EP3843111A1 - High-voltage insulator with geometric invar stabilizer - Google Patents

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EP3843111A1 EP20189220.5A EP20189220A EP3843111A1 EP 3843111 A1 EP3843111 A1 EP 3843111A1 EP 20189220 A EP20189220 A EP 20189220A EP 3843111 A1 EP3843111 A1 EP 3843111A1
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Definitions

  • the invention relates to high voltage technology, namely high voltage insulators, which allow conductors to pass through a partition, e.g. B. ensure a wall, the housing of an electrical machine or an electrical device, and insulate the conductors therefrom.
  • the invention aims to increase the reliability of isolators by using a geometric stabilizer.
  • the invention achieves the greatest effect when used in insulators with solid (dry) insulation.
  • the solid (dry) insulation consists of insulating paper impregnated with resin.
  • the application of the invention is also effective in isolators designed for use in areas with cold climates.
  • Insulators with oil paper insulation ensure that the conductors can be guided through the partition wall and are insulated from the partition wall.
  • OIP insulation insulation with oil-soaked paper, OIP insulation
  • Such isolators form the largest Part of the high voltage insulators.
  • These shortcomings mainly relate to the inspection and maintenance of the isolators during operation.
  • the deficiencies of the isolators also include the risk of explosion and fire. These deficiencies have been eliminated in solid insulators.
  • a certain type of insulation cannot be considered preferred, as each type has its own positive properties.
  • Oil paper insulation is more effective in difficult climatic working conditions with large temperature fluctuations in the environment.
  • the oil impregnation of the paper gives the insulating layers a certain mobility and prevents mechanical stress. Mechanical stresses can lead to cracks in the insulation.
  • solid insulation can concentrate all the mechanical stresses associated with thermal expansion, the use of solid insulators at low temperatures involves certain risks. This is one of the reasons why the standard IEC 60137: 2008 "Insulated bushings for alternating voltages above 1000V" limits the maximum excess of the temperature of the contact parts of an insulator above the ambient air temperature to a maximum of 65 ° C. At low ambient temperatures, such as B. in the far north, this makes operation more difficult and forces a possible reduction in reliability.
  • the technical task of increasing the reliability of insulators in a wide range of ambient temperature changes can be reduced to a reduction in the mechanical stresses in the insulating material caused by thermal expansion.
  • the object is achieved in that current-carrying elements of an insulator are placed in a shell made of alloys of the Invar group (iron-nickel alloy). The sheath absorbs the forces associated with the thermal expansion of the conductor and closes the transmission these forces act on the insulation.
  • This solution to the problem of increasing the reliability essentially distinguishes the present invention from the previously known solutions in which the increase in reliability is achieved by a special insulation structure.
  • the patent RU 2406174 serve.
  • a special design of the insulating layers ensures increased reliability.
  • the subject of the invention includes a high-voltage insulator which enables the conductors to pass through the partition and insulates the conductors from this partition.
  • the current-carrying part of the insulator has a shell which is formed from an Invar alloy. Inside the sheath there are one or more conductors made of a material with high electrical conductivity. The space around this ladder is filled with elastomer.
  • the novelty of the insulator consists in the use of a geometric stabilizer to compensate for the thermal expansion of the conductor.
  • the role of the geometric stabilizer is taken over by an Invar shell.
  • Invar alloys, iron-nickel alloys with a nickel content of 30 to 40% with chromium, cobalt, copper, titanium or manganese doping are precision alloys with abnormally low coefficients of linear thermal expansion. The exact value of the coefficient of linear expansion depends on the alloy composition, the hardening processes and the mechanical processing methods.
  • the Invar shell retains its stable dimensions when the thermal conditions of the insulator change. This keeps the mechanical influence on the insulation as low as possible. It also prevents insulation damage such as peeling and cracking.
  • the invention is implemented with standard devices and technologies available in the electrical industry for manufacturing insulators.
  • the manufacture of precision alloys is also well established in the industry.
  • the use of known and proven technologies in the invention makes it possible to implement the invention in a short time on an industrial scale.

