb die Gefahr von Gleitentla­ dungen dadurch wesentlich herabgesetzt wird, indem die Di­ elektrizitätskonstante der äußeren Zone eines den elektri­ schen Leiter der Durchführungen umhüllenden Isolierkörpers möglichst groß gewählt wird.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Isolator zu schaffen, der selbst bei hoher dielektrischer Belastung eine große Betriebssicherheit aufweist.

Beim Isolator nach der Erfindung sind das als Feldsteuer­ element wirkende Isolierteil und der das Isolierteil auf­ nehmende Isolatorkörper aus isolierenden und damit gleich­ artigen Materialien aufgebaut. Daher treten an der Grenz­ fläche Isolierteil - Isolatorkörper keine dielektrisch un­ erwünschten und durch Delamination hervorgerufenen Spalte oder Risse auf. Oberflächenrauhigkeiten des Isolierteils machen sich nicht nachteilig bemerkbar, da das Isolierteil im Gegensatz zu einer metallenen Elektrode keine Teilentla­ dungen speisen kann. Die maximal zulässige Überhöhung des elektrischen Feldes ist daher erheblich größer als bei einem Isolator nach dem Stand der Technik mit in den Isola­ torkörper eingesetzten metallenen Elektroden. Gegenüber vergleichbaren Isolatoren nach dem Stand der Technik weist der Isolator nach der Erfindung daher eine größere Be­ triebssicherheit auf und kann bei vergleichbarer elektri­ scher Belastung gegebenenfalls kleiner bemessen werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch den oberen Teil eines axialsymmetrisch aus­ gebildeten und in eine gasisolierte Metallkapse­ lung eingebauten Isolators nach dem Stand der Technik, und

Fig. 2 ein Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch den oberen Teil eines axialsymmetrisch aus­ gebildeten und ebenfalls in eine gasisolierte Me­ tallkapselung eingebauten Isolators nach der Er­ findung.

WEG ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 wird eine Metallkapselung von zwei geerdeten me­ tallenen Rohren 1, 2 gebildet. Diese Metallkapselung ist mit einem Isoliergas, wie etwa Schwefelhexafluorid von bis zu mehreren bar Druck gefüllt. Die Rohre 1, 2 sind an ein­ ander gegenüberstehenden Enden mit Flanschen 3, 4 versehen, zwischen denen mittels einer Verschraubung 5 ein Halteteil 6 des Isolatorkörpers 7 eines Isolators eingespannt ist. Nicht bezeichnete Dichtungsringe bewirken die Gasdichtig­ keit der Metallkapselung. Der Isolatorkörper 7 stützt einen im Inneren der Kapselung befindlichen, hochspannungsführen­ den elektrischen Leiter 8 gegen die geerdete Metallkapse­ lung ab. Ringförmige Elektroden 9 und 10 bzw. 11 und 12 sind auf dem Leiter 8 bzw. den Rohren 1, 2 der Metallkapse­ lung im Bereich von Tripelpunkten T aufgebracht, d. h. von Kontaktstellen zwischen Leiter 8 und Isolatorkörper 7 bzw. zwischen Metallkapselung und Isolatorkörper 7, an denen sonst schon bei geringen geometrischen Störungen, wie etwa Spaltbildungen, lokal erhebliche Überhöhungen des elektri­ schen Feldes zwischen Leiter 8 und der Metallkapselung auf­ treten könnten. Durch die metallischen, auf dem Potential des Leiters 8 bzw. der Metallkapselung befindlichen Elek­ troden 9, 10 bzw. 11, 12 werden die Tripelpunkte T von der Wirkung des elektrischen Feldes wesentlich entlastet. So können im Bereich der Tripelpunkte befindliche Spalte keine lokalen Überhöhungen des elektrischen Feldes mehr hervorrufen. Die gleiche Wirkung wird erreicht, wenn an­ stelle von Elektroden 9, 10, 11 und 12 Elektroden 13 und 14 vorgesehen sind, welche wie in Fig. 1 gestrichelt darge­ stellt ist, in den dem Leiter 8 zugewandten Bereich des Isolators bzw. in den an der Metallkapselung befestigten Halteteil 6 des Isolatorkörpers 7 eingebettet sind.

