EP2245639A1 - Hochspannungsisolator - Google Patents

Hochspannungsisolator

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Publication number
EP2245639A1
EP2245639A1 EP09712010A EP09712010A EP2245639A1 EP 2245639 A1 EP2245639 A1 EP 2245639A1 EP 09712010 A EP09712010 A EP 09712010A EP 09712010 A EP09712010 A EP 09712010A EP 2245639 A1 EP2245639 A1 EP 2245639A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
adhesive
metal fitting
groove
support ring
insulating
Prior art date
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Granted
Application number
EP09712010A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2245639B1 (de
Inventor
Bruno Widmer
Jean-Claude Mauroux
Martin Lakner
Leopold Ritzer
Reto Weder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
Priority to EP09712010A priority Critical patent/EP2245639B1/de
Publication of EP2245639A1 publication Critical patent/EP2245639A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2245639B1 publication Critical patent/EP2245639B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B17/00—Insulators or insulating bodies characterised by their form
    • H01B17/54—Insulators or insulating bodies characterised by their form having heating or cooling devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B17/00—Insulators or insulating bodies characterised by their form
    • H01B17/38—Fittings, e.g. caps; Fastenings therefor

Definitions

  • the present invention relates to a high voltage insulator according to the preamble of claim 1, a method of manufacturing a high voltage insulator and a cooling element with this high voltage insulator.
  • the above-mentioned high-voltage insulator includes a metal fitting, an insulating tube, which at an end formed as a support ring with the
  • Metal fitting is glued, and one guided around the axis of the insulating, axially symmetric bond joint.
  • the adhesive joint is bounded on the inside by an adhesive surface arranged on the support ring and to the outside by an adhesive surface arranged on the metal fitting and filled with a hardened adhesive layer in a vacuum-tight manner. In general, this is
  • High-voltage insulator which faces away from the support ring end of the insulating tube also formed as a support ring and connected via an adhesive joint with another metal fitting.
  • Such an insulator can be used as Isolierrange in a passive cooling high current high-voltage device, wherein
  • High voltage is basically an operating voltage greater than 1 kV to understand. However, the preferred voltage range is below 100 kV and mainly relates to high-current devices and systems with nominal voltages of typically 10 to 50 kV.
  • the current carrying capacity of such apparatus and equipment is thermally limited.
  • high current devices typically 10 to 50 kA
  • active cooling elements eg air-air heat exchanger with Fans
  • passive cooling elements used with particularly good efficiency, in particular heat pipes (heat pipes), which also contain an evaporator and a heat exchanger and a working fluid in addition to the high-voltage insulator defined above.
  • heat pipes heat pipes
  • Heat generated in the high-current device due to current losses is used to evaporate the working fluid.
  • the vaporized working fluid is transported to an externally arranged heat exchanger and returns there by condensation, the heat loss formed in the high-current device again.
  • a generator switch running high-current devices are generally carried out single-phase encapsulated and have a arranged in the enclosure and located at high voltage potential inner conductor. Heat generated by current losses on the inner conductor is dissipated through the enclosure to the ambient air. This means that there must be an electrically insulating path between a high-voltage potential evaporator and a heat pipe condenser held at ground potential, which must be designed according to the required high voltage (e.g., 150 kV BIL). Evaporator and heat exchanger (condenser) are vacuum-sealed at the two ends of the high-voltage insulator.
  • the high-voltage insulator fulfills several functions, especially those of the guide of the working fluid and the separation of the potentials of evaporator and condenser.
  • the reliability of such a powerful passive cooling element and equipped with such a cooling element high-voltage system is only guaranteed if the insulator performs the above functions over many years.
  • Such an insulator should therefore be maintenance-free over a long period, typically 20 years.
  • Such a high long-term stability requires an extremely low leakage rate. A loss of work equipment and the ingress of air and moisture are thus avoided.
  • a high-voltage insulator of the aforementioned type is described in DE 694 762 C.
  • This high-voltage insulator has a metal cap d and a rod insulator a grouted with the metal cap.
  • a groove c is formed, in which an annular trained gripping head b of the rod insulator a penetrates to form the joint.
  • a cavity present between the cap and the gripping head is filled by a layer g of a solidifying binder.
  • the cap d is provided with channels h. To prevent ingress of water, these channels are sealed after introduction and curing of the binder with an elastic mass.
  • DE 533 573 C shows a high voltage insulator used as a supporter of a high voltage line with a hollow body a closed on one side, which is cemented into a grounded socket b and carries a cap carrying the high voltage line.
  • a high-voltage insulator in which the outer surface of an insulating body o within a hollow metal cap m has a bead-like thickening p over which the cap protrudes. A high electric field strength and thus glow or sliding spark at the triple point of metal cap, insulator and air are thus avoided.
  • the described high-voltage insulator is part of a heat pipe formed as a hollow cooling element, which is the removal of heat from a
  • He has a coaxial arrangement a mechanical supporting insulating tube made of a reinforced with fibers and / or filler polymer and coaxially held diffusion barriers and two hollow metal fittings, which are bonded vacuum-tight with the two, each designed as a support ring ends of the insulating tube. Between an adhesive surface of each of the two support rings and an adhesive surface of each of the two metal fittings extending from the front side of each support ring on its lateral surface adhesive joint is provided, which is filled vacuum-tight with a set adhesive layer.
  • the high-voltage insulator forms an insulating section of a cooling element which transmits heat formed by current losses in the high-voltage conductor to the encapsulation.
  • a located inside the cooling element working fluid such as in particular acetone or a hydro-fluoro ether, the
  • the high-voltage insulator therefore serves not only as an insulating section, but also as a conduit for the working fluid. Since this line receives a chemical medium, a continuous temperature of typically 80 0 C is exposed and must be liquid, gas and vacuum tight over many, typically 20 years, are to the adhesive joints between each formed as a support ring both ends of the insulating and high demands placed on metal fittings.
