EP2661760B1 - Schirmring für eine hgü-transformatorspule oder eine hgü-drosselspule - Google Patents

Schirmring für eine hgü-transformatorspule oder eine hgü-drosselspule Download PDF

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EP2661760B1
EP2661760B1 EP11807943.3A EP11807943A EP2661760B1 EP 2661760 B1 EP2661760 B1 EP 2661760B1 EP 11807943 A EP11807943 A EP 11807943A EP 2661760 B1 EP2661760 B1 EP 2661760B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
specific resistivity
grading ring
hvdc
cellulose material
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP11807943.3A
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EP2661760A1 (de
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Beriz BAKIJA
Dieter Breitfelder
Thomas Hammer
Jens Hoppe
Karsten LOPPACH
Johann Schlager
Frank Heinrichsdorff
Ursus KRÜGER
Volkmar LÜTHEN
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
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    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H01F27/363—Electric or magnetic shields or screens made of electrically conductive material

Definitions

  • the invention relates to a shield ring for a HVDC transformer coil or a HVDC choke coil.
  • This has an annular core with an electrically conductive surface, which normally by an electrically conductive layer on an insulating material such.
  • B. block chip is provided and is electrically isolated at one point of the circumference of the core. The remainder of the core is formed in this case from the block chip material.
  • the shield ring comprises a layer of a cellulosic material, which in particular consists of paper and which completely encloses the core.
  • An umbrella ring of the type specified is, for example, according to the WO 2008/026992 A1 described. Looking at the described cross-section of the shield ring used, it is noticeable that it has a substantially rectangular cross section, which is more or less rounded at all four corners. The two corners, which faces the front end of the coil to be screened, have comparatively small radii. Those corners facing away from the front end of the coil have larger radii. This is necessary because in this area, the paper winding must be made stronger so that it can withstand the stress of the present in this area electric field strength without electrical breakdown.
  • the layer is usually made by a paper wrap.
  • said corners must be made with a larger radius and additional layer thickness such that in this area deposits are wrapped, for example, from paper. This creates a certain manufacturing effort, since the deposits are difficult to handle before wrapping with paper.
  • the oxidizing agent ensures on the one hand for the polymerization of the pyrrole compounds, in addition to an increase in electrical conductivity.
  • the resistivity p of such impregnated cellulosic materials can thus be influenced by the concentration of pyrroles and the nature of the oxidizing agent.
  • nanocomposites can also be used as a field grading material when it comes to reducing peaks in the formation of electric fields, for example on the insulation of electrical conductors.
  • a material consisting of a polymer can be used for this purpose.
  • a filler is distributed whose particles are nanoparticles, so have a mean diameter of at most 100 nm.
  • inter alia semiconducting materials can be used whose band gap is in a range of 0 eV and 5 eV is located.
  • the electrical resistance of the nanocomposite can be adjusted. If, during the admixture of the nanoparticles, a certain proportion of the volume is exceeded, which is between 10 and 20% by volume, depending on the size of the nanoparticles, the specific resistance of the nanocomposite is noticeably reduced, with the result that the electrical conductivity of the nanocomposite is adjusted and can be adapted to the required conditions.
  • I can set a resistivity of the order of 10 12 square meters. This results in a voltage drop across the nanocomposite, which results in a more uniform distribution of the potential and thus also grades the resulting electric field in a suitable manner. As a result, the resulting field peaks can be reduced, which advantageously increases the dielectric strength.
  • the field weakening effect of the nanocomposite here depends on the permittivity of the nanocomposite, the permittivity ⁇ being a measure of the permeability of a material for electric fields.
  • the permittivity is also referred to as the dielectric constant, the term "permittivity" being used below.
  • Only the permittivity figures of the substances used are treated.
  • the WO 2006/122736 A1 also describes a system of cellulosic fibers and nanotubes, preferably carbon nanotubes (hereinafter CNT), in which specific resistances of about 6 to 75 ⁇ m can be set.
  • CNT carbon nanotubes
  • These nanocomposites are to be used, for example, as electrical resistance heating, wherein the conductivity is designed with regard to an ability of the material of the conversion of electrical energy into heat. For this purpose, a sufficient degree of coverage of cellulose fibers with CNT is required.
  • the WO 2006/131011 A1 describes a socket, which may consist inter alia of an impregnated paper wrap.
  • BN is also mentioned among other materials. This can also be used in doped form.
  • the particles should be used with a concentration in the cellulose material below the percolation threshold, so that there is no electrical contact between the particles with each other. For this reason, the specific electrical resistance of the nanocomposite remains essentially unaffected.
  • a nanocomposite comprising semiconducting or nonconducting nanoparticles dispersed in a cellulosic material such as pressboard is known, which can be used as a field grading material in transformers. At least part of the nanoparticles distributed in the cellulosic material have an enclosure of an electrically conductive polymer.
  • a cellulosic material for example, a paper, Cardboard or pressboard can be used.
  • the cellulosic material has a construction of cellulosic fibers which in their entirety make up the bandage forming the cellulosic material.
  • BNNT boron nitride nanotubes
  • electrically conductive polymers in the DE 10 2007 018 540 A1 mentioned polymers find use.
  • electrically conductive polymers include polypyrroles, polyaniline, polythiophenes, polyparaphenylenes, polyparaphenylenevinylenes and derivatives of these polymers mentioned.
  • PEDOT is also sold under the trade name Baytron by Bayer AG.
  • PEDOT is also referred to by its systematic name as poly (3,4-ethylene dioxythiophene).
  • the impregnation consists of a polymer which is crosslinked from a negative ionomer, in particular PSS, and a positively charged ionomer.
  • a positively charged ionomer preferably PEDOT or PANI can be used.
  • PEDOT refers to the already mentioned poly (3,4-ethylene-dioxydthiophene).
  • PANI is polyaniline and PSS is polystyrene sulfonate.
  • the use of negatively charged and positively charged ionomers advantageously makes it particularly easy to produce the cellulosic material.
  • the ionomers can be easily dissolved in water and thus fed to the process of making the cellulosic material, which is also water-based. By crosslinking the ionomers following preparation of the cellulosic material, the resistivity of the cellulosic material can be lowered.
  • the ionomers polymerize and form in the cellulosic material an electrically conductive network which is responsible for the reduction of the resistivity.
  • the mentioned ionomers can also be used to coat already mentioned semiconducting or non-conducting nanoparticles.
  • the nanocomposite can also be impregnated with semiconducting nanoparticles which are at least partially made of BNNT and distributed in the cellulose or a polymer.
  • semiconducting nanoparticles which are at least partially made of BNNT and distributed in the cellulose or a polymer.
  • a doping of this BNNT with suitable dopants or a coating with metals or doped semiconductors is provided on the BNNT.
  • the concentration of the BNNT can be chosen such that the nanocomposite has a specific conductivity p of the order of 10 12 ⁇ m. According to this variant, no conductive polymers are used as a sheathing of the BNNT.
  • Doping can be achieved by modifying the BNNT by adding suitable dopants such that the dopant atoms form electronic states that will make the BNNT a p-conductor (ie, electronic states that capture electrons from the valence band edge ) or to an n-conductor (ie, reaching electronic states that emit electrons by thermal excitation across the conduction band edge).
  • a dopant for a p-doping for example Be comes into question
  • a dopant for n-doping Si comes into question.
  • Such doping of the BNNT can be done in situ, during the growth of the BNNT z. B. from the gas or liquid phase, the dopant atoms to be built in.
  • the doping in a further step after the growth of the BNNT, wherein the dopants are typically taken up by the BNNT under the influence of a heat treatment.
  • the resistivity can be lowered to values typical for doped semiconductors between 0.1 and 1000 ⁇ cm.
