EP3559968B1 - Isolatoranordnung für eine hochspannungs- oder mittelspannungsanlage - Google Patents

Isolatoranordnung für eine hochspannungs- oder mittelspannungsanlage Download PDF

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EP3559968B1
EP3559968B1 EP18700528.5A EP18700528A EP3559968B1 EP 3559968 B1 EP3559968 B1 EP 3559968B1 EP 18700528 A EP18700528 A EP 18700528A EP 3559968 B1 EP3559968 B1 EP 3559968B1
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EP
European Patent Office
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insulator arrangement
blocking
relative permittivity
arrangement according
blocking region
Prior art date
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EP18700528.5A
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English (en)
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EP3559968A1 (de
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Katrin Benkert
Martin Koletzko
Werner Hartmann
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
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    • H01H2033/66292—Details relating to the use of multiple screens in vacuum switches

Definitions

  • the invention relates to an insulator arrangement for a high-voltage or medium-voltage system according to the preamble of patent claim 1.
  • a ceramic material is often used as the insulating material in high and medium-voltage systems, in particular switchgear.
  • the insulating capacity of these solid bodies is generally quite high. Defects in the lattice structure or grain structure of the ceramic materials can lead to a breakdown at high voltages, in particular higher than 72kV. i.e. With these materials, the breakdown field strength E bd is reached above a critical electrical voltage or a critical potential. However, the critical breakdown field strength Ebd , which is influenced by the defects mentioned, cannot be increased solely by making the ceramic insulator correspondingly thicker or longer.
  • the object of the invention is therefore to provide an insulator arrangement for a high-voltage or medium-voltage system which, compared to the prior art, ensures an increase in the breakdown field strength of the insulator arrangement with constant geometric dimensions. From the JP 2014 182877 A a resin molded vacuum interrupter is known.
  • the insulator arrangement according to the invention for a high-voltage or medium-voltage system has at least one ceramic structural element which is designed to be axisymmetric.
  • a typical symmetrical configuration of the structural element would be a cylinder shape, which can however also run conically; an elliptical distortion of the cross section is also technically possible in principle.
  • the structural element has at least two ring-shaped base regions which are separated from one another by a likewise ring-shaped blocking region.
  • Ring-shaped is understood here to mean a cylindrical shape, which can also run conically or in the form of a hollow cone, which has a circular or elliptical cross section.
  • the invention is characterized in that the permittivity of the material of the blocking region is at least twice as high as the permittivity of the material of the base region.
  • the electric field strength of the electric field induced by the high-voltage system becomes clear in the blocking areas compared to the base areas humiliated.
  • This is referred to as weak-field areas; ideally, these are field-free areas.
  • This field weakening is determined by the ratio of the relative permittivity of the material of the base regions and the relative permittivity of the blocking regions. This electrically subdivides the ceramic internally into short axial pieces, greatly increasing the electrical strength of the section as well as that of the entire insulator assembly.
  • the permittivity ⁇ which is also referred to as the electrical conductivity or the electrical function, is understood to mean the permeability of a material for electrical fields.
  • the vacuum also has a permittivity that is also referred to as the electric field constant ⁇ 0 .
  • Equation 1 the relative permittivity ⁇ r described in Equation 1 is used for the permittivity.
  • a significant weakening of the electric field in the blocking regions can already be observed by a difference of a factor of 2 between the relative permittivities of the base region and the blocking region.
  • the weakening of the electric field in the blocking areas and thus the resulting segmentation of the base areas in areas that are electrically decoupled from one another is all the stronger, the higher the relative permittivity in the blocking areas, i.e. the higher the factor between the permittivity of the blocking area and the permittivity of the base region.
  • the relative permittivity of the blocking region is at least five times as high as the permittivity of the base region; it is particularly advantageous if it is at least ten times or is particularly advantageously at least 100 times as high as the permittivity of the base region.
  • Such a high permittivity can be achieved in particular by a titanate, ie a salt of titanic acid, in particular barium titanate.