In Fig. 2 beziehen sich gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 auch auf gleichwirkende Teile. Im Gegensatz zu Fig. 1 sind in den Isolatorkörper 7 anstelle metallener Elektroden 13 und 14 nach der Erfindung nur Isolierteile 15 und 16 aus einem Material eingebettet, welches gegenüber dem Material des Isolatorkörpers 7 eine, vorzugsweise oberhalb 10 liegende, Dielektrizitätskonstante aufweist. Die Isolier­ teile 15 bzw. 16 liegen entsprechend den metallenen Elek­ troden 13 bzw. 14 auf dem Potential des Leiters 8 bzw. der Metallkapselung und entlasten entsprechend den metallenen Elektroden 13 bzw. 14 sowie den Elektroden 9, 10 bzw. 11, 12 die Tripelpunkte T.

Gegenüber einem Isolator nach dem Stand der Technik mit Elektroden 13 bzw. 14 treten jedoch noch folgende vorteil­ hafte Wirkungen auf: Da Isolatorkörper 7 und Isolierteile 15 bzw. 16 aus gleichartigen Materialien bestehen und da die Isolierteile 15 bzw. 16 keine Teilentladungen speisen können, begrenzen eine bei Isolatoren nach dem Stand der Technik nicht auszuschließende und an der Grenzfläche Elektroden 13, 14 und Isolatorkörper 7 auftretende Delami­ nation sowie Oberflächenrauhigkeiten der Elektroden 13, 14 die maximal zulässige Überhöhung des elektrischen Feldes nicht. Der Isolator nach der Erfindung weist daher eine größere Betriebssicherheit auf und kann bei vergleichbarer elektrischer Belastung zudem kleiner bemessen werden als der Isolator nach dem Stand der Technik.

Gegenüber einem Isolator nach dem Stand der Technik mit außenliegenden Elektroden 9, 10 bzw. 11 und 12 treten zu­ sätzlich noch folgende vorteilhafte Wirkungen auf: Die maximale Belastung durch das elektrische Feld ist in das Innere des Isolatorkörpers 7 verlegt. Das Material des Iso­ latorkörpers 7, im allgemeinen ein mit einem pulverförmigen Mineral, wie etwa Quarz, Korund und/oder Dolomit, gefülltes Duroplast, wie etwa Epoxid, oder Thermoplast, ist nämlich wesentlich durchschlagsfester als das Isoliergas (Epoxid weist beispielsweise eine Durchschlagsfestigkeit von mehr als 1000 kV/cm auf, Schwefelhexafluorid-Gas von 4,5 bar Druck hingegen nur eine solche von ca. 400 kV/cm). Die Linien des elektrischen Feldes verlaufen beim Isolator nach der Erfindung überwiegend im Inneren des Isolatorkörpers 7 und es wird vermieden, daß Feldlinien von der Metallkapse­ lung ausgehend auf der Oberfläche des Isolatorkörpers 7 enden. Daher entfällt ein elektrostatisch bedingter Trans­ port von Schmutzpartikeln auf die Isolatoroberfläche weit­ gehend. Zudem wird eine räumliche Trennung von mechanisch und elektrisch belasteten Zonen des Isolators erreicht. Die mechanisch maximal belasteten Zonen befinden sich an den Auflageflächen des Halteteils 6 auf den Flanschen 3, 4, wohingegen die maximale Feldbelastung an den Scheiteln P der Isolierteile 15, 16 auftritt, also an Stellen, an denen die mechanischen Belastungen erheblich geringer sind (Fig. 2).

