WO2012093052A1 - Schirmring für eine hgü-transformatorspule oder eine hgü-drosselspule - Google Patents

Schirmring für eine hgü-transformatorspule oder eine hgü-drosselspule Download PDF

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WO2012093052A1
WO2012093052A1 PCT/EP2011/074082 EP2011074082W WO2012093052A1 WO 2012093052 A1 WO2012093052 A1 WO 2012093052A1 EP 2011074082 W EP2011074082 W EP 2011074082W WO 2012093052 A1 WO2012093052 A1 WO 2012093052A1
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layer
ring
specific resistance
composite
hvdc
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PCT/EP2011/074082
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Inventor
Beriz BAKIJA
Dieter Breitfelder
Thomas Hammer
Jens Hoppe
Karsten LOPPACH
Johann Schlager
Frank Heinrichsdorff
Ursus KRÜGER
Volkmar LÜTHEN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
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    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H01F27/363—Electric or magnetic shields or screens made of electrically conductive material

Definitions

  • the invention relates to a shield ring for a HVDC transformer coil or a HVDC choke coil.
  • This has an annular core with an electrically conductive surface, which normally by an electrically conductive layer on an insulating material such.
  • B. block chip is provided and is electrically isolated at one point of the circumference of the core. The remainder of the core is formed in this case from the block chip material.
  • the shield ring has a layer of a cellulosic material, which in particular consists of paper and which completely encloses the core.
  • the layer is normally made by a paper winding .
  • the paper winding as such produces substantially uniform layer thicknesses, said corners must are made with a larger radius and additional layer thickness forth such ⁇ in that in this area deposits are wrapped, for example, paper with. This results in a certain production effort, since the inserts are difficult to handle before wrapping with paper.
  • an impregnable solid material made of cellulose fibers in an aqueous oxidant tion medium such as. B. a weakly acidic solution of iron (III) chloride solution, cerium (IV) sulfate, potassium hexacyanoferrate (III) or molybdatophosphoric acid can be immersed. Subsequently, the wet cellulosic material is treated with either liquid or vapor pyrrole compounds at room temperature until the pyrrole is polymerized depending on the concentration of the oxidizing agent. The thus impregnated cellulosic material is dried at Hauttem ⁇ temperature 24 hours.
  • the oxidizing agent ensures ei ⁇ netrust for the polymerization of pyrrole compounds, and also for increasing the electrical conductivity.
  • the specific resistance p of such impregnated cellulosic materials can thus be influenced by the concentration of pyrroles and the type of oxidizing agent.
  • nanocomposites can also be used as field-grading material when it comes to reducing peaks in the formation of electric fields, for example on the insulation of electrical conductors.
  • a material consisting of a polymer can be used for this purpose.
  • a filler is distributed whose Parti ⁇ kel are nanoparticles, so have a mean diameter of at most 100 nm.
  • AI semiconducting materials can be used for such nanoparticles, the band gap in a range of 0 eV and 5 eV is located.
  • the game ⁇ can be made of ZnO in, can be set the electrical resistance of the nanocomposite. Mens is exceeded a certain proportion of the volume in the admixture of nanoparticles, which, depending on the size of the nanoparticles is 10 to 20 vol%, the specific opponent ⁇ decreases noticeably was the nanocomposite, wherein in this way the electrical conductivity of the nanocomposite and can be adapted to the required conditions.
  • I can set a resistivity of the order of 10 12 Gm. Is achieved so that a voltage drop across the nanocomposite, which has a uniform distribution of potential re ⁇ result, and thus the resultant electric field graded in a suitable manner. As a result, the resulting field peaks can be reduced, which advantageously increases the dielectric strength.
  • the field weakening effect of the nanocomposite here depends on the permittivity of the nanocomposite, the permittivity ⁇ being a measure of the permeability of a material for electric fields.
  • the permittivity is named ⁇ as the ⁇ lektrizticianskonstante to be being used below the Beg ⁇ riff "permittivity.”
  • ⁇ mitt society man denotes by the permittivity ⁇ ⁇ ⁇ / ⁇ designated ratio of the permittivity ⁇ of a Stof- fes is the electric field constant ⁇ 0, indicating the Permittivi ⁇ ty of vacuum. the higher the relative permittivity is, the larger the field weakening effect of the substance used in relation to the vacuum. below Only the permittivity figures of the substances used are treated.
  • WO 2006/122736 A1 also describes a system of cellulose fibers and nanotubes, preferably carbon nanotubes (hereinafter CNT), in which specific resistances of the equivalent of 6 to 75 ⁇ m can be set.
  • CNT carbon nanotubes
  • These nanocomposites are to be used, for example, as electrical resistance heating, the conductivity being designed with regard to an ability of the material to convert electrical energy into heat. For this, a sufficient Bede ⁇ ckungsgrad the cellulose fibers with CNT is required.
  • WO 2006/131011 A1 describes a bush, which may consist inter alia of an impregnated paper wrap.
  • BN is also mentioned among other materials. This can also be used in doped form.
  • the particles should be used with a concentration in the cellulose material below the percolation threshold, so that there is no electrical contact between the particles. For this reason, the specific electrical resistance of the nanocomposite remains essentially unaffected.