  • An advantageous combination is an aluminum oxide or a material that includes aluminum oxide as the material for the base area and a material based on a titanate, in particular barium titanate or calcium titanate, for the blocking area.
  • the titanium oxide also has a high permittivity and is suitable as a material or as a material component of the blocking region.
  • the relative permittivity of the material of the base region is usually and preferably between 5 and 25.
  • the relative permittivity is a unitless variable which, as stated, results from the ratio of the total permittivity and the electric field constant ⁇ 0 .
  • the relative permittivity of the material of the blocking region is at least twice as high as the relative permittivity of the base region, ie it is at least 10 and is in a range between 10 and 10,000.
  • the relative permittivity of the control range is particularly preferably in a range between 100 and 10,000, particularly preferably between 1,000 and 10,000.
  • the length of the base areas in the direction of the axis of symmetry can be between a value of 5 mm and 50 mm. It has been found that particularly good segmentation of the insulator arrangement or of the structural element results in these length ranges of the base regions. The same applies to a linear expansion of the blocking areas that is between 0.1 mm and 5 mm.
  • the ratio of the linear extent of a respective base region to a respective Linear expansion of the associated restricted area has an amount between 10 and 100.
  • the insulator arrangement described can be part of a high-voltage or medium-voltage switchgear, which can be either a vacuum switchgear or a gas-insulated switchgear.
  • shielding elements are attached to an inner wall of the insulating structural element, which serve to deflect and divert the electric field and to distribute the equipotential lines more homogeneously in the material of the structural element.
  • These shielding elements also known as shielding plates, are preferably arranged in such a way that they are fastened in the structural element where there is a blocking area.
  • Equipotential lines are lines with the same electrical potential. They are perpendicular to the corresponding field lines of the associated electrical field and have a comparable density. Narrow equipotential lines correspond to narrow field lines, equipotential lines drawn apart also lead to field lines drawn apart.
  • FIG 1 a representation of a high-voltage switchgear 3 is given, which has a switch room 26 in which two switching contacts 24 are shown to be axially movable relative to one another, an electrical contact being able to be made or separated by an axial movement of at least one of the switching contacts.
  • the switchgear 3 has insulator arrangements 1 which comprise at least one insulating structural element 2 .
  • the insulator arrangement 1 has three structural elements 2 . In principle and preferably, however, the insulator arrangement 1 consists of only one structural element 2 if possible. The possibility of realizing this will be discussed in more detail below.
  • an insulator arrangement 1 in an insulator arrangement 1 according to the prior art, as a rule, a plurality of structural elements, which consist in particular of an oxide ceramic, for example aluminum oxide ceramic, are joined together to form the entire insulator arrangement 1 by means of a corresponding joining method.
  • an oxide ceramic for example aluminum oxide ceramic
  • the length of the insulator arrangement 1 in its axial direction is determined in particular by its breakdown field strength or its maximum isolable voltage.
  • a structural element 2 which has both base regions 4 and blocking regions 6 .
  • the base areas 4 have an axial length extension 8 which is greater than an axial length extension 12 of the blocking areas 6.
  • Two base areas 4 are separated from one another by a blocking area 6 in each case.
  • the axial expansion is described in each case along the axis of rotation 10 .
  • FIG 3 is the same insulating structural element 2 from the better clarity figure 2 given in a three-dimensional representation.
  • the Figures 4 and 5 is in each case the course of equipotential lines of equipotential lines 16 of an electric field which is induced by the electric current flow present in the switch room 26. Only the right half of the cross section of the structural element 2 is shown.
  • the axis of symmetry 10 is located on the outer left edge, in the middle of the illustration figure 4 and also according to figure 5 a section through the base regions 4 and through the blocking regions 6 is given. In doing so, they are divided Figures 4 and 5 in each case on the left in the image in an area 18 within the structural element and in an area 22 outside of the structural element and in an area 20 which represents the section through the material of the structural element.
  • a homogeneous electric field which is described by the equipotential lines 16, is shown.
  • the homogeneity of the field in area 18 is shown by the relatively even distance between the equipotential lines 16.
