EP4297051A1 - Durchführungsisolator - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B17/00—Insulators or insulating bodies characterised by their form
- H01B17/26—Lead-in insulators; Lead-through insulators
Definitions
- the invention relates to a feedthrough insulator.
- Bushing insulators are used, for example, as so-called bulkhead insulators in connections of housing parts of electrical energy transmission devices. Furthermore, bushing insulators are used, for example, for bushings of electrical energy transmission devices, through which, for example, electrical conductors are led out of housings of the electrical energy transmission devices.
- sulfur hexafluoride is often used as an insulating gas, particularly due to the high dielectric strength of sulfur hexafluoride.
- sulfur hexafluoride (SF 6 ) is a powerful greenhouse gas. That is why sulfur hexafluoride is increasingly being replaced by more environmentally friendly insulating gases, for example artificial air, also known as clean air.
- Artificial air refers to a mixture of oxygen and nitrogen that is produced artificially. This can be a completely synthetically produced mixture of oxygen and nitrogen or treated, in particular purified and/or dehumidified, air. Artificial air is a particularly environmentally friendly alternative to sulfur hexafluoride.
- fluorinated gas mixtures are used in order to achieve a similar dielectric strength as when using SF 6 .
- the long-term stability of the gas mixtures and effects caused by material interactions within the switching devices and switchgear are not sufficiently assured at this point in time. Due to their harmfulness to the climate and persistence in the environment, the use of fluorine-containing alternatives carries the risk of future use restrictions and bans, for example as part of the revision of the European F-Gas Regulation 2021/2022.
- the invention is based on the object of specifying an improved bushing insulator for gas-insulated electrical energy transmission devices.
- a feedthrough insulator has a base body with at least one opening which is suitable for feeding through at least one electrical conductor.
- the feedthrough insulator is made of an electrically insulating main material and at least one field control material different from the main material.
- the field control material is designed and/or arranged in such a way that it influences an electric field penetrating and surrounding the feedthrough insulator.
- the invention therefore supplements a bushing insulator, for example a bushing or a bulkhead insulator, in gas-insulated switchgear by field control mechanisms in various embodiments to increase the dielectric strength in clean air.
- the base body is made from the main material with an admixture of an electrically conductive varistor material as field control material.
- the varistor material has zinc oxide.
- the base body has at least one electrode layer made of an electrically conductive field control material embedded in the main material.
- the base body is made from the main material with an admixture of dielectric field control material that increases its permittivity.
- the dielectric field control material includes barium titanate and/or aluminum oxide.
- the concentration of the dielectric field control material in the base body can vary spatially.
- the main material is a casting resin or a silicone, or a casting resin or a silicone with an admixture of at least one filler, for example with an admixture of aluminum nitride and/or boron nitride as a filler.
- At least one electrode runs around the base body.
- the base body is connected in a gas-tight manner to each electrical conductor which is guided through an opening in the base body.
- FIG 1 shows a first exemplary embodiment of a feedthrough insulator 1 in a schematic sectional view.
- the bushing insulator 1 is designed as a bulkhead insulator in the connection of two housing parts 2, 3 of a housing 4 of an electrical energy transmission device.
- the housing parts 2, 3 can both be designed to be electrically conductive, in particular metallic, or electrically insulating.
- a housing part 2, 3 is designed to be electrically conductive, in particular metallic, and the other housing part 2, 3 is designed to be electrically insulating.
- the feedthrough insulator 1 has a base body 5 with at least one opening 6. An inner conductor 7 of the electrical energy transmission device is guided through each opening 6.
- the base body 5 encloses each inner conductor 7 guided through it in a gas-tight manner.
- the base body 5 is made of an electrically insulating main material 8.
- the main material 8 is, for example, a casting resin or an insulation material with admixtures to adjust the thermal conductivity and thermal expansion of the material, for example aluminum nitride (AlN) or boron nitride (BN).
- An outer surface of the base body 5 is at least partially coated with a coating 11 made of a semiconducting field control material 10.
