EP0032690B1

EP0032690B1 - Folienisolierte Hochspannungsdurchführung mit Potentialsteuereinlagen

Info

Publication number: EP0032690B1
Application number: EP81100119A
Authority: EP
Inventors: Günther Matthäus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-01-18
Filing date: 1981-01-09
Publication date: 1983-10-12
Also published as: US4387266A; EP0032690A2; EP0032690A3; DE3001810A1; ATE5034T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungsdurchführung mit auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegenden Leiterteilen sowie mit einem zwischen diesen Leiterteilen angeordneten Isolationskörper, der aus Isolierfolien gewickelt ist, dünne, mit einer Noppung versehene elektrisch leitende Folien als Potentialsteuereinlagen enthält und von einem gasförmigen Isoliermedium getränkt ist. Eine derartige Hochspannungsdurchführung ist aus der FR-E-44 238 in Verbindung mit der FR-A-742 448 bekannt.
An den Anschlussstellen von elektrischen Einrichtungen mit hohen Betriebsspannungen von beispielsweise 100 kV und höher müssen hochspannungsführende Teile dieser Einrichtungen durch auf Erdpotential liegende Teile so isoliert hindurchgeführt werden, dass mit Sicherheit Überschläge zwischen diesen Teilen vermieden werden. Eine entsprechende Anschlussstelle stellt beispielsweise der Endverschluss eines Hochspannungskabels oder der Anschluss eines Hochspannungstransformators dar. Auch bei Wandlern und Schaltanlagen können entsprechende isolierte Durchführungen erforderlich sein.
Zur Vermeidung solcher unerwünschter Überschläge sind die auf Hochspannungspotential liegenden elektrisch leitenden Teile in den Hochspannungsdurchführungen von besonderen Durchführungsisolatoren umgeben, deren geometrische Abmessungen unter anderem durch die geforderten elektrischen Festigkeitswerte festgelegt sind.
Ein aus der Literaturstelle «PROC. IEE», Vol. 112, Jan. 1965, Seiten 89 bis 102 bekannter Durchführungsisolator ist aus flexiblen Kunststoffolien gewickelt. Ausserdem sind in diesen Isolator noch dünne metallische Folien als sogenannte elektrisch leitende Potentialsteuereinlagen konzentrisch zueinander und gegeneinander isoliert mit eingewickelt. Mit diesen Einlagen lässt sich eine Steuerung der Spannungsverteilung über den Durchführungsisolator und somit eine Erhöhung der Teilentladungs- und Stossspannungsfestigkeit erreichen (vgl. z.B. P. Böning: Kleines Lehrbuch der elektrischen Festigkeit, Karlsruhe 1955, Seiten 140 bis 142).
In dem bekannten gewickelten Durchführungsisolator vorhandene Spalte und Hohlräume sollen mit Schwefelhexafluorid (SF.) als Isoliermedium gefüllt sein, da bekanntlich die Teilentladungs-Einsatzfelds_tärke in SF_s mindestens doppelt so hoch ist wie in Luft. Die in dem Wickel des Isolators vorhandene Luft muss deshalb abgepumpt und durch das SF_s-Gas ersetzt werden. Da ferner bei derartigen Hochspannungsdurchführungsisolatoren aus gewickelten Isolierstoffolien mit kapazitiver Potentiatsteuerung die Teilentladungs- und Stossspannungsfestigkeit im wesentlichen durch die axiale elektrische Feldstärke an den äusseren Kanten der elektrisch leitenden Potentialsteuereinlagen begrenzt werden, muss insbesondere gewährleistet sein, dass sich zumindest diese Kanten in dem besonderen Isoliermedium befinden. Bei dem bekannten Durchführungsisolator ist jedoch ein Ersetzen der Luft durch SF_s an diesen Stellen erschwert, da die dünnen Metallfolien der Potentialsteuereinlagen flächig von den benachbarten Isolierfolien eingeschlossen sind und somit ein Gasaustausch an ihneh verhältnismässig schwer zu erreichen ist.
Aus dem eingangs genannten Zusatzpatent FRE-E-44 238 zu dem Hauptpatent FR-A-742 448 ist ferner eine Hochspannungsdurchführung bekannt, deren Isolationskörper aus trapezförmigen Isolierfolien aus Papier gewickelt ist. Diese Isolierfolien können an ihren Kanten mit geprägten Bändern versehen sein. Ausserdem sind in den Isolationskörper Potentialsteuereinlagen mit eingewickelt, die ebenfalls eine Prägung aufweisen.
Bei dieser Hochspannungsdurchführung ist zwar eine gute Durchlässigkeit des Isolationskörpers mit einem Isoliermedium gewährleistet. Aufgrund der Verwendung von geprägten Bändern an den Kanten der Isolierfolien hat jedoch der gesamte Isolationskörper nur eine verhältnismässig geringe mechanische Festigkeit, so dass er für Betriebsspannungen von 100 kV und höher nicht geeignet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen bekannten Isolationskörper einer Hochspannungsdurchführung so zu verbessern, dass er auch für Einrichtungen mit hohen Betriebsspannungen zu verwenden ist und zugleich eine ausreichende Tränkung mit einem Isoliermedium, insbesondere an seinen Potentialsteuereinlagen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Hochspannungsdurchführung erfindungsgemäss dadurch gelöst,