  • area 22 outside of structural element 2 the course of the equipotential lines is very different; here there are areas with a high density of equipotential lines, in which a strong electric field prevails and an area with widely spread equipotential lines 16 in which there is a weaker electric field. It is noticeable that there are almost no equipotential lines 16 in the blocking areas 6, which means that an extremely weak electric field or, in the ideal case, no electric field prevails in the blocking areas 6.
  • the base regions 4 thus act like further subordinate insulating structural elements which are electrically isolated from their neighboring base region are separated by the restricted area 6.
  • FIG. 5 An analogous representation of this is in figure 5 given, the equipotential lines almost not occurring here in the blocking areas 6 and thus the described segmentation between base areas is achieved.
  • FIG. 5 FIG.
  • Corresponding screen elements 14 are also in figure 1 shown accordingly.
  • the screen elements 14 are preferably designed in such a way that they are anchored in the blocking areas 6 in the structural element 2 .
  • the reduction of the equipotential lines 16 or the electric field 16 represented in this way in the blocking regions 6 of the structural element 2 is achieved in that the material of the blocking regions 6 has a relative permittivity which is at least twice as high as the relative permittivity of the base regions 4. In this way, the electric field is practically pushed out of the blocking areas 6 . This in turn causes the structure element 2 to be electrically segmented into the base regions 4 . This in turn has a similar effect on the breakdown field strength as the joining of several structural elements, as shown in figure 1 with the designation 2' for the structural element.
  • the joining of structural elements 2 to form an insulator arrangement 1 is not desirable, since this involves cost-intensive work processes that require quality assurance and a high level of technical complexity in order to ensure vacuum tightness or gas tightness. It is thus possible through the described arrangement of the structural element 2 and the segmentation into base regions 4 and blocking regions 6 to configure the entire insulator arrangement 1, a switchgear 3 or generally a high-voltage or medium-voltage system 3 with just one insulating structural element 2. Whether this is technically sufficient also depends on the required total breakdown field strength or the maximum applied voltage. For example, high-voltage switchgear of 72 kV can be realized by a structural element 2 with a length extension in the axial direction of 80 mm or less.
  • an insulator arrangement 1 should only comprise one structural element 2, but in the case of high-voltage systems with very high voltage, two or more structural elements 2 can also be joined to form an insulator arrangement 1, in which case this then has a total length expansion that is significantly lower than the linear expansion of conventionally equipped structural elements according to the prior art without the segmentation described.
  • a further advantage in the manufacture of the insulator structure is that during the manufacture of the structural element 2, materials for the base regions 4 and materials for the blocking regions 6 can be introduced alternately into a compression mold and can already be pressed and sintered into this structure. i.e.
  • a segmented structural element 2 can be produced by a conventional work step by introducing the materials alternately into the corresponding mold, which has a breakdown strength and a strength that can only be achieved using conventional means with structural elements that are connected to one another by complex soldering or joining methods. In this way, the manufacturing costs of the insulator arrangement can be significantly reduced and the claimed linear expansion and thus the installation space of the switchgear and the external dimensioning of the switchgear can be reduced.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Als Isolatormaterial in Hoch- bzw. Mittelspannungsanlagen, insbesondere Schaltanlagen wird häufig als isolierendes Material ein keramischer Werkstoff eingesetzt. Die Isolierfähigkeit dieser Festkörper ist im Allgemeinen recht hoch, durch Defekte in der Gitterstruktur bzw. Kornstruktur der keramischen Materialien kann es bei hohen Spannungen, insbesondere höhere als 72kV zu einem Durchschlag kommen. D. h. die Durchbruchsfeldstärke Ebd wird bei diesen Materialien ab einer kritischen elektrischen Spannung bzw. eines kritischen Potentials erreicht. Die durch die angesprochenen Defekte beeinflusste kritische Durchbruchsfeldstärke Ebd kann jedoch nicht alleine dadurch erhöht werden, in dem man den keramischen Isolator entsprechend dicker bzw. länger ausgestaltet. Dies liegt daran, da durch eine Vergrößerung der Dicke bzw. Länge des Isolators keine lineare Zunahme der Durchbruchsfeldstärke Ebd stattfindet, sondern dass zwischen der Dicke bzw. Länge eines Isolators und dessen Durchbruchsfeldstärke ein im Wesentlichen wurzelförmiger Zusammenhang besteht. D. h. durch eine hohe Steigerung der Dicke bzw. Länge des Isolators kann eine nur relativ niedrige Steigerung der Durchbruchsfeldstärke erzielt werden. Durch diesen wurzelförmigen Zusammenhang zwischen Dicke und Durchbruchsfeldstärke müsste somit die Materialausdehnung des Isolierstoffes bzw. des Isolierelementes überproportional erhöht werden, um eine signifikante Steigerung der Durchbruchsfeldstärke zu erzielen. Dies ist zwar technisch bis zu einem gewissen Grade möglich, jedoch nicht wirtschaftlich realisierbar.
  • Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- bzw. Mittelspannungsanlage bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine Erhöhung der Durchbruchsfeldstärke der Isolatoranordnung bei konstanten geometrischen Ausdehnungen gewährleistet. Aus der JP 2014 182877 A ist eine in Harz gegossene Vakuumschaltröhre bekannt.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- und Mittelspannungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Die erfindungsgemäße Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlage gemäß Patentanspruch 1 weist mindestens ein keramisches Strukturelement auf, das achsensymmetrisch ausgestaltet ist. Eine typische symmetrische Ausgestaltung des Strukturelementes wäre eine Zylinderform, die jedoch auch konisch verlaufen kann, vom Querschnitt ist auch eine elliptische Verzerrung grundsätzlich technisch möglich. Dabei weist das Strukturelement mindestens zwei ringförmige Basisbereiche auf, die durch einen ebenfalls ringförmigen Sperrbereich voneinander getrennt sind. Unter ringförmig wird hierbei eine Zylinderform verstanden, die ebenfalls konisch bzw. hohlkegelförmig verlaufen kann, die einen kreisrunden oder elliptischen Querschnitt aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Permittivität des Materials des Sperrbereiches mindestens zweimal so hoch ist wie die Permittivität des Materials des Basisbereichs.
  • Durch die Einfügung von Sperrbereichen bzw. mindestens eines Sperrbereichs zwischen zwei Basisbereiche der Isolatoranordnung mit einer deutlichen Erhöhung der Permittivität des Sperrbereichs gegenüber des Basisbereichs von mindestens einem Faktor 2, wird in den Sperrbereichen die elektrische Feldstärke des durch die Hochspannungsanlage induzierten elektrischen Feldes gegenüber den Basisbereichen deutlich erniedrigt. Man spricht hierbei von feldschwachen Bereichen, im Idealfall handelt es sich um feldfreie Bereiche. Diese Feldschwächung wird durch das Verhältnis der relativen Permittivität des Materials der Basisbereiche und der relativen Permittivität der Sperrbereiche bestimmt. Dadurch wird die Keramik intern elektrisch in kurze axiale Stücke unterteilt, wodurch sich die elektrische Festigkeit der Teilstrecke wie auch das der gesamten Isolatoranordnung stark erhöht.
  • Unter der Permittivität ε, die auch als die elektrische Leitfähigkeit oder die elektrische Funktion bezeichnet wird, wird dabei die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder verstanden. Auch das Vakuum weist eine Permittivität auf, die auch als die elektrische Feldkonstanze ε0 bezeichnet wird. Die relative Permittivität εr eines Stoffes ergibt sich dabei aus dem Verhältnis seiner tatsächlichen Permittivität ε zu der elektrischen Feldkonstante ε0: ε r = ε / ε 0 .
    Figure imgb0001
  • Im Weiteren wird hier bei der Permittivität jeweils von der relativen Permittivität εr in Gleichung 1 beschrieben, gesprochen.
