DE69024335T2 - Socket for high DC voltages - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchführung für Gleichstromhochspannungen zur Feldsteuerung der Verbindung zwischen der Durchführung und einem an die Durchführung anzuschließenden Leiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Durchführung ist insbesondere bestimmt für Transformatoren, die an Stromwandler in HVDC-Anlagen angeschlossen sind.The invention relates to a bushing for direct current high voltages for field control of the connection between the bushing and a conductor to be connected to the bushing according to the preamble of claim 1. The bushing is particularly intended for transformers that are connected to current transformers in HVDC systems.
Wenn in einem Gefäß mit Transfomatorenöl zwei unter Spannung stehende Elektroden in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind, so kommt es bei einer bestimmten Spannung zu einem Überschlag zwischen den Elektroden. Die Neigung zum Überschlag kann minimiert werden durch Einfügung eines Isolierkörpers zwischen die Elektroden, welcher als Barriere wirkt.If two live electrodes are arranged at a certain distance from each other in a container containing transformer oil, a flashover will occur between the electrodes at a certain voltage. The tendency for flashover can be minimized by inserting an insulating body between the electrodes, which acts as a barrier.
Transfomatordurchführungen können einen oberen Isolator und einen unteren Isolator aus elektrischem Porzellan haben. Zwischen diesen befindet sich ein Befestigungsflansch, der an dem Transformatorgehäuse befestigt wird. Im Zentrum der Durchführung befindet sich ein Rohr, auf welches ein Kondensatorkörper aufgewickelt ist zur Erzielung einer günstigen Verteilung des elektrischen Feldes. Der Strom kann von dem Rohr oder einem durch das Rohr geführten flexiblen Leiter geführt werden.Transformer bushings can have an upper insulator and a lower insulator made of electrical porcelain. Between these there is a mounting flange which is attached to the transformer housing. In the center of the bushing there is a tube onto which a capacitor body is wound to achieve a favorable distribution of the electric field. The current can be carried by the tube or by a flexible conductor guided through the tube.
Kondensatorkörper für Durchführungen werden in einer Reihe von Patentschriften und Veröffentlichungen verschiedener Art beschrieben. In diesem Zusammenhang können unter anderem folgende Druckschriften genannt werden, nämlich EP-A-O 032 690 "Foil-insulated high voltage bushing with potential control", EP-A-O 032 687 "High-voltage bushing with layers of embossed insulating foils", EP-A-0 051 715 "Safety device for high-voltage bushings", ASEA Journal 1981, Band 54, Nr. 4, Seite 79-84. Gemeinsam und typisch für den Aufbau von Kondensatorkörpern ist, daß sie einen zentralen kreiszylindrischen Abschnitt haben. Beide Enden dieses Abschnitts gehen in je einen sich nach außen erstreckenden geraden Kegelstumpf über, dessen Querschnittsfläche einen abnehmenden Radius hat.Capacitor bodies for bushings are described in a number of patents and publications of various kinds. In this context, the following publications can be mentioned, namely EP-AO 032 690 "Foil-insulated high voltage bushing with potential control", EP-AO 032 687 "High-voltage bushing with layers of embossed insulating foils", EP-A-0 051 715 "Safety device for high-voltage bushings", ASEA Journal 1981, Volume 54, No. 4, pages 79-84. Common and typical for the structure of capacitor bodies is that they have a central circular cylindrical section. Both ends of this section merge into an outwardly extending straight truncated cone whose cross-sectional area has a decreasing radius.
Eine Abwandlung dieser Konstruktion eines Kondensatorkörpers wird offenbart in der GB-B-1 025 686, "Pothead for connecting oil-filled cables to transformers and other electrical apparatus". Wie zuvor hat der Kondensatorkörper einen konischen Abschnitt, der zum Transformator hin ausläuft. Zur Kabelverbindung hin endet der Kondensatorkörper jedoch mit einer Querschnittsfläche, die gleich der Querschnittsfläche des kreiszylindrische Abschnitts ist.A variation of this capacitor body design is disclosed in GB-B-1 025 686, "Pothead for connecting oil-filled cables to transformers and other electrical apparatus". As before, the capacitor body has a conical section tapering towards the transformer. However, towards the cable connection, the capacitor body terminates with a cross-sectional area equal to the cross-sectional area of the circular cylindrical section.
Eine andere Abwandlung des Aufbaus eines Kondensatorkörpers wird durch eine MICAFIL-Veröffentlichung MNJ 11/12, Juni 1969, offenbart, in welcher eine sogenannte "Re-entrant type bushing" beschrieben wird. Diese Durchführung ist auch ausschließlich zum Gebrauch in einem Wechselspannungsfeld bestimmt. In elektrischer Hinsicht ist sie genauso wie eine konventionelle Wechselstromdurchführung aufgebaut mit einem Kondensatorkörper aus ölimprägniertem Papier, Bakellitpapier oder imprägniert mit gegossenem Harz und enthält konzentrische Lagen aus einem leitenden Material. Das Herstellungsprinzip besteht darin, daß die Transfomatorseite des Körpers zunächst in eine nach innen gerichtete konische Gestalt gewickelt wird bis zu einem Durchmesser, bei dem etwa 70% der Beanspruchung liegt, worauf der Körper kontinuierlich in eine nach außen gerichtete konische Gestalt gewickelt wird bis zu dem endgültigen Außendurchmesser mit 0% der Beanspruchung. Der Vorteil einer solchen Ausführung besteht darin, daß man eine auf der Ölseite kürzere Durchführung erhält. Außerdem kann der Schild weggelassen werden.Another variation of the construction of a capacitor body is disclosed by a MICAFIL publication MNJ 11/12, June 1969, in which a so-called "re-entrant type bushing" is described. This bushing is also intended exclusively for use in an AC field. In electrical terms it is constructed in the same way as a conventional AC bushing with a capacitor body made of oil-impregnated paper, Bakellite paper or impregnated with cast resin and containing concentric layers of a conductive material. The principle of manufacture is that the transformer side of the body is first wound into an inwardly directed conical shape to a diameter at which about 70% of the stress is located, after which the body is continuously wound into an outwardly directed conical shape to the final outside diameter with 0% of the stress. The advantage of such a construction is that that a shorter passage on the oil side is obtained. In addition, the shield can be omitted.