  • the object is to provide a high-voltage insulator of the type mentioned, which has a low leakage rate and also after many years of operation under strong mechanical, electrical, thermal and chemical stress characterized by a high level of operational reliability, and to provide a method for producing this high-voltage insulator and a cooling element containing this insulator.
  • an inner flank of a groove formed in a metal fitting carries a first sealing surface which centers a supporting ring of an insulating tube, and a second sealing surface is formed in the supporting ring.
  • Both sealing surfaces are arranged and designed such that during grouting of insulating tube and metal fitting, the two sealing surfaces slide on each other to form a seal and acting as a displacement carrier ring before grouting in the groove introduced adhesive in a grouting between an outer surface of the support ring and an outer Edge of the groove formed Klebfuge presses.
  • the high-voltage insulator according to the invention and a cooling element containing this high-voltage insulator are distinguished by a very small one Leakage rate and by excellent dielectric behavior, in particular a high tracking resistance, from.
  • High voltage insulator and cooling element according to the invention accordingly have a high long-term stability.
  • metal fittings can now be used in the manufacture of the insulator, which enclose after completion of the insulator only accessible from the interior of the insulating tube from cavity.
  • the adhesive joint extends into the base of the groove and if it is connected at the end remote from the base of the groove to at least one ventilation opening guided outwards through the metal fitting, then excess adhesive and air can escape from the entire adhesive joint when the insulating pipe and metal fitting are glued together. It is so effectively prevented that in the dielectrically particularly critical boundary region between the metal fitting, insulating tube and air (triple point) adhesive passes, whereby a mechanically, vacuum technically and dielectrically particularly high-quality adhesive bond between insulating and metal fitting is ensured.
  • this guide surface and the centering sealing surface formed in the inner groove flank can have a low production engineering advantage Have expansion in the axial direction. A secure centering of the insulating tube via two in the axial direction with a relatively large distance held in the metal fitting guide surfaces is then yes guaranteed.
  • the liquid adhesive is therefore introduced free of air bubbles and well distributed in the joint, whereby a vacuum-tight adhesive bond is achieved in a safe and easily reproducible manner.
  • the method therefore enables vacuum-tight high-voltage insulators with a low leakage rate and a long service life to be produced virtually without rejects.
  • Fig. 1 is a plan view of a guided along a tube axis section through a designed as a cooling element high-voltage insulator according to the
  • Fig. 2 in an enlarged view of a metal fitting
  • Adhesive is grouted straight with an insulating tube of the insulator to be manufactured, and
  • FIG. 4 the metal fitting according to Figure 3, which is set after grouting with a cured adhesive layer on a trained as a support ring end of the insulating tube.
  • a tubular high-voltage insulator shown in FIG. 1, comprises an insulating tube 1 extending along an axis A and provided with a creepage-extending shield on its outside.
  • the insulating tube 1 is made of a polymeric composite, for example based on a thermoset, such as an epoxide. and a filler such as quartz powder or glass fibers, but may also be made of a ceramic such as porcelain.
  • the two ends of the insulating tube 1 are each formed as a support ring 10 and 10 'and are each vacuum-tight in a coaxial arrangement with a metal fitting 2 and 2' glued.
  • the upper armature 2 is annular and provided with an external thread 20 and a guided around the insulating field electrode 21, which during operation of the insulator controls the electrical field caused by the applied high voltage in the triple point formed by metal fitting, insulating tube and surrounding air.
  • a metal vessel can be screwed vacuum-tight. The interior of this vessel is then connected in a vacuum-tight manner to the interior of the insulating tube 1.
  • Such a sealed insulator can be filled with a working medium, in particular acetone or hydro-fluoro ether.
  • High-voltage system is then the fitting 2 'thermally conductively attached to a loaded with large currents current conductor, while the held on the armature 2 metal vessel can be connected to a located at ground potential and the removal of heat metal encapsulation.
  • the high-voltage insulator is then a cooling element, which removes heat from the power conductor in the serving as evaporator metal fitting 2 'by evaporation of liquid working fluid, which is dissipated by condensation of the vaporized working fluid at the serving as a condenser, cooled metal vessel to the outside.
  • the two support rings 10, 10 ' are identical. As shown in Figure 3 in the support ring 10, the support rings 10, 10 'on their outer side in each case at the end of the insulating 1 attaching conical adhesive surface 11 and an adjoining cylindrical guide surface 12. It is evident on the inside each have a on Tube end fitting cylindrical surface 13, which fulfills the sealing and guiding function.
  • the surfaces 11, 12 and 13 are formed by machining, such as turning and / or grinding, in the support rings 10, 10 '.
  • the support rings 10, 10 'bonded parts of the metal fittings 2, 2' are identical. As shown in Figures 2 to 4 in the metal fitting 2, they each include a shoulder 22, in which a guided around the axis of the insulating tube 1, annular groove 23 is formed. This groove 23 has two coaxial arrangement mainly along the axis A aligned flanks on.
  • the outer flank carries a sealing surface 24 centering the support ring 10.
  • the outer flank carries a cylindrical adhesive surface 25 extending into the base of the groove 23.
  • a plurality of circumferentially uniformly distributed ventilation openings 26 are guided predominantly radially outward through the metal fitting 2 , At the end facing away from the groove bottom end of the outer edge of the support ring 10 centering, cylindrical guide surface 27 is formed in the metal fitting 2 above the vent openings 26.
  • FIG. 4 shows that the adhesive surfaces 11 and 25 delimit an adhesive joint 30 which extends into the bottom of the groove 23 and runs annularly about the axis A, and which is filled with a hardened adhesive layer in a vacuum-tight manner. Since the adhesive surface 11 widens conically upwards from the bottom of the groove 23 and since the adhesive surface 25 is cylindrical, the cross section of the adhesive joint 30 decreases from the bottom of the groove 23 to the ventilation openings 26. At least one of the adhesive surfaces 11, 25 may be formed with at least one rib 28, which extends predominantly in the circumferential direction (indicated by dashed lines in FIG. 2).
