SE507383C2 - Elektrod för fältstyrning - Google Patents

Description

507 383 2 för sig ofarliga delurladdningar kan göra mätningen av del- urladdningar hos andra delar av utrustningen omöjlig.

Vanligen använda sätt att reducera den elektriska fältstyrkan i närheten av elektriskt ledande objekt är att i hela form- givningen och dimensioneringen av anordningar avsedda för höga elektriska spänningar välja inbördes avstånd mellan elektriskt ledande objekt och krökningsradier på deras yta, så att mediets elektriska genomslagsfältstyrka ej uppnås på något ställe i anordningen.

Då en sådan dimensionering ofta skulle leda till mycket stora mått hos utrustningen förses områden med särskilt höga lokala fältstyrkor såsom högspänningssidan av genomföringar eller ledningsböjar i gasisolerade ställverk, GIS, med skärmande elektroder som har tillräckliga krökningsradier för att hålla den elektriska fältstyrkan under mediets genomslagsfält- styrka. Den elektriska fältstyrkan E i närheten av ett elekt- riskt ledande objekt är av storleksordningen E = U/R där U är en typisk elektrisk potentialdifferens för utrustningen och R krökningsradien. Detta innebär, att den minsta tillåtna krök- ningsradien RO är cirka U/E0_ Krökningsradien i sin tur är dimensionerande för den skärmande elektrodens mått, som ofta blir en signifikant del av hela anordningens mått.

Stora skärmande elektroder ökar kapacitansen hos den skärmade delen. För många användningsområden innebär den ökande kapa- citansen en onödig belastning av spännings/strömkällan. Den elektrostatiska energin i anordningen som frigörs vid en kortslutning som exempelvis orsakas av ett elektriskt genom- slag ökar med ökad kapacitans.

En stor skärmande elektrod minskar den maximala elektriska fältstyrkan i dess närhet. Den orsakar dock en högre fält- styrka på större avstånd än en mindre elektrod, något som lO 507 383 ofta är störande, då maximala fältstyrkor utanför en anord- ning ofta är specificerade och ej får överskridas.

Dessa förhållanden àskadliggörs enklast med en modell enligt Fig.l, där skärmelektroden l antas vara en sfär med radius ro och pà en elektrisk potential U mot ett avlägset jordplan 2.

Med dessa förutsättningar blir den elektriska fältstyrkan vid avståndet r fràn elektrodens centrum E = U(r0/r2) , den ökar proportionellt med elektrodens radie rg. Elektrodens kapacitans C är C = 41:23:05, , där E, är mediets relativa dielektriska permittivitet och En dielektricitetskonstanten. Även kapacitansen ökar sáledes proportionellt med elektrodens radius ro.

En typisk utföringsform för skärmelektroder enligt teknikens ståndpunkt visas i Fig.2, där en högspänningsapparat 3, exem- pelvis en kondensator, avslutas med en toroidformad skärm- elektrod l. För höga spänningar används ofta sammansatta skärmelektroder, en typisk utföringsform visas i Fig.3a, 3b och 3c ur EP-patentskriften EP 0 075 884 Bl, där Fig.3a visar en skärmelektrod l sammansatt ur 12 skivformiga elektrodseg- ment la som är fästa på en ikosaederformad ram 5 sammansatt ur stavar 6 enligt Fig.3b, med fästelementen placerade i en fördjupning 4 i elektrodelementet för att fästa elektroderna vid ikosaederhörnen 7. Ett elektrodsegment la med fördjup- ningen 4 visas i genomskärning i Fig.3c. En sammansatt elekt- rod enligt EP O 075 884 är lättare och enklare att framställa än en motsvarande elektrod som utgörs av en sammanhängande elektrod, men dess dimensioner har ej minskats. 507 383 4 Vid övergàng fràn tvàdimensionella elektrodanordningar som exempelvis GIS-ledningar, där innerledaren här uppfattas som en elektrod, till tredimensionella konfigurationer, exempel- vis ledningsböjar, ökar fältstyrkan, eftersom ytans krökning är större för en sfär än för en cylinder med samma radius.

