EP0285895B1

EP0285895B1 - Hochspannungsisolationsanordnung fuer Transformatoren und Drosselspulen, insbesondere zur Hochspannungs-Gleichstrom-Uebertragung (HGUE)

Info

Publication number: EP0285895B1
Application number: EP88104507A
Authority: EP
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Breitfelder; Walter Dr. Müller; Werner Dr. Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-04-09
Filing date: 1988-03-21
Publication date: 1992-03-11
Anticipated expiration: 2008-03-21
Also published as: ATE73572T1; DE3868959D1; EP0285895A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsisolationsanordnung für Transformatoren und Drosselspulen, insbesondere zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) mit gleichzeitiger Beanspruchung durch Gleich- und Wechselspannung sowie durch Stoßspannungen, wobei Isolierstrecken aus aufeinanderfolgenden Teilstrecken abwechselnd aus festem Isolierwerkstoff und aus Transformatoröl bestehen.
Bei der Übertragung von elektrischer Energie in sehr großen Mengen über extrem weite Entfernungen hat sich infolge der geringen Blindleistungsverluste die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung als sehr wirtschaflich erwiesen. Gleichzeitig hat sich als sehr zweckmäßig herausgestellt, bei der Erzeugung der elektrischen Energie in Generatoren und bei der Verteilung der Energie an die Verbraucher die bisher übliche Arbeitsweise mit Wechsel- und Drehstrom beizubehalten. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit den in Wechsel- oder Drehstromgeneratoren erzeugten Strom vor dem Transport über eine HGÜ-Anlage gleichzurichten sowie gleichzeitig auf ein Hochspannungspotential anzuheben und entsprechend am Ende der Übertragungsleitung das Hochspannungspotential zu verringern und den Gleichstrom in Wechsel-oder Drehstrom zurückzuverwandeln.
In den hierbei eingesetzten Transformatoren und Drosselspulen treten unvermeidlich nebeneinander sowohl hohe Wechsel- als auch hohe Gleichspannungen auf. Außerdem müssen diese Geräte bei der Prüfung und im Betrieb unbeschadet auch hohen Stoßspannungsbeanspruchungen widerstehen.
In bisher bekannten Transformatoren und Drosselspulen der Wechsel- und Drehstromübertragungseinrichtungen sind die Isolierungen mit Rücksicht auf die durch die Wechselspannung bedingten Belastungen ausgelegt, wobei sich als sehr vorteilhaft erwiesen hat, daß sich die Dielektrizitätskonstanten von festen Isolierwerkstoffen zu Öl etwa wie 2 : 1 verhalten. Das in diesen Geräten an sich zur Kühlung dienende Öl trägt dadurch einen wesentlichen Anteil zur elektrischen Isolierung der spannungführenden Teile bei.
Eine Übertragung dieser Verhältnisse auf Geräte die neben einer Wechselspannung auch durch eine Gleichspannung beansprucht sind ist jedoch nicht möglich, weil sich die spezifischen Widerstände der üblichen festen Isoliermittel Papier oder Preßspan zu dem von Öl etwa wie 100: 1 verhalten. Das hat bei unveränderter Übernahme der von Wechsel- und Drehstromgeräten her bekannten Isolieranordnungen zur Folge, daß praktisch die gesamte Gleichspannung an der festen Isolierung abfällt. Zur Vermeidung von Durchschlägen und zur Erhaltung der Betriebssicherheit muß also die feste Isolierung verstärkt werden. Dies ist jedoch aus physikalischen und insbesondere aus thermischen Gründen sehr nachteilig und aus fertigungstechnischen Gründen sehr schwierig und an einigen Stellen, wie beispielsweise der Wicklungsisolierung aus Platzgründen nahezu unmöglich.
Beispielsweise sind bei einer rotationssymmetrischen konischen Kondensatordurchführung mit Abschirmelektrode am ölseitigen Anschluß die Auslegungsprinzipien gegenüber beiden Spannungsarten nur schwer miteinander vereinbar. Die bei transienten Spannungen wirksame Kondensator-Steuerung der Spannung im Durchführungswickel wird ohne zusätzliche Barrieren durch das leitfähige Öl bei Gleichspannung völlig verzerrt. Konzentrisch den Wickel umhüllende Preßspanbarrieren haben im Zylinderfeld derart unterschiedliche Isolierwiderstände gegenüber den zwischen den Barrieren liegenden Ölschichten, daß ein großer Teil der gesamten Gleichspannung an der innersten Barriere konzentriert ist. Insbesondere gilt dies auch für die Feststoff-Beschichtung der Oberfläche von Schirmelektroden.
Als Abhilfemaßnahme ist beispielsweise durch die DE-OS 20 62 157 bekannt, mit Isolierwerkstoff beschichtete Schirmelektroden zu unterteilen, so daß durch einen entsprechend dimensionierten Ölspalt der Isolationsstrom zur blanken Innenfläche abgeleitet wird und die Beschichtung von Gleichspannung entlastet bleibt.