  • liquid adhesive 32 for example a two-component adhesive based on an epoxide
  • a static mixer 31 shown schematically in FIG. 2 and distributed uniformly over the entire circumference of the groove.
  • typically 2 to 3 ml of adhesive are introduced into the groove.
  • the insulating tube 1 is inserted in the direction of an arrow 33 from above into the metal fitting 2 and grouted with the metal fitting to form the joint.
  • the free end portion of the support ring 10 penetrates into the groove 23 a.
  • the two guide surfaces 12 and 13 of the support ring 10 slide here on the corresponding guide surfaces 24 and 27 of the metal fitting 2 and ensure that the insulating tube 1 is centered.
  • the support ring 10 acts as a displacement body and presses the adhesive upwards.
  • the Guide surfaces 13 and 24 are formed as sealing surfaces and when sliding together form a seal for the adhesive 32, the displaced adhesive 32 is pressed from the bottom of the groove along the adhesive surfaces 11 and 25 in the adhesive joint. Excess glue and air escape through the ventilation openings 26 connected to the adhesive joint to the outside.
  • the joining and displacement process is completed and then - as shown in FIG. 4 - the adhesive joint 30 is completely filled with adhesive.
  • a bond is achieved, which is characterized by a high mechanical tensile shear strength of typically 20 [N / mm 2 ] and a good vacuum tightness with a leakage rate of less than 10 ⁇ 9 [mbar l / s]. Since the excess adhesive in the joining and displacement process in the vents 26 through the metal fitting 2 passes out through the penetration of adhesive into an above the openings 26 arranged air-filled annulus, through the free end of the metal fitting 2 and the insulating 1 is limited, avoided.
  • a good distribution of the adhesive 32 in the joint 30 and thus a void-free, set adhesive layer is achieved in that the adhesive before Grouting, such as by turning the valve 2 and mixer 30 against each other, is introduced particularly uniformly in the groove 23. Due to the fact that the cross-section of the joint in the direction of flow of the liquid adhesive 32 is reduced, the liquid adhesive passes very evenly and without bubbles from the groove bottom into the joint 30. Therefore, a void-free set adhesive layer is achieved at the point of adhesion. In addition, the thickness of this adhesive layer to the end of the support ring 10 increases towards. Unwanted voltage peaks at the end of the insulating tube 1 are so greatly reduced.
  • the insulating tube 1 can also be glued to the metal fitting 2 '.
  • the metal fitting 2 is accessible from the outside.

Landscapes

  • Insulators (AREA)
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  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Description

BESCHREIBUNG
Hochspannungsisolator
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsisolator nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , ein Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungsisolators und ein Kühlelement mit diesem Hochspannungsisolator.
Der eingangs genannte Hochspannungsisolator enthält eine Metallarmatur, ein Isolierrohr, welches an einem als Tragring ausgebildeten Ende mit der
Metallarmatur verklebt ist, und eine um die Achse des Isolierrohrs geführte, axialsymmetrische Klebfuge. Die Klebfuge ist nach innen von einer auf dem Tragring angeordneten Klebfläche und nach aussen von einer auf der Metallarmatur angeordneten Klebfläche begrenzt und mit einer abgebundenen Klebstoffschicht vakuumdicht ausgefüllt. Im allgemeinen ist bei diesem
Hochspannungsisolator das vom Tragring abgewandte Ende des Isolierrohrs ebenfalls als Tragring ausgebildet und über eine Klebfuge mit einer weiteren Metallarmatur verbunden.
Ein solcher Isolator kann als Isolierstrecke bei einer passiven Kühlung eines hohe Ströme führenden Hochspannungsgeräts eingesetzt werden, wobei unter
Hochspannung grundsätzlich eine Betriebsspannung grösser 1 kV zu verstehen ist. Der bevorzugte Spannungsbereich liegt jedoch unterhalb 100 kV und betrifft vor allem hochstromführende Apparate und Anlagen mit Nennspannungen von typischerweise 10 bis 50 kV.
Die Stromtragfähigkeit solcher Apparate und Anlagen ist thermisch begrenzt. Für Nennströme im Bereich von typischerweise 10 bis 50 kA, wie sie etwa in als Generatorschalter ausgebildeten Hochstromgeräten geführt werden, werden daher besonders aktive Kühlelemente (z.B. Luft-Luft-Wärmetauscher mit Ventilatoren) oder passive Kühlelemente mit besonders gutem Wirkungsgrad eingesetzt, wie insbesondere Wärmerohre (heat pipes), welche neben dem eingangs definierten Hochspannungsisolator auch einen Verdampfer und einen Wärmeaustauscher sowie ein Arbeitsmittel enthalten. Im Hochstromgerät durch Stromverluste entstehende Wärme wird hierbei zum Verdampfen des Arbeitsmittels benutzt. Das verdampfte Arbeitsmittel wird zu einem extern angeordneten Wärmeaustauscher transportiert und gibt dort durch Kondensation die im Hochstromgerät gebildete Verlustwärme wieder ab.
Als Generatorschalter ausgeführte Hochstromgeräte sind im allgemeinen einphasig gekapselt ausgeführt und weisen einen in der Kapselung angeordneten und auf Hochspannungspotential befindlichen Innenleiter auf. Durch Stromverluste am Innenleiter gebildete Wärme ist durch die Kapselung hindurch an die Umgebungsluft abzuführen. Dies bedeutet, dass sich zwischen einem auf Hochspannungspotential befindlichen Verdampfer und einem auf Erdpotential gehaltenen Kondensator des Wärmerohrs eine elektrisch isolierende Strecke befinden muss, die entsprechend der geforderten Hochspannung (z.B. 150 kV BIL) ausgelegt sein muss. Verdampfer und Wärmeaustauscher (Kondensator) sind an den beiden Enden des Hochspannungsisolators vakuumdicht verklebt.