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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.The invention relates to high voltage engineering, namely high voltage lead-in or bushing insulators. The invention aims to increase the reliability of such isolators. The novelty of the insulator consists in the use of a geometric stabilizer to compensate for the thermal expansion of the conductor. The role of the geometric stabilizer is taken over by an Invar shell. Invar alloys are precision alloys with minimal linear thermal expansion coefficients. The Invar shell retains its stable dimensions when the thermal conditions of the insulator change. As a result, the mechanical influence on the insulation can be kept as low as possible. It can also prevent insulation damage such as peeling and cracking. The greatest effect is achieved when using the invention in insulators with RIP insulation, which are designed for use in areas with cold climates.

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.The invention relates to high voltage technology, namely high voltage insulators, which allow conductors to pass through a partition, e.g. B. ensure a wall, the housing of an electrical machine or an electrical device, and insulate the conductors therefrom. The invention aims to increase the reliability of isolators by using a geometric stabilizer. The invention achieves the greatest effect when used in insulators with solid (dry) insulation. The solid (dry) insulation consists of insulating paper impregnated with resin. The application of the invention is also effective in isolators designed for use in areas with cold climates.

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.Insulators with oil paper insulation (insulation with oil-soaked paper, OIP insulation) ensure that the conductors can be guided through the partition wall and are insulated from the partition wall. Such isolators form the largest Part of the high voltage insulators. Despite all the positive properties of such insulators, they have a number of shortcomings. These shortcomings mainly relate to the inspection and maintenance of the isolators during operation. The deficiencies of the isolators also include the risk of explosion and fire. These deficiencies have been eliminated in solid insulators. These are insulators with resin-coated paper (RBP insulation) or with resin-impregnated paper (RIP insulation), which have been in use since the end of the last century. A certain type of insulation cannot be considered preferred, as each type has its own positive properties. Oil paper insulation is more effective in difficult climatic working conditions with large temperature fluctuations in the environment. The oil impregnation of the paper gives the insulating layers a certain mobility and prevents mechanical stress. Mechanical stresses can lead to cracks in the insulation. Since solid insulation can concentrate all the mechanical stresses associated with thermal expansion, the use of solid insulators at low temperatures involves certain risks. This is one of the reasons why the standard IEC 60137: 2008 "Insulated bushings for alternating voltages above 1000V" limits the maximum excess of the temperature of the contact parts of an insulator above the ambient air temperature to a maximum of 65 ° C. At low ambient temperatures, such as B. in the far north, this makes operation more difficult and forces a possible reduction in reliability.

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.The technical task of increasing the reliability of insulators in a wide range of ambient temperature changes can be reduced to a reduction in the mechanical stresses in the insulating material caused by thermal expansion. In the invention, the object is achieved in that current-carrying elements of an insulator are placed in a shell made of alloys of the Invar group (iron-nickel alloy). The sheath absorbs the forces associated with the thermal expansion of the conductor and closes the transmission these forces act on the insulation. This solution to the problem of increasing the reliability essentially distinguishes the present invention from the previously known solutions in which the increase in reliability is achieved by a special insulation structure. As an example of a high-voltage insulator, the patent RU 2406174 serve. In this patent, a special design of the insulating layers ensures increased reliability.

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.The subject of the invention includes a high-voltage insulator which enables the conductors to pass through the partition and insulates the conductors from this partition. The current-carrying part of the insulator has a shell which is formed from an Invar alloy. Inside the sheath there are one or more conductors made of a material with high electrical conductivity. The space around this ladder is filled with elastomer.