Ebenfalls gemäß der DE-OS 20 62 157 ist als Abhilfe bekannt geworden, einen Teil der festen Isolierschichten mittels Überzügen aus hochohmig leitenden Schichten abzuschirmen und dadurch die Gleichspannung praktisch ausschließlich in vom Transformatoröl gebildeten Schichten abzubauen. Dies führt jedoch folgerichtig in an sich unerwünschter Weise zu vergleichsweise großen ölgefüllten Abstandsräumen und damit insgesamt zu gegenüber ausschließlich mit Wechselspannungen belasteten Transformatoren und Drosselspulen zu größeren Gesamtabmessungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für Transformatoren und Drosselspulen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung eine Hochspannungsisolationsanordnung zu schaffen, die einer gleichzeitigen Beanspruchung durch Wechsel-, Gleich- und Stoßspannung standhält und die trotzdem mit nur geringem fertigungstechnischen und sonstigen Aufwand realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird für Transformatoren und Drosselspulen erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß Feststoffbarrieren zur Anpassung des Gleichspannungsfeldes an das Wechselspannungsfeld aus Preßspan mit gegenüber gewöhnlichem Preßspan abgestuft erhöhter elektrischer Leitfähigkeit aufgebaut sind,
daß der spezifische Widerstand des Preßspans mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit nur etwa um das 2- bis 10-fache größer ist als der des Transformatoröls, wobei die Dielektrizitätskonstante des Preßspans unabhängig von der Größe seines spezifischen Widerstandes etwa doppelt so groß ist wie die des Transformatoröls und
daß der Preßspan mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit jeweils an dem Ende der Isolierstrecke angeordnet ist, an dem die Äquipotentialflächen des Gleichspannungsfeldes kleinere Krümmungsradien aufweisen als an dem anderen Ende.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß ein Teil oder alle der Feststoffbarrieren aus elektrisch leitfähigem Papier aufgebaut sind, daß alle Feststoffbarrieren gleich dick sind und daß die Abstände der Feststoffbarrieren voneinander mit der Entfernung vom höchsten Gleichspannungspotential zunehmen.
Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung sind die Feststoffbarrieren als konzentrische Zylindermäntel ausgeführt und umfassen bei einem Transformator die Verbindungsstelle des Innenanschlusses einer Durchführung mit der Hochspannungsausleitung einer Wicklung oder sind die Isolierstoffbarrieren als Winkelringe ausgeführt und umfassen das hochspannungsseitige Ende einer Transformatorwicklung.
Die erfindungsgemäße Hochspannungsisolationsanordnung ist sehr vorteilhaft, weil sie mit einem Minimum an spezifisch praktisch gleichmäßig beanspruchten Feststoffbarrieren ausführbar ist, denn die Dielektrizitätskonstante des Preßspans bleibt auch bei erhöhter Leitfähigkeit unverändert, so daß infolge der erhöhten Leitfähigkeit der Feststoffbarrieren zwar das Gleichspannungsfeld nicht jedoch das durch die Dielektrizitätskonstante bestimmte Wechselfeld verändert wird. Demzufolge ergibt sich für die erfindungsgemäße Isolationsanordnung eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit überall dort, wo inhomogene Gleichspannungsfelder auftreten. Dies ist beispielsweise bei der Randisolation der Ventilwicklungen von HGÜ-Transformatoren sowie bei deren Ausleitungen bis zur Durchführung und bei Gleichspannungskabeln der Fall.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung in einer Schnittdarstellung der Verbindungsstelle des Innenanschlusses einer Hochspannungsdurchführung mit dem Ausleitungsende einer Transformatorwicklung näher erläutert.
Ein Leiterbolzen 1 trägt einen Papierwickel 2 und ist Teil einer nicht näher dargestellten Hochspannungsdurchführung mit einem Porzellankörper zum Anschluß von elektrischen Geräten, beispielsweise Transformatoren, Drosselspulen oder Gleichrichtern, an eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung. In der Vielzahl der Schichten des Papierwickels 2 wird das vom Leiterbolzen 1 geführte Potential mindestens im Bereich eines Flansches zur Befestigung der Durchführung auf einem Gerätedeckel kapazitiv bis auf Null- oder Sternpunktpotential abgebaut.