  • the nanocomposite made of cellulosic material can also be impregnated with semiconducting nanoparticles, wherein a doping of these nanoparticles with dopants is also provided to increase the effective conductivity of at least part of the nanoparticles distributed in the insulating material.
  • the use of the semiconducting nanoparticles, in particular BNNT has the advantage that low filler contents of at most 5% by volume, preferably even at most 2% by volume, in the insulating material are sufficient to cause percolation of the nanoparticles and thus increase the electrical conductivity of the nanocomposite.
  • an insulation arrangement for HVDC systems which has several solid barriers, for example. From pressboard. These may be provided with a graded electrical conductivity, wherein the solid barriers having the highest electrical conductivity are respectively arranged at the end of the Isolierrange at which the field lines of the electric field have the smaller radii of curvature.
  • the end faces of transformer coils are equipped with shield rings can. These have an annular core, which may be surrounded by an insulating material.
  • the shield ring can be provided with holes.
  • Umbrella rings for transformer coils are described. These can be designed so that an electrical insulation is provided only on the side facing away from the transformer coil.
  • the object of the invention is to further develop a shield ring of the type specified at the beginning in such a way that the safety against electrical breakdowns on the layer of cellulose material is improved.
  • the layer is designed as a composite consisting of a treated cellulosic material in the particles in comparison with the specific resistance ⁇ p of the untreated cellulose material lower resistivity in one Concentration above the percolation threshold are distributed.
  • a coherent network of a conductive polymer with a lower specific resistance than the specific resistance ⁇ p of the untreated cellulose material pervades the composite.
  • the treated cellulosic material can be obtained in the manner already described above and either produced as a shaped body, in which the annular core of the shield ring is inserted. Another possibility is to produce papers as treated cellulose material and then to wrap these with the core in a manner known per se, resulting in the layer of the cellulose material from the winding.
  • HVDC components are understood to mean those components which are used to transmit high-voltage direct currents and contain current-carrying elements (HVDC means high-voltage DC transmission).
  • HVDC means high-voltage DC transmission
  • transformers or chokes are required as HVDC components.
  • cable routing for the electrical connection of various HVDC components are required.
  • Further HVDC components are disconnection points in such cable guides or bushings through housing components in which other HVDC components are housed.
  • leading to high-voltage direct currents occur, for example, in transformer and choke coils and alternating currents.
  • the HVDC components in the context of this invention should be suitable for transmitting high-voltage direct currents of at least 100 KV, preferably for the transmission of high-voltage direct currents of more than 500 KV.
  • the inventive design of the treated cellulosic material has the advantage that the specific resistance of the resulting composite ⁇ comp compared to the resistivity ⁇ p of the untreated cellulose material is reduced. In this way it can be achieved that the specific resistance of the composite ⁇ comp approaches that of the oil ⁇ o or, as will be explained in more detail below, even exceeds it. This ensures that in the case of application of a DC voltage at the formed by the shield ring Isolierrange for the HVDC coil (ie HVDC transformer coil or HVDC choke coil) a voltage drop is better distributed to the components of the cellulosic material and the transformer oil. On the one hand, namely the transformer oil can cope with a higher voltage drop, without causing electrical breakdowns.
  • HVDC coil ie HVDC transformer coil or HVDC choke coil
  • a relief of the cellulosic material leads to the fact that the security against breakdowns is increased here or a paper winding or another layer produced on the shield ring can be made thinner.
  • a load can advantageously be greatly reduced, so that it is important to underlay the winding with another insulation material (in particular cellulosic material). can be waived.
  • the specific resistance ⁇ comp of the composite is at most 5 times 10 13 ⁇ m at least on the surface of the shield ring.
  • the described, for the invention essential effect of a relief of the cellulosic material by the voltage drop takes place to a greater extent on the transformer oil can be Advantageously good use, if the specific resistance ⁇ comp of the composite is at most 5 times 10 13 ⁇ m.
  • a specific resistance ⁇ comp of the composite which is 1 to 20 times the specific resistance ⁇ o of the transformer oil. It can be provided particularly advantageously that the specific resistance ⁇ comp of the composite corresponds, on the order of magnitude, to the specific resistance of transformer oil.
  • order of magnitude it is meant that the specific resistance ⁇ comp of the composite differs by at most an order of magnitude from that of the transformer oil (ie at most by a factor of 10).
  • the specific resistances ⁇ o , ⁇ p and ⁇ comp in the context of this invention should each be measured at room temperatures and a prevailing reference field strength of 1 kV / mm. Under these conditions, the resistivity ⁇ o is between 10 12 and 10 13 ⁇ m. It should be noted, however, that the specific resistance ⁇ o of transformer oil is rather reduced in the case of an inventive heavier load due to the voltage drop across the transformer oil. In the embodiments described in more detail below, it is therefore assumed that a specific resistance ⁇ o in the transformer oil of 10 12 ⁇ m.
  • the specific resistance ⁇ comp of the composite on the surface of the shield ring it is important that the specific resistance of the transformer oil ⁇ o is not significantly undercut in this range. As a result, as already described, an equalization of the electrical load on the transformer oil and the cellulosic material can take place. However, it is also advantageously possible for the specific resistance of the cellulose material of the shield ring to increase with increasing distance from the surface of the shield ring decreases further (even to values below ⁇ o ), so that in this area a targeted distribution of the field strength is made possible. This contributes particularly advantageously to a reduction in the electrical stress in the region of the above-mentioned rounded corners of the cross section.
  • the resistivity of adjacent layer layers forming the layer is graded, with the layer layer or the layer layers having the lowest specific resistance being applied to the core adjoin.
  • the layers can be formed, for example, by windings with differently impregnated papers. It is then applied to the core first the layer layer with the lowest specific resistance ⁇ comp and then at least one layer layer with a higher resistivity ⁇ comp , wherein advantageously the last layer forming the surface of the end ring, at least the order of magnitude of the specific resistance of transformer oil can correspond.
  • regions of the layer thickness are understood which are each equipped with the same specific resistance ⁇ comp .
  • this layer layer can be formed by a plurality of paper layers. In this case, so many paper layers (winding layers) are wound that the desired thickness of the layer layer is achieved.
  • the shield ring with regions of different specific resistance ⁇ comp , in that it is made up of a plurality of concentrically nested single rings, wherein the inner single ring with a cellulosic material with a smaller specific resistance is provided as the outer single ring or several subsequent individual rings.
  • only two individual rings are used particularly advantageously.
  • the individual rings together form the shield ring in the sense of the invention, even if they are structurally not connected to each other.
  • the umbrella ring in the sense of the invention is therefore to be understood as meaning the entire assembly, which is provided in the area of the front ends of the coils and has a typical shield ring structure.
  • the inner ring with a lower resistivity than the outer ring.
  • the already described electrical stress on the rounded, the front end of the coil facing away corners of the cross section of the shield ring is on the inside of the coil namely higher than on the outside. This can be taken into account in the design of the cellulosic material used on the shield ring.
  • an impregnation of the cellulosic material with a lower concentration is advantageously adjustable for the outer single ring, whereby in particular material costs can be saved.
  • a particular embodiment of the invention provides that the layer of cellulose material around the entire perpendicular to the ring profile lying cross-section is made substantially the same thickness.
  • This embodiment is, as already explained, made possible by the fact that according to the invention the specific resistance of the cellulosic material to the requirements of a field grading is adjusted so that the electrical stress is better distributed over the individual areas of the shield ring and the surrounding transformer oil.
  • the cellulosic material should also be understood to mean a layer of the shielding ring that is created solely by wrapping a paper strip around the core. In this case, it is natural that the wound layer on the inside of the ring is slightly thicker than on the outside of the ring, because here the adjacent winding loops of the paper used overlap somewhat more. In essence, however, considering the diameter of the core to be wrapped, a wound layer should be considered as having substantially the same thickness.