  • a Na is nokomposit angles with semiconductive or non-conductive nanoparticle which are distributed in a cellulose material such as for example, press ⁇ span, known to the gradierendes as field Mate ⁇ rial in Transformers can be used.
  • At least part of the nanoparticles distributed in the cellulosic material have an enclosure of an electrically conductive polymer.
  • cellulosic material for example, a paste pier, cardboard or pressboard.
  • the cellulose material has a structure composed of cellulose fibers which make up the cellulosic material forming the dressing in ih ⁇ rer entirety.
  • a semi-conductive or non-conductive nanoparticles may, for example, Si, SiC, ZnO, BN, GaN, A1N, or C, to the special ⁇ also boron nitride nanotubes (hereinafter referred to as BNNT) may be used.
  • BNNT boron nitride nanotubes
  • electrically conductive polymers ⁇ mentioned in the DE 10 2007 018 540 AI polymers can be used.
  • electrically conductive polymers include polypyrroles, polyaniline, polythiophenes, polyparaphenylenes, polyparaphenylenevinylenes and derivatives of these polymers mentioned.
  • a specific example of such polymers is PEDOT, which is also sold under the trade name Baytron by Bayer AG. PEDOT is also known by its systematic name as poly (3,4-ethylene dioxythiophene).
  • the impregnation consists of a polymer which is crosslinked from a negative ionomer, in particular PSS, and a positively charged ionomer.
  • a positively charged ionomer preferably PEDOT or PANI can be used.
  • PEDOT refers to the already mentioned poly (3, 4-ethylene-dioxydthiophene).
  • PANI is polyaniline and PSS is polystyrene sulfonate.
  • the use of negatively charged and positively charged ionomers allows beneficial ⁇ way a particularly simple production of the Cellulosemateri- as.
  • the ionomers can be easily dissolved in water and thus fed to the process of making the cellulosic material, which is also water-based.
  • Vernet ⁇ wetting the ionomers following the preparation of the Cellu ⁇ loose material the resistivity of the cellulose material ⁇ can be lowered.
  • the ionomers polymerize and form in the cellulosic material an electrically conductive network which is responsible for the reduction of the resistivity.
  • the ge ⁇ called ionomers can also be used to encase semiconducting already mentioned or non-conductive nanoparticles.
  • the nanocomposite can also be impregnated with semiconducting nanoparticles which consist at least partially of BNNT and are distributed in the cellulose or a polymer.
  • semiconducting nanoparticles which consist at least partially of BNNT and are distributed in the cellulose or a polymer.
  • a doping of this BNNT with suitable dopants or a coating with metals or doped semiconductors is provided on the BNNT.
  • the concentration of BNNT can be chosen so that the nanocomposite has a specific conductivity p of the order of 10 12 ⁇ m. According to this variant, no conductive polymers are used as a sheathing of the BNNT.
  • Doping can be achieved by modifying the BNNT by adding suitable dopants such that the dopant atoms form electronic states that will make the BNNT a p-conductor (ie, electronic states that capture electrons from the valence band edge ) or to an n-type conductor (ie, reaching electronic states that emit electrons by thermal excitation across the conduction band edge).
  • a dopant for a p-type doping is for example Be in question, as a dopant for n-doping Si comes into question.
  • Such doping of the BNNT can be done in situ, during the growth of the BNNT z. B. from the gas or liquid phase, the dopant atoms to be built in.
  • application with the file number DE 10 2009 033 268.5 of the nanocomposite of cellulose material may also be impregnated with semiconducting ⁇ Tenden nanoparticles, whereby to increase the effective conductivity of at least part of the distributed in the insulating nanoparticles a doping of these nanoparticles is provided with dopants.
  • BNNT semi-conductive nanoparticles
  • BNNT has the advantage that low degrees of filling of at most 5 vol%, preferably even at most 2% by volume in the insulating material suffi ⁇ chen to cause percolation of the nanoparticles and thus the electrical conductivity of the nanocomposite to it ⁇ heights.
  • the object of the invention is to provide a shield ring of the aforementioned kind in such a way on, that its manufacture is simplified and / or the security against ⁇ via electrical breakdowns at the layer Cellulosic material is improved.
  • This object is achieved according to the invention in that the layer is embodied as a composite, consisting of a treated cellulose material, in which particles having a lower specific resistance in comparison with the specific resistance p p of the untreated cellulose material are present. ner concentration above the Perkolationsschwelle are distributed.
  • the treated cellulosic material in the treated cellulosic material a coherent network of a conductive polymer with egg nem in comparison to the resistivity p p of the untreated cellulose material lower resistivity pervades the composite.
  • the treated cellulosic material can be obtained in the manner already described above and either produced as a shaped body in which the annular core of the shield ring is inserted.
  • One is at particular possibility is to produce papers as treated Cel ⁇ lulosematerial and then to wrap this with the core in a conventional manner, with the layer resulting from the winding out of the cellulosic material.
  • HVDC components are understood to mean those components which are used to transmit high-voltage direct currents and contain current-carrying elements (HVDC means high-voltage DC transmission).