- the coating 11 serves to control the field of an electric field penetrating and surrounding the feedthrough insulator 1.
- the coating 11 is advantageous when contaminated by switching dust or decomposition products.
- FIG 2 shows a second exemplary embodiment of a feedthrough insulator 1.
- This exemplary embodiment differs from that in Figure 1 shown embodiment only in that the base body 5 of the feedthrough insulator 1 has no coating 11, but is made from the main material 8 with an admixture of an electrically conductive varistor material as field control material 10.
- the varistor material is, for example, zinc oxide (ZnO).
- FIG 3 shows a third exemplary embodiment of a feedthrough insulator 1. This exemplary embodiment differs from that in Figure 1 shown embodiment only in that the base body 5 of the feedthrough insulator 1 does not have a coating 11, but in the main material 8 embedded electrode layers 12 made of an electrically conductive field control material 10.
- FIG 4 shows a fourth exemplary embodiment of a bushing insulator 1.
- This exemplary embodiment differs from that in Figure 1 shown embodiment only in that the base body 5 of the bushing insulator 1 has no coating 11, but electrodes 13 are inserted at free or controlled intermediate potentials in the bulkhead insulator or the bushing or in the vicinity of conductive parts of the gas-insulated switchgear.
- FIG 5 shows a fifth exemplary embodiment of a feedthrough insulator 1.
- This exemplary embodiment differs from that in Figure 1 shown embodiment only in that the base body 5 of the feedthrough insulator 1 has no coating 11, but the base body 5 is made from the main material 8 with an admixture of a dielectric field control material 10 that increases its permittivity.
- a dielectric field control material 10 that increases its permittivity.
- epoxy resin is used as the main material 8 with barium titanate as the dielectric filler 10. This increases the dielectric constant of the material and thus reduces the field load.
- it is also possible to specifically introduce a gradient of barium titanate admixture for example by additionally admixing additives, for example aluminum oxide, or by adjusting the concentration of the barium titanate).
- FIG 6 shows a sixth exemplary embodiment of a feedthrough insulator 1.
- This exemplary embodiment differs from that in Figure 1 shown embodiment only in that the feedthrough insulator 1 instead of the coating 11 has a casing 14 which has a section of an inner conductor 7 in the area of a connection point 15 and an area of the surface of the base body 5 adjacent to this section of the inner conductor 7.
- the casing 14 is, for example, a silicone shell, in particular a silicone matrix, which can contain admixtures of fillers, for example AlN (aluminum nitrite) or BN (boron nitrite), in order to improve the thermal conductivity of the silicone.
- fillers for example AlN (aluminum nitrite) or BN (boron nitrite
- ⁇ r for example barium titanate
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Durchführungsisolator. Durchführungsisolatoren werden beispielsweise als sogenannte Schottisolatoren in Verbindungen von Gehäuseteilen von Elektroenergieübertragungseinrichtungen eingesetzt. Ferner werden Durchführungsisolatoren beispielsweise für Durchführungen von Elektroenergieübertragungseinrichtungen verwendet, durch die beispielsweise elektrische Leiter aus Gehäusen der Elektroenergieübertragungseinrichtungen herausgeführt werden.
- In herkömmlichen gasisolierten Elektroenergieübertragungseinrichtungen wie gasisolierten Schaltanlagen (GIS) oder Schaltgeräten wie Leistungsschaltern wird häufig Schwefelhexafluorid als Isoliergas eingesetzt, insbesondere aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit von Schwefelhexafluorid. Schwefelhexafluorid (SF6) ist jedoch ein starkes Treibhausgas. Deshalb wird Schwefelhexafluorid zunehmend durch umweltverträglichere Isoliergase ersetzt, beispielsweise durch künstliche Luft, die auch als Clean Air bezeichnet wird. Mit künstlicher Luft wird ein Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff bezeichnet, das künstlich erzeugt wird. Dabei kann es sich um ein vollständig synthetisch erzeugtes Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff handeln oder um aufbereitete, insbesondere gereinigte und/oder entfeuchtete, Luft. Künstliche Luft ist eine besonders umweltverträgliche Alternative zu Schwefelhexafluorid.
