DE4007337C2 - 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 Du­ roplast bestehenden Isolatorkörper eingegossen. Diese Elek­ troden 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.

In DE 10 03 309 B ist ein Hochspannungsisolator beschrieben, bei dem der ungünstige Einfluss eines ungleichmässig über die Isolatoroberfläche fliessenden Verschmutzungsstromes dadurch wesentlich herabgesetzt wird, dass die Oberfläche mit einer Glasurmasse aus einem von vornherein spannungsabhängigen Widerstandsmaterial versehen wird. Eine wesentliche Beeinflussung des zwischen Hochspannungsleiter und Erde herrschenden Feldes wird dadurch nicht erreicht.

In DE-OS 23 55 481 ist ein Hochspannungsisolator für eine gasisolierte, gekapselte Übertragungsleitung beschrieben. Auf der Oberfläche dieses Isolators ist zur Feldsteuerung im Bereich der Kapselung der Leitung und/ oder eines vom Isolator gehaltenen Leiters ein Belag aufgebracht, der gegenüber dem Isolator eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist.

Aus DE-AS 10 45 499 ist ein aus Schichten verschiedener Dielektrika aufgebauter Isolationskörper bekannt. Die Schichten bestehen aus Giessharz und sind mit verschiedenen Füllstoffarten oder -mengen gefüllt. Der Isolationskörper zeichnet sich durch eine günstige Oberflächenstruktur der Aussenschicht aus, die zum Beispiel eine hohe Kriechstrom- oder Lichtbogenfestigkeit aufweist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Isolator zu schaffen, der sich trotz einfachen Aufbaus auch bei hohen dielektrischen Belastungen durch eine grosse Betriebssicherheit auszeichnet. Der Isolator nach der Erfindung ist äusserst einfach aufgebaut, da die Feldsteuerelemente Teil seines Isolatorkörpers sind. Metallene Eingusselektroden oder zusätzliche Abschirmelektroden werden eingespart. An den Auflageoberflächen der als isolierende Schichten ausgebildeten Feldsteuerelemente können im Gegensatz zu Isolatoren, die mit metallenen Eingusselektroden versehen sind, isolierende Schichten sich nicht nachteilig bemerkbar machen, da solche Schichten im Gegensatz zu metallenen Eingusselektroden keine Teilentladungen speisen können. Durch die Ausbildung der isolierenden Schicht mit vom Isolatoraussenrand bzw. vom zu haltenden Stromleiter abnehmender Schichtdicke, kann das elektrische Feld vorteilhaft gesteuert werden, d. h. die Tripelpunkte können ebenso wie die Randbereiche der Feldsteuerelemente von der Wirkung des elektrischen Feldes entlastet werden. Daher ist die maximal zulässige Überhöhung des elektrischen Feldes grösser als bei Isolatoren nach dem Stand der Technik. Der Isolator nach der Erfindung weist daher eine besonders grosse Betriebssicherheit auf und kann bei vergleichbarer elektrischer Belastung gegebenenfalls kleiner bemessen werden als ein Isolator nach dem Stand der Technik.

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 AUSFÜHRUNG 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 als kreis­ ringförmiger Aussenrand ausgebildetes Halteteil 6 eines flächenhaften Isolatorkörpers 7 eines Isolators eingespannt ist. Nicht bezeichnete Dichtungsringe bewirken die Gasdich­ tigkeit der Metallkapselung. Der Isolatorkörper 7 stützt einen im Inneren der Kapselung befindlichen, hochspannungs­ führenden elektrischen Leiter 8 gegen die geerdete Metall­ kapselung ab. Ringförmige Elektroden 9 und 10 sind im Be­ reich des Leiters 8 bzw. im Halteteil 6 in den Isolatorkör­ per 7 eingegossen. Die Elektroden 9, 10 befinden sich daher im Bereich von Tripelpunkten T, d. h. von Kontaktstellen zwischen Leiter 8 und Isolatorkörper 7 bzw. zwischen Me­ tallkapselung und Isolatorkörper 7, an denen sonst schon bei geringen geometrischen Störungen, wie etwa Spaltbildun­ gen, lokal erhebliche Überhöhungen des elektrischen Feldes zwischen Leiter 8 und der Metallkapselung auftreten könnten. Durch die metallischen auf dem Potential des Lei­ ters 8 bzw. der Metallkapselung befindlichen Elektroden 9, 10 werden die Tripelpunkte T von der Wirkung des elektri­ schen Feldes wesentlich entlastet und können somit im Be­ reich der Tripelpunkte befindliche Spalte keine lokalen Überhöhungen des elektrischen Feldes mehr hervorrufen.