  • HVDC means high-voltage DC transmission
  • transformers or chokes are needed here as HVDC components.
  • cable routing for the electrical connection of various HVDC components it is necessary.
  • Other HVDC components are disconnection points in such cable guides or bushings through housing components in which other HVDC components are housed.
  • leading to high-voltage direct currents occur in example in transformer and reactors and alternating currents.
  • the HVDC components in the context of this invention should be suitable for transmitting high-voltage direct currents of at least 100 KV, preferably for the transmission of high-voltage direct currents of more than 500 KV.
  • the inventive design of the treated cellulose material has the advantage that the specific resistance of the thus formed composite p C P om ver ⁇ is Ringert compared to specifi ⁇ rule resistance p p of the untreated cellulose material. In this way it can be achieved that the specific resistance of the composite p CO mp approaches that of the oil Po or, as will be explained in more detail below, even exceeds it. This ensures that in the case of application of a DC voltage at the mitgetrucken by the shielding insulating for the HVDC coil (ie HVDC transformer coil or HVDC choke coil) a voltage ⁇ waste is better distributed to the components of the cellulosic material and the transformer oil.
  • HVDC coil ie HVDC transformer coil or HVDC choke coil
  • the spe ⁇ -specific resistance of the composite C om P p is at least at the upper surface of the shield ring ⁇ at most 5 times 10 13 Qm.
  • the described, for the invention essential effect of a relief of the cellulosic material by the voltage drop takes place to a greater extent on the transformer oil, can be good advantage if the specific resistance p C om P of the composite is at most 5 times 10 13 Qm.
  • a specific resistance p CO mp of the composite which is 1 to 20 times the specific resistance p Q of the transformer oil.
  • the resistivity p of the composite CO mp speaks size Trim ⁇ moderately ent ⁇ the specific resistance of the transformer oil.
  • order of magnitude it is meant that the speci ⁇ fic resistance p C om P of the composite differs at most by a magnitude ⁇ order of that of the transformer oil (ie at most by a factor of 10).
  • the specific resistances p 0 , p P and p C om P in the context of this invention are to be measured in each case at room temperatures and a prevailing reference field strength of 1 kV / mm. Under these conditions, the resistivity Po is between 10 12 and 10 13 square meters. It should be noted, however, that the specific resistance p 0 of transformer oil is rather reduced in the case of a heavier load according to the invention due to the voltage drop across the transformer oil. In the embodiments described in more detail below, it is therefore assumed that a specific resistance p 0 in the transformer oil of 10 12 Qm.
  • the resistivity of adjacent layer layers forming the layer can be graded, with the layer layer or the layer layers having the lowest specific resistance being adjacent to the core .
  • the layers can be formed, for example, by windings with differently impregnated papers. It is then on the core first, the coating layer having the lowest spe ⁇ -specific resistance p P, and thereafter at least one layer ⁇ location P positioned ⁇ introduced C om with a higher resistivity p C om, wherein advantageously the last layer, the surface of which the Forming annular ring, at least on the order of magnitude can correspond to the spe ⁇ cific resistance of transformer oil.
  • the shield ring having regions of different resistivity p C om equip P, be ⁇ is the fact that this is made up of several concentrically into each other dersell individual rings, said inner ring having a single cellulose material having a lower resistivity is provided as the outer single ⁇ ring or several subsequent individual rings.
  • only two individual rings are used particularly advantageously.
  • the individual rings ⁇ form according to the invention together the shield ring, even if they are not structurally related.
  • a shield ring in the sense of the invention is thus to be understood as the entire assembly, which is provided in the region of the front ends of the coil and has a typical Schirmring- structure.
  • the inner ring with a lower resistivity than the outer ring.
  • the already described electrical stress on the rounded, the front end of the coil facing away corners of the cross section of the shield ring is on the inside of the coil namely higher than on the outside. This can be taken into account when designing the cellulose material used on the shield ring.
  • an impregnation of the cellulosic material with a lower concentration is advantageously adjustable for the outer single ring, whereby in particular material costs can be saved.
  • a particular embodiment of the invention provides that the layer of the cellulose material around the entire perpendicular ⁇ right to the ring profile lying cross-section is made substantially the same thickness.
  • This embodiment is, as mode already described, thereby allows the invention according to the spe ⁇ -specific resistance of the cellulosic material is adapted to the Erforder ⁇ nep a Feldgradtechnik such that the electrical stress is spread over the different areas of the screen ring and the surrounding transformer oil.
  • the cellulosic material should also be understood to mean a layer of the shielding ring that is created solely by wrapping a paper strip around the core.
  • Another embodiment of the invention is obtained when the layer of the cellulose material to the whole perpendicular to the ring course ⁇ righthand cross section rests directly on the core. This means that it dispenses with additional deposits, which would indicate an additional production cost ⁇ .
  • the manufacturing cost can be reduced by saving additional deposits. As a result, not only the production cost is reduced, but it is also a higher process reliability achieved because it dispenses with a deposit that could slip during the winding at ⁇ example.