- Der Einsatz von Clean Air als Isolationsmedium in gasisolierten Schaltanlagen und Schaltgeräten für Bemessungsspannungen Um > 145 kV und insbesondere für Um ≥ 420 kV stellt Herausforderungen an die dielektrische Festigkeit der Schaltanlagen und Schaltgeräte. Aufgrund der gegenüber Schwefelhexafluorid auf ca. 1/3 reduzierten Spannungsfestigkeit von Clean Air sind höhere Fülldrücke und Isolationsabstände notwendig. Dies hat einen starken Einfluss auf die Kosten der Druckbehälter.
- Statt Clean Air werden fluorierte Gasmischungen eingesetzt, um eine ähnliche Spannungsfestigkeit wie beim Einsatz von SF6 zu erreichen. Die Langzeitstabilität der Gasmischungen und Effekte durch Materialwechselwirkungen innerhalb der Schaltgeräte und Schaltanlagen sind zum jetzigen Zeitpunkt jedoch nicht ausreichend abgesichert. Aufgrund der Klimaschädlichkeit und Persistenz in der Umwelt birgt der Einsatz Fluorhaltiger Alternativen das Risiko zukünftiger Verwendungsbeschränkungen und Verbote, zum Beispiel im Rahmen der Revision der europäischen F-Gas-Verordnung 2021/2022.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Durchführungsisolator für gasisolierte Elektroenergieübertragungseinrichtungen anzugeben.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Durchführungsisolator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Ein erfindungsgemäßer Durchführungsisolator weist einen Basiskörper mit wenigstens einer Öffnung, die zur Durchführung wenigstens eines elektrischen Leiters geeignet ist, auf. Der Durchführungsisolator ist aus einem elektrisch isolierenden Hauptmaterial und wenigstens einem von dem Hauptmaterial verschiedenen Feldsteuerungsmaterial gefertigt. Das Feldsteuerungsmaterial ist derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass es ein den Durchführungsisolator durchdringendes und umgebendes elektrisches Feld beeinflusst.
- Die Erfindung ergänzt also einen Durchführungsisolator, beispielsweise eine Durchführung oder einen Schottisolator, in gasisolierten Schaltanlagen durch Feldsteuermechanismen in verschiedenen Ausführungsformen zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit in Clean Air.
- Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Durchführungsisolator eine aus einem Feldsteuerungsmaterial gefertigte Beschichtung auf, die eine Außenoberfläche des Basiskörpers wenigstens teilweise beschichtet. Beispielsweise ist das die wenigstens teilweise Beschichtung des Basiskörpers bildende Feldsteuerungsmaterial halbleitend.
- Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Basiskörper aus dem Hauptmaterial mit einer Beimischung eines elektrisch leitfähigen Varistormaterials als Feldsteuerungsmaterial gefertigt. Beispielsweise weist das Varistormaterial Zinkoxid auf.
- Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Basiskörper wenigstens eine in das Hauptmaterial eingebettete Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Feldsteuerungsmaterial auf.
- Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Basiskörper aus dem Hauptmaterial mit einer Beimischung seine Permittivität erhöhenden dielektrischen Feldsteuerungsmaterials gefertigt. Beispielsweise weist das dielektrische Feldsteuerungsmaterial Bariumtitanat und/oder Aluminiumoxid auf. Ferner kann die Konzentration des dielektrischen Feldsteuerungsmaterials in dem Basiskörper räumlich variieren.
- Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Hauptmaterial ein Gießharz oder ein Silikon, oder ein Gießharz oder ein Silikon mit einer Beimischung wenigstens eines Füllstoffes, beispielsweise mit einer Beimischung von Aluminiumnitrid und/oder Bornitrid als Füllstoff.
- Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verläuft wenigstens eine Elektrode um den Basiskörper herum.
- Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Basiskörper gasdicht mit jedem elektrischen Leiter verbunden, der durch eine Öffnung des Basiskörpers geführt ist.
- Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
-
FIG 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators, -
FIG 2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators, -
FIG 3 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators, -
FIG 4 eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators, -
FIG 5 eine schematische Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators, -
FIG 6 eine schematische Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Durchführungsisolators. - Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Figur 1 (FIG 1 ) zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Durchführungsisolator 1 ist als ein Schottisolator in der Verbindung zweier Gehäuseteile 2, 3 eines Gehäuses 4 einer Elektroenergieübertragungseinrichtung ausgebildet. Die Gehäuseteile 2, 3 können beide jeweils elektrisch leitend, insbesondere metallisch, oder elektrisch isolierend ausgeführt sein. Alternativ ist ein Gehäuseteil 2, 3 elektrisch leitend, insbesondere metallisch, ausgeführt und der andere Gehäuseteil 2, 3 ist elektrisch isolierend ausgeführt. - Der Durchführungsisolator 1 weist einen Basiskörper 5 mit wenigstens einer Öffnung 6 auf. Durch jede Öffnung 6 ist ein Innenleiter 7 der Elektroenergieübertragungseinrichtung geführt. Beispielsweise umschließt der Basiskörper 5 jeden durch ihn geführten Innenleiter 7 gasdicht.
- Der Basiskörper 5 ist aus einem elektrisch isolierenden Hauptmaterial 8 gefertigt. Das Hauptmaterial 8 ist beispielsweise ein Gießharz oder ein Isolationsmaterial mit Beimischungen zur Anpassung der thermischen Leitfähigkeit und Wärmeausdehnung des Materials, z.B. Aluminiumnitrid (AlN) oder Bornitrid (BN). Eine Außenoberfläche des Basiskörpers 5 ist wenigstens teilweise mit einer aus einem halbleitenden Feldsteuerungsmaterial 10 gefertigten Beschichtung 11 beschichtet. Die Beschichtung 11 dient der Feldsteuerung eines den Durchführungsisolator 1 durchdringenden und umgebenden elektrischen Feldes. Zudem ist die Beschichtung 11 vorteilhaft bei Verschmutzung durch Schaltstäube oder Zersetzungsprodukte.
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Figur 2 (FIG 2 ) zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem inFigur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Basiskörper 5 des Durchführungsisolators 1 keine Beschichtung 11 aufweist, sondern aus dem Hauptmaterial 8 mit einer Beimischung eines elektrisch leitfähigen Varistormaterials als Feldsteuerungsmaterial 10 gefertigt ist. Das Varistormaterial ist beispielsweise Zinkoxid (ZnO). -
Figur 3 (FIG 3 ) zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem inFigur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Basiskörper 5 des Durchführungsisolators 1 keine Beschichtung 11, sondern in das Hauptmaterial 8 eingebettete Elektrodenschichten 12 aus einem elektrisch leitfähigen Feldsteuerungsmaterial 10 aufweist. -
Figur 4 (FIG 4 ) zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem inFigur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Basiskörper 5 des Durchführungsisolators 1 keine Beschichtung 11 aufweist, sondern in dem Schottisolator beziehungsweise der Durchführung oder in der Nähe von leitfähigen Teilen der gasisolierten Schaltanlage Elektroden 13 auf freien oder gesteuerten Zwischenpotentialen eingefügt werden. -
Figur 5 (FIG 5 ) zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem inFigur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Basiskörper 5 des Durchführungsisolators 1 keine Beschichtung 11 aufweist, sondern der Basiskörper 5 aus dem Hauptmaterial 8 mit einer Beimischung eines seine Permittivität erhöhenden dielektrischen Feldsteuerungsmaterials 10 gefertigt ist. Beispielsweise kommt für den Schottisolator im Bereich hoher Feldstärken (z.B. in der Nähe eines Innenleiters 7) Epoxidharz als Hauptmaterial 8 mit Bariumtitanat als dielektrischem Füllstoff 10 zum Einsatz. Dadurch wird die Dielektrizitätszahl des Materials erhöht und somit die Feldbelastung reduziert. Durch geeignete Herstellungsverfahren ist auch die gezielte Einbringung eines gradierten Verlaufs der Bariumtitanat-Beimischung möglich (z.B. durch zusätzliche Beimischung von Zusätzen, z.B. Aluminiumoxid, oder durch Konzentrationsanpassungen des Bariumtitanats). -