  • Another embodiment of the invention is obtained when the layer of cellulosic material rests directly on the core around the entire cross section lying perpendicular to the ring profile.
  • the manufacturing cost can be reduced by saving additional deposits. As a result, not only the production cost is reduced, but it is also a higher process reliability achieved because it dispenses with a deposit that might slip during winding, for example.
  • the height h of the shielding ring is reduced in comparison to the required height when using the relevant untreated cellulose material instead of the composite.
  • the thickness s of the layer is reduced compared to the required thickness when using the relevant untreated cellulose material instead of the composite.
  • the shielding ring has a rectangular cross section with rounded corners lying perpendicular to the ring profile, wherein the radius r of these rounded corners is reduced compared to the required radius using the respective untreated cellulosic material instead of the composite.
  • An electrical insulating section 18 generally consists of several layers of cellulosic material 19, between which oil layers 20 may lie.
  • the insulating section begins at the metallic surface 11 of a component 12 to be insulated, which may be formed for example by a metal layer 13 on the core of a shield ring, not shown.
  • the cellulosic material 19 is impregnated with oil, which in FIG. 1 not shown in detail. This is in FIG. 1 to recognize an impregnation 11 within the cellulosic material.
  • the according to FIG. 1 shown insulation surrounds, for example, in a transformer there used windings that need to be electrically insulated to the outside and each other.
  • the electrical insulation of a transformer must prevent electrical breakdowns in the event of an AC voltage being applied.
  • the isolation behavior of the insulation depends on the permittivity of the components of the insulation.
  • the permittivity ⁇ o is approximately 2, for the cellulosic material ⁇ p at 4.
  • the load on the individual insulation components results in the voltage U o applied to the oil being approximately twice as high , such as the voltage U p applied to the cellulose material.
  • the impregnation 11 does not influence the stress distribution in the insulation according to the invention since the permittivity ⁇ BNNT is also approximately 4, and therefore the permittivity ⁇ comp of the impregnated cellulosic material is also approximately 4 lies.
  • the voltage U o applied to the oil is approximately twice as great as the voltage U comp applied to the nanocomposite (cellulosic material).
  • the breakdown strength of the insulation in the case of HVDC components when DC voltages are present is also important.
  • the distribution of the applied voltage to the individual insulation components is then no longer dependent on the permittivity, but on the resistivity of the individual components.
  • the specific resistance ⁇ o of oil is between 10 13 and 10 12 ⁇ m.
  • a greater part of the voltage drop to relieve the cellulosic material in the oil should take place and that the specific resistance of the oil itself is reduced in the case of concern of a tension, rather, as in Fig. 1 shown to start from a resistivity ⁇ o of 10 12 ⁇ m.
  • ⁇ p of cellulose material is three orders of magnitude higher and is 10 15 ⁇ m.
  • the inventively introduced into the cellulosic material 19 impregnation 11 may, for. B. from BNNT and is adjusted by a suitable coating of BNNT from PEDOT: PSS and possibly by an additional doping of the BNNT with dopants with their resistivity (between 0.1 and 1000 ⁇ cm), that the specific resistance of the cellulose material ⁇ p is lowered.
  • PEDOT: PSS or the sole use of BNNT.
  • the voltage U o applied to the oil is of the order of magnitude in the region of the voltage U comp applied to the composite, so that a balanced voltage profile is established in the insulation.
  • the dielectric strength of the insulation is advantageously improved, since the load on the cellulosic material is noticeably reduced.
  • FIG. 2 is the section of a HVDC transformer to see. This is housed in a designated as boiler 21 housing. Also indicated are a high voltage coil and a low voltage coil whose windings 22, 23 in FIG. 2 can be seen. A transformer core 14 is shown only schematically for the sake of clarity.
  • an electric field is represented by field lines 33 extending on equipotential surfaces of the electric field.
  • This electric field is influenced by various elements of an insulation arrangement which, as elements, include segmented shielding rings 24, 25, cylindrical solid material barriers 26 made of pressboard, and angle rings 27 also made of pressboard.
  • the shield rings 24, 25 have a core 28 with a metallic surface 29 and a paper winding 30.
  • the interior space 31 is filled with a filling of transformer oil, which therefore also flows into the gaps 32 between the individual elements of the insulation arrangement and fills them.
  • the field lines 33 also penetrate a pressure ring 34 of block chip.
  • the pressure ring 34 can also be modified to influence the electric field which is being formed in this area.
  • the pressure ring 34 together with a not shown winding table, which can also be made of block chip and the windings 22, 23 carries, for a mechanical cohesion of all modules (including the solid barriers).
  • the pressure ring 34 and the winding table, not shown, are to be understood as elements of the isolation route.
  • the shield ring 24 consists of an inner single ring 35 and an outer single ring 36.
  • the shield ring 24 has a height h and a thickness s of the layer 30, as shown is.
  • FIG. 3 is also indicated with dashed contour lines, as the geometry of a not equipped with impregnated cellulose material shield ring could look high in comparison.
  • the layer of the inner single ring 35 consists of several layer layers 37, 38.
  • the layer layer 37 forming the surface of the shield ring 24 and the layer 30 of the outer single ring 36 have a specific resistance which corresponds to that of the surrounding transformer oil of the order of magnitude.
  • the resistivity of the layer layer 38 adjacent to the core 28 is further reduced, so that this resistivity falls below that of the transformer oil. This results in a relief of the area of the shield ring 24, which is the most stressed by the voltage drop of a HVDC voltage. This is due to the inner with respect to the annular course of the shield ring inner corner of the cross section of the shield ring, which faces away from the coil.
  • the inner single ring 38 For the other regions of the inner single ring, it would not be necessary to reduce the specific resistance of the near-nuclear layer layer 38 per se. However, this is not harmful, so that for manufacturing reasons, the inner single ring 38 is completely wrapped with the core-near layer layer 38. In the outer single ring 36, however, the additional wrapping with a material having a resistivity below that of transformer oil is omitted for reasons of cost. Here a reduction of the specific resistance on the order of magnitude of the value of the transformer oil suffices.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schirmring für eine HGÜ-Transformatorspule oder eine HGÜ-Drosselspule. Dieser weist einen ringförmigen Kern mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche auf, welche normalerweise durch eine elektrisch leitfähige Schicht auf einem Isolierstoff wie z. B. Blockspan zur Verfügung gestellt wird und an einer Stelle des Umfanges des Kerns elektrisch isolierend getrennt wird. Der restliche Kern ist in diesem Fall aus dem Blockspanmaterial gebildet. Außerdem weist der Schirmring eine Schicht aus einem Cellulosematerial auf, welche insbesondere aus Papier besteht und welche den Kern vollständig einschließt.
  • Ein Schirmring der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise gemäß der WO 2008/026992 A1 beschrieben. Betrachtet man den beschriebenen Querschnitt des verwendeten Schirmrings, so fällt auf, dass dieser einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, der an allen vier Ecken mehr oder weniger abgerundet ist. Die beiden Ecken, die dem stirnseitigen Ende der zu schirmenden Spule gegenüberliegt, weisen vergleichsweise kleine Radien auf. Diejenigen Ecken, die von dem stirnseitigen Ende der Spule weg weisen, weisen größere Radien auf. Dies ist erforderlich, da in diesem Bereich die Papierwicklung stärker ausgeführt sein muss, damit diese der Beanspruchung durch die in diesem Bereich vorliegende elektrische Feldstärke ohne elektrische Durchschläge widersteht.
  • Die Schicht wird normalerweise durch eine Papierwicklung hergestellt. Da die Papierwicklung als solche im Wesentlichen gleichmäßige Schichtdicken erzeugt, müssen die besagten Ecken mit größerem Radius und zusätzlicher Schichtdicke derart hergestellt werden, dass in diesem Bereich Einlagen beispielsweise aus Papier mit eingewickelt werden. Hierdurch entsteht ein gewisser Fertigungsaufwand, da die Einlagen vor der Umwicklung mit Papier schwer zu handhaben sind.