Die Isolierteile 15, 16 sind vorzugsweise ringförmig ausge­ bildet und können bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Isolators zusammen mit dem Leiter 8 in eine Gußform eingelegt und mit einer Masse umgossen werden, die nach dem Aushärten den Isolierkörper 7 bildet. Die Isolierteile 15, 16 enthalten vorzugsweise eine Matrix aus elektrisch iso­ lierendem Material, in welche ein überwiegend pulverförmi­ ger Füllstoff mit einer gegenüber dem Material der Matrix hohen Dielektrizitätskonstante eingebettet ist. Als Füll­ stoff besonders geeignet ist Titandioxid oder ein Titanat, wie etwa Bariumtitanat. Die Matrix weist in einer bevorzug­ ten Ausführungsform des Isolators nach der Erfindung Duro­ plast oder Thermoplast sowie gegebenenfalls einen weiteren pulverförmigen Füllstoff auf, welcher in den Duroplast oder in den Thermoplast eingebettet ist. Vorteilhafterweise ent­ halten die Matrix der Isolierteile 15, 16 und der Isolator­ körper 7 gleiches Material, wie etwa einen mit dem weiteren Füllstoff verstärkten Duroplast, beispielsweise Epoxid mit einem ca. 30-60 Volumenprozent betragenden Anteil an Quarz, Korund und/oder Dolomit. Der Anteil des eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisenden Füllstoffs macht im allgemeinen einige Prozent des Volumens des Isolierteils aus, kann aber gegebenenfalls - etwa wenn dieser Füllstoff allein verwendet wird - entsprechend hohe Anteile aufweisen wie der weitere Füllstoff im Isolatorkörper, d. h. ca. 30-60 Prozent des volumens des Isolierteils 15, 16.

In einer weiteren Ausführungsform des Isolators nach der Erfindung kann die Konzentration des Füllstoffs im Inneren des Isolierteils 15, 16 hoch sein und beispielsweise bis zu 60 Prozent des Volumens der Matrix ausmachen, um dann nach außen zum einbettenden Isolatorkörper 7 hin gegebenenfalls bis auf Null abzunehmen. Nimmt entsprechend die Konzentra­ tion des im Isolatorkörper 7 befindlichen Füllstoffs vom Rand des Isolierteils 15, 16 zu dessen Inneren hin ab, so liegt ein mechanisch und elektrisch besonders hochwertiger Isolator vor.

Bezeichnungsliste

1, 2 Rohre
3, 4 Flansche
5 Verschraubung
6 Halteteil
7 Isolatorkörper
8 Leiter
9, 10, 11, 12, 13, 14 Elektroden
15, 16 Isolierteile
T Tripelpunkte
P Scheitel

Claims (6)

1. Elektrischer Isolator mit mindestens einem Isolator­ körper (7), mindestens einem vom mindestens einen Iso­ latorkörper (7) gestützten elektrischen Leiter (8) , mindestens einem am mindestens einen Isolatorkörper (7) vorgesehenen und an einer geerdeten Halterung be­ festigbaren Halteteil (6) und mindestens einem im Be­ reich des mindestens einen Halteteils (6) oder minde­ stens einen Leiters (8) in den mindestens einen Isola­ torkörper (7) eingebetteten Feldsteuerelement, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Feldsteuer­ element von einem Isolierteil (15, 16) aus einem Mate­ rial gebildet ist mit einer gegenüber dem Material des mindestens einen Isolatorkörpers (7) hohen Dielektri­ zitätskonstante.

2. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Isolierteil (15, 16) eine Matrix aus elektrisch isolierendem Material aufweist, in welche ein überwiegend pulverförmiger erster Füllstoff mit einer gegenüber dem Material der Matrix hohen Di­ elektrizitätskonstante eingebettet ist.

3. Isolator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des ersten Füllstoffs im Inneren des mindestens einen Isolierteils (15, 16) am höchsten ist und nach außen hin abnimmt.

4. Isolator nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix des mindestens einen Isolierteils (15, 16) einen mit einem zweiten Füll­ stoff verstärkten Duro- oder Thermoplast enthält.

5. Isolator nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Matrix des mindestens einen Isolierteils (15, 16) und der mindestens eine Isola­ torkörper (7) gleiches Material enthalten.

6. Isolator nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als erster Füllstoff Titandioxid oder Titanate, wie Bariumtitanat, vorgesehen ist.