Figur 6 (FIG 6 ) zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Durchführungsisolators 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem inFigur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Durchführungsisolator 1 statt der Beschichtung 11 eine Ummantelung 14 aufweist, die einen Abschnitt eines Innenleiters 7 im Bereich einer Verbindungsstelle 15 sowie einen an diesen Abschnitt des Innenleiters 7 angrenzenden Bereich der Oberfläche des Basiskörpers 5 umgibt. Die Ummantelung 14 ist beispielsweise eine Silikonhülle, insbesondere eine Silikonmatrix, die Beimengungen von Füllstoffen enthalten kann, z.B. AlN (Aluminiumnitrit) oder BN (Bornitrit), um die Wärmeleitfähigkeit des Silikons zu verbessern. Zusätzlich sind Beimengungen zur Erhöhung der Permittivitätszahl εr, z.B. Bariumtitanat, möglich. - Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiele miteinander zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Claims (15)
- Durchführungsisolator (1), der- einen Basiskörper (5) mit wenigstens einer Öffnung (6), die zur Durchführung wenigstens eines elektrischen Leiters (7) geeignet ist, aufweist- und aus einem elektrisch isolierenden Hauptmaterial (8) und wenigstens einem von dem Hauptmaterial (8) verschiedenen Feldsteuerungsmaterial (10) gefertigt ist, wobei- das Feldsteuerungsmaterial (10) derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass es ein den Durchführungsisolator (1) durchdringendes und umgebendes elektrisches Feld beeinflusst.
- Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 1 mit einer aus einem Feldsteuerungsmaterial (10) gefertigten Beschichtung (11), die eine Außenoberfläche des Basiskörpers (5) wenigstens teilweise beschichtet.
- Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 2, wobei das die wenigstens teilweise Beschichtung (11) des Basiskörpers (5) bildende Feldsteuerungsmaterial (10) halbleitend ist.
- Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) aus dem Hauptmaterial (8) mit einer Beimischung eines elektrisch leitfähigen Varistormaterials als Feldsteuerungsmaterial (10) gefertigt ist.
- Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 4, wobei das Varistormaterial Zinkoxid aufweist.
- Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) wenigstens eine in das Hauptmaterial (8) eingebettete Elektrodenschicht (12) aus einem elektrisch leitfähigen Feldsteuerungsmaterial (10) aufweist.
- Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) aus dem Hauptmaterial (8) mit einer Beimischung seine Permittivität erhöhenden dielektrischen Feldsteuerungsmaterials (10) gefertigt ist.
- Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 7, wobei das dielektrische Feldsteuerungsmaterial (10) Bariumtitanat und/oder Aluminiumoxid aufweist.
- Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 8, wobei die Konzentration des dielektrischen Feldsteuerungsmaterials (10) in dem Basiskörper (5) räumlich variiert.
- Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hauptmaterial (8) ein Gießharz oder ein Silikon ist.
- Durchführungsisolator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Hauptmaterial (8) ein Gießharz oder ein Silikon mit einer Beimischung wenigstens eines Füllstoffes ist.
- Durchführungsisolator (1) nach Anspruch 11, wobei Aluminiumnitrid und/oder Bornitrid als ein Füllstoff verwendet werden.
- Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer um den Basiskörper (5) herum verlaufenden Elektrode (13).
- Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) gasdicht mit jedem elektrischen Leiter (7) verbunden ist, der durch eine Öffnung (6) des Basiskörpers (5) geführt ist.
- Durchführungsisolator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basiskörper (5) eine Beschichtung (11) oder Ummantelung (14) aufweist, die einen Abschnitt eines durch eine Öffnung (6) des Basiskörpers (5) geführten Leiters (7) sowie einen an diesen Abschnitt des Leiters (7) angrenzenden Bereich der Oberfläche des Basiskörpers (5) umgibt.
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