Da bei einem solchen leistungsstarken, passiven Kühlelement bewegte Teile, wie Ventilatoren oder Gebläse, entfallen, kann mit diesem Kühlelement die
Verlustwärme preiswert und effizient aus der Kapselung entfernt werden. Ferner ist ein solches Kühlelement wartungsfrei. Der Hochspannungsisolator erfüllt hierbei mehrere Funktionen, vor allem die des Führens des Arbeitsmittels und die des Trennens der Potentiale von Verdampfer und Kondensator. Die Zuverlässigkeit eines solchen leistungsstarken passiven Kühlelements und einer mit einem solchen Kühlelement ausgerüsteten Hochspannungsanlage ist nur dann gewährleistet, wenn der Isolator die vorgenannten Funktionen über viele Jahre erbringt. Ein solcher Isolator sollte daher über einen langen, typischerweise 20 Jahre betragenden, Zeitraum wartungsfrei sein. Eine solch grosse Langzeitstabilität setzt eine äusserst geringe Leckrate voraus. Ein Verlust an Arbeitsmittel und ein Eindringen von Luft und Feuchte werden so vermieden. STAND DER TECHNIK
Ein Hochspannungsisolator der vorgenannten Art ist beschrieben in DE 694 762 C. Dieser Hochspannungsisolator weist eine Metallkappe d und einen mit der Metallkappe verfugten Stabisolator a auf. In die Metallkappe ist eine Nut c eingeformt, in die ein ringförmig ausgebildeter Einspannkopf b des Stabisolators a unter Bildung der Verfugung eindringt. Ein zwischen der Kappe und dem Einspannkopf vorhandener Hohlraum ist durch eine Schicht g eines erstarrenden Bindemittels angefüllt. Zum Einbringen des Bindemittels und zur Sicherung einer gleichmässigen Härtung desselben ist die Kappe d mit Kanälen h versehen. Um ein Eindringen von Wasser zu verhüten, werden diese Kanäle nach dem Einbringen und Härten des Bindemittels mit einer elastischen Masse verschlossen.
Die Fertigung eines solchen Hochspannungsisolators ist relativ aufwendig, da das Bindemittel von aussen durch die Metallkappe hindurch in den von zwei Fügeteilen begrenzten Hohlraum eingebracht werden muss. Zudem können beim Einbringen des Bindemittels durch die Kanäle Luftblasen oder Wasser in den Hohlraum gelangen und hierbei die dielektrische Festigkeit des Isolators herabsetzen.
DE 533 573 C zeigt einen als Stützer einer Hochspannungsleitung eingesetzten Hochspannungsisolator mit einem einseitig geschlossenen Isolierhohlkörper a, der in eine geerdete Fassung b eingekittet ist und eine die Hochspannungsleitung tragende Kappe trägt.
In CH 89 623 A ist ein Hochspannungsisolator beschrieben, bei dem die Aussenfläche eines Isolierkörpers o innerhalb einer hohlen Metallkappe m eine wulstartige Verdickung p aufweist, über die die Kappe hinausragt. Eine hohe elektrische Feldstärke und damit Glimmen oder Gleitfunken am Tripelpunkt von Metallkappe, Isolierkörper und Luft werden so vermieden.
Ein weiterer Hochspannungsisolator ist in WO 2006/053552 A1 beschrieben. Der beschriebene Hochspannungsisolator ist Teil eines als Wärmerohr ausgebildeten, hohlen Kühlelements, welches der Abfuhr von Wärme aus einer
Generatorableitung dient. Er weist in koaxialer Anordnung ein mechanisch tragendes Isolierrohr aus einem mit Fasern und/oder Füllstoff verstärktem Polymer und aus koaxial gehaltenen Diffusionsbarrieren auf sowie zwei hohle Metallarmaturen, die vakuumfest mit den beiden, jeweils als Tragring ausgebildeten Enden des Isolierrohrs verklebt sind. Zwischen einer Klebfläche jedes der beiden Tragringe und einer Klebfläche jeder der beiden Metallarmaturen ist eine von der Stirnseite jedes Tragrings auf seine Mantelfläche erstreckte Klebfuge vorgesehen, die mit einer abgebundenen Klebstoffschicht vakuumdicht ausgefüllt ist.
An der einen der beiden Metallarmaturen ist ein auf dem Potential eines Hochspannungsleiters gehaltener Verdampfer befestigt, an der anderen Armatur ein auf dem Potential einer geerdeten Kapselung gehaltener Kondensator. Der Hochspannungsisolator bildet eine Isolierstrecke eines Kühlelements, welches durch Stromverluste im Hochspannungsleiter gebildete Wärme auf die Kapselung überträgt. Hierbei dient ein im Inneren des Kühlelements befindliches Arbeitsmittel, wie insbesondere Aceton oder ein Hydro-Fluor-Äther, der
Wärmeübertragung und zirkuliert dabei als Dampf vom Verdampfer durch das Isolierrohr zum Kondensator, in dem der Dampf unter Abgabe der Wärme als Flüssigkeit kondensiert. Die Flüssigkeit wird durch den Hochspannungsisolator wieder zum Verdampfer zurückgeführt. Der Hochspannungsisolator dient daher nicht nur als Isolierstrecke, sondern auch als Leitung für das Arbeitsmittel. Da diese Leitung ein chemisches Medium aufnimmt, einer Dauertemperatur von typischerweise 800C ausgesetzt ist und über viele, typischerweise 20, Jahre flüssigkeits-, gas- und vakuumdicht sein muss, werden an die Klebestoffverbindungen zwischen den jeweils als Tragring ausgebildeten beiden Enden des Isolierrohrs und den Metallarmaturen hohe Anforderungen gestellt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsisolator der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher eine geringe Leckrate aufweist und sich auch nach langjährigem Betrieb unter starker mechanischer, elektrischer, thermischer und chemischer Belastung durch eine grosse Betriebssicherheit auszeichnet, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Hochspannungsisolators und ein diesen Isolator enthaltendes Kühlelement anzugeben.