a) dass die Potentialsteuereinlagen 300 bis 700, vorzugsweise etwa 500 Noppen pro cm² aufweisen,
b) dass die Potentialsteuereinlagen jeweils eine Gesamtdicke haben, die mindestens 50% grösser ist als die Stärke einer entsprechenden Folie ohne Noppung und
c) dass die Lagen aus den Isolierfolien zum einen Teil aus glatten Kunststoffolien und zum anderen Teil aus Kunststoffolien mit einer Noppung gewickelt sind, wobei zumindest die den Potentialsteuereinlagen benachbarten Lagen aus den mit der Noppung versehenen Kunststof folien bestehen.

Mit dieser Gestaltung der Hochspannungsdurchführung lässt sich vorteilhaft zum einen gewährleisten, dass an den Potentialsteuereinlagen beim Wickelvorgang ausgebildete Hohlräume, insbesondere an den Kanten, stets nur mit dem Isoliermedium gefüllt sind, da zwischen den genoppten Steuereinlagen und den jeweils benachbarten Isolierfolien, die ebenfalls geprägt sind, eine ausreichende Gasdurchlässigkeit besteht. Diese Gasdurchlässigkeit ist durch die vorbestimmte Höhe der Noppen gewährleistet. Zum anderen weist der gewickelte Isolationskörper auch eine ausreichende mechanische Festigkeit auf, d.h. ein Verrutschen auf dem zentralen, als Wickeldorn dienenden Leiter bei senkrechter Anordnung der Hochspannungsdurchführung kann vermieden werden. Dies folgt aus der verhältnismässig hohen, vorbestimmten Anzahl der Noppen pro cm² seiner Potentialsteuereinlagen und aus dem besonderen Aufbau aus mit der Noppung versehenen und glatten Kunststoffolien. Da geprägte Folien im allgemeinen mechanisch verhältnismässig stabil sind, lässt sich der Durchführungsisolator mit solchen genoppten Potentialsteuereinlagen und mit glatten und geprägten Kunststoffolien ohne Schwierigkeiten verhältnismässig fest wikkeln. Dabei ist insbesondere die Gefahr vermindert, dass bei dem Wickelvorgang Knicke in den Potentialsteuereinlagen auftreten, an deren Kanten die elektrische Feldstärke in unerwünschter Weise erhöht wäre.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Hochspannungsdurchführung nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Ausbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine Hochspannungsdurchführung schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt schematisch einen gemäss der Erfindung ausgebildeten Teil dieser Hochspannungsdurchführung.
Bei der in Fig. 1 als Längsschnitt dargestellten Hochspannungsdurchführung kann beispielsweise von einem Teil des Endverschlusses eines Hochspannungskabels ausgegangen werden, wie es aus der Veröffentlichung «PROC. IEE», Vol. 112, Jan. 1965, Seiten 89 bis 102 bekannt ist. Die Durchführung enthält einen zentralen Leiter 2, der z.B. ein Kupferrohr ist und auf Hochspannungspotential von über 200 kV bei 50 Hz liegt. Vorzugsweise besteht der zentrale Leiter aus einem Edelstahl- oder Aluminiumrohr. Um den Leiter ist konzentrisch ein Isolationskörper 3 angeordnet, der zwei abgeschrägte, kegelmantelförmige Seitenflächen 4 und 5 und dazwischen eine zylinderförmige Mantelfläche 6 hat. Dieser Isolationskörper ist aus isolierenden Folien aus einem Kunststoffmaterial mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten, wie z.B. aus Polypropylen-Folien, gewickelt. In ihm sind konzentrisch zueinander und isoliert gegeneinander sogenannte Kondensatoreinlagen 7 bis 10 vorgesehen, die in der Figur durch zu dem zentralen Leiter 2 parallele Linien angedeutet sind. Diese zur Potentialsteuerung dienenden und gemäss der Erfindung besonders gestalteten Kondensatoreinlagen sind zweckmässig so abgestuft zueinander angeordnet, dass sich längs der abgeschrägten Seitenflächen 4 und 5 des Isolationskörpers 3 von innen nach aussen ein annähernd lineares Potentialgefälle ausbilden kann. Diese annähernd lineare Potentialcharakteristik an den Seitenflächen 4 und 5 lässt sich dabei in bekannter Weise durch eine geeignete Wahl der radialen Abstände zwischen den einzelnen Kondensatoreinlagen sowie durch deren axiale Längen erreichen (vgl. z.B. US-A-3 462 545). Die innersten, leiternahen und mit 8 und 9 bezeichneten Kondensatoreinlagen liegen z.B. auf Hochspannungspotential, während sich die äusserste Kondensatoreinlage 10 an der Mantel_'- fläche 6 mit einem elektrischen Anschluss 11 auf Erdpotential befindet.
Zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Isolationskörpers 3 soll die in seinen bei dem Wikkelvorgang ausgebildeten Hohlräumen vorhandene Luft durch ein isolierendes Medium ersetzt sein. Geeignete Medien sind z.B. Gase wie Schwefelhexafluorid (SF₆) oder Stickstoff (N₂). Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach der Figur sei eine SF₆-Tränkung des Isolationskörpers angenommen.
Falls die Hochspannungsdurchführung für eine auf Tieftemperatur befindliche Einrichtung, beispielsweise für den Endverschluss eines supraleitenden Kabels, vorgesehen sein soll, kann der Isolationskörper auch von einem kryogenen Medium wie z.B. von Helium durchtränkt sein (vgl. DE-A-2 327 629).
Es hat sich nun gezeigt, dass bei einem Isolationskörper, der aus glatten Isolierfolien und glatten Potentialsteuereinlagen gewickelt ist, die in dem Wickel eingeschlossene Luft nur schwer durch ein isolierendes Medium wie z.B. SF. zu ersetzen ist. Da bekanntlich die Teilentladungs-und Stossspannungs festigkeit einer Durchführung wesentlich durch die axiale elektrische Feldstärke an den äusseren, d.h. an den den abgeschrägten Seitenflächen 4 und 5 zugewandten Kanten der elektrisch leitenden Potentialsteuereinlagen (Kondensatoreinlagen) 7 bis 10 begrenzt ist, muss gewährleistet sein, dass insbesondere diese Kanten sich in dem isolierenden Medium und nicht in der bei dem Wickelvorgang mit eingeschlossenen Luft befinden. Gemäss der Erfindung ist deshalb eine besondere Gestaltung der Potentialsteuereinlagen vorgesehen. Diese Gestaltung geht aus Fig. 2 näher hervor, in der ein entsprechendes, in Fig. 1 mit 12 bezeichnetes Teilstück des Isolationskörpers vergrössert dargestellt ist. Dabei sind mit Fig. 1 übereinstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der Isolationskörper 3 einer Hochspannungsdurchführung nach der Erfindung enthält gemäss dem in Fig. 2 als Längsschnitt dargestellten Teilstück 12 dünne Potentialsteuereinlagen, die mit einer Noppung versehen sind und von denen in der Figur nureine einzige, mit 10 bezeichnete Kondensatoreinlage veranschaulicht ist. Die Kondensatorsteuereinlagen können beispielsweise aus einer dünnen Folie aus einem Metall wie z.B. Aluminium hergestellt sein, wie für glatte Folien allgemein aus der GB-A-991 546 bekannt ist. Auch mit einem entsprechenden Metall kaschierte Folien aus einem Kunststoff wie Polyvinylchlorid (PVC), Polyäthylen (PE), Polypropylen (PP) oder Polycarbonat (PC) sind als Potentialsteuereinlagen geeignet. Diese Steuereinlagen enthalten erfindungsgemäss zwischen 300 und 700, vorzugsweise etwa 500 Noppen pro cm^2.
Mit der Noppung sollen die Steuereinlagen jeweils eine Gesamtdicke erhalten, die mindestens 50% grösser als die Stärke einer entsprechenden Folie ohne Noppung ist. So kann z.B. eine 18 ₁1m starke Aluminium-Folie verwendet werden, die mit der Noppung eine Gesamtdicke von etwa 40 µm aufweist. Mit einer solchen genoppten Folie lässt sich wesentlich besser beim Wickeln des Isolationskörpers 3 hantieren als mit einer glatten Folie, da die genoppte Folie mechanisch stabiler ist. Der Isolationskörper ist ferner aus glatten Isolationsfolien 14 gewickelt, die beispielsweise aus Polypropylen oder Polyäthylen sind. Zwischen jeweils zwei Lagen aus glatten Isolationsfolien 14 befindet sich ferner eine Lage aus geprägten Isolationsfolien 15. Diese Folien sind ebenfalls mit einer Noppung versehen, wobei sie beispielsweise etwa 500 Noppen/cm² enthalten. Vorteilhaft sind jeweils zu den beiden Seiten der Potentialsteuereinlage Kondensatoreinlage 10 deraritge geprägte Isolationsfolien 15 vorgesehen. Auf diese Weise wird eine ausreichende Durchlässigkeit des Isolationskörpers 3 für das isolierende Medium wie z.B. das SF_s-Gas gewährleistet. Insbesondere sind dann die durch die Noppung der Potentialsteuereinlage (Kondensatoreinlage 10) und der benachbarten Isolationsfolien 15 ausgebildeten Hohlräume, von denen in der Figur einige mit 16 bezeichnet sind, nach dem Wickelvorgang des Isolationskörpers verhältnismässig leicht zu evakuieren und mit dem Isoliermedium zu füllen. In den Figuren ist angenommen, dass der auf Hochspannungspotential liegende Leiterteil der Hochspannungsdurchführung zentral angeordnet ist und die auf Erdpotential liegenden Leiterteile ihn umgeben, wobei zwischen diesen Leiterteilen der Isolationskörper vorgesehen ist. Die Hochspannungsdurchführung nach der Erfindung ist jedoch ebensogut auch für elektrische Einrichtungen geeignet, bei denen auf der Aussenseite Hochspannungspotential und innen Erdpotential anliegen.

