EP2485223A2 - Hochspannungsdurchführung mit minimierten Temperaturgradienten - Google Patents

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EP2485223A2
EP2485223A2 EP20120153418 EP12153418A EP2485223A2 EP 2485223 A2 EP2485223 A2 EP 2485223A2 EP 20120153418 EP20120153418 EP 20120153418 EP 12153418 A EP12153418 A EP 12153418A EP 2485223 A2 EP2485223 A2 EP 2485223A2
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EP
European Patent Office
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voltage
conductor
voltage bushing
insulating body
bushing
Prior art date
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EP20120153418
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EP2485223A3 (de
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Engelbert Engels
Achim Langens
Christian Paul
Joachim Titze
Guenter Trojan
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • 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
    • H01B17/26—Lead-in insulators; Lead-through insulators
    • H01B17/28—Capacitor type

Definitions

  • the invention relates to a high-voltage bushing with an electrically insulating insulating body which extends in a longitudinal direction, extending through the insulating body through high-voltage conductor and attached to the insulating mounting flange for mounting the high-voltage feedthrough.
  • Such a high-voltage bushing is from the DE 32 26 057 A1 already known.
  • the high-voltage feedthrough shown there has a high-voltage conductor which extends in the longitudinal direction through an electrically insulating winding body.
  • a mounting flange which surrounds the insulating body in a clamping fit.
  • To control high electric field strengths of the insulating body is formed as a winding body and has potential control inserts, which are electrically conductive, the potential control inserts are spaced apart by resin impregnated insulation layers.
  • Such a high-voltage bushing is also referred to as a so-called resin impregnated high-voltage bushing (RIP). Essentially, it serves to conduct a high electrical potential through a wall that is at ground potential.
  • RIP resin impregnated high-voltage bushing
  • the known from the prior art high-voltage bushings has the disadvantage that they can only be dimensioned so that they can be used in DC voltage levels up to 550 kV. This is due to the one to be controlled mass of the insulating body, which can grow to several tons.
  • the high voltage conductor is in the implementation by the insulator not only electrically, but also thermally insulated.
  • the heat losses throughout the system which are mainly generated by the flow of current, must be dissipated as well as possible to the outside atmosphere in order to avoid or at least reduce thermal induced voltages and thus lifetime reductions.
  • the object of the invention is therefore to provide a high-voltage bushing of the type mentioned, which has a reduced temperature gradient in the longitudinal direction during normal operation, so that thermal stresses are avoided as possible.
  • the invention solves this problem in that the high-voltage conductor is at least partially tubular and defines a gas-tight conductor cavity, which is filled with a vaporizable coolant.
  • the thermal conductivity of the high-voltage conductor is increased by this an internal heat transfer according to a so-called "heat pipe” is impressed.
  • the use of external cooling devices, for example by an external "heat pipe”, has become superfluous according to the invention.
  • the heat transfer takes place as in a so-called “heat pipe” by evaporation and condensation.
  • the high-voltage conductor itself forms a cavity which fills with a vaporizable liquid is.
  • heat is removed from the high-voltage conductor at this point.
  • the liquid is transferred to its vapor phase.
  • the gaseous substance is distributed throughout the conductor cavity. At a colder point in the conductor cavity, condensation of the gas occurs, with heat being delivered to the high voltage conductor. Subsequently, the liquid can flow back inside the conductor cavity.
  • the high-voltage conductor is removed in this way at its hot spots heat, which is released again at colder places. Therefore, the thermal gradient is reduced.
  • the inventive implementation has a lower weight and is inexpensive in any case.
  • the insulating body on the high-voltage conductor wound electrically conductive deposits which are spaced apart by impregnated in resin insulating layers.
  • the insulating body is designed as a winding body
  • the inner deposits such as aluminum foil or other conductors has, which provide a controlled Ab Kunststoffung the high electric fields in the insulator.
  • Resin-impregnated paper is referred to as "Resin Impragnated Paper”. Feedthroughs with such winding bodies are therefore referred to in the art as RIP feedthroughs.