Beim Hochspannungsisolator nach der Erfindung trägt eine innere Flanke einer in eine Metallarmatur eingeformten Nut eine erste Dichtungsfläche, welche einen Tragring eines Isolierrohrs zentriert, und ist in den Tragring eine zweite Dichtungsfläche eingeformt. Beide Dichtungsflächen sind derart angeordnet und ausgebildet, dass beim Verfugen von Isolierrohr und Metallarmatur die beiden Dichtungsflächen unter Bildung einer Dichtung aufeinander gleiten und der als Verdrängungskörper wirkende Tragring vor dem Verfugen in die Nut eingebrachten Klebstoff in eine beim Verfugen zwischen einer Aussenfläche des Tragrings und einer äussere Flanke der Nut gebildete Klebfuge presst.
Durch die geeignete Anordnung und Ausbildung von Metallarmatur und Isolierrohr wird die Fertigung des Hochspannungsisolators erheblich vereinfacht. Der vorm Verfugen in die Nut eingebrachte Klebstoff wird lediglich durch die beim Fügen aufgebrachte Kraft in die Klebfuge gepresst. Durch die Metallarmatur erstreckte und der Zufuhr von Klebstoff dienende Kanäle und in die Kanäle einspeisende Vorrichtungen zur Erzeugung von komprimiertem Klebstoff können daher entfallen. Mit einfachen Mitteln und in vergleichsweise kurzer Zeit wird so eine besonders homogene und frei von unerwünschten Lufteinschlüssen gehaltene, abgebundene Klebstoffschicht zwischen dem Tragring und der Metallarmatur erreicht. Klebflächen der beiden miteinander verklebten Teile sind zu 100% mit abgebundenem Klebstoff überdeckt und die gesamte Klebfuge ist vollständig mit abgebundenem Klebstoff ausgefüllt.
Wegen der beim Verfugen aufeinander gleitenden und dabei eine Dichtung für den Klebstoff bildenden Dichtungsflächen wird der Klebstoff beim Verfugen einem statischen Druck ausgesetzt, der ausreicht, um eine in axialer Richtung weit über die beiden Dichtungsflächen hinaus erstreckte Klebfuge vollständig mit Klebstoff zu füllen. Im abgebundenen Klebstoff nicht zu vermeidende Diffusionswege für Luft und Wasser werden so gross gehalten. Daher zeichnen sich der Hochspannungsisolator nach der Erfindung und ein diesen Hochspannungsisolator enthaltendes Kühlelement durch eine sehr geringe Leckrate und durch hervorragendes dielektrisches Verhalten, wie insbesondere eine hohe Kriechstromfestigkeit, aus. Hochspannungsisolator und Kühlelement nach der Erfindung weisen dementsprechend eine hohe Langzeitstabilität auf. Zudem können nun bei der Fertigung des Isolators auch Metallarmaturen verwendet werden, die nach Fertigstellung des Isolators einen lediglich vom Inneren des Isolierrohrs aus zugänglichen Hohlraum umschliessen.
Ist der Endabschnitt des Tragrings auf dem Grund der Nut abgestützt, dann erhöhen sich die guten mechanischen Eigenschaften des Hochspannungsisolators zusätzlich und es wird dann bei der Fertigung praktisch der gesamte Klebstoff vom Nutgrund in die Klebfuge gepresst, wodurch mit wenig Klebstoff eine gute Klebverbindung erreicht wird.
Erstreckt sich die Klebfuge in den Grund der Nut und ist sie an dem vom Nutgrund abgewandten Ende mit mindestens einer durch die Metallarmatur nach aussen geführten Entlüftungsöffnung verbunden, dann können beim Verkleben von Isolierrohr und Metallarmatur überschüssiger Klebstoff und Luft aus der gesamten Klebfuge entweichen. Es wird so wirksam verhindert, dass in den dielektrisch besonders kritischen Grenzbereich zwischen Metallarmatur, Isolierrohr und Luft (Tripelpunkt) Klebstoff gelangt, wodurch eine mechanisch, vakuumtechnisch und dielektrisch besonders hochwertige Klebverbindung zwischen Isolierrohr und Metallarmatur sichergestellt ist.
Erstreckt sich die äussere Nutflanke in axialer Richtung weiter als die innere Nutflanke und ist an dem vom Nutgrund abgewandten Ende der äusseren Nutflanke eine den Tragring zentrierende Führungsfläche eingeformt, dann können in fertigungstechnisch vorteilhafter weise diese Führungsfläche und die in die innere Nutflanke eingeformte zentrierende Dichtungsfläche eine geringe Ausdehnung in axialer Richtung aufweisen. Eine sichere Zentrierung des Isolierrohrs über zwei in axialer Richtung mit relativ grossem Abstand in der Metallarmatur gehaltene Führungsflächen ist dann ja sichergestellt.
Nicht zu vermeidende mechanische Spannungen in der abgebundenen Klebstoffschicht werden erheblich reduziert, wenn der Querschnitt der Klebfuge vom Nutgrund zur Entlüftungsöffnung hin abnimmt. Ein solcher Querschnitt wird in fertigungstechnisch vorteilhafter Weise durch konische Ausbildung der auf dem Isolierrohr angeordneten Klebfläche und durch zylindrische Ausbildung der auf der Metallarmatur angeordneten Klebfläche erreicht.
Ist in mindestens eine der vorgenannten beiden Klebflächen mindestens eine vorwiegend in Umfangsrichtung erstreckte Rippe eingeformt, dann wird der
Diffusionsweg für von aussen in die Klebfuge eindringende Feuchtigkeit und Luft verlängert und so das unerwünschte Eindringen von Feuchtigkeit und Luft ins Innere des Hochspannungsisolators weitgehend vermieden. Zugleich wird so auch dem Aneinanderreihen mehrerer kleiner Luftblasen in axialer Richtung in der Klebstelle entgegengetreten und wird so eine vakuumtechnisch dichte Klebstelle erreicht.
