EP3843111A1 - Hochspannungsisolator mit geometrischem invarstabilisator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Hochspannungstechnik, und zwar Hochspannungs-Einführungs- oder Durchführungsisolatoren. Die Erfindung zielt darauf ab, die Zuverlässigkeit von solchen Isolatoren zu erhöhen. Die Neuheit des Isolators besteht in der Verwendung eines geometrischen Stabilisators zur Kompensation der Wärmeausdehnung des Leiters. Die Rolle des geometrischen Stabilisators wird von einer Invar-Hülle übernommen. Invarlegierungen gehören zu Präzisionslegierungen mit minimalen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Invar-Hülle behält ihre stabilen Abmessungen, wenn sich thermische Verhältnisse des Isolators ändern. Dadurch kann der mechanische Einfluss auf die Isolierung so gering wie möglich gehalten werden. Außerdem können dadurch solche Schäden an der Isolierung wie Abblättern und Rissbildung vermieden werden. Der größte Effekt wird bei der Verwendung der Erfindung in Isolatoren mit RIP-Isolierung erreicht, die für den Einsatz in Gebieten mit kaltem Klima ausgelegt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft die Hochspannungstechnik, und zwar Hochspannungsisolatoren, die den Durchgang von Leitern durch eine Trennwand, z. B. eine Wand, das Gehäuse einer elektrischen Maschine oder eines elektrischen Geräts, gewährleisten und die Leiter davon isolieren. Die Erfindung zielt darauf ab, die Zuverlässigkeit von Isolatoren durch Verwendung eines geometrischen Stabilisators zu erhöhen. Die größte Wirkung erzielt die Erfindung bei der Verwendung in Isolatoren mit fester (trockener) Isolierung. Die feste (trockene) Isolierung besteht aus mit Harz imprägniertem Isolierpapier. Ebenfalls wirksam ist die Anwendung der Erfindung in Isolatoren, die für den Einsatz in Gebieten mit kaltem Klima ausgelegt sind.
• Isolatoren mit Ölpapier-Isolierung (Isolierung mit ölgetränktem Papier, OIP-Isolierung) sorgen dafür, dass die Leiter durch die Trennwand geführt werden können und dabei gegen die Trennwand isoliert sind. Solche Isolatoren bilden den größten Teil der Hochspannungsisolatoren. Trotz aller positiven Eigenschaften solcher Isolatoren weisen sie eine Reihe von Mängeln auf. Diese Mängel beziehen sich vor allem auf die Kontrolle und Wartung der Isolatoren während des Betriebs. Zu den Mängeln der Isolatoren gehört auch Explosions- und Brandgefahr. Diese Mängel sind bei festen Isolatoren beseitigt worden. Hier handelt es sich um Isolatoren mit harzbeschichtetem Papier (RBP-Isolierung) oder mit harzimprägniertem Papier (RIP-Isolierung), die seit Ende des vorigen Jahrhunderts im Einsatz sind. Dabei kann eine bestimmte Art der Isolierung nicht als bevorzugt angesehen werden, da jede Art ihre eigenen positiven Eigenschaften hat. So bewährt sich die Ölpapier-Isolierung besser bei schwierigen klimatischen Arbeitsbedingungen mit großen Temperaturschwankungen der Umgebung. Die Ölimprägnierung des Papiers verleiht den Isolierschichten eine gewisse Beweglichkeit und verhindert eine mechanische Beanspruchung. Mechanische Spannungen können zu Rissen der Isolierung führen. Da eine feste Isolierung alle mechanischen Spannungen, die mit der Wärmeausdehnung verbunden sind, in sich konzentrieren kann, birgt die Verwendung von festen Isolatoren bei niedrigen Temperaturen gewisse Risiken. Dies ist einer der Gründe, warum die Norm IEC 60137:2008 "Insulated bushings for alternating voltages above 1000V" die maximale Überschreitung der Temperatur der Kontaktteile eines Isolators über die Umgebungslufttemperatur auf max. 65°C begrenzt. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen, wie z. B. im hohen Norden, erschwert dies den Betrieb und zwingt zu einer möglichen Verringerung der Zuverlässigkeit.
• So kann die technische Aufgabe, die Zuverlässigkeit von Isolatoren in einem weiten Bereich von Umgebungstemperaturänderungen zu erhöhen, auf eine Verringerung der durch Wärmeausdehnung verursachten mechanischen Spannungen im Isoliermaterial reduziert werden. Bei der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass stromführende Elemente eines Isolators in eine Hülle aus Legierungen der Invargruppe (Eisen-Nickel-Legierung) eingebracht werden. Die Hülle nimmt die mit der Wärmeausdehnung des Leiters verbundenen Kräfte auf und schließt die Übertragung dieser Kräfte auf die Isolierung aus. Diese Lösung der Aufgabe der Erhöhung der Zuverlässigkeit unterscheidet die vorliegende Erfindung wesentlich von den bisher bekannten Lösungen, bei denen die Erhöhung der Zuverlässigkeit durch eine spezielle Isolierungsstruktur erreicht wird. Als Beispiel für einen Hochspannungsisolator kann das Patent RU 2406174 dienen. Bei diesem Patent sorgt eine spezielle Gestaltung der Isolierschichten für eine erhöhte Zuverlässigkeit.
• Zum Gegenstand der Erfindung gehört ein Hochspannungsisolator, der den Durchgang der Leiter durch die Trennwand ermöglicht und die Leiter von dieser Trennwand isoliert. Der stromführende Teil des Isolators hat eine Hülle, die aus einer Invar-Legierung ausgebildet ist. Im Inneren der Hülle befinden sich ein oder mehrere Leiter aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. Der Raum um diese Leiter ist mit Elastomer gefüllt.
• Die Neuheit des Isolators besteht in der Verwendung eines geometrischen Stabilisators zur Kompensation der Wärmeausdehnung des Leiters. Die Rolle des geometrischen Stabilisators wird von einer Invar-Hülle übernommen. Invar-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen mit einem Nickelgehalt von 30 bis 40 % mit Chrom-, Kobalt-, Kupfer-, Titan- oder Mangan-Dotierung sind Präzisionslegierungen mit anomal niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der genaue Wert des linearen Ausdehnungskoeffizienten hängt von der Legierungszusammensetzung, den Härtungsverfahren und der Verfahren der mechanischen Bearbeitung ab. Die Invar-Hülle behält ihre stabilen Abmessungen, wenn sich thermische Verhältnisse des Isolators ändern. Dadurch wird der mechanische Einfluss auf die Isolierung so gering wie möglich gehalten. Außerdem werden dadurch solche Schäden an der Isolierung wie Abblättern und Rissbildung vermieden.
• Das Wesen der Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