  • Aus der US 4,521,450 ist es bekannt, dass ein imprägnierfähiges Vollmaterial aus Cellulosefasern in ein wässriges Oxidationsmittel, wie z. B. einer schwach säurehaltigen Lösung aus Eisen (III)-chloridlösung, Cer(IV)-sulfat, Kaliumhexacyanoferrat(III) oder Molybdatophosphorsäure getaucht werden kann. Anschließend wird das feuchte Cellulosematerial entweder mit flüssigem oder dampfförmigem Pyrrol-Verbindungen bei Raumtemperatur so lange behandelt, bis das Pyrrol in Abhängigkeit von der Konzentration des Oxidationsmittels polymerisiert wird. Das so imprägnierte Cellulosematerial wird bei Raumtemperatur 24 Stunden getrocknet. Das Oxidationsmittel sorgt einerseits für die Polymerisation der Pyrrol-Verbindungen, außerdem für eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Der spezifische Widerstand p solcher imprägnierten Cellulosematerialien kann damit über die Konzentration an Pyrrolen und die Art des Oxidationsmittels beeinflusst werden.
  • Weiterhin ist es bekannt, dass Nanokomposite auch als feldgradierendes Material verwendet werden können, wenn es darum geht, Spitzen bei der Ausbildung von elektrischen Feldern, beispielsweise an der Isolation elektrischer Leiter, zu verringern. Gemäß der WO 2004/038735 A1 kann hierzu beispielsweise ein Material, bestehend aus einem Polymer, verwendet werden. In diesem wird ein Füllstoff verteilt, dessen Partikel Nanopartikel sind, also einen mittleren Durchmesser von höchtens 100 nm aufweisen. Gemäß der US 2007/0199729 A1 sind für derartige Nanopartikel u. a. halbleitende Materialien einsetzbar, deren Bandlücke in einem Bereich von 0 eV und 5 eV liegt. Mittels der eingesetzten Nanopartikel, die beispielsweise aus ZnO bestehen können, lässt sich der elektrische Widerstand des Nanokomposits einstellen. Wird bei der Zumischung der Nanopartikel ein bestimmter Anteil des Volumens überschritten, der je nach Größe der Nanopartikel bei 10 bis 20 Vol-% liegt, so verringert sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits spürbar, wobei sich auf diese Weise die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits einstellen und an die geforderten Bedingungen anpassen lässt. Insbesondere lässt ich ein spezifischer Widerstand in einer Größenordnung von 1012 Qm einstellen. Erreicht wird damit ein Spannungsabfall über den Nanokomposit, welcher eine gleichmäßigere Verteilung des Potentials zur Folge hat und damit auch das entstehende elektrische Feld in geeigneter Weise gradiert. Hierdurch können die entstehenden Feldspitzen verringert werden, wodurch vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit gesteigert wird.
  • Bei einer Beanspruchung des elektrischen Leiters mit einer Wechselspannung entsteht ebenfalls ein feldgradierender Effekt, der allerdings einem anderen Mechanismus folgt. Die feldschwächende Wirkung des Nanokomposits hängt hierbei von der Permittivität des Nanokomposits ab, wobei die Permittivität ε ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder ist. Die Permittivität wird auch als Dielektrizitätskonstante bzeichnet, wobei im Folgenden der Begriff "Permittivität" verwendet werden soll. Als relative Permittivität bezeichnet man das durch die Permittivitätszahl εr = ε/ε0 bezeichnete Verhältnis der Permittivität ε eines Stoffes zur elektrischen Feldkonstante ε0, welche die Permittivität des Vakuums angibt. Je höher die relative Permittivität ist, desto größer ist auch der feldschwächende Effekt des eingesetzten Stoffes im Verhältnis zum Vakuum. Im Folgenden werden nur die Permittivitätszahlen der zum Einsatz kommenden Stoffe behandelt.
  • Die WO 2006/122736 A1 beschreibt außerdem ein System aus Cellulosefasern und Nanotubes, vorzugsweise Carbon-Nanotubes (im folgenden CNT), bei welchem sich spezifische Widerstände von umgerechnet 6 bis 75 Ωm einstellen lassen. Diese Nanokomposite sollen beispielsweise als elektrische Widerstandsheizung verwendet werden, wobei die Leitfähigkeit mit Blick auf eine Fähigkeit des Materials der Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme ausgelegt ist. Hierfür ist ein genügender Bedeckungsgrad der Cellulosefasern mit CNT erforderlich.
  • Die WO 2006/131011 A1 beschreibt eine Buchse, welche unter anderem aus einer imprägnierten Papierwicklung bestehen kann. Als Material für die Imprägnierung wird unter anderen Materialien auch BN genannt. Dieses kann auch in dotierter Form verwendet werden. Außerdem sollen die Partikel mit einer Konzentration im Cellulosematerial unterhalb der Perkolationsschwelle verwendet werden, so dass es nicht zu einer elektrischen Kontaktierung der Partikel untereinander kommt. Aus diesem Grund bleibt der spezifische elektrische Widerstand des Nanokomposits im Wesentlichen unbeeinflusst.
  • Aus der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102010041630.4 ist ein Nanokomposit mit halbleitenden oder nichtleitenden Nanopartikeln, die in einem Cellulosematerial wie zum Beispiel Pressspan verteilt sind, bekannt, der als Feld gradierendes Material bei Transformatoren verwendet werden kann. Zumindest ein Teil der in dem Cellulosematerial verteilten Nanopartikel weisen eine Umhüllung aus einem elektrisch leitfähigen Polymer auf. Als Cellulosematerial kann beispielsweise ein Papier, Pappe oder Pressspan verwendet werden. Das Cellulosematerial weist einen Aufbau aus Cellulosefasern auf, die in ihrer Gesamtheit den das Cellulosematerial bildenden Verband ausmachen. Als halbleitende oder nichtleitende Nanopartikel können beispielsweise Si, SiC, ZnO, BN, GaN, AlN oder C, insbesondere auch Bornitrid-Nanoröhrchen (im folgenden als BNNT bezeichnet) verwendet werden. Als elektrisch leitfähige Polymere können die in der DE 10 2007 018 540 A1 erwähnten Polymere Verwendung finden. Als elektrisch leitfähige Polymere werden beispielsweise Polypyrrole, Polyanilin, Polythiophene, Polyparaphenylene, Polyparaphenylen-Vinylene und Derivate dieser genannten Polymere genannt. Ein spezielles Beispiel für solche Polymere ist PEDOT, das auch unter dem Handelnamen Baytron von der Bayer AG vertrieben wird. PEDOT wird mit seinem systematischen Namen auch als Poly-(3,4-ethylen-dioxythiophen) bezeichnet.
  • Gemäß der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102010041635.5 kann auch vorgesehen werden, dass die Imprägnierung aus einem Polymer besteht, welches aus einem negativen Ionomer, insbesondere PSS, und einem positiv geladenen Ionomer vernetzt ist. Als positiv geladene Ionomere können vorzugsweise PEDOT oder PANI Verwendung finden. Als PEDOT bezeichnet man das bereits erwähnte Poly-(3,4-ethylen-dioxydthiophen). PANI ist Polyanilin und PSS ist Polystyrensulfonat. Die Verwendung negativ geladener und positiv geladener Ionomere ermöglicht vorteilhaft eine besonders einfache Herstellung des Cellulosematerials. Die Ionomere können einfach in Wasser gelöst werden und somit dem Prozess der Herstellung des Cellulosematerials, der ebenfalls wasserbasiert ist, zugeführt werden. Durch Vernetzung der Ionomere im Anschluss an die Herstellung des Cellulosematerials kann der spezifische Widerstand des Cellulosematerials gesenkt werden. Dabei polymerisieren die Ionomere und bilden in dem Cellulosematerial ein elektrisch leitfähiges Netzwerk, welches für die Verminderung des spezifischen Widerstandes verantwortlich ist. Insbesondere können die genannten Ionomere auch verwendet werden, um bereits erwähnten halbleitenden oder nichtleitenden Nanopartikel zu umhüllen.