Leistungstransformatoren, die in Stromrichteranlagen verwendet werden, haben spezielle Probleme im Hinblick auf die Isolation, die in irgendeiner Weise überwunden werden müssen, um eine zufriedenstellende Funktion zu erreichen.Power transformers used in power conversion systems have special insulation problems that must be overcome in some way to achieve satisfactory performance.
In Hochspannungsgleichstromanlagen, sogenannten HVDC-Anlagen, wird häufig mindestens ein Stromrichter pro Pol und Station verwendet. Normalerweise gehören auch zu jedem Stromwandler mehrere in Reihe geschaltete Brücken. Einer der Pole der einen Brücke ist normalerweise mit Erde verbunden, und der andere Pol ist an die nächste Brücke angeschlossen und so weiter, so daß man eine Reihenschaltung erhält. Das Gleichspannungspotential jeder Brücke gegenüber Erde wächst dann entsprechend der Anzahl der Brücken, die zwischen der betrachteten Brücke und Erde liegen.In high-voltage direct current systems, so-called HVDC systems, at least one converter is often used per pole and station. Each current transformer also usually has several bridges connected in series. One of the poles of one bridge is normally connected to earth, and the other pole is connected to the next bridge, and so on, so that a series connection is obtained. The DC potential of each bridge with respect to earth then increases according to the number of bridges that lie between the bridge in question and earth.
Jede Brücke der Reihenschaltung wird mit Wechselspannung von einem separaten Transformator gespeist. Mit zunehmendem Gleichspannungspotential der Brücken gegenüber Erde wird auch die Isolation der Durchführungen und Wicklungen der an die Brücken angeschlossenen Transformatoren einer zunehmend größeren Gleichspannung mit einer überlagerten Wechselspannung ausgesetzt. Die Isolation dieser Durchführungen muß daher so bemessen werden, daß sie den zunehmend größeren elektrischen Beanspruchungen, denen sie ausgesetzt sind, widerstehen kann.Each bridge in the series circuit is supplied with alternating voltage from a separate transformer. As the direct voltage potential of the bridges relative to earth increases, the insulation of the bushings and windings of the transformers connected to the bridges is also exposed to an increasingly higher direct voltage with a superimposed alternating voltage. The insulation of these bushings must therefore be dimensioned so that it can withstand the increasingly higher electrical stresses to which they are exposed.
Das zunehmend anwachsende Gleichspannungspotential führt zu besonderen Problemen, die bei Transformatoren, die für reine Wechselspannungstransformation verwendet werden, nicht bestehen.The increasing direct current potential leads to special problems that do not exist in transformers used for pure alternating current transformation.
Bei Stromrichtertransfomatoren stellen der untere Isolator der Durchführung und der Übergang vom Leiter der Transfomatorwicklung zur Durchführung Problemstellen unter dem Gesichtspunkt der Isolationstechnik dar. Der Begriff "Leiter der Transfomatorwicklung" umfaßt in der gesamten vorliegenden Beschreibung sowohl den elektrisch leitenden Teil als auch die umgebende Isolation der Transfomatorwicklung.In converter transformers, the lower insulator of the bushing and the transition from the conductor of the transformer winding to the bushing represent problem areas from the point of view of insulation technology. The term "conductor of the transformer winding" includes both the electrically conductive part and the surrounding insulation of the transformer winding throughout this description.
Dies wird unter anderem beschrieben in "Power Transmission by Direct Current", von E. Uhlmann, Springer Verlag 1975, Seite 327-328.This is described, among other things, in "Power Transmission by Direct Current", by E. Uhlmann, Springer Verlag 1975, pages 327-328.
Die Verteilung des elektrischen Gleichspannungsfeldes ist anders als die des Wechselspannungsfeldes. Die Verteilung der Gleichspannung wird hauptsächlich bestimmt durch den spezifischen Widerstand der verschiedenen Isolationsmedien, die im Feld vorhanden sind. Obwohl Transformatorenöl, Zellulosematerial und elektrisches Porzellan gute elektrische Isolatoren sind, fließt ein gewisser elektrischer Strom durch diese Materialien, wenn sie einer elektrischen Spannung ausgesetzt sind. Das Verhältnis des spezifischen Widerstandes zwischen Zellulosematerial und Transfomatorenöl beträgt etwa 100. Dies bedeutet, daß, wenn Zellulose in Reihe mit Öl einer elektrischen Spannung ausgesetzt ist, in der Zellulose eine bedeutend höhere elektrische Feldstärke auftritt als im Öl, was daher zur Folge hat, daß eine ausreichende Menge an festem Isoliermaterial erforderlich ist, um die elektrische Durchschlagsfestigkeit nicht zu erreichen. Sowohl die Feldverteilung als auch die Richtung des Feldstärkevektors sind daher anders als im Falle einer Wechselspannung. Der Stromtransport hat auch eine Umverteilung der Ladungen im verwendeten Isoliermedlum zur Folge.The distribution of the DC electric field is different from that of the AC field. The distribution of the DC voltage is mainly determined by the resistivity of the various insulating media present in the field. Although transformer oil, cellulose material and electrical porcelain are good electrical insulators, some electric current will flow through these materials when they are subjected to an electrical voltage. The ratio of the resistivity between the cellulose material and the transformer oil is about 100. This means that when cellulose is subjected to an electrical voltage in series with oil, a significantly higher electric field strength will occur in the cellulose than in the oil, with the result that a sufficient amount of solid insulating material is required to not reach the electrical breakdown strength. Both the field distribution and the direction of the field strength vector are therefore different from those in the case of an AC voltage. The transport of current also results in a redistribution of the charges in the insulating medium used.