  • High-voltage bushings whose insulator consists essentially of resin, however, are well insulated not only electrically but also thermally well, so that the invention brings advantages in particular for such insulators. After soaking the paper with resin, this is cured naturally.
  • the choice of the cooling liquid and the cooling fluid is essentially arbitrary. According to a preferred embodiment, however, the cooling liquid is water. Water is available at very low cost. Experiments with water as a coolant have been successful.
  • the water was deionized prior to filling in the conductor cavity.
  • the conductor cavity is free of residual gases.
  • the removal of the residual gases, such as oxygen, nitrogen or the like, has proved to be advantageous for the internal heat transfer. In this way, an even lower temperature gradient in the longitudinal direction of the high-voltage conductor is thus made possible.
  • the high-voltage conductor is a copper tube.
  • the copper tube is hermetically sealed by gas-tight sealing of the two tube ends.
  • a cap was attached by welding, gluing or the like on the pipe ends. Such a procedure is particularly cost-effective and leads to a particularly light high-voltage bushing.
  • the conductor cavity extends here over the entire high-voltage conductor.
  • the partial pressure of the cooling liquid in the conductor cavity is set so that during normal operation, the smallest possible temperature gradient prevails in the longitudinal direction.
  • a small amount, for example of deionized water, of the order of less than one hundred milliliters was sufficient to provide a sufficient reduction in the temperature gradient.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the high voltage bushing 1 according to the invention in a cross-sectioned half-view in a schematic representation.
  • the high-voltage bushing 1 is shown only halfway.
  • the high-voltage bushing 1 is formed symmetrically, so that the lower half, not shown, is designed almost identical to the upper half shown.
  • the high-voltage bushing 1 has an insulating body 2 and a high-voltage conductor 3, which extends in a longitudinal direction through the insulating body 2.
  • the insulating body 2 is in the embodiment shown, a winding body having over the high-voltage conductor 3 wound conductive deposits, which are separated by paper layers.
  • the paper layers were soaked in resin, so that a so-called resin impregnated winding body is provided as an insulating body 2. After soaking the paper layers in the liquid resin, this is of course cured so that a solid insulating body is formed.
  • the high-voltage conductor 3 is formed over its entire length as a high-voltage line pipe, which consists of copper in the embodiment shown.
  • the high-voltage line pipe 3 has opposite free ends, which are sealed gas-tight by sealing caps 4 and 5.
  • the caps 4 and 5 were gas-tight by suitable joining methods placed on the ends of the high voltage conductor tube 3. Previously, residual gases were removed by applying a vacuum from the interior of the high-voltage conductor tube 3. Furthermore, deionized water was added as a cooling liquid into the interior of the high voltage conductor tube 3, which is figuratively not shown.
  • the caps 4 and 5 are also conductive and made of copper, for example, they are mechanical and electrically connected to not shown in the figure, terminals of the high-voltage bushing 1.
  • the insulating part 2 at least partially extends in a cap housing 6, which also shields the high-voltage conductor 3 and the insulating unit 2 to the outside.
  • a mounting flange 7 which is fixed in a clamping fit on the insulating part 2.

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Abstract

Um eine Hochspannungsdurchführung (1) mit einem elektrisch isolierenden Isolierkörper (2), der sich in einer Längsrichtung erstreckt, einem sich durch den Isolierkörper (2) hindurch erstreckenden Hochspannungsleiter (3) und einem an den Isolierkörper (2) angebrachten Befestigungsflansch (7) zur Montage der Hochspannungsdurchführung (1), bereitzustellen, die im Normalbetrieb einen geringen Temperaturgradienten aufweist und gleichzeitig leicht und kostengünstig ist, wird vorgeschlagen, dass der Hochspannungsleiter (3) zumindest teilweise rohrförmig ausgebildet ist und einen gasdichten Leiterhohlraum begrenzt, der mit einer verdampfbaren Kühlflüssigkeit befüllt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsdurchführung mit einem elektrisch isolierenden Isolierkörper, der sich in einer Längsrichtung erstreckt, einem sich durch den Isolierkörper hindurch erstreckenden Hochspannungsleiter und einem an den Isolierkörper angebrachten Befestigungsflansch zur Montage der Hochspannungsdurchführung.
