HOCHSPANNUNGSISOLATOR MIT FELDSTEUERELEMENT
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochspannungstechnik, insbesondere auf Hochspannungsisolatoren. Sie bezieht sich weiterhin auf ein Kühlelement und einen Hochleistungsschalter mit derartigem Hochspannungsisolator gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Ein Hochspannungsisolator der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus EP 1 933 347 A1 bekannt. Dieser rohrförmig ausgebildete Hochspannungsisolator besitzt ein Epoxyisolierrohr, welches an seinen beiden Enden in ringförmige Halterungen aus Metall eingeklebt ist. Das Ende der dem Isolierkörper zugewandeten Metallhalterung ist in Form eines Toms ausgebildet und dient der Homogenisierung der während des Betriebes wirkenden elektrischen Felder. Der Toms selbst kann Schlitze aufweisen die in axialer und gleichzeitig radialer Richtung des Toms verlaufen, so dass der Toms in ringförmig angeordnete Segmente unterteilt wird, um dadurch die Steifigkeit des Toms herabzusetzen. Derart am Toms vorgesehene Durchbrüche bzw. Schlitze beinträchtigen zum einen jedoch den Toms in seiner Funktion als Feldsteuerelement und gestatten es zum
anderen, dass auftretende Querkräfte auf das Isolierrohr abgeleitet werden, welches starr mit Halterung verklebt ist und es dadurch zu einer Beschädigung des Isolators kommen kann.
EP 1 657 731 A1 zeigt einen als Generatorschalter ausgebildeten
Hochspannungsschalter mit einem Kühlelement, bei dem sich das Kühlelement zwischen dem stromführenden Innenleiter und der Kapslung des Schalters erstreckt. Zur elektrischen Isolierung zwischen Kühlelementverdampfer an dem Hochspannungsschaltergehäuse und Kühlelementkondensator an dem auf Hochspannung liegenden Innenleiter ist zwischen Verdampfer und Kondensator ein Isolierrohr aus Glas vorgesehen. Rohrförmige Verbindungsstücke beidseitig des Isolierrohrs verbinden das Isolierrohr mit Verdampfer und Kondensator. Das Isolierrohr zusammen mit Verdampfer und Kondensator bildet ein Kühlelement.
US 6521839 offenbart ein Schaltgerät in dessen Inneren eine Schaltstange geführt ist. Die Schaltstange weist ein zylinderförmiges Isolierrohr auf, in dessen beider Enden jeweils ein massiver Verbindungsstab geführt ist. Isolierrohr und Verbindungsstab sind mit einem versenkten Bolzen zueinander gesichert womit ein axiales Spiel zwischen Isolierrohr und Verbindungsstab verhindert wird. Der Übergangsbereich zwischen Isolierrohr und Verbindungsstab ist von einem mit einer Nut versehenen Metallring umgeben, um elektrische Felder zu relaxieren.
JP 01154419 offenbart ein Schaltgerät, welches eine Schaltstange umfasst. Die Schaltstange weist ein Isolierrohr auf, welches von einem becherförmigen Adapterstück aufgenommen wird. Das Adapterstück trägt zur Minderung auftretender elektrischer Felder bei.
Darstellung der Erfindung
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Hochspannungsisolator der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher sowohl thermischen und mechanischen Beanspruchen widersteht, als auch eine hohe elektrische Feldvergleichmässigung gewährleistet. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Wärmerohr und eine Hochspannungsleistungsschalter mit einem eingangs genannten Hochspannungsisolator zu schaffen, welche eine höhere Zuverlässigkeit und eine grosse Lebensdauer gewähren.
Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Der erfindungsgemässe Hochspannungsisolator weist zwei elektrische Anschlussstücke und einen elektrischen Isolierkörper zur Ausbildung einer elektrischen Isolierstrecke zwischen den beiden Anschlussstücken auf. Der Isolierkörper erstreckt sich zwischen beiden Anschlussstücken und verbindet die Anschlusstücke im Bereich ihrer Endabschnitte physisch miteinander. An wenigstens einem der ringförmigen Endabschnitte ist ein ringförmig ausgebildetes elektrisches Feldsteuerelement angeordnet und zwischen dem Endabschnitt und dem Feldsteuerelement, welche einstückig ausgebildet sind, ist mindestens ein Schlitz vorhanden. Somit wird also wenigstens eines der Anschlussstücke aus einem Endabschnitt und einem Feldsteuerelement gebildet und weist einen derartigen Schlitz entlang seines Umfanges auf. Bei Einsatz des Hochspannungsisolators in einem elektrischen Apparat oder einer elektrischen Anlage infolge eines inhomogenen elektrischen Feldes auftretende elektrische Überschläge werden durch das Feldsteuerelement vermieden. Gleichzeitig leitet wegen der elastischen Verformbarkeit des Endabschnittes eine infolge von Temperaturänderungen auftretenden Querkontraktionen des Isolierkörpers keine starken mechanischen Kräfte in den Bereich des Endabschnittes ein. Der
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umlaufende Schlitz bewirkt somit eine mechanische Entkopplung zwischen dem Feldsteuerelement und dem Endabschnitt ohne die Funktion des Feldsteuerelements als solches zu beeinträchtigen. Durch die Ausbildung einer oder mehrer solcher schlitzförmiger Öffnungen ist das Feldsteuerelement mit dem Endabschnitt nur noch an einzelnen Stellen stegartig verbunden, ist quasi auf dem Endabschnitt elektrisch leitend abgestützt. Unter einem Schlitz soll dabei eine längliche Öffnung im Material verstanden werden, was z. B. auch ein Langloch oder eine Aneinanderreihung von Löchern sein kann, wodurch die Form einer länglichen Öffnung gebildet wird.
Weiterhin weist das erfindungsgemässe Wärmerohr einen erfindungsgemässen Hochspannungsisolator auf, wobei ein Anschlussstück des Hochspannungsisolators einen Abschnitt eines Verdampfers bildet und ein zweites Anschlussstück an einen Kondensator koppelt. Unter Wärmerohr ist ein Wärmeüberträger zu verstehen, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Arbeitsmediums, eine hohe
Wärmestromdichte zwischen dem als Verdampfer bezeichneten Abschnitt und dem als Kondensator bezeichneten Abschnitt des Wärmerohrs erlaubt. Das Wärmerohr bildet einen in sich geschlossenen Kreislauf, in dem das Arbeitsmedium zirkulieren kann. Eine starre Verbindung zwischen den verschiedenen Abschnitten wie Verdampfer, Hochspannungsisolator und Kondensator untereinander muss dabei nicht gegeben sein. Vielmehr soll unter einem Wärmerohr der Erfindung auch ein Wärmerohr verstanden werden, welches eine flexibel bewegliche Verbindung zwischen Verdampfer, Kondensator und Hochspannungsisolator z.B. mittels Schlauchstücke oder Faltenbalg aufweist.
Vorteilhaft ist der tangential umlaufende Schlitz zwischen dem Feldsteuerelement und dem Endabschnitt angeordnet. Damit begrenzt der Schlitz den Endabschnitt zum Feldsteuerelement hin. Das auf Grund seiner toroidalen Form versteifend wirkende Feldsteuerelement wird somit von dem Endabschnitt weitgehend entkoppelt. Durch das Vorhandensein mindestens eines Schlitzes wird zwischen
dem Feldelement und dem Endabschnitt somit mindestens ein Steg gebildet, mittels welchem das Feldsteuerelement mit dem Endabschnitt elektrisch und mechanisch verbunden ist. Je nach Materialbeschaffenheit und Wandstärke des Endabschnittes kann die Anzahl und Länge und damit die Anzahl der gebildeten Stege variiert 5 werden. Beispielsweise können zwei umlaufende und gleich lange Schlitze vorhanden sein, wodurch zwei sich gegenüberstehende Stege gebildet werden, die das Feldsteuerelement auf dem Endabschnitt abstützen. Es können auch drei umlaufende Schlitze gebildet sein, wodurch drei Stege gebildet werden. Ein symmetrische Anordnung der Schlitze, erweist sich als vorteilhaft, um eine l o gleichmässige Abstützung des Feldsteuerelementes auf dem Endabschnitt zu erreichen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Wirkungen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und den Figuren hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten 20 Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen längs einer Achse teilweise geführten Schnitt durch einen links der Achse gelegten Teil einer ersten 25 Ausführungsform des Hochspannungsisolators nach der Erfindung mit zwei am Isolierkörper befestigten Anschlussstücken;