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.The novelty of the insulator consists in the use of a geometric stabilizer to compensate for the thermal expansion of the conductor. The role of the geometric stabilizer is taken over by an Invar shell. Invar alloys, iron-nickel alloys with a nickel content of 30 to 40% with chromium, cobalt, copper, titanium or manganese doping are precision alloys with abnormally low coefficients of linear thermal expansion. The exact value of the coefficient of linear expansion depends on the alloy composition, the hardening processes and the mechanical processing methods. The Invar shell retains its stable dimensions when the thermal conditions of the insulator change. This keeps the mechanical influence on the insulation as low as possible. It also prevents insulation damage such as peeling and cracking.

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.
The essence of the invention is explained in more detail with reference to drawings. Show it:
Fig. 1
the axonometric image of an isolator fragment with layer-by-layer sections that reveal the structure of the isolator,
Fig. 2
the cross section of the insulator; the basic element forms one or more conductors 1 made of metal with high electrical conductivity; the conductors ensure the passage of electrical current through the insulator; the conductors are located inside the geometric stabilizer 2; the geometric stabilizer 2 represents a closed envelope; the closed shell is formed from an Invar alloy; the space between the conductors and the sheath is filled with elastomer 3; the volume of the elastomer and its position in the space between the conductors and the sheath are chosen so that the thermal expansions of the conductors are compensated by a reduction in the elastomer volume and do not increase the external size of the geometric stabilizer; A basic insulation 4 is applied to the geometric stabilizer; Depending on the environment in which the isolator is operated, the isolator can also have outer insulation 5 made of porcelain or polymer in addition to the basic insulation,
Fig. 3
an example of the application of the invention in use for the introduction of high voltage from an air medium into an oil or SF 6 medium, the cross section revealing the internal structure of the insulator; the partition 6 separates the air medium on the left side of the partition from the oil or SF 6 medium on the right side of the partition; the outer insulation 5 is only used for the air medium; the one on the air medium side of the isolator Executed section shows the geometric stabilizer 2; the geometric stabilizer 2 is located under the basic insulation 4.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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. 1 axonometric image of an isolator fragment with layer-by-layer sections.
In the Fig. 1 describe:
  • Position 1 - conductor made of metal with high electrical conductivity;
  • Position 2 - geometric stabilizer;
  • Position 3 - elastomer;
  • Position 4 - basic insulation;
  • Position 5 - external insulation.

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. 2 - Cross section of the insulator.
In the Fig. 2 describe:
  • Position 1 - conductor made of metal with high electrical conductivity;
  • Position 2 - geometric stabilizer;
  • Position 3 - elastomer;
  • Position 4 - basic insulation;
  • Position 5 - external insulation.

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.
Fig. 3 an example of the application of the invention in use for the introduction of high voltage from an air medium into an oil or SF 6 medium, the cross section revealing the internal structure of the insulator.
In the Fig. 3 describe:
  • Position 2 - geometric stabilizer;
  • Position 4 - basic insulation;
  • Position 5 - external insulation;
  • Position 6 - partition.

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.The invention is implemented with standard devices and technologies available in the electrical industry for manufacturing insulators. The manufacture of precision alloys is also well established in the industry. The use of known and proven technologies in the invention makes it possible to implement the invention in a short time on an industrial scale.

InformationsquellenSources of information

  1. 1. IEC 60137:2008 «Insulated bushings for alternating voltages above 1 000 V»;1. IEC 60137: 2008 "Insulated bushings for alternating voltages above 1 000 V";
  2. 2. RU 2406174 "Hochspannungs-Durchführungsisolator" ("High voltage wall bushing").2. RU 2406174 "High voltage wall bushing".

Claims (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.High voltage insulator for the passage of conductors through a partition,
characterized,
that the current-carrying part of the insulator has a geometric stabilizer, which is designed as a sheath made of an Invar alloy,
that inside the sheath there are one or more conductors made of a material with high electrical conductivity and
that the space around this ladder is filled with elastomer.
EP20189220.5A 2019-12-23 2020-08-03 High-voltage insulator with geometric invar stabilizer Withdrawn EP3843111A1 (en)

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DE (1) DE202020005966U1 (en)
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