  • the height h of the screen ⁇ rings in comparison to the required level is reduced when using the untreated cellulose material in question instead of the composite.
  • the thickness s of the layer compared to the required thickness when using the relevant untreated cellulose material in place of the composite verrin ⁇ siege.
  • the shield ring has a rectangular cross section with rounded corners perpendicular to the ring path. points, wherein the radius r of these rounded corners is reduced compared to the required radius when using the respective untreated cellulose material in place of the composite.
  • This structural design features can be modified advantageously owing to the already mentioned konstrukti ⁇ ven design margin, wherein in this case the geometrical boundary conditions of the use case may be considered.
  • the geometrical boundary conditions of the use case may be considered.
  • the structural maximum dimensions of HVDC components are predetermined, for example, to allow transport by rail. Umbrella rings with reduced geometric dimensions can make a contribution to reducing installation space here.
  • the installation space that is to say the height h of the shield ring or the thickness s of the layer, it must be taken into account, however, that overall the security against electrical breakdowns still corresponds at least to the predetermined values.
  • FIG. 1 shows a section through an exemplary embodiment of the shielding ring according to the invention, only its surface and the transformer oil adjoining thereto and further solid matter barriers of pressboard being illustrated;
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows an embodiment of the invention
  • An electrical insulating section 18 according to FIG. 1 consists generally of several layers of cellulose material 19, between which oil layers 20 can lie.
  • the insulating starts at the metallic surface 11 of a component to be insulated 12, which may be gebil ⁇ det, for example, by a metal layer 13 on the core of a shield ring is not shown in detail.
  • the cellulose material 19 is impregnated with oil, which is not shown in detail in Figure 1. This is in Figure 1 within the cellulosic material a Imsiegnie ⁇ tion 11 can be seen.
  • the Isolie ⁇ tion shown in Figure 1 surrounds there, for example, in a transformer used windings that need to be electrically insulated to the outside and each other.
  • the electrical insulation of a transformer must prevent electrical breakthroughs in Be ⁇ drive case when applying an AC voltage.
  • the isolation behavior of the insulation depends on the permittivity of the components of the insulation.
  • the permittivity ⁇ 0 is approximately 2, for the cellulosic material ⁇ ⁇ at 4.
  • the load on the individual insulation components results in the voltage U 0 applied to the oil being approximately twice as high , such as the voltage U p applied to the cellulose material.
  • Simultaneously HVDC components is also the fürschlagfes ⁇ ACTION isolation at DC voltages are significant.
  • the distribution of the applied voltage to the individual insulation components is then no longer dependent on the permittivity, but on the resistivity of the individual components.
  • the specific resistance P o of oil is between 10 13 and 10 12 Gm. Taking into account that according to the invention, a larger part of the clamping voltage ⁇ trash to relieve the cellulosic material in the oil, he should follow ⁇ and that the resistivity of the oil itself When a voltage is applied, it is more likely, as shown in FIG. 1, to assume a specific resistance p 0 of 10 12 Qm. In contrast, p p of the cellulosic material is three orders of magnitude higher and is 10 15 square meters.
  • the inventively introduced into the cellulosic material 19 impregnation 11 may, for. B. from BNNT and is adjusted by a suitable coating of BNNT from PEDOT: PSS and possibly by an additional doping of the BNNT with dopants with their resistivity (between 0.1 and 1000 Qcm), that the specific resistance of Cellulo - Sematerials p p is reduced.
  • This is also allei ⁇ nige using PEDOT: PSS possible or sole use of BNNT.
  • the inventive com- posit set a specific conductivity p C om P, which is approximated to the resistivity p 0 and this roughly corresponds in the ideal case ⁇ .
  • FIG. 2 shows the section of an HVDC transformer, which is shown in a housing which is also referred to as a boiler 21. accommodated. Also indicated are a high-voltage coil and an undervoltage coil whose windings 22, 23 can be seen in FIG. A transformer core 14 is shown only schematically for the sake of clarity.
  • an electric field is represented by field lines 33 extending on equipotential surfaces of the electric field.
  • This electrical field is influenced by various elements of an insulation arrangement which, as elements, include segmented shielding rings 24, 25, cylindrical solid material barriers 26 made from pressboard, and angle rings 27 likewise made from pressboard.
  • the shield rings 24, 25 have a core 28 with a metallic surface 29 and a paper winding 30.
  • the interior space 31 is filled with a filling of transformer oil, which therefore also flows into the gaps 32 between the individual elements of the insulation arrangement and fills them.
  • the field lines 33 also penetrate a pressure ring 34 of block chip.
  • the pressure ring 34 can be modified with of the inventive reduction of the resistivity of cellulose sematerials around which electric field forming influences ⁇ to be in this area.
  • the pressure ring 34 together with a not shown winding table, which can also be made of block chip and the windings 22, 23 carries, for a mechanical cohesion of all modules (including the solid barriers).
  • the pressure ring 34 and the winding table, not shown, are to be understood as elements of the isolation route.
  • the shield ring 24 consists of an inner single ring 35 and an outer single ring 36.
  • the shield ring 24 has a height h and a thickness s of the layer 30, as shown is.