Fig. 2 eine Aufsicht einer Ausführungsform eines Hochspannungsschalters, bei welchem eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Hochspannungsisolators sich zwischen Innenleiter und Aussenleiter 30 erstreckt.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein in Fig. 1 dargestellter Hochspannungsisolator 1 weist einen axialsymmetrisch, als Hohlzylinder ausgeführten Isolierkörper 3 auf. Der Isolierkörper 1 besteht im allgemeinen aus einer Keramik (beispielsweise aus AI2O3), Glas oder kann aber auch aus einem Epoxy gefertigt sein, welches mit Partikeln wie z.B. silanisiertem Quarzmehl , Wolastonit, Glasfasern gefüllt ist. An den beiden Enden des elektrisch isolierenden Hohlköpers 3 sind jeweils metallische ringförmige Anschlussstücke 2a, 2b, befestigt, die z.B. aus Aluminium oder Stahl gefertigt sind. Der Hochspannungsisolator 1 ist als ein Hochspannungshohlisolator 1 ausgeführt. Das Befestigen der Anschlussstücke 2a, 2b am Isolierkörper 3 kann z. B. dadurch erreicht werden, dass das Ende des Isolierkörpers 3 in das jeweilige hohle Anschlussstück 2a, 2b gasdicht eingeklebt wird. Der Isolierkörper 3 stellt hierbei eine definierte Isolierstrecke zwischen den beiden Anschlusstücken 2a und 2b sicher. Diese Isolierstrecke muss einer am Schalter dauerhaft anliegenden
Nennspannung (typischerweise etwa 10 kV bis 40 kV) und auch einer kurzzeitig am Schalter anliegenden transiente Überspannungen wie Schalt- oder Blitzstossspannung (typischerweise 100 kV oder mehrere 100 kV) standhalten können. Das Anschlussstück 2a kann auf Erdpotential liegen und kann dann mit einem Metallgehäuse elektrisch leitend verbunden sein, wohingegen das
Anschlussstück 2b auf Hochspannungspotential liegen kann und dann mit einer Kontaktanordnung eines Hochspannungsschalters verbunden sein kann. Das Anschlussstück 2a weist an seiner dem Isolierköper 3 abgewandten Seite ein Schraubengewinde auf, mit dem das Anschlussstück 2a an ein rohrförmiges Verbindungsstück 7 angeflanscht werden kann. Auf diese Weise ist ein einfacher Austausch der an das Anschlussstück 2a anzuschliessenden Komponenten realisierbar. Für eine gasdichte Verschraubung können auch zusätzlich zwischen der Verschraubung liegende Dichtungen vorgesehen sein. An dem Verbindungsstück 7, ist ein Winkelstück 8 befestigt, welches zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Anschlussstutzen 9a, 9b aufweist. Die beiden
Anschlussstutzen 9a, 9b sind durch einen Kanal miteinander verbunden. Am Anschlussstutzen 9b ist ein metallisches Schlauchstück 13 befestigt, welches quer zur Längsachse des Isolierkörpers 3 weggeführt wird. Der Winkel unter der das Schlauchstück 13 weggeführt wird, beträgt vorzugsweise 90°. Das Schlauchstück 13 dient der gasdichten Verbindung und gleichzeitigen mechanischen Entkopplung des Hochspannungsisolators 1 an beispielsweise das Gehäuse eines Hochspannungsschalters. Dazu kann das Schlauchstück 13 beispielsweise als metallischer Faltenbalg oder flexibler Metallschlauch ausgebildet sein. Im Inneren des über das Winkelstück 8, das Verbindungsstück 7 und die Anschlussstücke 2a, 2b mit dem Schlauchstück 13 gas- und druckdicht verbundenen Hochspannungsisolators 1 lassen sich Fluide leiten.
Das Anschlussstück 2a weist an der dem Isolierkörper 3 zugewandten Seite einen Endabschnitt 4a auf, durch welchen das Isolierkörper 3 geführt wird und mit dem der Isolierkörper 3 verklebt ist. Die Klebschichten 16 befinden sich zwischen der
Innenwandung des ringförmigen Endabschnittes 4a und dem ringförmigen Abschnitt der Aussenwandung des Isolierkörpers 3, welcher Abschnitt in das Anschlussstück 2a geführt ist. Durch die Klebschichten 16 wird eine gasdichte und Verbindung zwischen Isolierkörper 3 und Anschlussstück 2a erzielt. In gleicher weise kann
auch der Endabschnitt 4b des Anschlussstückes 2b mit dem Isolierkörper 3 gasdicht verbunden werden.