Am unteren Ende der Durchführung ist der Papierwickel 2 durch eine ihn konzentrisch umhüllende Porzellankappe 4 mechanisch zusammengehalten und spannungsmäßig entlastet. Die Porzellankappe 4 erstreckt sich bis zu einem die Durchführung tragenden Flansch und trennt den ölgefüllten Raum des angeschlossenen elektrischen Gerätes von einem Ölraum 3 der Durchführung.
Der Leiterbolzen 1 trägt an seinem unteren Ende eine Klemmplatte 5, an die ein vom oberen Ende eines flexiblen Leiterseils 6 getragenes Kontaktstück 7 anschraubbar ist. Das untere Ende des Leiterseiles 6 ist durch ein weiteres Kontaktstück 8 fest mit einer Klemmplatte 9 auf dem freien Ende einer Wicklungsausleitung 10 verbunden.
Das Leiterseil 6 mit seinen Kontaktstücken 7 und 8, Klemmstük-ken 5 und 9 sowie die freien Enden des Leiterbolzens 1 und der Wicklungsausleitung 10 liegen in Betriebsstellung in einem kelchförmigen Schirmkörper 11, dessen Innenflächen von einer elektrisch leitenden Schicht, beispielsweise aus Kupfer, und dessen nach außen gekehrte Seite aus einer Vielzahl von Papierschichten oder Preßspan besteht. Die Hochspannungspotential führenden Teile, insbesondere das Leiterseil 6, sind galvanisch mit der elektrisch leitenden Schicht auf der Innenseite des Schirmkörpers 11 verbunden.
Die Porzellankappe 4 und der Schirmkörper 11 sind konzentrisch von einer inneren Feststoffbarriere 12 sowie von innen nach außen von zylindermantelförmigen Feststoffbarrieren 13, 14, 15, 16 und 17 umgeben. Zwischen radial aufeinanderfolgenden der Feststoffbarrieren 12 bis 17 befindet sich jeweils ein Ölkanal 18. Die lichte Weite der Ölkanäle 18 wächst mit dem Abstand von der Feststoffbarriere 12. Die Feststoffbarriere 12 ist in Höhe des oberen Randes des Schirmkörpers 11 radial eingezogen und trägt dort eine Manschette 19, die das untere Ende der Feststoffbarriere 13 außen umfaßt. Die Feststoffbarrieren 12 bis 17 und die Ölkanäle 18 sind nach außen von einer zu ihnen konzentrischen Domwand 20 umfaßt. Der nur ausschnittsweise dargestellte Dom trägt auf seinem oberen Flansch die oben erwähnte Hochspannungsdurchführung.
Die Feststoffbarrieren 11, 12 bis 17 bestehen beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus Preßspan. Dabei ist zur Herstellung der Feststoffbarrieren 11, 12 und 13 Preßspan mit gegenüber normalem Preßspan erhöhter Leitfähigkeit verwendet. Der in beiden Feststoffbarrieren 11 und 12 eingesetzte Preßspan hat einen spezifischen elektrischen Widerstand, der nur dem 2- bis 10-fachen Wert des spezifischen Widerstandes des Transformatoröls entspricht. Dagegen ist die Feststoffbarriere 17 aus normalem Preßspan hergestellt, dessen spezifischer Widerstand etwa dem 100-fachen Wert des spezifischen Widerstandes des Transformatoröls entspricht. Die spezifischen Widerstände der Preßspansorten, aus denen die Feststoffbarrieren 13, 14, 15 und 16 hergestellt sind, sind so abgestuft, daß sich in jedem Fall für die spezifischen Widerstände benachbarter Feststoffbarrieren das gleiche Verhältnis ergibt.
Die Dielektrizitätskonstante aller verwendeten Preßspansorten ist gleich groß.
Da die Dielektrizitätskonstante aller im Ausführungsbeispiel eingesetzten Feststoffbarrieren 11 bis 17 gleich der bei normalem Preßspan ist, ist auch das Wechselspannungsfeld analog dem bei üblichen Feststoffbarrieren aufgebaut.
Durch die von der Feststoffbarriere 11 bis zur Feststoffbarriere 17 stufenweise abnehmende Leitfähigkeit des verwendeten Preßspans ist das Gleichspannungsfeld etwa analog dem Wechselspannungsfeld. Einerseits ist auf der Hochspannungsseite durch die Absenkung des spezifischen Widerstandes des Preßspans bis auf die Größenordnung des spezifischen Widerstandes des Transformatoröls und andererseits ist auf der Nullpotential führenden Seite der Isolierstrecke durch den gegenüber dem Transformatoröl deutlich höherohmigen normalen Preßspan in der Feststoffbarriere 17 eine erhöhte Feldstärke des Gleichspannungsfeldes vermieden.
Analog zum beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Aufbau von Isolierstrecken aus Transformatoröl und Feststoffbarrieren mit abgestuft erhöhten Leitfähigkeitswerten überall dort sinnvoll, wo gleichzeitig vorhandene Wechsel- und Gleichspannungsfelder zu beherrschen sind. Anstelle von Preßspan mit stufenweise veränderter elektrischer Leitfähigkeit ist auch der Einsatz anderer fester Isolierwerkstoffe, beispielsweise Papier, möglich soweit dabei die höchste Leitfähigkeit in der Größenordnung der Leitfähigkeit des Transformatoröls liegt.