Wegen der starken Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes vom Feuchtigkeitsgehalt, der Feldstärke, der Temperatur und so weiter läßt sich die Verteilung von Gleichstrom nur schwer vorhersagen. Außerdem vermittelt die physikalische Natur der Gleichspannung, das heißt Ladungstransport, Ladung, zeitabhängiges Verhalten und so weiter ein Bild von den Isolationsproblemen, die im Zusammenhang mit HVDC-Anlagen auftreten, welches sehr komplex und schwer zu interpretieren ist. In "Space charge and Field Distribution in Transformers under DC-stress" von U. Gäfvert und E. Spicar, CIGRE Int. Conference on Large High Voltage Electric Systems, 1986 Session, 12-04 wird die Komplexität der Gleichspannungsverteilung behandelt. Wie zuvor erwähnt, sind Probleme an der Verbindung zwischen der Transfomatordurchführung und dem Leiter der Transfomatorwicklung aufgetreten. Dies hat zu der Wegnahme des unteren, aus elektrischem Porzellan bestehenden Isolators der Durchführung geführt, um die Beanspruchungen an der HVDC-Anschlußstelle bei hohem Spannungsniveau zu beherrschen.Because of the strong dependence of the specific resistance on the moisture content, the field strength, the temperature and Furthermore, the distribution of direct current is difficult to predict. In addition, the physical nature of the direct current, i.e. charge transport, charge, time-dependent behavior and so on, gives a picture of the insulation problems associated with HVDC systems that is very complex and difficult to interpret. In "Space charge and Field Distribution in Transformers under DC-stress" by U. Gäfvert and E. Spicar, CIGRE Int. Conference on Large High Voltage Electric Systems, 1986 Session, 12-04, the complexity of direct current distribution is discussed. As previously mentioned, problems have arisen at the connection between the transformer bushing and the transformer winding conductor. This has led to the removal of the lower electrical porcelain insulator of the bushing in order to control the stresses at the HVDC connection point at high voltage levels.
Eine einfache Erklärung des oben genannten Phänomens ist nicht bekannt. Es gibt jedoch Grund zu der Annahme, daß die lange Oberfläche, die im Zusammenhang mit Durchführungen für Hochspannungen in Verbindung mit der Richtung des Feldes längs der langen Oberfläche in diesem Zusammenhange Bedeutung hat. Zwar ist auch das Wechselspannungsfeld längs der Oberfläche des unteren Porzellans gerichtet, jedoch ist seine physikalische Natur anders. Eine Hypothese besagt, daß die Verteilung des Gleichspannungsfeldes der Gefahr ausgesetzt ist, daß es unstabil wird und ungleichmäßig längs ausreichend langer Oberflächen verteilt ist. Eine andere interessante Hypothese wird in einem Artikel beschrieben mit dem Titel "Effect of Duct Configuration on Oil Activity at Liquid/Solid Dielectric Interfaces" von R. E. James, F. E. Trick, R. Willoughby in Journal of Electrostatics, 12, 1982, Seite 441-447. In diesem Artikel wird festgestellt, daß ein vermehrter Ladungstransport an Oberflächen, hervorgerufen durch Turbulenzen und Zugang zur Ladung, der Grund für die niedrige elektrische Durchschlagsfestigkeit ist.A simple explanation of the above phenomenon is not known. However, there is reason to believe that the long surface area associated with high voltage ducts, in conjunction with the direction of the field along the long surface, is important in this context. Although the AC field is also directed along the surface of the lower porcelain, its physical nature is different. One hypothesis is that the distribution of the DC field is at risk of becoming unstable and being distributed unevenly along sufficiently long surfaces. Another interesting hypothesis is described in an article entitled "Effect of Duct Configuration on Oil Activity at Liquid/Solid Dielectric Interfaces" by RE James, FE Trick, R. Willoughby in Journal of Electrostatics, 12, 1982, pages 441-447. In this article it is stated that increased charge transport at surfaces caused due to turbulence and access to the load, which is the reason for the low electrical breakdown strength.
Ein Weg zur Überwindung der oben genannten Probleme wird in der US-A-539, 209, "Barrier of condenser type for field control in transformer bushing terminals" offenbart. In diesem Falle enthält die Transfomatordurchführung einen unteren Isolator. Um die gewünschte Feldsteuerung zu erreichen, wird eine Kondensatorbarriere verwendet, die innere Konen hat, die über einen gewissen Ölspalt in Kontakt stehen mit dem äußeren konischen Teil des unteren Isolators der Durchführung sowie mit der konisch geformten Isolation des Leiters des Transfomators.One way to overcome the above problems is disclosed in US-A-539,209, "Barrier of condenser type for field control in transformer bushing terminals". In this case, the transformer bushing contains a lower insulator. To achieve the desired field control, a capacitor barrier is used which has inner cones which are in contact with the outer conical part of the lower insulator of the bushing and with the conical shaped insulation of the conductor of the transformer via a certain oil gap.