Der ringförmige Endabschnitt 4a des Anschussstückes 2a weist ein Feldsteuerelement 5 auf, das als torusförmiger Ringkörper mit einem Durchmesser ausgeführt ist, welcher grösser ist als der Durchmesser des ringförmigen Endschnittes 4a. Durch das Feldsteuerelement 5 wird der Endabschnitt 4a zum Isolierkörper 3 hin begrenzt. Breite und Durchmesser des torusförmigen Feldsteuerelementes 5 sind derart gewählt, dass das im Betrieb des Hochspannungsisolators 1 wirkende elektrische Feld in der Isolierstrecke derart vergleichmässigt, dass Feldspitzen und damit elektrische Überschläge im Bereich der Islolierstrecke vermieden werden. Die torusförmige Wandung des Feldsteuerelements 5 weist eine durchgängig geschlossene Oberfläche auf, womit gegenüber einer Feldsteuerelektrode, deren Oberfläche Vertiefungen, Löcher oder Schlitze aufweist und wodurch mehrere Teiloberflächen bzw. segmentierte
Oberflächen gebildet werden, eine erheblich verbesserte Homogenisierung des wirkenden Feldes erreicht wird.
In den dem Isolierkörper 3 zugewandten Abschnitten der Anschlusstücke 2a, 2b ist die Wandstärke der Anschlusstücke 2a, 2b derart festgesetzt, dass bei einer Längsund Querkontraktion des Isolierkörpers eine elastische Verformung der Endabschnitte 4a, 4b auftreten kann und dass die Endabschnitte 4a, 4b mit Kräften belastet werden, die gegenüber einer starr ausgebildeten Halterung erheblich reduziert sind. Solche Kräfte sind vor allem senkrecht zur Klebschicht 16 wirkende Zug- und Druckkräfte.
Die Querkontraktion kann bei starken mechanischen Belastungen des Hochspannungsisolators 1 infolge von Schalthandlungen oder aber auch infolge von Biegekräften entstehen, wird jedoch vor allem durch Temperaturänderungen bewirkt, die während des Betriebes auftreten oder die auf die
Umgebungstemperatur zurückzuführen sind, welcher der Hochspannungsisolator 1 ausgesetzt ist. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Isolierkörpers 3 im allgemeinen erheblich grösser ist als derjenige der Endabschnitte 4a, 4b wird bei einer Temperaturerhöhung der Isolierkörper 3 in einem durch starr ausgebildete Endabschnitte 4a, 4b begrenzten Ringraum zusammengepresst, wohingegen sich der Isolierkörper 1 im Bereich der Isolierstrecke, also ausserhalb der Endabschnitte 4a, 4b ungehindert ausdehnen kann. Hierbei entstehende Spannungen im Isolierkörper wirken in den Klebstoffschichten 16 der Endabschnitte 4a, 4b und erzeugen radial gerichtete Kräfte.
Dadurch, dass der Isolierkörper 3 mittels der Adhesivschichten 16 mit den elastisch verformbaren Endabschnitten 4a, 4b verbunden ist, kann sich der Isolierkörper 1 bei der Temperaturerhöhung im Bereich der Endabschnitte 4a, 4b ausdehnen, ohne dass dort unzulässig hohe Spannungen auftreten. Daher werden in den Endabschnitten 4a, 4b hohe lokale Scher- und Zugkräfte und damit ein in den
Endabschnitten ansetzendes Schälen oder Spalten der Klebstoffschichten 16 oder ein Reissen des Isolierkörpers 3 vermieden.
Zwischen dem ringförmigen Endabschnitt 4a des Anschlussstückes 2a und dem torusförmigen Feldsteuerelement 5 sind in Umlaufrichtung des Endabschnittes 4a zwei Schlitze 6 ausgebildet, so dass das Feldsteuerelement 5 mittels zweier Stege 17, welche durch die Schlitze 6 gebildet werden, vom Endabschnitt 4a sicher getragen und mit dem Endabschnitt 4a elektrisch leitend verbunden ist. Die Schlitze 6, welche sich beispielsweise durch Fräsen aus dem Endabschnitt 4a erzeugen lassen, sind so ausgebildet, dass beide Stege 17 einander gegenüberliegen und mit dem Durchmesser des Endabschnittes 4a zueinander beanstandet angeordnet sind. Die in Umfangrichtung des Endabschnittes 4a ausgebildeten Schlitze 6 setzen die durch die toroidiale Form des Felsteuerelementes 5 bedingte mechanische Steifigkeit des Anschlussstückes 2a in dem dem Isolierkörper 3 zugewandten Bereich herab und verbessern somit die elastische Verformung dessen. Das so
gebildete Feldsteuerelement 5, welches vorzugsweise mit dem Eπdabschnitt 2a aus einem einzigen Stück beschaffen ist, gewährt nahezu ein elastisches Verhalten des Endabschnittes 4a, welches sonst nur ohne Vorhandensein des Feldsteuerelementes 5 erreicht werden kann. Der Innendurchmesser des 5 Feldsteuerelementes 5 ist in einem Abschnitt gleich dem Innendurchmesser des Endabschnittes 4a.