  • Gemäß der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102009033267.7 kann der Nanokomposit auch mit halbleitenden Nanopartikeln imprägniert werden, die zumindest teilweise aus BNNT bestehen und in der Cellulose oder einem Polymer verteilt sind. Zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten BNNT ist eine Dotierung dieser BNNT mit geeigneten Dotierstoffen oder eine Beschichtung mit Metallen oder dotierten Halbleitern auf den BNNT vorgesehen. Die Konzentration der BNNT kann so gewählt werden, dass der Nanokomposit eine spezifische Leitfähigkeit p in der Größenordnung von 1012 Ωm aufweist. Nach dieser Variante kommen keine leitfähigen Polymere als Ummmantelung der BNNT zum Einsatz.
  • Eine Dotierung kann erreicht werden, indem die BNNT durch Beigabe von geeigneten Dotierstoffen dahingehend modifiziert werden, dass die Dotierstoff-Atome elektronische Zustände ausbilden, die das BNNT zu einem p-Leiter (d.h., dass elektronische Zustände ausgebildet werden, die Elektronen von der Valenzbandkante einfangen) oder zu einem n-Leiter (d. h., dass elektronische Zustände erreicht werden, die Elektronen durch thermische Anregung über die Leitungsbandkante emittieren) ausbilden. Als Dotierstoff für eine p-Dotierung kommt beispielsweise Be in Frage, als Dotierstoff für eine n-Dotierung kommt Si in Frage. Eine solche Dotierung der BNNT kann in situ erfolgen, wobei während des Wachstums der BNNT z. B. aus der Gas- oder Flüssigphase die Dotierstoff-Atome eingebaut werden. Auch ist es möglich, die Dotierung in einem weiteren Schritt nach dem Wachstum der BNNT durchzuführen, wobei die Dotierstoffe typischerweise unter dem Einfluss einer Wärmebehandlung von den BNNT aufgenommen werden. Durch Einbringung der Dotierstoffe in die BNNT kann der spezifische Widerstand auf für dotierter Halbleiter typische Werte zwischen 0,1 und 1000 Ωcm abgesenkt werden.
  • Gemäß der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2009 033 268.5 kann der Nanokomposit aus Cellulosematerial auch mit halbleitenden Nanopartikeln imprägniert werden, wobei auch zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten Nanopartikel eine Dotierung dieser Nanopartikel mit Dotierstoffen vorgesehen ist. Die Verwendung der halbleitenden Nanopartikel, insbesondere BNNT hat den Vorteil, dass geringe Füllgrade von höchstens 5 Vol-% bevorzugt sogar höchstens 2 Vol-% in dem Isolierstoff ausreichen, um eine Perkolation der Nanoteilchen zu bewirken und damit die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits zu erhöhen.
  • In der EP 285 895 A1 ist eine Isolationsanordnung für HGÜ-Anlagen beschrieben, die mehrere Feststoffbarrieren bspw. aus Pressspan aufweist. Diese können mit einer abgestuften elektrischen Leitfähigkeit ausgestattet sein, wobei die Feststoffbarrieren mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit jeweils an dem Ende der Isolierstrecke angeordnet sind, an dem die Feldlinien des elektrischen Feldes die kleineren Krümmungsradien aufweisen.
  • Gemäß der JP 60165707 ist es bekannt, dass die Stirnseiten von Transformatorspulen mit Schirmringen ausgestattet werden können. Diese weisen einen ringförmigen Kern auf, welcher mit einem Isoliermaterial umgeben sein kann. Für die Ölzirkulation kann der Schirmring mit Löchern versehen sein. Auch in der DE 20 62 157 sind Schirmringe für Transformatorspulen beschrieben. Diese können so ausgestaltet sein, dass eine elektrische Isolierung nur auf der der Transformatorspule abgewandten Seite vorgesehen ist.
  • Mit Blick auf die eingangs erwähnte WO 2008/026992 A1 besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Schirmring der eingangs angegebenen Art derart weiter zu bilden, dass die Sicherheit gegenüber elektrischen Durchschlägen an der Schicht aus Cellulosematerial verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schicht als Komposit ausgeführt ist, bestehend aus einem behandelten Cellulosematerial, in dem Partikel mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand in einer Konzentration oberhalb der Perkolationsschwelle verteilt sind. Alternativ oder zusätzlich kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass in dem behandelten Cellulosematerial ein zusammenhängendes Netzwerk eines leitfähigen Polymers mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand den Komposit durchzieht. Das behandelte Cellulosematerial kann in der eingangs bereits beschriebenen Weise gewonnen werden und entweder als Formkörper hergestellt werden, in den der ringförmige Kern des Schirmrings eingelegt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Papiere als behandeltes Cellulosematerial herzustellen und mit diesen anschließend den Kern in an sich bekannter Weise zu umwickeln, wobei sich aus der Wicklung die Schicht aus dem Cellulosematerial ergibt.
  • Unter HGÜ-Komponenten sind derartige Komponenten zu verstehen, die zur Übertragung von Hochspannungs-Gleichströmen zum Einsatz kommen und stromführende Elemente beinhalten (HGÜ steht für Hochspannungsgleichstromübertragung). Insbesondere werden hierbei Transformatoren oder Drosseln als HGÜ-Komponenten benötigt. Allerdings sind auch Leitungsführungen zur elektrischen Verbindung verschiedener HGÜ-Komponenten erforderlich. Weitere HGÜ-Komponenten sind Trennstellen in solchen Leitungsführungen bzw. Durchführungen durch Gehäusebauteile, in denen andere HGÜ-Komponenten untergebracht sind. Neben den zu führenden Hochspannungsgleichströmen treten beispielsweise in Transformator- und Drosselspulen auch Wechselströme auf. Die HGÜ-Komponenten im Sinne dieser Erfindung sollen zur Übertragung von Hochspannungsgleichströmen von mindestens 100 KV, bevorzugt zur Übertragung von Hochspannungsgleichströmen von mehr als 500 KV geeignet sein.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des behandelten Cellulosematerials hat den Vorteil, dass der spezifische Widerstand des so entstehenden Komposits ρcomp im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρp des unbehandelten Cellulosematerials verringert wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich der spezifische Widerstand des Komposits ρcomp an denjenigen des Öls ρo annähert oder, wie im Folgenden näher erläutert wird, ihn sogar übersteigt. Hierdurch wird erreicht, dass im Falle eines Anlegens einer Gleichspannung an der durch den Schirmring mitgebildeten Isolierstrecke für die HGÜ-Spule (d. h. HGÜ-Transformatorspule oder HGÜ-Drosselspule) ein Spannungsabfall besser auf die Komponenten aus dem Cellulosematerial und das Transformatoröl verteilt wird. Einerseits kann nämlich das Transformatoröl einen höheren Spannungsabfall verkraften, ohne dass es zu elektrischen Durchschlägen kommt. Andererseits führt eine Entlastung des Cellulosematerials dazu, dass hier die Sicherheit gegenüber Durchschlägen erhöht wird bzw. eine Papierwicklung oder eine anderweitig hergestellte Schicht am Schirmring dünner ausgeführt werden kann. Insbesondere kann in den besonders beanspruchten Bereichen der abgerundeten Ecken des Querschnitts, die von der Stirnseite der Spule abgewandt sind (insbesondere der innenliegenden abgerundeten Ecke) eine Belastung vorteilhaft stark verringert werden, so dass auf eine Unterlegung der Wicklung mit einem anderen Isolationsmaterial (insbesondere Cellulosematerial) verzichtet werden kann. Dies bewirkt, dass vorteilhaft die Fertigung des Schirmrings stark vereinfacht wird und gleichzeitig eine Sicherheit gegen einen elektrischen Durchschlag verbessert oder zumindest auf dem geforderten Niveau gehalten werden kann. Vorteilhaft ist es dabei, dass der spezifische Widerstand ρcomp des Komposits zumindest an der Oberfläche des Schirmrings höchstens 5 mal 1013 Ωm beträgt.