In der CH-A-506 165 wird eine Durchführung für hohe Wechselspannungen in der Größenordnung von 500 kV beschrieben, die einen Kondensatorkörper enthält, der im axialen Bereich des äußeren Flansches in zwei Teile unterteilt ist. Der luftseitige Teil besteht aus einem kreiszylindrischen Abschnitt mit einem nach außen gerichteten geraden Kegelstumpf, der vom Transfomator wegweist, und einem nach innen gerichteten geraden Kegelstumpf am gegenüberliegenden Ende. Der zweite Teil des Kondensatorkörpers, der sich zur Ölseite der Durchführung erstreckt, hat auch einen kreiszylindrische Abschnitt und ist an seinem nach innen gerichteten Ende mit einem nach außen gerichteten geraden Kegelstumpf versehen und an seinem nach außen gerichteten Ende mit einem nach außen gerichteten geraden Kegelstumpf, der einen Spalt mit dem nach innen gerichteten geraden Kegelstumpf des ersten Teils des Kondensatorkörpers bildet. Die zylindrischen kapazitiven Lagen in dem Kondensatorkörper sind derart angeordnet, daß die Feldstärke in dem genannten Ölspalt ein Minimum annimmt.CH-A-506 165 describes a bushing for high alternating voltages of the order of 500 kV, which contains a capacitor body which is divided into two parts in the axial region of the outer flange. The air-side part consists of a circular-cylindrical section with an outward-facing straight truncated cone pointing away from the transformer and an inward-facing straight truncated cone at the opposite end. The second part of the capacitor body, which extends to the oil side of the bushing, also has a circular-cylindrical section and is provided with an outward-facing straight truncated cone at its inward-facing end and an outward-facing straight truncated cone at its outward-facing end, which forms a gap with the inward-facing straight truncated cone of the first part of the capacitor body. The cylindrical capacitive layers in the capacitor body are arranged in such a way that the field strength in the oil gap is kept to a minimum.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Durchführung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die sehr hohen Gleichspannungsbeanspruchungen standhält und sich relativ kleiner äußerer Abmessungen erfreut.The invention is based on the object of developing an implementation of the type mentioned at the beginning, which has very high withstands DC voltage stresses and enjoys relatively small external dimensions.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Durchführung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.To solve this problem, an implementation according to the preamble of claim 1 is proposed, which according to the invention has the features mentioned in the characterizing part of claim 1.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zusätzlichen Ansprüchen genannt.Further embodiments of the invention are mentioned in the additional claims.
Wie oben beschrieben wurde, bezieht sich die Erfindung in erster Linie auf eine Transfomatordurchführung mit einem Kondensatorkörper zur Feldsteuerung für Transfomatoren, die in Stromrichteranlagen verwendet werden. Die Aufgabe des Kondensatorkörper besteht darin, die Überschläge zu verhindern, die - wie sich gezeigt hat - in Anschlußpunkten an Transfomatordurchführungen auftreten können. Der Kondensatorkörper ist so konstruiert, daß er als eine Barriere mit sowohl einer kapazitiven als auch einer resistiven Steuerung des elektrischen Feldes arbeitet, und er ist so bemessen, daß er den elektrischen Feldstärken standhält, die in dieser Durchführung und insbesondere in dem empfindlichen Bereich der Verbindung zwischen dem Leiter des Transfomators und der Durchführung auftreten.As described above, the invention relates primarily to a transformer bushing with a capacitor body for field control for transformers used in power converter systems. The function of the capacitor body is to prevent the flashovers which - as has been shown - can occur in connection points on transformer bushings. The capacitor body is designed to work as a barrier with both capacitive and resistive control of the electric field and is dimensioned to withstand the electric field strengths which occur in this bushing and in particular in the sensitive area of the connection between the conductor of the transformer and the bushing.
Es wird angenommen, daß der Leiter, der von der Transfomatorwicklung kommt und an den Leiter der Durchführung angeschlossen werden soll, aus einem leitenden Rohr und einer umgebenden gewickelten elektrischen Isolation besteht. Diese Isolation ist, vom Ende des leitenden Rohres ausgehend, als ein gerader Kegelstumpf ausgebildet mit einer Querschnittsfläche mit zunehmendem Radius, die dann in einen zum Transfomator gerichteten kreiszylindrischen Abschnitt übergeht.It is assumed that the conductor coming from the transformer winding and to be connected to the conductor of the bushing consists of a conductive tube and a surrounding wound electrical insulation. This insulation is formed, starting from the end of the conductive tube, as a straight truncated cone with a cross-sectional area of increasing radius, which then changes into a circular cylindrical section directed towards the transformer.
Der Leiter der Durchführung besteht ebenfalls häufig aus einem leitenden Rohr.The conductor of the feedthrough also often consists of a conductive tube.
Der Teil des Kondensatorkörpers, der auf der Luftseite der Transfomatordurchführung liegt, ist wie ein konventioneller Kondensatorkörper ausgebildet. Dies bedeutet, daß vom Befestigungsflansch der Transfomatordurchführung aus gesehen, dieser Teil einen kreiszylindrischen Abschnitt hat, der in einen nach außen gerichteten geraden Kegelstumpf mit abnehmendem Durchmesser übergeht. Auch andere Ausführungen dieses Abschnittes können verwendet werden.The part of the capacitor body that is on the air side of the transformer bushing is designed like a conventional capacitor body. This means that, viewed from the fastening flange of the transformer bushing, this part has a circular cylindrical section that transitions into an outward-facing straight truncated cone with a decreasing diameter. Other designs of this section can also be used.