Claims

1. Hochspannungsdurchführung mit auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegenden Leiterteilen sowie mit einem zwischen diesen Leiterteilen angeordneten Isolationskörper (3), der aus Isolierfolien (14) gewickelt ist, dünne, mit einer Noppung versehene elektrisch leitende Folien als Potentialsteuereinlagen (7 bis 10) enthält und von einem gasförmigen Isoliermedium getränkt ist, dadurch gekennzeichnet,

a) dass die Potentialsteuereinlagen (7 bis 10) 300 bis 700, vorzugsweise etwa 500, Noppen pro cm² aufweisen,

b) dass die Potentialsteuereinlagen (7 bis 10) jeweils eine Gesamtdicke haben, die mindestens 50% grösser ist als die Stärke einer entsprechenden Folie ohne Noppung und

c) dass die Lagen aus den Isolierfolien (14) zum einen Teil aus glatten Kunststoffolien und zum anderen Teil aus Kunststoffolien (15) mit einer Noppung gewickelt sind, wobei zumindest die den Potentialsteuereinlagen (7 bis 10) benachbarten Lagen aus den mit der Noppung versehenen Kunststoffolien (15) bestehen.

2. Hochspannungsdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Potentialsteuereinlagen (7 bis 10) geprägte Aluminium-Folien vorgesehen sind.

3. Hochspannungsdurchführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Potentialsteuereinlagen (7 bis 10) entsprechend geprägte Doppelschichtfolien mit jeweils einer Schicht aus elektrisch leitendem Material und einer Schicht aus einem isolierenden Material vorgesehen sind.

4. Hochspannungsdurchführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Doppelschichtfolien mit Aluminium kaschierte Folien aus einem Kunststoffmaterial vorgesehen sind.