  • Der beschriebene, für die Erfindung wesentliche Effekt einer Entlastung des Cellulosematerials, indem der Spannungsabfall in größerem Maße auch am Transformatoröl erfolgt, lässt sich vorteilhaft gut nutzen, wenn der spezifische Widerstand ρcomp des Komposits höchstens bei 5 mal 1013 Ωm liegt. Man kann zur Nutzung dieses Effekts vorteilhaft auch einen spezifischen Widerstand ρcomp des Komposits einstellen, der das 1- bis 20-fache des spezifischen Widerstandes ρo des Transformatoröls beträgt. Besonders vorteilhaft kann vorgesehen werden, dass der spezifische Widerstand ρcomp des Komposits größenordnungsmäßig dem spezifischen Widerstand von Transformatoröl entspricht. Mit größenordnungsmäßig ist gemeint, dass der spezifische Widerstand ρcomp des Komposits höchstens um eine Größenordnung von demjenigen des Transformatoröls abweicht (also höchstens um den Faktor 10).
  • Die spezifischen Widerstände ρo, ρp und ρcomp im Zusammenhang mit dieser Erfindung sollen jeweils bei Raumtemperaturen und einer herrschenden Bezugsfeldstärke von 1 kV/mm gemessen werden. Bei diesen Bedingungen liegt der spezifische Widerstand ρo zwischen 1012 und 1013 Ωm. Zu bemerken ist jedoch, dass sich der spezifische Widerstand ρo von Transformatorenöl bei einer erfindungsgemäß vorgesehenen stärkeren Belastung durch die am Transformatoröl abfallende Spannung eher verringert. Bei den im Folgenden noch näher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird daher von einem spezifischen Widerstand ρo im Transformatoröl von 1012 Ωm ausgegangen.
  • Wichtig bei der Wahl des spezifischen Widerstandes ρcomp des Komposits an der Oberfläche des Schirmrings ist, dass in diesem Bereich der spezifische Widerstand des Transformatoröls ρo nicht wesentlich unterschritten wird. Hierdurch kann, wie bereits beschrieben, eine Angleichung der elektrischen Beanspruchung des Transformatoröls und des Cellulosematerials erfolgen. Allerdings ist es vorteilhaft auch möglich, dass der spezifische Widerstand des Cellulosematerials des Schirmrings mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche des Schirmrings weiter abnimmt (auch auf Werte unterhalb von ρo), so dass in diesem Bereich eine gezielte Verteilung der Feldstärke ermöglicht wird. Dies trägt in besonderem Maße vorteilhaft zu einer Verringerung der elektrischen Beanspruchung im Bereich der oben bereits angesprochenen abgerundeten Ecken des Querschnitts bei.
  • Um eine ungleichmäßige Verteilung des spezifischen Widerstandes ρcomp über die Schichtdicke am Schirmring zu erreichen, ist es vorteilhaft möglich, dass der spezifische Widerstand von benachbarten, die Schicht bildenden Schichtlagen abgestuft ist, wobei die Schichtlage oder die Schichtlagen mit dem geringsten spezifischen Widerstand an den Kern angrenzen. Die Lagen können beispielsweise durch Wicklungen mit unterschiedlich imprägnierten Papieren entstehen. Es wird danach auf den Kern zunächst die Schichtlage mit dem geringsten spezifischen Widerstand ρcomp und danach mindestens eine Schichtlage mit einem höheren spezifischen Widerstand ρcomp aufgebracht, wobei vorteilhaft die letzte Lage, die die Oberfläche des Stirnrings bildet, zumindest größenordnungsmäßig dem spezifischen Widerstand von Transformatoröl entsprechen kann. Als Schichtlagen im Sinne der Erfindung werden jeweils Bereiche der Schichtdicke aufgefasst, die jeweils mit demselben spezifischen Widerstand ρcomp ausgestattet sind. Dies bedeutet auch, dass diese Schichtlage durch mehrere Papierlagen gebildet werden kann. Es werden hierbei so viele Papierlagen (Wicklungslagen) gewickelt, dass die gewünschte Dicke der Schichtlage erreicht wird. Erfindungsgemäß besteht eine Möglichkeit, den Schirmring mit Bereichen unterschiedlichen spezifischen Widerstandes ρcomp auszustatten, darin, dass dieser aus mehreren konzentrisch ineinanderliegenden Einzelringen aufgebaut ist, wobei der innere Einzelring mit einem Cellulosematerial mit einem geringeren spezifischen Widerstand versehen ist, als der äußere Einzelring oder mehrere folgende Einzelringe. Besonders vorteilhaft werden allerdings nur zwei Einzelringe verwendet. Die Einzelringe bilden im Sinne der Erfindung gemeinsam den Schirmring, auch wenn diese baulich nicht miteinander verbunden sind. Als Schirmring im Sinne der Erfindung ist also damit die gesamte Baugruppe zu verstehen, die im Bereich der stirnseitigen Enden der Spulen vorgesehen ist und einen typischen Schirmring-Aufbau aufweist.
  • Es ist vorteilhaft, den inneren Ring mit einem geringeren spezifischen Widerstand zu versehen, als den äußeren Ring. Die die bereits beschriebene elektrische Beanspruchung der abgerundeten, dem stirnseitigen Ende der Spule abgewandten Ecken des Querschnitts des Schirmrings ist auf der Innenseite der Spule nämlich höher als auf der Außenseite. Dies kann bei der Auslegung des am Schirmring verwendeten Cellulosematerials berücksichtigt werden. Hierdurch ist vorteilhaft für den äußeren Einzelring eine Imprägnierung des Cellulosematerials mit geringerer Konzentration einstellbar, wodurch insbesondere Materialkosten eingespart werden können. Außerdem entsteht vorteilhaft ein größerer Spielraum, um das elektrische Feld in der gewünschten Weise zu gradieren.
  • Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schicht aus dem Cellulosematerial um den gesamten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt im Wesentlichen gleich dick ausgeführt ist. Diese Ausführung wird, wie bereis erläutert, dadurch ermöglicht, dass erfindungsgemäß der spezifische Widerstand des Cellulosematerials an die Erfordernisse einer Feldgradierung derart angepasst wird, dass die elektrische Beanspruchung besser über die einzelnen Bereiche des Schirmringes sowie das umgebende Transformatoröl verteilt wird. Unter einer im Wesentlichen gleich dicken Ausführung des Cellulosematerials soll auch eine Schicht des Schirmrings verstanden werden, die allein durch Wickeln eines Papierstreifens um den Kern erzeugt wird. Hierbei ist es naturgegeben so, dass die gewickelte Schicht auf der Innenseite des Ringes etwas dicker wird, als auf der Außenseite des Ringes, weil sich hier die benachbarten Wickelschlingen des verwendeten Papiers etwas stärker überschneiden. Im Wesentlichen ist eine gewickelte Schicht in Anbetracht des Durchmessers des zu umwickelnden Kerns allerdings als mit im Wesentlichen in gleicher Dicke ausgeführt anzusehen.