Fig.2 zeigt den Schnitt durch einen Schalterpol 100 eines Generatorschalters. Der Schalterpol 100 weist einen rohrförmigen inneren Stromleiter 14 auf, welcher von l o einer gehäuseartigen Kapselung 15 umgeben ist, die als Aussenleiter wirkt. Im Betriebsfalle liegt zwischen dem Innenleiter und dem jeweiligen Aussenleiter eine Hochspannung HV an, wobei der Aussenleiter auf Erdpotential G liegt. Am Innenleiter, der im Allgemeinen einen kleineren Querschnitt als der Aussenleiter aufweist, entsteht die abzuführende Verlustwärme, während der der Umgebungsluft
15 ausgesetzte Aussenleiter sich relativ wenig erwärmt.
Zur Abführung der Verlustwärme vom Stromleiter 14 wird der Stromleiter 14 mit wenigstens einem Kühlelement gekühlt, welches als Wärmerohr 10 ausgeführt ist. Das Wärmerohr 10 enthält ein Arbeitsmedium, das in einem als Verdampfer 11
20 bezeichneten Abschnitt des Wärmerohres 10 verdampft wird und in einem als
Kondensator 12 bezeichneten Abschnitt des Wärmerohres 10 kondensiert wird. Der Kondensator 12 weist eine Kühlrippenkonstruktion an der Aussenseite der Kapselung 15 auf und ist elektrisch leitend mit der Kapselung 15 verbunden. Über die Kapselung 15 sowie das Schlauchstück 13 wird das Anschlussstück 2a auf
25 Erdpotential gehalten und ragt fingerförmig in Richtung des Stromleiters 14. Damit befindet sich das Anschlussstück 2a exponiert im elektrischen Feldbereich des Stromleiters 14. Im Bereich der Isolierstrecke oder an der Klebschicht 16, welche die Verbindungsstelle zwischen elektrischem Isolierkörper 3 und metallischem Endabschnitt 4a ist, kann es daher zur Ausbildung unerwünschter elektrischer
30 Feldspitzen und damit zu elektrischen Überschlägen kommen. Ein Vermeidung
dieser Überschläge und eine Homogenisierung des elektrischen Feldes wird mit einem Hochspannungsisolator 1 wie er in Figur 1 und mit einer weiteren Ausführungsform wie sie Figur 2 gezeigt ist, erreicht. In Figur 2 sind der Kondensator 12 und der Verdampfer 11 über den Hochspannungsisolator 1 miteinander verbunden.
Im eingebauten Zustand des Wärmerohres 10 ist die Längsachse des Hochspannungsisolators 1 zur senkrechten Achse des Schalterpol 100 um einen Winkel α gekippt. Durch die Queranordnung des Schlauchstücks 13 gegenüber der Längsachse des Hochspannungsisolators 1 wird nun eine Verbesserung der Schwerkraftwirkung des Wärmerohres 10 erreicht, indem der Rückfluss des kondensierten Arbeitsmedium im Bereich des Schlauchstückes 13 erleichtert wird.
Nach Figur 2 weist der Hochspannungsisolator 1 in fertigungs- und montage vorteilhafter Form an jedem seiner beiden Enden ein mit einem Schraubengewinde versehenes Anschlussstück 2a und 2b auf. Zudem wird jedes der beiden
Endabschnitte 4a, 4b in Richtung des Isolierkörpers 3 durch ein Feldsteuerelement 5 begrenzt, welches mittels den Schlitzen 6 gebildeten Stegen 17 mit dem jeweiligen Endabschnitt 4a und 4b verbunden ist. Durch diesen Aufbau wird auch eine leichte Austauschbarkeit des Hochspannungsisolators 1 gewährleistet.
Bezugszeichenliste
I Hochspannungsisolator 2a, 2b Anschlussstück 3 Isolierkörper
4a, 4b Endabschnitt
5, 5a Feldsteuerelement
6 Schlitz, schlitzförmige Öffnung
7 Verbindungsstück 8 Winkelstück
9a, 9b Anschlussstutzen
10 Wärmerohr, Kühlelement
I 1 Verdampfer 12 Kondensator 13 Schlauchstück
14 Stromleiter
15 Kapselung
16 Adhesivschichten, Klebstoffschichten, Klebschichten
17 Steg 100 Schalterpol