Bei einem zur Herstellung dieses oder eines weiteren Hochspannungsisolators mit einer Metallarmatur, einem Isolierrohr und einer um die Achse des Isolierrohrs geführten, ringförmig ausgebildeten Klebfuge, die nach innen von einem Tragring des Isolierrohrs und nach aussen von der Metallarmatur begrenzt ist, geeigneten Verfahren wird vor dem Verfugen die Nut zumindest teilweise mit gleichmässig in Umfangsrichtung in der Nut verteiltem, flüssigem Klebstoff gefüllt, wird beim Verfugen der flüssige Klebstoff durch den als Verdrängungskörper wirkenden Tragring aus der Nut in die Klebfuge gepresst, und werden überschüssiger Klebstoff und Luft beim Pressvorgang über mindestens eine durch die
Metallarmatur geführte Entlüftungsöffnung aus der Klebfuge nach aussen entfernt.
Der flüssige Klebstoff wird daher luftblasenfrei und gut verteilt in die Klebfuge eingebracht, wodurch in sicherer und gut reproduzierbarer Weise eine vakuumdichte Klebverbindung erreicht wird. Mit dem Verfahren können daher vakuumdichte Hochspannungsisolatoren geringer Leckrate und hoher Lebensdauer praktisch ohne Ausschuss gefertigt werden.
Weitere Merkmale und weitere vorteilhafte Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel. KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Anhand von Zeichnungen wird dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen längs einer Rohrachse geführten Schnitt durch einen als Kühlelement ausgebildeten Hochspannungsisolator nach der
Erfindung,
Fig. 2 in vergrösserter Darstellung eine Metallarmatur des
Hochspannungsisolators gemäss Fig.1 , in die beim Fertigen des Isolators gerade flüssiger Klebstoff eingebracht wird,
Fig. 3 die Metallarmatur gemäss Fig.2, welche nach dem Einbringen des
Klebstoffs gerade mit einem Isolierrohr des zu fertigenden Isolators verfugt wird, und
Fig. 4 die Metallarmatur gemäss Fig.3, welche nach dem Verfugen mit einer ausgehärteten Klebstoffschicht an einem als Tragring ausgebildeten Ende des Isolierrohrs festgesetzt ist.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. Ein in Fig.1 dargestellter rohrförmiger Hochspannungsisolator enthält ein längs einer Achse A erstrecktes und auf seiner Aussenseite mit einer kriechweg- verlängernden Beschirmung versehenes Isolierrohr 1. Das Isolierrohr 1 ist aus einem polymeren Verbundstoff, beispielsweise auf der Basis eines Duromers, wie etwa eines Epoxids, und eines Füllstoffs, wie etwa Quarzmehl oder Glasfasern, gefertigt, kann aber auch aus einer Keramik, wie beispielsweise Porzellan, hergestellt sein. Die beiden Enden des Isolierrohrs 1 sind jeweils als Tragring 10 bzw. 10' ausgebildet und sind in koaxialer Anordnung jeweils vakuumdicht mit einer Metallarmatur 2 bzw. 2' verklebt. Ersichtlich ist die obere Armatur 2 ringförmig ausgebildet und mit einem Aussengewinde 20 und einer um das Isolierrohr geführten Feldelektrode 21 versehen, welche bei Betrieb des Isolators das von der anliegenden Hochspannung hervorgerufene elektrische Feld in dem von Metallarmatur, Isolierrohr und umgebender Luft gebildeten Tripelpunkt steuert. Auf das Aussengewinde 20 kann ein Metallgefäss vakuumdicht aufgeschraubt werden. Das Innere dieses Gefässes ist dann vakuumdicht mit dem Inneren des Isolierrohrs 1 verbunden. Die untere Armatur 2' enthält eine um das Isolierrohr 1 geführte Feldelektrode 21 ' und ist ersichtlich bereits als Gefäss ausgebildet. Daher weist die Armatur 2' einen mit dem Inneren des Rohrs 1 kommunizierenden Hohlraum auf.
Ein so verschlossener Isolator kann mit einem Arbeitsmittel, wie insbesondere Aceton oder Hydro-Fluor-Äther, gefüllt sein. Beim Einbau in eine
Hochspannungsanlage wird dann die Armatur 2' thermisch leitend an einem mit grossen Nennströmen belasteten Stromleiter befestigt, während das an der Armatur 2 gehaltene Metallgefäss mit einer auf Erdpotential befindlichen und der Abfuhr von Wärme dienenden Metall kapselung verbunden werden kann. Der Hochspannungsisolator ist dann ein Kühlelement, welches dem Stromleiter in der als Verdampfer dienenden Metallarmatur 2' durch Verdampfen von flüssigem Arbeitsmittel Wärme entzieht, die durch Kondensation des verdampften Arbeitsmittels an dem als Kondensator dienenden, gekühlten Metallgefäss nach aussen abgeführt wird.
Die beiden Tragringe 10, 10' sind identisch ausgebildet. Wie in Fig.3 beim Tragring 10 gezeigt ist, enthalten die Tragringe 10, 10' auf ihrer Aussenseite jeweils eine am Ende des Isolierrohrs 1 ansetzende konische Klebfläche 11 sowie eine sich daran anschliessende zylindrische Führungsfläche 12. Ersichtlich weisen sie auf der Innenseite jeweils eine am Rohrende ansetzende zylindrische Fläche 13 auf, welche Dichtungs- und Führungsfunktion erfüllt. Die Flächen 11 , 12 und 13 sind durch spanabhebendes Bearbeiten, wie Drehen und/oder Schleifen, in die Tragringe 10, 10' eingeformt.