  • Eine solche Hochspannungsdurchführung ist aus der DE 32 26 057 A1 bereits bekannt. Die dort gezeigte Hochspannungsdurchführung weist einen Hochspannungsleiter auf, der sich in Längsrichtung durch einen elektrisch isolierenden Wicklungskörper erstreckt. Zur Befestigung der gesamten Hochspannungsdurchführung an der Begrenzungswand einer Durchgangsöffnung dient ein Befestigungsflansch, der den Isolierkörper im Klemmsitz umschließt. Zur Absteuerung hoher elektrischer Feldstärken ist der Isolierkörper als Wicklungskörper ausgebildet und weist Potenzialsteuerungseinlagen auf, die elektrisch leitend sind, wobei die Potenzialsteuerungseinlagen durch in Harz getränkte Isolierlagen voneinander beabstandet sind.
  • Eine solche Hochspannungsdurchführung wird auch als so genannte harzimprägnierte Hochspannungsdurchführung (RIP) bezeichnet. Sie dient im Wesentlichen dazu, ein hohes elektrisches Potenzial durch eine Wandung hindurch zu führen, die auf einem Erdpotenzial liegt.
  • Den aus dem Stand der Technik bekannten Hochspannungsdurchführungen haftet der Nachteil an, dass diese nur so dimensioniert werden können, dass sie in Gleichspannungsebenen bis zu 550 kV einsetzbar sind. Dies liegt zum einen an der zu beherrschenden Masse des Isolierkörpers, die auf mehrere Tonnen anwachsen kann. Darüber hinaus ist der Hochspannungsleiter in der Durchführung durch den Isolierkörper nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch isoliert. Die Wärmeverluste im gesamten System, die im Wesentlichen durch den Stromfluss erzeugt werden, müssen jedoch möglichst gut an die Außenatmosphäre abgeführt werden, um thermische induzierte Spannungen und somit Lebensdauerreduzierungen zu vermeiden oder wenigstens zu verringern.
  • Um die beim Einsatz der Hochspannungsdurchführung entstehenden Leitungsverluste herabzusetzen und die axiale Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, ist es zum einen möglich, den Querschnitt des Hochspannungsleiters zu vergrößern. Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass sich das Gesamtgewicht der Hochspannungsdurchführung ebenfalls erhöht. Insbesondere bei hohen Spannungen sind dieser Vorgehensweise im Hinblick auf die Machbarkeit, Gewichtskräfte sowie die Erdbebensicherheit Grenzen gesetzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hochspannungsdurchführung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die bei Normalbetrieb in Längsrichtung einen herabgesetzten Temperaturgradient aufweist, so dass thermische Belastungen möglichst vermieden sind.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Hochspannungsleiter zumindest teilweise rohrförmig ausgebildet ist und einen gasdichten Leiterhohlraum begrenzt, der mit einer verdampfbaren Kühlflüssigkeit befüllt ist.
  • Erfindungsgemäß wird die thermische Leitfähigkeit des Hochspannungsleiters erhöht, indem diesem ein innerer Wärmetransport gemäß einer so genannten "Heat Pipe" aufgeprägt wird. Der Einsatz externer Kühlvorrichtungen, beispielsweise durch eine externe "Heat Pipe", ist erfindungsgemäß überflüssig geworden. Im Rahmen der Erfindung erfolgt der Wärmetransport wie bei einer so genannten "Heat Pipe" durch Verdampfen und Kondensieren. Dazu bildet der Hochspannungsleiter selbst einen Hohlraum aus, der mit einer verdampfbaren Flüssigkeit befüllt ist. Durch das Verdampfen der Flüssigkeit, beispielsweise an einem heißeren Ende der Hochspannungsdurchführung, wird dem Hochspannungsleiter an dieser Stelle Wärme entzogen. Hierbei wird die Flüssigkeit in ihre Dampfphase überführt. Die gasförmige Substanz verteilt sich im gesamten Leiterhohlraum. An einer kälteren Stelle des Leiterhohlraumes kommt es zur Kondensation des Gases, wobei Wärme an den Hochspannungsleiter abgegeben wird. Anschließend kann die Flüssigkeit im Inneren des Leiterhohlraums wieder zurückfließen.