In Fig. 2 beziehen sich gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 auch auf gleichwirkende Teile. Im Gegensatz zu Fig. 1 ent­ fallen in Fig. 2 die metallenen Elektroden 9, 10 und weist der Isolatorkörper 7 im Bereich jedes der Tripelpunkte T jeweils eine seine Oberfläche teilweise bildende Schicht 11, 12, 13 bzw. 14 auf. Die Schichten 11-14 sind aus einem Isoliermaterial, welches gegenüber dem Material des beschichteten Teils des Isolierkörpers 7 eine hohe, vor­ zugsweise oberhalb 10 liegende, Dielektrizitätskonstante aufweist. Die Schichten 11, 12 bzw. 13, 14 werden vom Po­ tential der Metallkapselung bzw. des Leiters 8 beeinflusst und entlasten entsprechend den metallenen Elektroden 9 bzw. 10 die Tripelpunkte T durch Hinausdrängen der in den Figu­ ren gestrichelt eingezeichneten Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes aus den Tripelpunktsbereichen.

Gegenüber einem Isolator nach dem Stand der Technik mit me­ tallenen Elektroden 9 bzw. 10 treten jedoch noch folgende vorteilhafte Wirkungen auf: Da Isolatorkörper 7 und Schich­ ten 11, 12, 13, 14 aus isolierenden und damit gleichartigen Materialien bestehen, begrenzen eine bei Isolatoren nach dem Stand der Technik nicht auszuschliessende und an den Grenzflächen der metallenen Elektroden 9, 10 und des Isola­ torkörpers 7 auftretende Delamination sowie Oberflächenrau­ higkeiten der Elektroden 9, 10 die maximal zulässige Über­ höhung des elektrischen Feldes nicht. Der Isolator nach der Erfindung weist daher bei äusserst einfachem Aufbau eine besonders hohe Betriebssicherheit auf.

Die Schichten 11, 12, 13, 14 weisen im allgemeinen am Aus­ senrand oder im Bereich des Leiters 8 ihre grösste Schicht­ dicke auf. Hierdurch wird erreicht, dass die Tripelpunkte T besonders stark von der Wirkung des elektrischen Feldes entlastet werden. Die Schichten können lediglich im Bereich der Tripelpunkte T angeordnet sein, können aber - auch wie in Fig. 2 bei den Schichten 11 und 13 durch Strichlierung angedeutet ist - eine zwischen dem Aussenrand und dem Leiter 8 befindliche durchgehende Fläche des Isolatorkör­ pers 7 bilden. Die Schichten weisen jeweils lokal eine un­ terschiedliche Schichtdicke auf, wie dies in Fig. 2 bei den Schichten 11 und 13 dargestellt ist. Diese Schich­ ten weisen jeweils einen kreisringförmigen Randbereich 15, 16 auf, in dem deren Schichtdicke jeweils gering ist gegen­ über deren Schichtdicke am Aussenrand oder im Bereich des Leiters 8. Durch eine solche Bemessung der Schichtdicken der Schichten 11 und 13 kann das elektrische Feld geeignet gesteuert werden, d. h. die Tripelpunkte T können ebenso wie die Randbereiche 15, 16 der Schichten 11, 13 von der Wir­ kung des elektrischen Feldes entlastet werden.

Die Schichtdicke der Schichten 11, 12, 13, 14 im Bereich der Tripelpunkte T bewegt sich im allgemeinen zwischen 0,5 bis 5 Millimeter, wobei unter bestimmten - von den Abmes­ sungen des erfindungsgemässen Isolators vorgegebenen - Be­ dingungen Abweichungen nach oben und unten auftreten können.

Die isolierenden Schichten 11, 12, 13, 14 können bei der Herstellung des erfindungsgemässen Isolators zusammen mit dem Leiter 8 in eine Gussform eingelegt und mit einer Masse vergossen werden, die nach dem Aushärten den Leiter 8 ab­ stützt und zusammen mit den Schichten 11, 12, 13, 14 den Isolierkörper 7 bildet. Die gehärtete Vergussmasse ist im allgemeinen ein mit einem pulverförmigen Mineral, wie etwa Quarz, Korund und/oder Dolomit, gefülltes Duroplast, wie etwa ein Epoxid, oder Thermoplast.