Auch die mit den Tragringen 10, 10' verklebten Teile der Metallarmaturen 2, 2' sind identisch ausgebildet. Wie in den Figuren 2 bis 4 bei der Metallarmatur 2 gezeigt ist, enthalten sie jeweils einen Absatz 22, in den eine um die Achse des Isolierrohrs 1 geführte, ringförmige Nut 23 eingeformt ist. Diese Nut 23 weist in koaxialer Anordnung zwei vorwiegend längs der Achse A ausgerichtete Flanken auf. Die innere Flanke trägt eine den Tragring 10 zentrierende Dichtungsfläche 24. Die äussere Flanke trägt eine bis in den Grund der Nut 23 erstreckte zylindrische Klebfläche 25. Oberhalb der Klebfläche 25 sind mehrere in Umfangsrichtung gleichmässig verteilte Entlüftungsöffnungen 26 vorwiegend radial nach aussen durch die Metallarmatur 2 geführt. An dem vom Nutgrund abgewandten Ende der äusseren Flanke ist oberhalb der Entlüftungsöffnungen 26 eine den Tragring 10 zentrierende, zylindrische Führungsfläche 27 in die Metallarmatur 2 eingeformt.
Fig. 4 ist zu entnehmen, dass die Klebflächen 11 und 25 eine in den Grund der Nut 23 erstreckte und ringförmig um die Achse A geführte Klebfuge 30 begrenzen, die mit einer abgebundenen Klebstoffschicht vakuumdicht ausgefüllt ist. Da sich die Klebfläche 11 vom Grund der Nut 23 nach oben konisch erweitert und da die Klebfläche 25 zylindrisch ist, nimmt der Querschnitt der Klebfuge 30 vom Grund der Nut 23 zu den Entlüftungsöffnungen 26 hin ab. In mindestens eine der Klebflächen 11 , 25 kann mindestens eine vorwiegend im Umfangsrichtung erstreckte Rippe 28 (in Fig.2 gestrichelt angedeutet) eingeformt sein.
Zum Fertigen des Hochspannungsisolators wird die Metallarmatur 2 - wie in Fig.2 dargestellt - so eingespannt, dass die ringförmige Nut 23 horizontal ausgerichtet und von oben zugänglich ist. In die Nut wird mit Hilfe eines in Fig.2 schematisch dargestellten statischen Mischers 31 flüssiger Klebstoff 32, beispielsweise ein Zweikomponentenkleber auf der Basis eines Epoxids, in die ringförmige Nut 23 eingebracht und gleichmässig über den gesamten Umfang der Nut verteilt. Bei einem für Hochspannungen von 10 bis 30 kV eingesetzten Isolierrohr mit einem Durchmesser von typischerweise 40 bis 60 mm werden typischerweise 2 bis 3 ml Klebstoff in die Nut eingebracht.
Wie aus Fig.3 ersichtlich ist, wird dann das Isolierrohr 1 in Richtung eines Pfeils 33 von oben in die Metallarmatur 2 eingeschoben und mit der Metallarmatur unter Bildung der Klebfuge verfugt. Beim Verfugen dringt der freie Endabschnitt des Tragrings 10 in die Nut 23 ein. Die beiden Führungsflächen 12 bzw. 13 des Tragrings 10 gleiten hierbei auf den entsprechenden Führungsflächen 24 bzw. 27 der Metallarmatur 2 und sorgen dafür, dass das Isolierrohr 1 zentriert wird. Sobald der freie Endabschnitt des Tragrings 10 in den Klebstoff 32 eindringt, wirkt der Tragring 10 als Verdrängungskörper und presst den Klebstoff nach oben. Da die Führungsflächen 13 und 24 als Dichtungsflächen ausgebildet sind und beim Aufeinandergleiten eine Dichtung für den Klebstoff 32 bilden, wird der verdrängte Klebstoff 32 vom Grund der Nut entlang den Klebflächen 11 und 25 in die Klebfuge gepresst. Überschüssiger Klebstoff und Luft entweichen durch die mit der Klebfuge verbundenen Entlüftungsöffnungen 26 nach aussen.
Sobald der Tragring, beispielsweise mit seinem freien Ende, an der Metallarmatur 2 anschlägt, ist der Füge- und Verdrängungsprozess beendet und ist dann - wie in Fig.4 dargestellt - die Klebfuge 30 vollständig mit Klebstoff gefüllt. Nach Aushärten bei erhöhter Temperatur, typischerweise 60 bis 900C, wird eine Klebstelle erreicht, die sich durch eine hohe mechanische Zugscherfestigkeit von typischerweise 20 [N/mm2] und eine gute Vakuumdichtigkeit mit einer Leckrate von weniger als 10~9 [mbar l/s] auszeichnet. Da der überschüssige Klebstoff beim Füge- und Verdrängungsprozess in den Entlüftungsöffnungen 26 durch die Metallarmatur 2 hindurch nach aussen geführt wird, kann das Eindringen von Klebstoff in einen oberhalb der Öffnungen 26 angeordneten luftgefüllten Ringraum, der durch das freie Ende der Metallarmatur 2 und das Isolierrohr 1 begrenzt ist, vermieden werden. Durch geeignete Massnahmen, wie etwa eine definierte, radial erstreckte und in Umfangsrichtung um die Achse A geführte Luftstrecke zwischen dem Isolierrohr 1 und dem freien Ende der Metallarmatur 2 sowie durch Ausbildung des freien Endes der Metallarmatur 2 als feldsteuernder Wulst kann das elektrische Feld im dielektrisch kritischen Ringraum gesteuert und können unerwünschte elektrische Teilentladungen wirksam vermieden werden.