Der Teil des Kondensatorkörpers, der von der Erfindung erfaßt wird, das heißt, der auf der Ölseite der Transfomatordurchführung liegende Teil, wobei normalerweise von dem Befestigungsflansch der Durchführung an gerechnet wird, ist als kreiszylindrischer Abschnitt ausgebildet, dessen Ende mit einem nach innen gerichteten geraden Kegelstumpf versehen ist. Die axiale Länge des kreiszylindrischen Abschnittes, der auf der Ölseite der Durchführung liegt, ist im wesentlichen so angepaßt, daß sein Ende zusammenfällt mit dem Übergang vom konischen zum kreiszylindrischen Abschnitt der Isolation des von der Transfomatorwicklung kommenden Leiters. Die Konizität des Konus, der von jenem Punkt nach innen gerichtet ist, ist im wesentlichen (siehe jedoch unten) gleich der Konizität der Isolation des Leiters der Transfomatorwicklung mit Raum für einen dazwischen liegenden Öl spalt.The part of the capacitor body covered by the invention, that is, the part lying on the oil side of the transformer bushing, normally counting from the bushing's mounting flange, is designed as a circular cylindrical section, the end of which is provided with an inwardly directed straight truncated cone. The axial length of the circular cylindrical section lying on the oil side of the bushing is substantially adapted so that its end coincides with the transition from the conical to the circular cylindrical section of the insulation of the conductor coming from the transformer winding. The taper of the cone which is directed inwardly from that point is substantially (but see below) equal to the taper of the insulation of the conductor of the transformer winding with space for an oil gap therebetween.
Ein solcher Aufbau eines Kondensatorkörpers bedeutet, daß ein konventioneller Kondensatorkörper mit einer Kondensatorbarriere integriert ist. Hierdurch wird das elektrische Feld in der gewünschten Weise gesteuert, während man gleichzeitig eine Abschirmung des Leiters des Transfomators erhält. Auf diese Weise dient der Kondensatorkörper für die Durchführung gemäß der Erfindung als Isolationsbarriere sowohl für Gleichspannungs- als auch Wechselspannungsfelder.Such a construction of a capacitor body means that a conventional capacitor body is integrated with a capacitor barrier. This controls the electric field in the desired manner while at the same time providing a shield for the conductor of the transformer. In this way, the capacitor body serves to carry out according to the invention as an insulation barrier for both direct current and alternating current fields.
Im übrigen ist der Kondensatorkörper für die Durchführung gemäß der Erfindung wie ein konventioneller Kondensatorkörper aufgebaut, das heißt, er besteht aus aufgewickeltem Isoliermaterial mit folienartigen Kondensatorlagen, die konzentrisch darin eingefügt sind. Der innere Radius der Kondensatorkörper entspricht dem äußeren Radius des durchgehenden stromführenden Rohres der Transfomatordurchführung.Otherwise, the capacitor body for the bushing according to the invention is constructed like a conventional capacitor body, i.e. it consists of wound insulating material with foil-like capacitor layers that are inserted concentrically into it. The inner radius of the capacitor body corresponds to the outer radius of the continuous current-carrying tube of the transformer bushing.
Wie oben erwähnt, wird der Kondensatorkörper aus einem isolierenden Mittel abwechselnd mit leitenden Lagen hergestellt, um die gewünschte kapazitive Steuerung des elektrischen Wechselfeldes zu erreichen. Die innerste Kondensatorlage, die konzentrisch zum Leiter liegt, hat eine axiale Länge, die annähernd der inneren axialen Länge des Kondensatorkörpers entspricht. Außerhalb dieser innersten Lage sind konzentrische Lagen vorhanden, deren Länge sich mit zunehmendem Radius derart verändert, daß der aus diesen Lagen gebildete Stapel sich in beiden axialen Richtungen verjüngt (schräg verläuft). Die Verjüngung ist so gewählt, daß entsprechend dem zunehmenden Radius des Kondensatorkörpers, gerechnet von der ersten Lage an, die Lagen in axialer Richtung so angeordnet sind, daß ihre äußeren Ränder den nach außen gerichteten geraden Kegelstumpf des Kondensatorkörpers auf der Luftseite erreichen und eine gleichmäßig abnehmende Verjüngung, gerechnet von der innersten Lage zum Befestigungsflansch auf der Ölseite hin. Zusätzlich sind kurze Lagen vorhanden, welche so angeordnet sind, daß sie mit zunehmendem Radius der Kondensatorkörper, gerechnet von der innersten Lage an, in axialer Richtung derart angeordnet sind, daß ihre äußeren Ränder den nach innen gerichteten geraden Kegelstumpf des Kondensatorkörpers erreichen. Die axiale Länge dieser kurzen Lage ist so gewählt, daß ihre Fläche konstant bleibt, das heißt, die axiale Länge nimmt mit zunehmendem Radius der Kondensatorkörpers ab.As mentioned above, the capacitor body is made of an insulating medium alternating with conductive layers to achieve the desired capacitive control of the alternating electric field. The innermost capacitor layer, which is concentric with the conductor, has an axial length approximately equal to the inner axial length of the capacitor body. Outside this innermost layer there are concentric layers whose length changes with increasing radius in such a way that the stack formed from these layers tapers (runs obliquely) in both axial directions. The taper is chosen so that according to the increasing radius of the capacitor body, calculated from the first layer, the layers are arranged in the axial direction so that their outer edges reach the outward-facing straight truncated cone of the capacitor body on the air side and a uniformly decreasing taper, calculated from the innermost layer to the mounting flange on the oil side. In addition, there are short layers which are arranged in such a way that, with increasing radius of the capacitor body, calculated from the innermost layer, they are arranged in the axial direction in such a way that their outer edges reach the inward-facing straight truncated cone of the capacitor body. The axial length of this short layer is selected so that its area remains constant, that is, the axial length decreases with increasing radius of the capacitor body.