  • Durch einen Unterschied um einen Faktor 2 zwischen den relativen Permittivitäten des Basisbereiches und des Sperrbereiches kann bereits eine signifikante Abschwächung des elektrischen Feldes in den Sperrbereichen beobachtet werden. Grundsätzlich gilt jedoch, dass die Schwächung des elektrischen Feldes in den Sperrbereichen und somit die daraus bewirkte Segmentierung der Basisbereiche in elektrisch voneinander entkoppelten Bereichen umso stärker wirkt, umso höher die relative Permittivität in den Sperrbereichen ist, also umso höher der Faktor zwischen der Permittivität des Sperrbereiches und der Permittivität des Basisbereichs ist. Dabei hat es sich herausgestellt, dass es noch vorteilhafter ist, wenn die relative Permittivität des Sperrbereiches mindestens fünfmal so hoch ist, wie die Permittivität des Basisbereiches, insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sie mindestens zehnmal bzw. besonders vorteilhaft mindestens 100mal so hoch ist, wie die Permittivität des Basisbereiches.
  • Eine derartig hohe Permittivität lässt sich insbesondere durch ein Titanat, also einem Salz der Titansäure, insbesondere dem Bariumtitanat erzielen. Eine vorteilhafte Kombination ist dabei als Material für den Basisbereich ein Aluminiumoxid bzw. ein Material, das Aluminiumoxid umfasst und für den Sperrbereich ein Material auf Basis eines Titanates, insbesondere Bariumtitanat oder Calziumtitanat. Auch das Titanoxid weist eine hohe Permittivität auf und ist als Material oder als Materialbestandteil des Sperrbereichs geeignet.
  • Dabei liegt die relative Permittivität des Materials des Basisbereichs üblicherweise und bevorzugt zwischen 5 und 25. Dabei ist die relative Permittivität eine einheitslose Größe, die, wie besagt, sich aus dem Verhältnis der Gesamtpermittivität und der elektrischen Feldkonstante ε0 ergibt. Die relative Permittivität des Materials des Sperrbereichs liegt im Gegensatz dazu mindestens zweimal so hoch, wie die relative Permittivität des Basisbereiches also mindestens weist sie einen Betrag 10 auf und ergibt sich in einem Bereich zwischen 10 und 10.000. Besonders bevorzugt ergibt sich die relative Permittivität des Steuerbereichs in einem Bereich zwischen 100 und 10.000, besonders bevorzugt zwischen 1.000 und 10.000.
  • Die Längenausdehnung der Basisbereiche in Richtung der Symmetrieachse kann sich zwischen einem Wert von 5 mm und 50 mm belaufen. Es hat sich herausgestellt, dass in diesen Längenbereichen der Basisbereiche sich eine besonders gute Segmentierung der Isolatoranordnung bzw. des Strukturelementes ergeben. Das gleiche gilt für eine Längenausdehnung der Sperrbereiche, die zwischen 0,1 mm und 5 mm beträgt.
  • Das Verhältnis der Längenausdehnung eines jeweiligen Basisbereiches zu einer jeweiligen Längenausdehnung des dazugehörigen Sperrbereiches weist einen Betrag zwischen 10 und 100 auf.
  • Es ist zweckmäßig, dass die beschriebene Isolatoranordnung Bestandteil einer Hochspannungs- oder Mittelspannungsschaltanlage ist, wobei es sich dabei sowohl um eine Vakuumschaltanlage als auch um eine gasisolierter Schaltanlage handeln kann.
  • Ferner ist es zweckmäßig, wenn an einer Innenwand des isolierenden Strukturelementes Schirmelemente angebracht sind, die zur Umlenkung und Ableitung des elektrischen Feldes und zu einer homogeneren Verteilung der Äquipotentiallinien in dem Material des Strukturelementes dienen. Diese Schirmelemente bzw. auch Schirmbleche genannt, sind bevorzugt so angeordnet, dass sie in dem Strukturelement dort befestigt sind, wo ein Sperrbereich vorliegt. Unter Äquipotentiallinien werden dabei Linien mit demselben elektrischen Potential verstanden. Sie stehen auf korrespondierenden Feldlinien des dazu gehörigen elektrischen Feldes senkrecht und weißen eine vergleichbare Dicht auf. Engverlaufende Äquipotentiallinien korrespondieren mit engen Feldlinien, ebenso führen auseinander gezogenen Äquipotentiallinien zu auseinander gezogenen Feldlinien.
  • Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen. Dabei zeigen:
    • Figur 1 eine Hochspannungsschaltanlagen mit einer Isolatoranordnung nach dem Stand der Technik,
    • Figur 2 eine projizierte Ansicht eines isolierenden Strukturelementes mit Basisbereichen und Sperrbereichen,
    • Figur 3 eine dreidimensionale Draufsicht auf das Strukturelement nach Figur 2,
    • Figur 4 ein halbierter Querschnitt durch ein Strukturelement gemäß Figur 2 mit eingezeichneten Äquipotentiallinien,
    • Figur 5 eine analoge Darstellung wie in Figur 4 jedoch mit zusätzlichen Schirmelementen.
  • In Figur 1 ist eine Darstellung einer Hochspannungsschaltanlage 3 gegeben, die einen Schaltraum 26 aufweist, in dem zwei Schaltkontakte 24 axial beweglich zueinander dargestellt sind, wobei durch eine axiale Bewegung zumindest eines des Schaltkontaktes ein elektrischer Kontakt hergestellt bzw. getrennt werden kann. Ferner weist die Schaltanlage 3 Isolatoranordnungen 1 auf, die mindestens ein insolierendes Strukturelement 2 umfassen. Bei der hier dargestellten Schaltanlage nach Figur 1 weist die Isolatoranordnung 1 drei Strukturelemente 2 auf. Grundsätzlich und bevorzugt besteht die Isolatoranordnung 1 jedoch möglichst nur aus einem Strukturelement 2. Im Weiteren wird auf die Möglichkeit, dies zu realisieren, noch näher eingegangen werden. Bei einer Isolatoranordnung 1 gemäß des Standes der Technik werden in der Regel mehrere Strukturelemente, die insbesondere aus einer Oxidkeramik beispielsweise Aluminiumoxidkeramik bestehen, durch ein entsprechendes Fügeverfahren zu der gesamten Isolatoranordnung 1 zusammengefügt. Durch das Fügen mehrerer herkömmlicher Strukturelemente ist es möglich, eine Segmentierung zu erzielen, was wiederum zu einer höheren Durchbruchsfeldstärke und somit zu einer starken Spannungssteigerung führt. Dabei wird die Länge der Isolatoranordnung 1 in ihre axiale Richtung insbesondere durch ihre Durchbruchsfeldstärke bzw. ihre maximale isolierbare Spannung bestimmt.
  • In Figur 2 ist ein Strukturelement 2 dargestellt, das sowohl Basisbereiche 4 als auch Sperrbereiche 6 aufweist. Die Basisbereiche 4 weisen dabei eine axiale Längenausdehnung 8 auf, die größer ist als eine axiale Längenausdehnung 12 der Sperrbereiche 6. Es sind jeweils zwei Basisbereiche 4 durch einen Sperrbereich 6 voneinander getrennt. Die axiale Ausdehnung wird jeweils entlang der Rotationsachse 10 beschrieben. In Figur 3 ist zur besseren Übersichtlichkeit das gleiche isolierende Strukturelement 2 aus Figur 2 in einer dreidimensionalen Darstellung gegeben. In den Figuren 4 und 5 ist jeweils der Äquipotentiallinienverlauf von Äquipotentiallinien 16 eines elektrischen Feldes, das durch den im Schaltraum 26 vorliegende elektrische Stromfluss induziert wird, gegeben. Dabei ist nur die rechte Hälfte des Querschnittes des Strukturelementes 2 dargestellt. Am linken äußeren Rand befindet sich die Symmetrieachse 10, in der Mitte der Darstellung gemäß Figur 4 und auch gemäß Figur 5 ist ein Schnitt durch die Basisbereiche 4 und durch die Sperrbereiche 6 gegeben. Dabei unterteilen sich die Figuren 4 und 5 jeweils links im Bild in einen Bereich 18 innerhalb des Strukturelementes und in einen Bereich 22 außerhalb des Strukturelementes sowie in einen Bereich 20, der den Schnitt durch das Material des Strukturelementes darstellt.