Claims

Hochspannungsisolationsanordnung für Transformatoren und Drosselspulen, insbesondere zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), mit gleichzeitiger Beanspruchung durch Gleich- und Wechselspannung sowie durch Stoßspannungen, wobei Isolierstrecken aus aufeinanderfolgenden Teilstrecken abwechselnd aus festen Isolierwerkstoffen und aus Transformatoröl bestehen,
dadurch gekennzeichnet,
- daß Feststoffbarrieren (12 bis 17) zur Anpassung des Gleichspannungsfeldes an das Wechselspannungsfeld aus Preßspan mit gegenüber gewöhnlichem Preßspan abgestuft erhöhter elektrischer Leitfähigkeit aufgebaut sind,

- daß der spezifische Widerstand des Preßspans mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit nur etwa um das 2- bis 10-fache größer ist als der des Transformatoröls, wobei die Dielektrizitätskonstante des Preßspans unabhängig von der Größe seines spezifischen Widerstandes etwa doppelt so groß ist wie die des Transformatoröls und

- daß der Preßspan mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit jeweils an dem Ende der Isolierstrecke angeordnet ist, an dem die Äquipotentialflächen kleinere Krümmungsradien aufweisen als an dem anderen Ende.
Hochspannungsisolationsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil oder alle der Feststoffbarrieren (12 bis 17) aus elektrisch leitfähigem Papier aufgebaut sind.
Hochspannungsisolationsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Feststoffbarrieren (12 bis 17) gleich dick sind.
Hochspannungsisolationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Feststoffbarrieren (12 bis 17) voneinander mit der Entfernung vom höchsten Gleichspannungspotential zunehmen.
Hochspannungsisolationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom höchsten Gleichspannungspotential am weitesten entfernte Feststoffbarriere (17) aus Werkstoff mit dem etwa 100-fachen spezifischen elektrischen Widerstand des Transformatoröls besteht.
Hochspannungsisolationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffbarrieren (13 bis 17) als konzentrische Zylindermäntel ausgeführt sind und bei einem Transformator die Verbindungsstelle des Innenanschlusses einer Durchführung (1) mit der Hochspannungsausleitung (10) einer Wicklung umfassen.
Hochspannungsisolationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffbarrieren als im Querschnitt L-förmige Ringe ausgeführt sind und das hochspannungsseitige Ende einer Transformatorwicklung umfassen.