  • Figure 3 is also indicated by dashed contour lines, such as the geometry of a not equipped with impregnated cellulosic material ⁇ th shield ring might look high in comparison.
  • the layer of the inner single ring 35 consists of several layer layers 37, 38.
  • the layer layer 37 forming the surface of the shield ring 24 and the layer 30 of the outer individual ring 36 have a specific resistance which corresponds to that of the surrounding transformer oil in the order of magnitude.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schirmring (24) für eine HGÜ- Transformatorspule oder eine HGÜ-Drosselspule. Diese weist einen ringförmigen Kern (28) auf, welcher eine leitfähige Oberfläche (29) hat und mit einer Schicht (30) aus Cellulose- material umgeben ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass diese Schicht (30) als Komposit ausgeführt ist, wobei dieser in seinem spezifischen Widerstand im Vergleich zu unbehandeltem Cellulosematerial verringert ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Beaufschlagung des Schirmrings mit einem elektrischen Gleichspannungsfeld ein Spannungsabfall besser über die Schicht (30) des Schirmrings verteilt wird. Hierdurch können Belastungsspitzen verringert werden, weswegen der Schirmring (24) vorteilhaft mit einer geringeren Höhe (h) und/oder mit geringeren Radien (r) der Ecken des Querschnitts des Schirmrings und/oder mit einer geringeren Schichtdicke (s) der Schicht (30) verwendet werden kann. Vorteilhaft lässt sich dadurch der konstruktive Spielraum bei der Gestaltung des Schirmringes vergrößern sowie der Materialbedarf verringern.

Description

Beschreibung
Schirmring für eine HGÜ-Transformatorspule oder eine HGÜ- Drosselspule
Die Erfindung betrifft einen Schirmring für eine HGÜ- Transformatorspule oder eine HGÜ-Drosselspule . Dieser weist einen ringförmigen Kern mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche auf, welche normalerweise durch eine elektrisch leitfähige Schicht auf einem Isolierstoff wie z. B. Blockspan zur Verfügung gestellt wird und an einer Stelle des Umfanges des Kerns elektrisch isolierend getrennt wird. Der restliche Kern ist in diesem Fall aus dem Blockspanmaterial gebildet. Außerdem weist der Schirmring eine Schicht aus einem Cellulo- sematerial auf, welche insbesondere aus Papier besteht und welche den Kern vollständig einschließt.
Ein Schirmring der eingangs angegebenen Art ist beispielswei¬ se gemäß der WO 2008/026992 AI beschrieben. Betrachtet man den beschriebenen Querschnitt des verwendeten Schirmrings, so fällt auf, dass dieser einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, der an allen vier Ecken mehr oder weniger abgerundet ist. Die beiden Ecken, die dem stirnseitigen Ende der zu schirmenden Spule gegenüberliegt, weisen ver- gleichsweise kleine Radien auf. Diejenigen Ecken, die von dem stirnseitigen Ende der Spule weg weisen, weisen größere Radien auf. Dies ist erforderlich, da in diesem Bereich die Papierwicklung stärker ausgeführt sein muss, damit diese der Beanspruchung durch die in diesem Bereich vorliegende elekt- rische Feldstärke ohne elektrische Durchschläge widersteht.
Die Schicht wird normalerweise durch eine Papierwicklung her¬ gestellt. Da die Papierwicklung als solche im Wesentlichen gleichmäßige Schichtdicken erzeugt, müssen die besagten Ecken mit größerem Radius und zusätzlicher Schichtdicke derart her¬ gestellt werden, dass in diesem Bereich Einlagen beispielsweise aus Papier mit eingewickelt werden. Hierdurch entsteht ein gewisser Fertigungsaufwand, da die Einlagen vor der Um- wicklung mit Papier schwer zu handhaben sind.
Aus der US 4,521,450 ist es bekannt, dass ein imprägnierfähiges Vollmaterial aus Cellulosefasern in ein wässriges Oxida- tionsmittel, wie z. B. einer schwach säurehaltigen Lösung aus Eisen ( III ) -chloridlösung, Cer ( IV) -sulfat , Kaliumhexacyano- ferrat(III) oder Molybdatophosphorsäure getaucht werden kann. Anschließend wird das feuchte Cellulosematerial entweder mit flüssigem oder dampfförmigem Pyrrol-Verbindungen bei Raumtemperatur so lange behandelt, bis das Pyrrol in Abhängigkeit von der Konzentration des Oxidationsmittels polymerisiert wird. Das so imprägnierte Cellulosematerial wird bei Raumtem¬ peratur 24 Stunden getrocknet. Das Oxidationsmittel sorgt ei¬ nerseits für die Polymerisation der Pyrrol-Verbindungen, außerdem für eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Der spezifische Widerstand p solcher imprägnierten Cellulosemate- rialien kann damit über die Konzentration an Pyrrolen und die Art des Oxidationsmittels beeinflusst werden.