  • Ausgehend von der Symmetrieachse 10 wird ein homogenes elektrisches Feld, das durch die Äquipotentiallinien 16 beschrieben wird, dargestellt. Die Homogenität des Feldes im Bereich 18 zeigt sich durch den relativ gleichmäßigen Abstand zwischen den Äquipotentiallinien 16. Hingegen ist im Bereich 22 außerhalb des Strukturelementes 2 der Äquipotentiallinienverlauf sehr unterschiedlich, hier liegen Bereiche mit einer hohen Äquipotentialliniendichte vor, in dem ein starkes elektrisches Feld vorherrscht und ein Bereich mit weit auseinandergezogenen Äquipotentiallinien 16, in dem ein schwächeres elektrisches Feld vorliegt. Auffällig ist, dass in den Sperrbereichen 6 nahezu keine Äquipotentiallinien 16 vorliegen, was bedeutet, dass in den Sperrbereichen 6 ein äußerst schwaches bzw. im Idealfall nicht vorhandenes elektrisches Feld vorherrscht. Dies wiederum führt dazu, dass eine elektrische Segmentierung des isolierenden Strukturelementes also des keramischen Isolators durch die Sperrbereiche 6 erzeugt wird. Die Basisbereiche 4 wirken somit wie weitere untergeordnete isolierende Strukturelemente, die elektrisch von ihrem Nachbarbasisbereich getrennt sind und zwar durch den Sperrbereich 6.
  • Eine analoge Darstellung hierzu ist in Figur 5 gegeben, wobei die Äquipotentiallinien auch hier in den Sperrbereichen 6 nahezu nicht vorkommen und somit die beschriebene Segmentierung zwischen Basisbereichen erzielt wird. Figur 5 zeigt jedoch noch weitere Schirmelemente 14, die auch als Schirmbleche 14 bezeichnet werden, die eine gezielte und optimierte Lenkung der Äquipotentiallinien 16 bewirken. Entsprechende Schirmelemente 14 sind auch in Figur 1 entsprechend dargestellt. Die Schirmelemente 14 sind bevorzugt so ausgestaltet, dass sie in Sperrbereichen 6 im Strukturelement 2 verankert sind.
  • Das Reduzieren der Äquipotentiallinien 16 bzw. des so dargestellte elektrische Feldes 16 in den Sperrbereichen 6 des Strukturelementes 2 wird dadurch erzielt, dass das Material der Sperrbereiche 6 eine relative Permittivität aufweist, die mindestens zweimal so hoch ist, wie die relative Permittivität der Basisbereiche 4. Auf diese Weise wird das elektrische Feld praktisch aus den Sperrbereichen 6 herausgedrängt. Dies wiederum bewirkt, dass es zu einer elektrischen Segmentierung des Strukturelementes 2 in die Basisbereiche 4 kommt. Dies wiederum hat eine ähnliche Wirkung auf die Durchbruchsfeldstärke, wie das Aneinanderfügen von mehreren Strukturelementen, wie es in Figur 1 mit der Bezeichnung 2' für das Strukturelement dargestellt ist. Grundsätzlich ist das Fügen von Strukturelementen 2 zu einer Isolatoranordnung 1 nicht anzustreben, da es sich hierbei um kostenintensive Arbeitsvorgänge handelt, die eine Qualitätssicherung und einen hohen technischen Aufwand erfordern, um eine Vakuumdichtigkeit bzw. Gasdichtigkeit zu gewährleisten. Somit ist es durch die beschriebene Anordnung des Strukturelementes 2 und die Segmentierung in Basisbereiche 4 sowie in Sperrbereiche 6 möglich, die gesamte Isolatoranordnung 1 eine Schaltanlage 3 bzw. allgemein einer Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlage 3 durch lediglich ein isolierendes Strukturelement 2 auszugestalten. Ob dies technisch ausreichend ist, hängt auch von der geforderten gesamten Durchbruchsfeldstärke bzw. der maximal anliegenden Spannung ab. Beispielsweise können Hochspannungsschaltanlagen von 72kV durch ein Strukturelement 2 mit einer Längenausdehnung in axialer Ausrichtung von 80 mm oder weniger realisiert werden. Durch die herkömmliche beschriebene Technologie müssten hierzu zwei bis drei Strukturelemente durch ein Fügeverfahren aneinandergefügt werden. Zusammenfassend ist zu sagen, dass eine Isolatoranordnung 1 möglichst nur ein Strukturelement 2 umfassen soll, bei Hochspannungsanlagen mit sehr hoher Spannung können jedoch auch zwei oder mehrere Strukturelemente 2 zu einer Isolatoranordnung 1 gefügt werden, wobei dies dann eine insgesamte Längenausdehnung aufweist, die deutlich geringer ist als die Längenausdehnung von herkömmlich ausgestatteten Strukturelementen nach dem Stand der Technik ohne die beschriebene Segmentierung.