das axonometrische Bild eines Isolatorfragments mit Schicht-für-Schicht-Schnitten, die den Aufbau des Isolators offenbaren,

Fig. 2

den Querschnitt des Isolators; das Grundelement bildet ein oder mehrere Leiter 1 aus Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit; die Leiter gewährleisten den Durchgang des elektrischen Stroms durch den Isolator; die Leiter befinden sich innerhalb des geometrischen Stabilisators 2; der geometrische Stabilisator 2 stellt eine geschlossene Hülle dar; die geschlossene Hülle ist aus einer Invar-Legierung ausgebildet; der Raum zwischen den Leitern und der Hülle ist mit Elastomer 3 gefüllt; das Volumen des Elastomers und seine Lage im Raum zwischen den Leitern und der Hülle werden so gewählt, dass die Wärmeausdehnungen der Leiter durch eine Verringerung des Elastomervolumens kompensiert werden und die äußere Größe des geometrischen Stabilisators nicht vergrößern; auf den geometrischen Stabilisator wird eine Basisisolierung 4 aufgebracht; je nach der Umgebung, in der der Isolator betrieben wird, kann der Isolator neben der Basisisolierung auch eine Außenisolierung 5 aus Porzellan oder Polymer haben,

Fig. 3

ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung bei der Verwendung zur Einführung von Hochspannung aus einem Luftmedium in ein Öl- oder SF₆-Medium, wobei der Querschnitt die innere Struktur des Isolators offenbart; die Trennwand 6 trennt das Luftmedium auf der linken Seite der Trennwand von dem Öl- oder SF₆-Medium auf der rechten Seite der Trennwand; die Außenisolierung 5 ist nur für das Luftmedium eingesetzt; der auf der Seite des Luftmediums des Isolators ausgeführte Schnitt zeigt den geometrischen Stabilisator 2; der geometrische Stabilisator 2 befindet sich unter der Basisisolierung 4.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 axonometrisches Bild eines Isolatorfragments mit Schicht-für-Schicht-Schnitten.
  In der Fig. 1 bezeichnen:
• Position 1 - Leiter aus Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit;
• Position 2 - geometrischen Stabilisator;
• Position 3 - Elastomer;
• Position 4 - Basisisolierung;
• Position 5 - Außenisolierung.
• Fig. 2 - Querschnitt des Isolators.
  In der Fig. 2 bezeichnen:
• Position 1 - Leiter aus Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit;
• Position 2 - geometrischen Stabilisator;
• Position 3 - Elastomer;
• Position 4 - Basisisolierung;
• Position 5 - Außenisolierung.
• Fig. 3 ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung bei der Verwendung zur Einführung von Hochspannung aus einem Luftmedium in ein Öl- oder SF₆-Medium, wobei der Querschnitt die innere Struktur des Isolators offenbart.
  In der Fig. 3 bezeichnen:
• Position 2 - geometrischen Stabilisator;
• Position 4 - Basisisolierung;
• Position 5 - Außenisolierung;
• Position 6 - Trennwand.
• Die Erfindung wird mit in der Elektroindustrie verfügbaren Standardgeräten und - technologien zur Herstellung von Isolatoren umgesetzt. Auch die Herstellung von Präzisionslegierungen ist in der Branche gut etabliert. Der Einsatz bekannter und bewährter Technologien in der Erfindung ermöglicht es, die Erfindung in kurzer Zeit im industriellen Maßstab zu realisieren.
Informationsquellen
1. 1. IEC 60137:2008 «Insulated bushings for alternating voltages above 1 000 V»;
2. 2. RU 2406174 "Hochspannungs-Durchführungsisolator" ("High voltage wall bushing").

Claims (1)

1. Hochspannungsisolator für den Durchgang von Leitern durch eine Trennwand,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass der stromführende Teil des Isolators einen geometrischen Stabilisator aufweist, der als Hülle aus einer Invar-Legierung ausgebildet ist,
   dass im Inneren der Hülle sich ein oder mehrere Leiter aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit befinden und
   dass der Raum um diese Leiter mit Elastomer gefüllt ist.

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