Um die gewünschte Feldsteuerung zu erreichen, ist die innerste Lage mit dem zentralen leitenden Rohr verbunden, an welchem die Hochspannung angelegt wird, und die äußere Lage ist über den Befestigungsflansch mit Erde verbunden.To achieve the desired field control, the innermost layer is connected to the central conductive tube to which the high voltage is applied, and the outer layer is connected to earth via the mounting flange.
Wie oben erwähnt, wird das Gleichspannungsfeld durch verschiedene Faktoren gesteuert. So kann beispielsweise das Medium, welches den kleinsten spezifischen Widerstand hat, feldsteuernd sein. Wie oben ausgeführt, ist ein Ölspalt zwischen dem Isolierkörper des Leiters der Transfomatorwicklung und dem umgebenden nach innen gerichteten geraden Kegelstumpf des Kondensatorkörpers vorgesehen. Da das Öl den niedrigsten spezifischen Widerstand hat, fließt der meiste Strom in dem Ölspalt, der daher das parallel zu den umgebenden Flächen vorhandene Feld steuert. Um eine gleichmäßige Verteilung des Feldes längs dieser Flächen zu erreichen, ist es daher wichtig, daß die Breite des Ölspaltes mit abnehmendem Durchmesser zunimmt. Anderenfalls würde das Feld sich zu dem Teil hin konzentrieren, wo der Radius am kleinsten ist, das heißt, wo die Querschnittsfläche des Ölspaltes am kleinsten ist. Aus diesem Grunde wird die Konizität des nach innen gerichteten geraden Kegelstumpf des Kondensatorkörpers und die Konizität des konischen Teils des Isolierkörpers zweckmäßigerweise so gewählt, daß die radiale Querschnittsfläche des Ölspaltes längs des konischen Abschnitte der Körper annähernd konstant ist.As mentioned above, the DC field is controlled by various factors. For example, the medium that has the smallest resistivity can be the field controlling medium. As stated above, an oil gap is provided between the insulating body of the transformer winding conductor and the surrounding inward-facing straight truncated cone of the capacitor body. Since the oil has the lowest resistivity, most of the current flows in the oil gap, which therefore controls the field present parallel to the surrounding surfaces. In order to achieve an even distribution of the field along these surfaces, it is therefore important that the width of the oil gap increases as the diameter decreases. Otherwise, the field would concentrate towards the part where the radius is smallest, that is, where the cross-sectional area of the oil gap is smallest. For this reason, the conicity of the inwardly directed straight truncated cone of the capacitor body and the conicity of the conical part of the insulating body are expediently selected so that the radial cross-sectional area of the oil gap along the conical sections of the bodies is approximately constant.
Ein anderer feldsteuernder Teil ist die radiale Verteilung des Feldes in dem Teil des Kondensatorkörpers, der keine Lagen enthält, das heißt, der Bereich um die innerste Lage herum, an welcher Hochspannung liegt. Zwischen dem Ölspalt in Richtung der Isolation des Leiters der Transfomatorwicklung und diesem Bereich wirken die leitenden Lagen - im Gleichspannungsfall - als Äquipotentialflächen, welche verhindern, daß sich das Feld an irgendeinem Teil des erwähnten Ölkanals konzentriert. Mit einem genau geformten Ölkanal wirken die oben genannten Faktoren zusammen, um eine gleichmäßige Verteilung des Feldes im Ölkanal zu erreichen, wobei das Feld in der gewünschten Weise zu der Isolation des Leiters der Transfomatorwicklung übergeleitet wird.Another field-controlling part is the radial distribution of the field in the part of the capacitor body that does not contain any layers, that is, the area around the innermost layer where high voltage is present. Between the oil gap in the direction of the insulation of the conductor of the transformer winding and in this area the conductive layers act - in the case of direct voltage - as equipotential surfaces which prevent the field from concentrating in any part of the oil channel mentioned. With a precisely shaped oil channel, the above-mentioned factors work together to achieve a uniform distribution of the field in the oil channel, whereby the field is transferred in the desired manner to the insulation of the conductor of the transformer winding.
Es ist äußerst wünschenswert, daß die Ölsysteme im Transformator und in der Durchführung aus separaten Systemen bestehen. Um dies zu erreichen, werden zwei verschiedene prinzipielle Ausführungen des Kondensatorkörpers vorgeschlagen. Diese werden unten im Zusammenhang mit den Zeichnungen genauer beschrieben, so daß hier nur eine kurze Beschreibung des Prinzips gegeben wird. Eine Alternative besteht darin, daß der Kondensatorkörper als eine feste Einheit ausgeführt wird, zum Beispiel imprägniert und ausgehärtet mit einer geeigneten gießbaren Verbindung. Die zweite Alternative besteht darin, den Kondensatorkörper in ein dichtes Gehäuse einzuschließen. Dies führt zur Entstehung von zwei Ölspalten am Übergang zwischen der Isolation des Leiters der Transfomatorwicklung und dem Kondensatorkörper.It is highly desirable that the oil systems in the transformer and in the bushing should be separate systems. To achieve this, two different basic designs of the capacitor body are proposed. These are described in more detail below in connection with the drawings, so only a brief description of the principle is given here. One alternative is that the capacitor body is made as a solid unit, for example impregnated and cured with a suitable castable compound. The second alternative is to enclose the capacitor body in a sealed housing. This results in the creation of two oil gaps at the junction between the insulation of the conductor of the transformer winding and the capacitor body.