  • Eine andere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die Schicht aus dem Cellulosematerial um den gesamten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt direkt auf dem Kern aufliegt. Dies bedeutet, dass auf zusätzliche Einlagen verzichtet wird, die einen zusätzlichen Fertigungsaufwand bedeuten würden. Vorteilhaft kann also der Fertigungsaufwand durch das Einsparen zusätzlicher Einlagen verringert werden. Hierdurch wird nicht nur der Fertigungsaufwand verringert, sondern es wird auch eine höhere Prozesssicherheit erreicht, da auf eine Einlage verzichtet wird, die beim Wickeln beispielsweise verrutschen könnte.
  • Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Cellulosematerials ist es vorteilhaft auch möglich, dass die Höhe h des Schirmrings im Vergleich zur erforderlichen Höhe bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Komposits verringert ist. Eine andere Möglichkeit besteht vorteilhaft darin, dass die Dicke s der Schicht im Vergleich zur erforderlichen Dicke bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Komposits verringert ist. Außerdem kann auch vorgesehen werden, dass vorteilhaft der Schirmring einen rechteckigen, senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist, wobei der Radius r dieser abgerundeten Ecken im Vergleich zum erforderlichen Radius bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Komposits verringert ist. Diese konstruktiven Auslegungsmerkmale können vorteilhaft aufgrund des bereits erwähnten konstruktiven Gestaltungsspielraums modifiziert werden, wobei hierbei die geometrischen Randbedingungen des Anwendungsfalls Berücksichtigung finden können. Beispielsweise ist es möglich, der Höhe h des Schirmrings bei HGÜ-Transformatoren zu verringern mit einer Isolierstrecke zu versehen, die ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Cellulosematerials bei den immer höheren Betriebsspannungen der HGÜ-Komponenten von teilweise über 1000 kV zu raumgreifend werden würden. Andererseits sind die baulichen Maximalabmessungen von HGÜ-Komponenten vorgegebenen, um beispielsweise einen Transport mit der Eisenbahn noch zu ermöglichen. Hier können Schirmringe mit verringerten geometrischen Abmessungen einen Beitrag zur Bauraumreduzierung leisten. Zu berücksichtigen ist bei der Reduzierung des Bauraums, also der Höhe h des Schirmrings oder der Dicke s der Schicht allerdings, dass insgesamt die Sicherheit gegen elektrische Durchschläge mindestens den vorgegebenen Werten noch entspricht.
  • Die Verringerung der Radien r der abgerundeten Ecken des Querschnitts des Schirmrings hat vor allem den Vorteil, dass dieser mechanisch einer größeren Belastung ausgesetzt werden kann, um die einzelnen Bauteile der HGÜ-Komponente zusammen zu halten. Gleichzeitig ergibt sich die Konsequenz einer Verringerung dieser Radien auch daraus, dass Einlagen zwischen dem Kern und der diesen umgebenden Schicht eingespart werden können, so dass der Bauraum, der durch diese Einlagen benötigt würde, durch das Material des Kerns ausgefüllt ist. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Ausschnitt durch einen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schirmrings, wobei nur dessen Oberfläche und das an diese angrenzende Transformatoröl und weitere Feststoffbarrieren aus Pressspan dargestellt sind,
    Figur 2
    ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schirmrings, eingebaut in einen HGÜ-Transformator, im schematischen Schnitt und
    Figur 3
    ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schirmrings, bei dem bestimmte konstruktive Gestaltungsspielräume dargestellt sind, im schematischen Querschnitt.
  • Eine elektrische Isolierstrecke 18 gemäß Figur 1 besteht allgemein aus mehreren Lagen aus Cellulosematerial 19, zwischen denen Ölschichten 20 liegen können. Die Isolierstrecke beginnt an der metallischen Oberfläche 11 eines zu isolierenden Bauteils 12, die zum Beispiel durch eine Metallschicht 13 auf dem Kern eines nicht näher dargestellten Schirmringes gebildet sein kann. Auch das Cellulosematerial 19 ist mit Öl getränkt, was in Figur 1 nicht näher dargestellt ist. Dafür ist in Figur 1 innerhalb des Cellulosematerials eine Imprägnierung 11 zu erkennen. Die gemäß Figur 1 dargestellte Isolierung umgibt beispielsweise in einem Transformator die dort zum Einsatz kommenden Wicklungen, die nach außen und zueinander elektrisch isoliert werden müssen.
  • Die elektrische Isolation eines Transformators muss im Betriebsfall bei Anliegen einer Wechselspannung elektrische Durchbrüche verhindern. In diesem Fall ist das Isolationsverhalten der Isolierung von der Permittivität der Komponenten der Isolierung abhängig. Für Öl liegt die Permittivitätszahl εo ungefähr bei 2, für das Cellulosematerial εp bei 4. Bei einer Beanspruchung der Isolation mit einer Wechselspannung ergibt sich daher für die Belastung der einzelnen Isolationskomponenten, dass die am Öl anliegende Spannung Uo ungefähr doppelt so hoch ist, wie die am Cellulosematerial anliegende Spannung Up. Wird ein Nanokomposit verwendet, bei dem das Cellulosematerial 19 erfindungsgemäß imprägniert ist, so beeinflusst die Imprägnierung 11 die Spannungsverteilung in der erfindungsgemäßen Isolation nicht, da die Permittivitätszahl εBNNT ebenfalls ungefähr bei 4 liegt und daher die Permittivität εcomp des imprägnierten Cellulosematerials auch bei ungefähr 4 liegt. Damit ist auch bei der erfindungsgemäßen Isolation die am Öl angreifende Spannung Uo ungefähr doppelt so groß wie die am Nanokomposit (Cellulosematerial) anliegende Spannung Ucomp.
  • Gleichzeitig ist bei HGÜ-Komponenten auch die Durchschlagfestigkeit der Isolation bei Anliegen von Gleichspannungen von Bedeutung. Die Verteilung der anliegenden Spannung auf die einzelnen Isolationsbestandteile ist dann allerdings nicht mehr von der Permittivität abhängig, sondern vom spezifischen Widerstand der einzelnen Komponenten. Der spezifische Widerstand ρo von Öl liegt zwischen 1013 und 1012 Ωm. Berücksichtigt man, dass erfindungsgemäß ein größerer Teil des Spannungsabfalls zur Entlastung des Cellulosematerials im Öl erfolgen soll und dass der spezifische Widerstand des Öl sich bei Anliegen einer Spannung verringert, ist eher, wie in Fig 1 dargestellt, von einem spezifischen Widerstand ρo von 1012 Ωm auszugehen. Demgegenüber ist ρp vom Cellulosematerial um drei Größenordnungen höher und liegt bei 1015 Ωm. Dies bewirkt, dass bei Anliegen einer Gleichspannung die Spannung am Öl Uo ein Tausendstel (bei Annahme von ρo = 1013 Ωm zumindest ein Hundertstel bis ein Funfhundertsel) der Spannung am Cellulosematerial Up beträgt. Dieses Ungleichgewicht birgt die Gefahr, dass es bei einer Beaufschlagung der Isolation mit einer Gleichspannung zu Durchschlägen im Cellulosematerial kommt und die elektrische Isolation versagt.
  • Die erfindungsgemäß in das Cellulosematerial 19 eingebrachte Imprägnierung 11 kann z. B. aus BNNT bestehen und wird durch eine geeignete Beschichtung der BNNT aus PEDOT:PSS und evtl. durch eine zusätzliche Dotierung der BNNT mit Dotierstoffen mit ihrem spezifischen Widerstand (zwischen 0,1 und 1000 Ωcm) so eingestellt, dass der spezifische Widerstand des Cellulosematerials ρp herabgesetzt wird. Dies ist auch durch alleinige Verwendung von PEDOT:PSS oder alleinige Verwendung von BNNT möglich. Damit lässt sich für den erfindungsgemäßen Komposit eine spezifische Leitfähigkeit ρcomp einstellen, der an den spezifischen Widerstand ρo angenähert ist und im Idealfall diesem ungefähr entspricht. Bei einem spezifischen Widerstand ρcomp von höchstens 5 mal 1013 Ωm liegt die am Öl anliegende Spannung Uo größenordnungsmäßig im Bereich der am Komposit anliegenden Spannung Ucomp, so dass sich ein ausgeglichenes Spannungsprofil in der Isolation einstellt. Hierdurch wird vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit der Isolation verbessert, da sich die Belastung des Cellulosematerials spürbar verringert.