Fig.7a visar en 900 ledningsböj för GIS enligt teknikens stàndpunkt. Den cylinderformade innerledaren 10 har radien rc, den rörformade ytterledaren/skärmen ll har radien Rc. I själva ledningsböjen antar skärmen formen av en sfär 12 med radien RS och innerledaren, elektroden, blir en sfär 1 med radien rs. För att ledningsböjen ska vara urladdningsfri màste gälla att rs > rc och RS > RC, vanligtvis är radierna i ledningsböjen ca 50 % större än i de raka ledningarna.

Det är också känt, att förse elektroderna med en elektrisk ickeledande beläggning, exempelvis för att försvåra emission av fotoelektroner fràn elektrodytan eller som korrosions- skydd. Dessa beläggningar är dock tunna jämförda med elekt- rodens dimensioner och deras inflytande pà det elektriska fältet runt elektroden är därmed försumbar. Därmed kan måtten hos elektroden ej minskas.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN En elektrod för fältstyrning enligt uppfinningen löser upp- giften att förhindra genomslag eller delurladdningar i ett gasformigt isolerande medium med minskade yttre mått och minskad kapacitans.

En elektrod för fältstyrning enligt uppfinningen innefattar en inre elektrod med en elektriskt ledande yta som omges av ett tjockt skikt av ett elektriskt isolerande material med làg relativ dielektrisk permittivitet, företrädesvis ett polymert skum innehållande gasbubblor eller en matris där iháliga gasfyllda mikrosfärer är inbäddade i. Med tjockt skikt avses här ett skikt där förhållandet mellan skiktets 507 383 tjocklek d och den inre elektrodens diameter 2r är större än 0,05, företrädesvis större än 0,15 och ännu mera företrädes- vis 0,25. För icke sfäriska elektroder anses här den inre elektrodens diameter 2r vara elektrodens medeldiameter. En tillräckligt bra approximation av medeldiametern är här me- delvärdet av diametern i två mot varandra vinkelräta rikt- ningar. Med inre elektrod avses här även ett elektrodelement i en sammansatt elektrod. För att nå uppfinningens effekt, behöver endast de delar av den inre elektroden, där en avse- värd förhöjning av den elektriska fältstyrkan förekommer, täckas med det ickeledande skiktet. Företrädesvis är åtmins- tone den tredjedel av den inre elektrodens yta täckt, som utan beläggning med skiktet skulle uppvisa den högsta fält- styrkan.

Uppfinningens verkningssätt kan enklast àskàdliggöras med en modell enligt Fig.4, där den inre elektroden antas vara en sfär l' med radien r1 och på en elektrisk potential U mot ett avlägset jordplan 2 där den inre elektroden är omgiven av ett koncentriskt skikt 8 av elektriskt isolerande material med en tjocklek r2 - rl där r2 är det isolerande skiktets yttre radie och 9 dess yttre rand. För enkelhetens skull antas det isolerande materialet ha en så hög andel inre ihåligheter som gasbubblor eller ihåliga mikrosfärer, att materialets rela- tiva dielektricitetskonstant Q_= 1 såsom även det gasformiga mediets dielektricitetskonstant. Genom att de inre ihàlig- heternas diametrar väljs så små att den elektriska genom- slagsfältstyrkan hos gasen innesluten i ihàligheten enligt Paschens lag är avsevärt större än genomslagsfältstyrkan för ett makroskopiskt gap inom samma gas, har detta isolerande material en betydligt större elektrisk genomslagsfältstyrka än gasen som omger elektroden. Typiska medeldiametrar är mindre än 300 mikrometer. För en utförligare analys av elektriska genomslagsfältstyrkor i polymera skum hänvisas till artikel “Breakdown of Polyurethane Hard-foam Insulation under Short-time HV Stress” av D. Koenig, B. Bayer och H.J. 507 383 Heller i IEEE Transactions on Electrical insulation, Vol.24, No.2, April 1989, sidor 239 - 248. I detta fall med Q_= 1 gäller samma relationer för fältstyrkan vid avståndet r fràn elektrodens centrum och kapacitansen som för en elektrisk ledande sfär med radien r1 pà potentialen U mot ett avlägset jordplan som visade under teknikens ståndpunkt: E = U(r1/r2) C=47r80r0 Det kan nu visas, att för ett isolerande medium med en genom- slagsfältstyrka som är k-EQ med BO som det gasformiga mediets genomslagsfältstyrka kan en elektrod enligt uppfinningen kon- strueras där fältstyrkan vid den inre elektrodens yta under- skrider det isolerande materialets genomslagsfältstyrka k-EQ och fältstyrkan vid det isolerande skiktes yttre yta det gas- formiga mediets genomslagsfältstyrka EQ om villkoren r1 > ro/k och r2 > ro/Vk är uppfyllda, där ro är radien av en elektrod enligt teknik- ens ståndpunkt (elektrisk ledande sfär) där det gasformiga mediets genomslagsfältstyrka EQ uppnås vid elektrodens yta.