Ein Vorteil eines Kondensatorkörpers mit einer integrierten Kondensatorbarriere in einer Transfomatordurchführung gemäß der Erfindung im Vergleich zu dem Konzept einer separaten Kondensatorbarriere gemäß der US-A-539 209 besteht darin, daß die äußeren Abmessungen des Systems kleiner gemacht werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Ausmaß der Interface, welche einer tangential gerichteten elektrischen Feldstärke ausgesetzt sind, kleiner wird.An advantage of a capacitor body with an integrated capacitor barrier in a transformer bushing according to the invention compared to the concept of a separate capacitor barrier according to US-A-539 209 is that the external dimensions of the system can be made smaller. A further advantage is that the extent of the interfaces exposed to a tangentially directed electric field strength becomes smaller.
Anhand der Figuren soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden, wobei die Figuren 1 und 2 zwei alternative Ausführungsformen eines Kondensatorkörpers für eine Durchführung gemäß der Erfindung zeigen.The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the figures, whereby figures 1 and 2 show two alternative Show embodiments of a capacitor body for a feedthrough according to the invention.
Um die Erfindung in bestmöglicher Weise zu zeigen, sind die Proportionen zwischen dem Durchmesser und der axialen Länge des Kondensatorkörpers nicht maßstäblich. Das gleiche gilt für die Konizität der Konen.In order to show the invention in the best possible way, the proportions between the diameter and the axial length of the capacitor body are not to scale. The same applies to the conicity of the cones.
Das Prinzip der Ausführungsform, bei der der Kondensatorkörper als eine feste gegossene Einheit aufgebaut ist, zeigt Figur 1. Wie beschrieben wurde, ist der Kondensatorkörper 1 als ein rotationssymmetrischer Körper aufgebaut, der aus gewickeltem Isoliermaterial mit konzentrisch eingelegten, aus Folie bestehenden Kondensatorlagen besteht. Um den Kondensatorkörper 1 bis zu einem gewissen Grade in seinem eigentlichen Umfeld zu zeigen, zeigt Figur 1 auch den als Rohr ausgebildeten zentralen stromführenden Teil 2 einer Transfomatordurchführung, um die herum der Kondensatorkörper 1 angeordnet ist, sowie das obere Ende der Transfomatorwicklung, welches aus einem inneren, an Spannung liegenden Rohr 3 besteht und um dieses gewickeltes Isoliermaterial 4, welches als kreiszylindrischer Teil 6 ausgebildet ist, welcher in eine konische Verjüngung 5 zum Ende des Rohres hin übergeht.The principle of the embodiment in which the capacitor body is constructed as a solid cast unit is shown in Figure 1. As described, the capacitor body 1 is constructed as a rotationally symmetrical body consisting of wound insulating material with concentrically inserted capacitor layers made of foil. In order to show the capacitor body 1 to a certain extent in its actual environment, Figure 1 also shows the central current-carrying part 2 of a transformer bushing, designed as a tube, around which the capacitor body 1 is arranged, as well as the upper end of the transformer winding, which consists of an inner, live tube 3 and insulating material 4 wound around it, which is designed as a circular cylindrical part 6, which merges into a conical taper 5 towards the end of the tube.
Eine Transfomatordurchführung, in welche der Kondensatorkörper einzufügen ist, hat normalerweise einen oberen Isolator aus elektrischem Porzellan, der an der Luftseite liegt. Auf der Ölseite haben Transfomatordurchführungen normalerweise auch einen unteren Isolator, der beispielsweise aus elektrischem Porzellan besteht. Bei einer Ausführung gemäß der Erfindung ist andererseits ein solcher unterer Isolator bekannter Art nicht vorhanden.A transformer bushing into which the capacitor body is to be inserted normally has an upper insulator made of electrical porcelain, which is located on the air side. On the oil side, transformer bushings normally also have a lower insulator, which is made of electrical porcelain, for example. In an embodiment according to the invention, on the other hand, such a lower insulator of known type is not present.
Der Kondensatorkörper bei der ersten Alternative ist mit einer geeigneten gießbaren Verbindung, wie beispielsweise Epoxy, imprägniert. Der Kondensatorkörper wird dann beispielsweise aus einem Isolalierpapier gewickelt, welches mit der verwendeten gießbaren Verbindung imprägniert ist.The capacitor body in the first alternative is coated with a suitable castable compound, such as epoxy, impregnated. The capacitor body is then wound, for example, from an insulating paper which is impregnated with the castable compound used.