Eine gute Verteilung des Klebstoffs 32 in der Klebfuge 30 und damit eine lunkerfreie, abgebundene Klebstoffschicht wird dadurch erreicht, dass der Klebstoff vor dem Verfugen, etwa durch Verdrehen von Armatur 2 und Mischer 30 gegeneinander, besonders gleichmässig in der Nut 23 eingebracht wird. Dadurch, dass sich der Querschnitt der Klebfuge in Strömungsrichtung des flüssigen Klebstoffs 32 verringert, gelangt der flüssige Klebstoff sehr gleichmässig und luftblasenfrei vom Nutgrund in die Klebfuge 30. Daher wird so eine lunkerfreie abgebundene Klebstoffschicht an der Klebstelle erreicht. Darüber hinaus nimmt die Dicke dieser Klebstoffschicht zur Stirnseite des Tragrings 10 hin zu. Unerwünschte Spannungsüberhöhungen am Ende des Isolierrohrs 1 werden so stark reduziert. Durch die mindestens eine Rippe 28 wird der Diffusionsweg für von aussen in die Klebfuge 30 eindringende Feuchtigkeit und Luft verlängert und das unerwünschte Eindringen von Feuchtigkeit und Luft ins Innere des Hochspannungsisolators wesentlich herabgesetzt. Zugleich wird hierdurch auch das Aneinanderreihen mehrerer kleiner Luftblasen in axialer Richtung in der Klebstelle vermieden, wodurch Güte und Dichtigkeit der Klebstelle zusätzlich verbessert werden.
In entsprechender Weise kann das Isolierrohr 1 auch mit der Metallarmatur 2' verklebt werden. Durch diese Verklebung wird ein vakuumdichter Hohlraum erreicht, der lediglich über den Tragring 10 resp. die Metallarmatur 2 von aussen zugänglich ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
A Achse
I Isolierrohr 2, 2' Metallarmaturen
10, 10' Tragringe
I 1 Klebfläche
12 Führungsfläche
13 Dichtungsfläche 20 Aussengewinde
21 , 21 ' Feldelektroden
22 Absatz
23 Nut
24 Dichtungsfläche 25 Klebfläche
26 Entlüftungsöffnungen
27 Führungsfläche
28 Rippe 30 Klebfuge 31 statischer Mischer
32 Klebstoff
33 Pfeil

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Hochspannungsisolator mit - einer Metallarmatur (2, 2'),
- einem mit der Metallarmatur verfugten Isolierrohr (1 ), welches an einem als Tragring (10, 10') ausgebildeten Ende mit der Metallarmatur verklebt ist,
- einer um die Achse (A) des Isolierrohrs geführten Klebfuge (30), die nach innen von einer auf dem Tragring angeordneten ersten Klebfläche (11 ) und nach aussen von einer auf der Metallarmatur angeordneten zweiten Klebfläche (25) begrenzt und mit einer abgebundenen Klebstoffschicht ausgefüllt ist, und mit
- einer in die Metallarmatur eingeformten und um die Achse des Isolierrohrs geführten, ringförmigen Nut (23), welche einen Endabschnitt des Tragrings aufnimmt und in koaxialer Anordnung zwei vorwiegend axial ausgerichtete Flanken aufweist, von denen die äussere die zweite Klebfläche (25) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Flanke eine den Tragring (10) zentrierende erste Dichtungsfläche (24) trägt, dass in den Tragring (10) eine zweite Dichtungsfläche (13) eingeformt ist, und dass die erste und die zweite
Dichtungsfläche derart angeordnet und ausgebildet sind, dass beim Verfugen von Isolierrohr (1 ) und Metallarmatur (2) die erste (24) und die zweite Dichtungsfläche (13) unter Bildung einer Dichtung aufeinander gleiten und der als Verdrängungskörper wirkende Tragring (10) vor dem Verfugen in die Nut (23) eingebrachten Klebstoff (32) in die Klebfuge (30) presst.
2. Isolator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt des Tragrings (10) auf dem Grund der Nut (23) abgestützt ist.
3. Isolator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebfuge (30) in den Grund der Nut (23) erstreckt und an dem vom Nutgrund abgewandten Ende mit mindestens einer durch die Metallarmatur
(2) nach aussen geführten Entlüftungsöffnung (26) verbunden ist.
4. Isolator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere
Nutflanke sich in axialer Richtung länger erstreckt als die innere Nutflanke, und dass an dem vom Nutgrund abgewandten Ende der äusseren Nutflanke eine den Tragring zentrierende Führungsfläche (27) eingeformt ist.
5. Isolator nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Klebfuge (30) vom Nutgrund zur Entlüftungsöffnung (26) hin abnimmt.
6. Isolator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Klebfläche (11 ) konisch und die zweite Klebfläche (25) zylindrisch ausgebildet ist.
7. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste (11 ) und/oder zweite Klebfläche (25) mindestens eine vorwiegend in Umfangshchtung erstreckte Rippe (28) eingeformt ist.
8. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallarmatur (2') einen lediglich zum Isolierrohr (1 ) hin geöffneten Hohlraum umschliesst.
9. Kühlelement mit einem Hochspannungsisolator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallarmatur (2') als Verdampfer ausgebildet ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungsisolators mit einer Metallarmatur (2), einem Isolierrohr (1 ) und einer um die Achse (A) des Isolierrohrs geführten, ringförmig ausgebildeten Klebfuge (32), die nach innen von einem Tragring (10) des Isolierrohrs (1 ) und nach aussen von der Metallarmatur (2) begrenzt ist, bei dem das Isolierrohr durch Einbringen eines Endabschnitts des Tragrings in eine in die Metallarmatur eingeformte und um die Achse des Isolierrohrs geführte, ringförmige Nut (23) mit der Metallarmatur verfugt wird und die verfugten Teile miteinander verklebt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfugen die Nut (23) zumindest teilweise mit gleichmässig in Umfangsrichtung der Nut verteiltem, flüssigem Klebstoff (32) gefüllt wird, dass beim Verfugen der flüssige Klebstoff (32) durch den als Verdrängungskörper wirkenden Tragring (10) aus der Nut (23) in die Klebfuge (30) gepresst wird, und dass überschüssiger Klebstoff und Luft beim Pressvorgang über mindestens eine durch die Metallarmatur (2) geführte Entlüftungsöffnung (26) aus der Klebfuge (30) nach aussen entfernt werden.
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