Exempelvis reduceras den inre elektrodens radie och därmed även kapacitansen med en faktor fyra och den yttre radien hos det isolerande skiktet med en faktor tvà om k = 4. Är det isolerande materialets relativa dielektricitetskon- stant 8, > l blir den möjliga yttre radien r2 något större.

Vid bibehållande av förhållandet r2/r1 = 2 som i exemplet ovan gäller i stället rg = ro/(l+6,"1) 1.3, ett typiskt värde för en skumplast, blir alltsà För Q = r2 = 0.57 ro , lO 507 383 fortfarande en avsevärd minskning av elektrodens storlek. För att det isolerande skiktet ska ha en märkbar effekt enligt uppfinningen, ska dess relativa dielektricitetskonstant 8, vara mindre än 3, företrädesvis mindre än 2 och ännu mera företrädesvis mindre än 1,5.

Företrädesvis används en elektrod enligt uppfinningen hos elektrisk utrustning för spänningar som överstiger l kV.

RITNINGSFÖRTECKNING Fig.l visar en principskiss av en skärmelektrod enligt teknikens ståndpunkt som elektriskt ledande sfär.

Fig.2 visar en toroidformad skärmelektrod enligt teknikens ståndpunkt.

Fig.3a visar en skärmelektrod enligt teknikens stàndpunkt, sammansatt ur skivformiga elektrodsegment.

Fig.3b visar en ikosaederformad ram där elektrodsegmenten enligt Fig.3a fästes pá.

Fig.3c visar ett skivformat elektrodsegment hos skärmelekt- roden enligt Fig.3a.

Fig.4 visar en principskiss av en skärmelektrod enligt upp- finningen med ett koncentriskt ickeledande skikt pà en elekt- riskt ledande sfär.

Fig.5 visar en toroidformad skärmelektrod med ett ickeledande skikt enligt uppfinningen.

Fig.6 visar ett elektrodelement med ett ickeledande skikt för en sammansatt skärmelektrod enligt uppfinningen. l5 507 383 Fig.7a visar en GIS-ledningsböj enligt teknikens stàndpunkt.

Fig.7b visar en GIS-ledningsböj innefattande ett ickeledande skikt enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER I en utförandeform av uppfinningen förbättras den i Fig.2 visade toroidformade skärmelektroden genom att förse, som visat i Fig.5, en inre toriodformad elektrod 1' med ett icke- ledande skikt 8 pà en större del av dess yta. Elektrodens mot symmetriaxeln (streckpunkterad) riktade del är skärmad fràn höga fältstyrkor genom själva toroidformen och behöver därmed ej beläggas. Ytterdiametern hos den toroidformade skärmelekt- roden enligt uppfinningen blir avsevärt mindre än hos den motsvarande toroidformade skärmelektroden enligt teknikens ståndpunkt.

I en annan utförandeform av uppfinningen förbättras den i Fig.3a - 3c visade, ur elektrodsegment sammansatta, skärm- elektroden genom att, som visat i Fig.6, minst ett av dess elektrodsegment la' pà större delen av den inre elektrodens l' yta innefattar ett ickeledande skikt 8. Även här blir ytterdiametern hos den sammansatta skärmelektroden enligt uppfinningen avsevärt mindre än hos den motsvarande samman- satta skärmelektroden enligt teknikens ståndpunkt. Även fördjupningen 4 kan fyllas med ickeledande material (ej visat).