Weiterhin ist es bekannt, dass Nanokomposite auch als feld- gradierendes Material verwendet werden können, wenn es darum geht, Spitzen bei der Ausbildung von elektrischen Feldern, beispielsweise an der Isolation elektrischer Leiter, zu verringern. Gemäß der WO 2004/038735 AI kann hierzu beispielsweise ein Material, bestehend aus einem Polymer, verwendet werden. In diesem wird ein Füllstoff verteilt, dessen Parti¬ kel Nanopartikel sind, also einen mittleren Durchmesser von höchtens 100 nm aufweisen. Gemäß der US 2007/0199729 AI sind für derartige Nanopartikel u. a. halbleitende Materialien einsetzbar, deren Bandlücke in einem Bereich von 0 eV und 5 eV liegt. Mittels der eingesetzten Nanopartikel , die bei¬ spielsweise aus ZnO bestehen können, lässt sich der elektrische Widerstand des Nanokomposits einstellen. Wird bei der Zumischung der Nanopartikel ein bestimmter Anteil des Volu- mens überschritten, der je nach Größe der Nanopartikel bei 10 bis 20 Vol-% liegt, so verringert sich der spezifische Wider¬ stand des Nanokomposits spürbar, wobei sich auf diese Weise die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits einstellen und an die geforderten Bedingungen anpassen lässt. Insbeson- dere lässt ich ein spezifischer Widerstand in einer Größenordnung von 1012 Gm einstellen. Erreicht wird damit ein Spannungsabfall über den Nanokomposit , welcher eine gleichmäßige¬ re Verteilung des Potentials zur Folge hat und damit auch das entstehende elektrische Feld in geeigneter Weise gradiert. Hierdurch können die entstehenden Feldspitzen verringert werden, wodurch vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit gesteigert wird .
Bei einer Beanspruchung des elektrischen Leiters mit einer Wechselspannung entsteht ebenfalls ein feldgradierender Effekt, der allerdings einem anderen Mechanismus folgt. Die feldschwächende Wirkung des Nanokomposits hängt hierbei von der Permittivität des Nanokomposits ab, wobei die Permittivi- tät ε ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder ist. Die Permittivität wird auch als Die¬ lektrizitätskonstante bzeichnet, wobei im Folgenden der Beg¬ riff „Permittivität" verwendet werden soll. Als relative Per¬ mittivität bezeichnet man das durch die Permittivitätszahl εΓ = ε/εο bezeichnete Verhältnis der Permittivität ε eines Stof- fes zur elektrischen Feldkonstante ε0, welche die Permittivi¬ tät des Vakuums angibt. Je höher die relative Permittivität ist, desto größer ist auch der feldschwächende Effekt des eingesetzten Stoffes im Verhältnis zum Vakuum. Im Folgenden werden nur die Permittivitätszahlen der zum Einsatz kommenden Stoffe behandelt.
Die WO 2006/122736 AI beschreibt außerdem ein System aus Cel- lulosefasern und Nanotubes, vorzugsweise Carbon-Nanotubes (im folgenden CNT) , bei welchem sich spezifische Widerstände von umgerechnet 6 bis 75 Qm einstellen lassen. Diese Nanokomposi- te sollen beispielsweise als elektrische Widerstandsheizung verwendet werden, wobei die Leitfähigkeit mit Blick auf eine Fähigkeit des Materials der Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme ausgelegt ist. Hierfür ist ein genügender Bede¬ ckungsgrad der Cellulosefasern mit CNT erforderlich.
Die WO 2006/131011 AI beschreibt eine Buchse, welche unter anderem aus einer imprägnierten Papierwicklung bestehen kann. Als Material für die Imprägnierung wird unter anderen Materialien auch BN genannt. Dieses kann auch in dotierter Form verwendet werden. Außerdem sollen die Partikel mit einer Konzentration im Cellulosematerial unterhalb der Perkolati- onsschwelle verwendet werden, so dass es nicht zu einer elektrischen Kontaktierung der Partikel untereinander kommt. Aus diesem Grund bleibt der spezifische elektrische Wider¬ stand des Nanokomposits im Wesentlichen unbeeinflusst .
Aus der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102010041630.4 ist ein Na- nokomposit mit halbleitenden oder nichtleitenden Nanoparti- keln, die in einem Cellulosematerial wie zum Beispiel Press¬ span verteilt sind, bekannt, der als Feld gradierendes Mate¬ rial bei Transformatoren verwendet werden kann. Zumindest ein Teil der in dem Cellulosematerial verteilten Nanopartikel weisen eine Umhüllung aus einem elektrisch leitfähigen Polymer auf. Als Cellulosematerial kann beispielsweise ein Pa- pier, Pappe oder Pressspan verwendet werden. Das Cellulosema- terial weist einen Aufbau aus Cellulosefasern auf, die in ih¬ rer Gesamtheit den das Cellulosematerial bildenden Verband ausmachen. Als halbleitende oder nichtleitende Nanopartikel können beispielsweise Si, SiC, ZnO, BN, GaN, A1N oder C, ins¬ besondere auch Bornitrid-Nanoröhrchen (im folgenden als BNNT bezeichnet) verwendet werden. Als elektrisch leitfähige Poly¬ mere können die in der DE 10 2007 018 540 AI erwähnten Polymere Verwendung finden. Als elektrisch leitfähige Polymere werden beispielsweise Polypyrrole, Polyanilin, Polythiophene, Polyparaphenylene, Polyparaphenylen-Vinylene und Derivate dieser genannten Polymere genannt. Ein spezielles Beispiel für solche Polymere ist PEDOT, das auch unter dem Handelnamen Baytron von der Bayer AG vertrieben wird. PEDOT wird mit seinem systematischen Namen auch als Poly- ( 3 , 4-ethylen- dioxythiophen) bezeichnet.