  • Ein weiterer Vorteil bei der Herstellung der Isolatorstruktur besteht darin, dass bei der Herstellung des Strukturelementes 2 alternierend in eine Pressform Materialien für die Basisbereiche 4 und Materialien für die Sperrbereiche 6 eingebracht werden können und bereits in diesen Aufbau gepresst und gesintert werden können. D. h. durch einen herkömmlichen Arbeitsschritt durch Einbringen der Materialien alternierend in die entsprechende Form kann ein segmentiertes Strukturelement 2 erzeugt werden, das eine Durchbruchsfeststellstärke und eine Festigkeit aufweist, die nach herkömmlichen Mitteln nur mit Strukturelementen erzielbar ist, die durch aufwendige Lötverfahren bzw. Fügeverfahren miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können die Herstellungskosten der Isolatoranordnung deutlich gesenkt werden und die beanspruchte Längenausdehnung und somit der Bauraum der Schaltanlage und die äu-ßere Dimensionierung der Schaltanlage verkleinert werden.

Claims (8)

  1. Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- oder Mittelspannungsschaltanlage (3) mit mindestens einem achsensymmetrischen isolierenden Strukturelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Strukturelement (2) mindestens zwei ringförmige Basisbereiche (4) aufweist, die durch einen ringförmigen Sperrbereich (6) voneinander getrennt sind, wodurch das keramische Strukturelement (2) intern elektrisch in kurze axiale Stücke unterteilt ist, derart dass das Verhältnis der Längenausdehnung (8)eines jeweiligen Basisbereichs zur jeweiligen Längenausdehnung (12) des dazwischen angeordneten Sperrbereichs (6) zwischen 10 und 100 beträgt, wobei die relative Permittivität des Materials des Sperrbereichs (6) mindestens zweimal so hoch ist, wie die relative Permittivität des Materials der Basisbereiche, und wobei die Längenausdehnung (12) des Sperrbereichs (6) in Richtung der Symmetrieachse (10) zwischen 0,1 mm und 5 mm beträgt.
  2. Isolatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Permittivität des Materials des Sperrbereichs (6) mindestens fünfmal, insbesondere zehnmal, insbesondere 100-mal so hoch ist, wie die relative Permittivität des Basisbereiches (4).
  3. Isolatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Sperrbereichs 6 ein Titanat, insbesondere Bariumtitanat umfasst.
  4. Isolatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass des Materials des Basisbereichs (4) eine relative Permittivität aufweist, die zwischen 5 und 25 liegt.
  5. Isolatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Permittivität des Materials des Sperrbereichs (6) zwischen 10 und 10 000, insbesondere zwischen 100 und 10 000, insbesondere zwischen 1000 und 10 000 beträgt.
  6. Isolatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenausdehnung (8) der Basisbereiche (4) in Richtung der Symmetrieachse (10) zwischen 5 mm und 50 mm beträgt.
  7. Isolatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Innenwand (28) des Strukturelementes (2) Schirmelemente (14) angebracht sind.
  8. Isolatoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmelemente (14) in oder an einem Sperrbereich (6) angeordnet sind.
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