  • In Figur 2 ist der Ausschnitt eines HGÜ-Trafos zu sehen. Dieser ist in einem auch als Kessel 21 bezeichneten Gehäuse untergebracht. Angedeutet sind außerdem eine Oberspannungsspule und eine Unterspannungsspule deren Wicklungen 22, 23 in Figur 2 zu erkennen sind. Ein Transformatorkern 14 ist der Übersichtlichkeit halber nur schematisch dargestellt.
  • Für die Wicklung 22 ist ein elektrisches Feld durch Feldinien 33 dargestellt, die auf Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes verlaufen. Dieses elektrische Feld wird durch verschiedene Elemente einer Isolationsanordnung beeinflusst, welche als Elemente unter anderem segmentierte Schirmringe 24, 25 zylindrische Feststoffbarrieren 26 aus Pressspan und Winkelringe 27 ebenfalls aus Pressspan aufweisen. Die Schirmringe 24, 25 weisen einen Kern 28 mit einer metallische Oberfläche 29 und eine Papierwicklung 30 auf. Außerdem ist der Innenraum 31 mit einer Füllung von Transformatoröl ausgefüllt, welches daher auch in die Spalte 32 zwischen den einzelnen Elementen der Isolationsanordnung fließt und diese ausfüllt. Die Feldlinien 33 durchdringen außerdem auch einen Druckring 34 aus Blockspan. Daher kann mit der erfindungsgemäßen Herabsetzung des spezifischen Widerstandes des Cellulosematerials auch der Druckring 34 modifiziert werden, um in diesem Bereich das sich ausbildende elektrische Feld zu beeinflussen. Der Druckring 34 sorgt zusammen mit einem nicht dargestellten Wicklungstisch, der ebenfalls aus Blockspan hergestellt werden kann und die Wicklungen 22, 23 trägt, für einen mechanischen Zusammenhalt aller Baugruppen (inklusive der Feststoffbarrieren). Im Sinne der Erfindung sind auch der Druckring 34 und der nicht dargestellte Wicklungstisch als Elemente der Isolationsstrecke zu verstehen.
  • In Figur 3 ist zu erkennen, dass der erfindungsgemäße Schirmring 24 aus einem inneren Einzelring 35 und einem äußeren Einzelring 36 besteht. Der Schirmring 24 weist eine Höhe h und eine Dicke s der Schicht 30 auf, wie diese dargestellt ist. Außerdem sind die abgerundeten Ecken des dargestellten Querschnittes, die der nicht dargestellten Spule abgewandt sind, mit einem Radius r versehen. In Figur 3 ist mit gestrichelten Konturlinien ebenfalls angedeutet, wie die Geometrie eines nicht mit imprägnierten Cellulosematerial ausgestatteten Schirmrings im Vergleich qualitativ aussehen könnte. Dieser hätte eine größere Höhe ho und/oder eine größere Dicke der Schicht 30 s0 und/oder größere Radien an den oben genannten Ecken r0, wobei diese größeren Radien r0 nur durch den Kern 28 beschrieben würden, so dass ein Raum für eine nicht näher dargestellte zusätzliche Einlage aus Cellulose in diesem Bereich entstünde. Diese könnte in dem durch die Radien r und r0 gebildeten Raum vorgesehen werden.
  • Weiterhin ist zu erkennen, dass die Schicht des inneren Einzelringes 35 aus mehreren Schichtlagen 37, 38 besteht. Die die Oberfläche des Schirmringes 24 bildende Schichtlage 37 sowie die Schicht 30 des äußeren Einzelringes 36 weisen einen spezifischen Widerstand auf, der dem des umgebenden Transformatoröls größenordnungsmäßig entspricht. Im Vergleich hierzu ist der spezifische Widerstand der Schichtlage 38, die an den Kern 28 angrenzt, weiter verringert, so dass dieser spezifische Widerstand denjenigen des Transformatoröls unterschreitet. Hierdurch entsteht eine Entlastung des Bereiches des Schirmrings 24, der durch den Spannungsabfall einer HGÜ-Gleichspannung am stärksten beansprucht ist. Dieser liegt an der bezüglich des ringförmigen Verlaufs des Schirmrings inneren Ecke des Querschnitts des Schirmrings, die der Spule abgewandt ist. Für die anderen Bereiche des inneren Einzelringes wäre eine Verringerung des spezifischen Widerstandes der kernnahen Schichtlage 38 an sich nicht notwendig. Diese ist jedoch auch nicht schädlich, so dass aus fertigungstechnischen Gründen der innere Einzelring 38 vollständig mit der kernnahen Schichtlage 38 umwickelt wird. Bei dem äußeren Einzelring 36 unterbleibt allerdings die zusätzliche Umwicklung mit einem Material, das einen spezifischen Widerstand unterhalb desjenigen von Transformatoröl hat, aus Kostengründen. Hier genügt eine Herabsetzung des spezifischen Widerstandes größenordnungsmäßig auf den Wert des Transformatoröls.

Claims (8)

  1. Schirmring für eine HGÜ-Transformatorspule oder eine HGÜ-Drosselspule, aufweisend
    • einen ringförmigen Kern (28) mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche (29),
    • eine Schicht (30) aus einem Cellulosematerial, insbesondere Papier, die den Kern (28) vollständig einschließt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schirmring aus mehreren konzentrisch ineinander liegenden Einzelringen (35, 36) aufgebaut ist, wobei die Schicht (30) jeweils als Komposit ausgeführt ist, bestehend aus einem behandelten Cellulosematerial (19),
    • in dem Partikel (11) mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand in einer Konzentration oberhalb der Perkolationsschwelle verteilt sind und/oder
    • in dem ein zusammenhängendes Netzwerk eines leitfähigen Polymers mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand ρp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand den Komposit durchzieht
    und wobei der innerste Einzelring (35) mit einem Cellulosematerial mit einem geringeren spezifischen Widerstand versehenen ist als der äußere Einzelring (36) oder die äußeren Einzelringe.
  2. Schirmring nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der spezifische Widerstand ρcomp des Komposits zumindest an der Oberfläche höchstens bei 5 mal 1013 Ωm liegt.
  3. Schirmring nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der spezifische Widerstand ρcomp des Komposits zumindest an der Oberfläche das ein- bis zwanzigfache des spezifischen Widerstandes ρo des Transformatoröls beträgt
  4. Schirmring nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der spezifische Widerstand ρcomp des Komposits zumindest an der Oberfläche des Schirmringes größenordnungsmäßig dem spezifischen Widerstand von Transformatoröl ρo entspricht.
  5. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der spezifische Widerstand von benachbarten, die Schicht (30) bildenden Schichtlagen (37, 38) abgestuft ist, wobei die Schichtlage oder die Schichtlagen mit dem geringsten spezifischen Widerstand an den Kern angrenzen.
  6. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schicht (30) aus dem Cellulosematerial um den gesamten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt im wesentlichen gleich dick ausgeführt ist.
  7. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schicht (30) aus dem Cellulosematerial um den gesamten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt direkt auf dem Kern aufliegt.
  8. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schicht (30) aus einer Papierwicklung mit mehreren Wicklungslagen besteht, wobei die Papierwicklung um den senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt gewickelt ist.
EP11807943.3A 2011-01-07 2011-12-27 Schirmring für eine hgü-transformatorspule oder eine hgü-drosselspule Not-in-force EP2661760B1 (de)

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