Gemäß der der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102010041635.5 kann auch vorgesehen werden, dass die Imprägnierung aus einem Polymer besteht, welches aus einem negativen Ionomer, insbesondere PSS, und einem positiv geladenen Ionomer vernetzt ist. Als positiv geladene lonomere können vorzugsweise PEDOT oder PANI Verwendung finden. Als PEDOT bezeichnet man das bereits erwähnte Poly- ( 3 , 4-ethylen-dioxydthiophen) . PANI ist Polyanilin und PSS ist Polystyrensulfonat . Die Verwendung negativ geladener und positiv geladener lonomere ermöglicht vorteil¬ haft eine besonders einfache Herstellung des Cellulosemateri- als. Die lonomere können einfach in Wasser gelöst werden und somit dem Prozess der Herstellung des Cellulosematerials , der ebenfalls wasserbasiert ist, zugeführt werden. Durch Vernet¬ zung der lonomere im Anschluss an die Herstellung des Cellu¬ losematerials kann der spezifische Widerstand des Cellulose¬ materials gesenkt werden. Dabei polymerisieren die lonomere und bilden in dem Cellulosematerial ein elektrisch leitfähiges Netzwerk, welches für die Verminderung des spezifischen Widerstandes verantwortlich ist. Insbesondere können die ge¬ nannten Ionomere auch verwendet werden, um bereits erwähnten halbleitenden oder nichtleitenden Nanopartikel zu umhüllen.
Gemäß der der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102009033267.7 kann der Nanokomposit auch mit halbleitenden Nanopartikeln imprägniert werden, die zumindest teilweise aus BNNT bestehen und in der Cellulose oder einem Polymer verteilt sind. Zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten BNNT ist eine Dotierung dieser BNNT mit geeigneten Dotierstoffen oder eine Beschich- tung mit Metallen oder dotierten Halbleitern auf den BNNT vorgesehen. Die Konzentration der BNNT kann so gewählt werden, dass der Nanokomposit eine spezifische Leitfähigkeit p in der Größenordnung von 1012 Qm aufweist. Nach dieser Variante kommen keine leitfähigen Polymere als Ummmantelung der BNNT zum Einsatz.
Eine Dotierung kann erreicht werden, indem die BNNT durch Beigabe von geeigneten Dotierstoffen dahingehend modifiziert werden, dass die Dotierstoff-Atome elektronische Zustände ausbilden, die das BNNT zu einem p-Leiter (d.h., dass elektronische Zustände ausgebildet werden, die Elektronen von der Valenzbandkante einfangen) oder zu einem n-Leiter (d. h., dass elektronische Zustände erreicht werden, die Elektronen durch thermische Anregung über die Leitungsbandkante emittie- ren) ausbilden. Als Dotierstoff für eine p-Dotierung kommt beispielsweise Be in Frage, als Dotierstoff für eine n- Dotierung kommt Si in Frage. Eine solche Dotierung der BNNT kann in situ erfolgen, wobei während des Wachstums der BNNT z. B. aus der Gas- oder Flüssigphase die Dotierstoff-Atome eingebaut werden. Auch ist es möglich, die Dotierung in einem weiteren Schritt nach dem Wachstum der BNNT durchzuführen, wobei die Dotierstoffe typischerweise unter dem Einfluss ei¬ ner Wärmebehandlung von den BNNT aufgenommen werden. Durch Einbringung der Dotierstoffe in die BNNT kann der spezifische Widerstand auf für dotierter Halbleiter typische Werte zwi¬ schen 0,1 und 1000 Qcm abgesenkt werden.
Gemäß der der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffent- lichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2009 033 268.5 kann der Nanokomposit aus Cellulosematerial auch mit halblei¬ tenden Nanopartikeln imprägniert werden, wobei auch zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten Nanopartikel eine Dotierung dieser Nanopartikel mit Dotierstoffen vorgesehen ist. Die
Verwendung der halbleitenden Nanopartikel, insbesondere BNNT hat den Vorteil, dass geringe Füllgrade von höchstens 5 Vol-% bevorzugt sogar höchstens 2 Vol-% in dem Isolierstoff ausrei¬ chen, um eine Perkolation der Nanoteilchen zu bewirken und damit die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits zu er¬ höhen .