Det kan vara fördelaktigt, att làta det ickeledande skiktet utgöra skärmelektrodens mekaniskt bärande del, där inner- elektroden utförs som en elektriskt ledande beläggning pà skiktets innersida. Beläggningen kan exempelvis appliceras genom màlning, deponering av föràngad metall eller utfällning av en elektriskt ledande substans pà kemisk väg.

Claims (13)

10 15 20 25 30 507 :ssk I en ytterligare utförandeform av uppfinningen förbättras den i Fig.7a visade GIS-ledningsböjen genom att, som visat i Fig.7b, placera icke ledande material 8 mellan den sfäriska innerledaren 1' vid ledningsböjen och ytterledaren/skärmen 12' vid ledningsböjen. Radien Rs kan då vara lika med de raka avsnittens radie Rc, så att utrymmesbehovet för ledningsböjen minskas. Även den inre radien rs kan minskas. Innerledaren i ledningsböjen kan även ha samma form som en vanlig rörkrök (ej visat). PATENTKRAV

1. Elektrod för styrning av en elektrisk fältstyrka i ett gasformigt elektriskt isolerande medium vid elektrodens yta och i elektrodens närhet, innefattande en elektrisk ledande inre elektrod (l') och ett elektriskt ickeledande skikt (8) pá åtminstone delar av den inre elektrodens yta, k ä n n e - t e c k n a d av att det ickeledande skiktets tjocklek är minst 5 % av den inre elektrodens medeldiameter och att det ickeledande skiktets relativa dielektricitetskonstant är mindre än 3.

2. Elektrod enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att det ickeledande skiktets tjocklek är minst 15 % av den inre elektrodens medeldiameter.

3. Elektrod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det ickeledande skiktets tjocklek är minst 25 % av den inre elektrodens medeldiameter.

4. Elektrod enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att det ickeledande skiktets relativa dielektricitetskonstant är mindre än 2. 10 15 20 25 30 35 10 507 383

5. Elektrod enligt krav l, det ickeledande skiktets relativa dielektricitetskonstant är k ä n n e t e c k n a d av att mindre än 1,5.

6. Elektrod enligt något av kraven 1 - 5, k ä n n e - t e c k n a d av att åtminstone den tredjedel av den inre elektrodens yta är täckt med det ickeledande skiktet, som utan beläggning med skiktet skulle uppvisa den högsta elektriska fältstyrkan.

7. Elektrod enligt nàgot av kraven 1 - 6, k ä n n e - t e c k n a d av att det ickeledande skiktet innefattar ett polymert skum.

8. Elektrod enligt något av kraven 1 - 6, k ä n n e - t e c k n a d av att det ickeledande skiktet innefattar ihåliga gasfyllda mikrosfärer.

9. Elektrod enligt krav 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a d av att de gasfyllda iháligheternas medeldiameter är mindre än 300 mikrometer. k ä n n e - (8) (l') utförs som

10. Elektrod enligt något av kraven 1 - 9, t e c k n a d av att det ickeledande skiktet utgör elektrodens bärande del och innerelektroden en elektrisk ledande beläggning pà det ickeledande skiktets innersida.

11. ll. Elektrod enligt nàgot av kraven l - 9, k ä n n e - (l') i en gasisolerad ledning som 12) är anordnat mellan den inre elektroden och (12). av att den inre elektroden är i elektrisk (10) innefattar en ytterledare (ll, skiktet (8) t e c k n a d kontakt med en innerledare och att det ickeledande ytterledaren 10 15 20 25 30 35 507 3831 ll

12. Elektrod som innefattar minst tvà elektrodelement 1a', k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone ett elektrodelement utgörs av en elektrod enligt något av patentkraven 1 - 10.

13. Elektrod enlig nàgot av kraven 1 - 12, k ä n n e - t e c k n a d elektriska spänningar som överstiger 1 kV. av att den används i elektrisk utrustning för