Auf der Luftseite ist der Kondensatorkörper wie ein Kondensatorkörper nach dem Stand der Technik ausgebildet, das heißt, mit einem kreiszylindrischen Abschnitt 7, der in einen nach außen gerichteten geraden Kegelstumpf 8 übergeht. Auf der Ölseite setzt sich der Kondensatorkörper als ein kreiszylindrischer Abschnitt 9 fort mit dem gleichen äußeren Durchmesser wie der kreiszylindrische Abschnitt auf der Luftseite fort. Die axiale Länge der äußeren Kontur des kreiszylindrische Abschnittes ist so angepaßt, daß ihr Ende mit dem Übergang der Isolation des Leiters der Transfomatorwicklung von dem konischen zum kreiszylindrischen Abschnitt zusammenfällt. Von dem Ende des Kondensatorkörpers aus erstreckt sich ein nach innen gerichteten geraden Kegelstumpf 10 mit einer Konizität, die entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren etwas von der Konizität des Leiters der Transfomatorwicklung abweicht. Dies führt zur Entstehung eines Ölspaltes zwischen dem Kondensatorkörper und dem konischen Abschnitt 5 des Leiters der Transfomatorwicklung. Es ist wichtig für die Verteilung des Gleichspannungsfeldes, daß der Ölspalt zwischen dem nach innen gerichteten geraden Kegelstumpf des Kondensatorkörpers und dem konischen Abschnitt des Leiters der Transfomatorwicklung im wesentlichen den gleichen radialen Querschnitt längs der gesamten äußeren Kontur der Konen hat. Der Unterschied im Durchmesser ist daher am größten an der kleinsten Basisfläche der Konen.On the air side, the capacitor body is designed like a capacitor body according to the state of the art, that is, with a circular cylindrical section 7 that transitions into an outwardly directed straight truncated cone 8. On the oil side, the capacitor body continues as a circular cylindrical section 9 with the same outer diameter as the circular cylindrical section on the air side. The axial length of the outer contour of the circular cylindrical section is adapted so that its end coincides with the transition of the insulation of the conductor of the transformer winding from the conical to the circular cylindrical section. From the end of the capacitor body extends an inwardly directed straight truncated cone 10 with a conicity that deviates slightly from the conicity of the conductor of the transformer winding according to the method described above. This leads to the formation of an oil gap between the capacitor body and the conical section 5 of the transformer winding conductor. It is important for the distribution of the direct voltage field that the oil gap between the inwardly directed straight truncated cone of the capacitor body and the conical section of the transformer winding conductor has essentially the same radial cross-section along the entire outer contour of the cones. The difference in diameter is therefore greatest at the smallest base area of the cones.
Die erste und innerste Kondensatorlage 11 ist elektrisch an das stromführende Rohr 2 der Durchführung angeschlossen, wie dies durch den Verbindungspunkt 12 angedeutet ist. Diese erste Lage hat eine axiale Länge, die der axialen Länge des Kondensatorkörpers entspricht. Sie ist umgeben von konzentrischen Lagen 13, die in radialer Richtung übereinander liegen und die (in ihrer Gesamtheit) sich relativ zur ersten Lage in axialer Richtung verjüngen. Diese Verjüngung wird durch die Anordnung der Lagen in axialer Richtung mit zunehmendem Durchmesser derart vorgenommen, daß die äußeren Ränder an der einen Seite bis zur konischen Kontur auf der Luftseite reichen und an der anderen Seite eine gleichmäßige Verjüngung in Richtung zum Befestigungsflansch der Transfomatordurchführung bilden. Die äußerste dieser Lagen ist an Erdpotential angeschlossen.The first and innermost capacitor layer 11 is electrically connected to the current-carrying tube 2 of the bushing, as indicated by the connection point 12. This first layer has an axial length that corresponds to the axial length of the capacitor body. It is surrounded by concentric Layers 13 which lie one above the other in the radial direction and which (as a whole) taper relative to the first layer in the axial direction. This taper is achieved by arranging the layers in the axial direction with increasing diameter in such a way that the outer edges on one side reach the conical contour on the air side and on the other side form a uniform taper in the direction of the fastening flange of the transformer bushing. The outermost of these layers is connected to earth potential.
Ferner ist der Kondensatorkörper mit konzentrischen kurzen Lagen 14 versehen, die an die Kontur des nach innen gerichteten geraden Kegelstumpfes reichen. Die axiale Länge dieser kurzen Lagen ist so gewählt, daß sie, unabhängig vom Radius, auf dem sie angeordnet sind, einen praktisch konstanten Querschnitt haben.Furthermore, the capacitor body is provided with concentric short layers 14 which extend to the contour of the inwardly directed straight truncated cone. The axial length of these short layers is selected such that they have a practically constant cross-section, regardless of the radius on which they are arranged.
Eine Ausführungsform eines Kondensatorkörpers gemäß der oben genannten zweiten Alternative zeigt Figur 2. Die feldsteuernden Teile des Kondensatorkörpers, das heißt, das gewickelte Isoliermaterial und die Lagen, sind vom Aufbau her in gleicher Weise angeordnet wie in Figur 1. Bei dieser Ausführung besteht jedoch der Isolationsteil beispielsweise aus ölimprägniertem Isolierpapier. Bei dieser Alternative ist der gesamte Kondensatorkörper von Öl umgeben, welches sich in einem dichten Gehäuse 15 befindet. Dies führt zur Entstehung von zwei Ölspalten zwischen dem nach innen gerichteten Konus des Kondensatorkörpers und dem konischen Abschnitt des Leiters der Transfomatorwicklung, das heißt, innerhalb beziehungsweise außerhalb des geschlossenen Gehäuses. Beide Spalte müssen nun in gleicher Weise bemessen werden, wie der Ölspalt in Figur 1. Die Anforderungen, die an das Material dieses Gehäuses gestellt werden müssen, bestehen darin, daß es eine ausreichende Formbarkeit hat und daß sein spezifischer Widerstand größer oder mindestens ebenso groß wie der spezifische Widerstand des Öls ist.An embodiment of a capacitor body according to the second alternative mentioned above is shown in Figure 2. The field-controlling parts of the capacitor body, i.e. the wound insulating material and the layers, are arranged in the same way as in Figure 1. In this embodiment, however, the insulating part consists of oil-impregnated insulating paper, for example. In this alternative, the entire capacitor body is surrounded by oil, which is located in a sealed housing 15. This leads to the formation of two oil gaps between the inward-facing cone of the capacitor body and the conical section of the conductor of the transformer winding, i.e. inside and outside the closed housing respectively. Both gaps must now be dimensioned in the same way as the oil gap in Figure 1. The requirements that must be placed on the material of this housing are that it has sufficient formability and that its specific Resistance is greater than or at least as great as the specific resistance of the oil.
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