Die Schichten 11, 12, 13, 14 können zur Bildung des Isola­ torkörpers 7 auch an der ausgehärteten Vergussmasse, etwa mittels eines epoxidhaltigen Klebers, befestigt oder aber auch auf die ausgehärtete Vergussmasse aufgegossen werden. Die Schichten 11, 12, 13, 14 können gegebenenfalls auch la­ genweise aufgebracht werden. Hierbei können in der Be­ schichtungstechnik übliche Verfahren, wie Aufdampfen, Sput­ tern oder Bestreichen, angewendet werden.

Die Schichten enthalten vorzugsweise eine Matrix aus elek­ trisch isolierendem Material, in welche ein überwiegend pulverförmiger Füllstoff mit einer gegenüber dem Material der Matrix hohen Dielektrizitätskonstante eingebettet ist. Als Füllstoff besonders geeignet ist Titandioxid oder ein Titanat, wie etwa Bariumtitanat. Die Matrix besteht im all­ gemeinen aus einem Duroplast, etwa auf der Basis Epoxid, oder einem Thermoplast. Gegebenenfalls kann die Matrix einen weiteren pulverförmigen Füllstoff aufweisen, wie er etwa in der bei der Herstellung des Isolators verwendeten Vergussmasse zum Eingiessen des elektrischen Leiters 8 vor­ gesehen ist. Zu bevorzugen ist eine Ausführungsform des Isolators nach der Erfindung, bei der in der Matrix der Schichten 11, 12, 13, 14 als auch in der Matrix im übrigen Teil des Isolatorkörpers 7 gleiches Material auf der Basis eines Duro- oder Thermoplasts eingesetzt wird, da dann ein besonders stabiler Isolatorkörper 7 erreicht wird. Der An­ teil des eine hohe Dielektrizität aufweisenden Füllstoffs kann bis zu 60% des Volumens den Schichten 11, 12, 13, 14 betragen. Das Material der Schichten 11, 12, 13, 14 muss nicht notwendigerweise ein füllstoffgefüllter Duroplast oder Thermoplast sein, es kann mit Vorteil auch ein polyme­ ren Kunststoff mit hoher intrinsischer Dielektrizitätskon­ stante, wie etwa Polyvinylidenfluorid, sein.

Claims (7)

1. Elektrischer Isolator mit einem flächenhaften, einen kreisringförmigen Aussenrand aufweisenden Isolatorkörper (7), einem vom Isolatorkörper (7) gestützten elektrischen Leiter (8), einem am Isolatorkörper (7) vorgesehenen und an einer geerdeten Halterung befestigbaren Halteteil (6) und einem im Bereich des Halteteils (6) oder Leiters (8) am Isolatorkörper (7) vorgesehenen Feldsteuerelement, wobei der Aussenrand des Isolatorkörpers (7) als das Halteteil (6) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorkörper (7) als Feldsteuerelement eine seine Oberfläche zumindest teilweise bildende isolierende Schicht (11, 12, 13, 14) aufweist, welche zumindest im Bereich des Halteteils (6) oder des Leiters (8) vorgesehen ist und aus einem Material mit einer gegenüber dem Material des beschichteten Teils des Isolatorkörpers (7) hohen Dielektrizitätskonstante besteht, und dass die Schicht (11, 12, 13, 14) lokal eine unterschiedliche Schichtdicke aufweist und zumindest am Aussenrand und/oder im Bereich des Leiters (8) ihre grösste Schichtdicke aufweist.

2. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (11, 12, 13, 14) einen zwischen dem Aussenrand des Isolatorkörpers (7) und dem Leiter (8) angeordneten, im wesentlichen kreisringförmig ausgebildeten Randbereich (15, 16) aufweist, in dem die Schichtdicke der Schicht (11, 12, 13, 14) gegenüber deren Schichtdicke am Aussenrand oder im Bereich des Leiters (8) gering ist.

3. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (11, 12, 13, 14) eine zwischen dem Aussenrand und dem Leiter (8) befindliche, durchgehende Fläche des Isolatorkörpers (7) bildet.

4. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (11, 12, 13, 14) eine Matrix aus elektrisch isolierendem Material aufweist, in welche ein überwiegend pulverförmiger Füllstoff mit einer gegenüber dem Material der Matrix hohen Dielektrizitätskonstante eingebettet ist.

5. Isolator nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix der Schicht (11, 12, 13, 14) aus einem Duroplast oder einem Thermoplast besteht.

6. Isolator nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix der Schicht (11, 12, 13, 14) und der beschichtete Teil des Isolatorkörpers (7) aus dem gleichen Material bestehen.

7. Isolator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Titanoxid oder Titanate, wie Bariumtitanat, vorgesehen ist.