  • Dem Hochspannungsleiter wird auf diese Weise an seinen heißen Stellen Wärme entnommen, die an kälteren Stellen wieder abgegeben wird. Daher ist der Wärmegradient verringert. Im Vergleich zu anderen Lösungen, die mit einer Vergrößerung des Querschnitts des Hochspannungsleiters einhergehen, weist die erfindungsgemäße Durchführung ein geringeres Eigengewicht auf und ist in jedem Falle kostengünstig.
  • Vorteilhafterweise weist der Isolierkörper auf dem Hochspannungsleiter gewickelte elektrisch leitende Einlagen auf, die durch in Harz getränkte Isolierlagen voneinander beabstandet sind. Mit anderen Worten ist der Isolierkörper als Wicklungskörper ausgebildet, der innere Einlagen, beispielsweise Aluminiumfolien oder sonstige Leiter aufweist, die für eine kontrollierte Absteuerung der hohen elektrischen Felder im Isolierkörper sorgen. Mit Harz imprägniertes Papier wird im Englischen als "Resin Impragnated Paper" bezeichnet. Durchführungen mit solchen Wicklungskörpern werden in Fachkreisen daher als RIP-Durchführungen bezeichnet. Hochspannungsdurchführungen, deren Isolierkörper im Wesentlichen aus Harz besteht, sind jedoch nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch gut isoliert, so dass die Erfindung insbesondere für solche Isolierkörper Vorteile mit sich bringt. Nach dem Tränken des Papiers mit Harz wird dieser natürlich ausgehärtet.
  • Im Rahmen der Erfindung ist die Wahl der Kühlflüssigkeit und des Kühlfluids im Wesentlich beliebig. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist jedoch die Kühlflüssigkeit Wasser. Wasser ist besonders kostengünstig erhältlich. Versuche mit Wasser als Kühlflüssigkeit sind erfolgreich verlaufen.
  • Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung wurde das Wasser vor dem Einfüllen in den Leiterhohlraum entionisiert.
  • Zweckmäßigerweise ist der Leiterhohlraum frei von Restgasen. Die Entfernung der Restgase, wie Sauerstoff, Stickstoff oder dergleichen, hat sich als vorteilhaft für den inneren Wärmetransport erwiesen. Auf diese Art und Weise ist somit ein noch geringerer Temperaturgradient in Längsrichtung des Hochspannungsleiters ermöglicht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Hochspannungsleiter ein Kupferrohr. Das Kupferrohr ist durch gasdichtes Verschließen der beiden Rohrenden hermetisch abgeschlossen. Hierzu wurde auf den Rohrenden beispielsweise eine Kappe mittels Verschweißen, Aufkleben oder dergleichen angebracht. Eine solche Vorgehensweise ist besonders kostengünstig und führt zu einer besonders leichten Hochspannungsdurchführung. Der Leiterhohlraum erstreckt sich hier über den gesamten Hochspannungsleiter.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Partialdruck der Kühlflüssigkeit in dem Leiterhohlraum so eingestellt, dass bei Normalbetrieb ein möglichst geringer Temperaturgradient in Längsrichtung herrscht. Insbesondere haben Versuche ergeben, dass eine geringe Menge, beispielsweise an entionisertem Wasser, in der Größenordnung von weniger als hundert Milliliter ausreichend war, um für eine ausreichende Verringerung des Temperaturgradienten zu sorgen.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung der Figur, wobei die
    • Figur
    eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Hochspannungsdurchführung schematisch verdeutlicht.
  • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochspannungsdurchführung 1 in einer quer geschnittenen Halb-Ansicht in schematischer Darstellung. Hierbei ist die Hochspannungsdurchführung 1 lediglich zur Hälfte gezeigt. Die Hochspannungsdurchführung 1 ist jedoch symmetrisch ausgebildet, so dass die nicht gezeigte untere Hälfte nahezu identisch zu der gezeigten oberen Hälfte ausgestaltet ist.
  • Die Hochspannungsdurchführung 1 weist einen Isolierkörper 2 sowie einen Hochspannungsleiter 3 auf, der sich in einer Längsrichtung durch den Isolierkörper 2 erstreckt. Der Isolierkörper 2 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Wicklungskörper, der über auf den Hochspannungsleiter 3 gewickelte leitende Einlagen verfügt, die durch Papierlagen voneinander getrennt sind. Dabei wurden die Papierlagen in Harz getränkt, so dass ein so genannter Harz imprägnierter Wicklungskörper als Isolierkörper 2 bereitgestellt ist. Nach dem Tränken der Papierlagen im flüssigen Harz wird dieser selbstverständlich ausgehärtet, so dass ein fester Isolierkörper entsteht. Der Hochspannungsleiter 3 ist über seine gesamte Länge hinweg als Hochspannungsleitungsrohr ausgebildet, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Kupfer besteht. Das Hochspannungsleitungsrohr 3 weist einander gegenüberliegende freie Enden auf, die durch Verschlusskappen 4 und 5 gasdicht verschlossen sind. Die Verschlusskappen 4 und 5 wurden durch geeignete Fügeverfahren gasdicht auf die Enden des Hochspannungsleiterrohrs 3 aufgesetzt. Zuvor wurden Restgase durch Anlegen eines Vakuums aus dem Inneren des Hochspannungsleiterrohrs 3 entfernt. Weiterhin wurde entionisiertes Wasser als Kühlflüssigkeit in das Innere des Hochspannungsleiterrohrs 3 gegeben, das figürlich jedoch nicht dargestellt ist.
  • Die Verschlusskappen 4 und 5 sind ebenfalls leitend ausgebildet und bestehen beispielsweise aus Kupfer, Sie sind mechanisch und elektrisch leitend mit in der Figur nicht gezeigten Anschlüssen der Hochspannungsdurchführung 1 verbunden.
  • Ferner ist erkennbar, dass sich das Isolierteil 2 zumindest teilweise in einem Überwurfgehäuse 6 erstreckt, das den Hochspannungsleiter 3 sowie die Isoliereinheit 2 ebenfalls nach außen abschirmt. Zur Befestigung der Hochspannungsdurchführung dient ein Befestigungsflansch 7, der im Klemmsitz an dem Isolierteil 2 befestigt ist.

Claims (7)

  1. Hochspannungsdurchführung (1) mit
    - einem elektrisch isolierenden Isolierkörper (2), der sich in einer Längsrichtung erstreckt,
    - einem sich durch den Isolierkörper (2) hindurch erstreckenden Hochspannungsleiter (3) und
    - einem an den Isolierkörper (2) angebrachten Befestigungsflansch (7) zur Montage der Hochspannungsdurchführung (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsleiter (3) zumindest teilweise rohrförmig ausgebildet ist und einen gasdichten Leiterhohlraum begrenzt, der mit einer verdampfbaren Kühlflüssigkeit befüllt ist.
  2. Hochspannungsdurchführung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (2) auf den Hochspannungsleiter (3) gewickelte elektrisch leitende Einlagen aufweist, die durch in Harz getränkte Isolierlagen voneinander beabstandet sind.
  3. Hochspannungsdurchführung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit Wasser ist.
  4. Hochspannungsdurchführung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser entionisiert ist.
  5. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterhohlraum frei von Restgasen ist.
  6. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsleiter als Kupferrohr ausgestaltet ist.
  7. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Partialdruck der Kühlflüssigkeit in dem Leiterhohlraum so eingestellt ist, dass während des Normalbetriebs ein möglichst geringer Temperaturgradient in Längsrichtung herrscht.
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