Mit Blick auf die eingangs erwähnte WO 2008/026992 AI steht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Schirmring der ein- gangs angegebenen Art derart weiter zu bilden, dass dessen Herstellung vereinfacht wird und/oder die Sicherheit gegen¬ über elektrischen Durchschlägen an der Schicht aus Cellulosematerial verbessert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schicht als Komposit ausgeführt ist, bestehend aus einem be¬ handelten Cellulosematerial, in dem Partikel mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand pp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand in ei- ner Konzentration oberhalb der Perkolationsschwelle verteilt sind. Alternativ oder zusätzlich kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass in dem behandelten Cellulosematerial ein zusammenhängendes Netzwerk eines leitfähigen Polymers mit ei nem im Vergleich zum spezifischen Widerstand pp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand den Komposit durchzieht. Das behandelte Cellulosematerial kann in der eingangs bereits beschriebenen Weise gewonnen werden und entweder als Formkörper hergestellt werden, in de der ringförmige Kern des Schirmrings eingelegt wird. Eine an dere Möglichkeit besteht darin, Papiere als behandeltes Cel¬ lulosematerial herzustellen und mit diesen anschließend den Kern in an sich bekannter Weise zu umwickeln, wobei sich aus der Wicklung die Schicht aus dem Cellulosematerial ergibt.
Unter HGÜ-Komponenten sind derartige Komponenten zu verstehen, die zur Übertragung von Hochspannungs-Gleichströmen zum Einsatz kommen und stromführende Elemente beinhalten (HGÜ steht für Hochspannungsgleichstromübertragung) . Insbesondere werden hierbei Transformatoren oder Drosseln als HGÜ- Komponenten benötigt. Allerdings sind auch Leitungsführungen zur elektrischen Verbindung verschiedener HGÜ-Komponenten er forderlich. Weitere HGÜ-Komponenten sind Trennstellen in sol chen Leitungsführungen bzw. Durchführungen durch Gehäusebauteile, in denen andere HGÜ-Komponenten untergebracht sind. Neben den zu führenden Hochspannungsgleichströmen treten bei spielsweise in Transformator- und Drosselspulen auch Wechsel ströme auf. Die HGÜ-Komponenten im Sinne dieser Erfindung sollen zur Übertragung von Hochspannungsgleichströmen von mindestens 100 KV, bevorzugt zur Übertragung von Hochspannungsgleichströmen von mehr als 500 KV geeignet sein.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des behandelten Cellulose materials hat den Vorteil, dass der spezifische Widerstand des so entstehenden Komposits pComP im Vergleich zum spezifi¬ schen Widerstand pp des unbehandelten Cellulosematerials ver¬ ringert wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich der spezifische Widerstand des Komposits pCOmp an denjenigen des Öls Po annähert oder, wie im Folgenden näher erläutert wird, ihn sogar übersteigt. Hierdurch wird erreicht, dass im Falle eines Anlegens einer Gleichspannung an der durch den Schirmring mitgebildeten Isolierstrecke für die HGÜ-Spule (d. h. HGÜ-Transformatorspule oder HGÜ-Drosselspule ) ein Spannungs¬ abfall besser auf die Komponenten aus dem Cellulosematerial und das Transformatoröl verteilt wird. Einerseits kann näm¬ lich das Transformatoröl einen höheren Spannungsabfall ver¬ kraften, ohne dass es zu elektrischen Durchschlägen kommt. Andererseits führt eine Entlastung des Cellulosematerials da¬ zu, dass hier die Sicherheit gegenüber Durchschlägen erhöht wird bzw. eine Papierwicklung oder eine anderweitig herge¬ stellte Schicht am Schirmring dünner ausgeführt werden kann. Insbesondere kann in den besonders beanspruchten Bereichen der abgerundeten Ecken des Querschnitts, die von der Stirnseite der Spule abgewandt sind (insbesondere der innenliegen¬ den abgerundeten Ecke) eine Belastung vorteilhaft stark verringert werden, so dass auf eine Unterlegung der Wicklung mit einem anderen Isolationsmaterial (insbesondere Cellulosemate¬ rial) verzichtet werden kann. Dies bewirkt, dass vorteilhaft die Fertigung des Schirmrings stark vereinfacht wird und gleichzeitig eine Sicherheit gegen einen elektrischen Durchschlag verbessert oder zumindest auf dem geforderten Niveau gehalten werden kann. Vorteilhaft ist es dabei, dass der spe¬ zifische Widerstand pComP des Komposits zumindest an der Ober¬ fläche des Schirmrings höchstens 5 mal 1013 Qm beträgt.
Der beschriebene, für die Erfindung wesentliche Effekt einer Entlastung des Cellulosematerials, indem der Spannungsabfall in größerem Maße auch am Transformatoröl erfolgt, lässt sich vorteilhaft gut nutzen, wenn der spezifische Widerstand pComP des Komposits höchstens bei 5 mal 1013 Qm liegt. Man kann zur Nutzung dieses Effekts vorteilhaft auch einen spezifischen Widerstand pCOmp des Komposits einstellen, der das 1- bis 20- fache des spezifischen Widerstandes pQ des Transformatoröls beträgt. Besonders vorteilhaft kann vorgesehen werden, dass der spezifische Widerstand pCOmp des Komposits größenordnungs¬ mäßig dem spezifischen Widerstand von Transformatoröl ent¬ spricht. Mit größenordnungsmäßig ist gemeint, dass der spezi¬ fische Widerstand pComP des Komposits höchstens um eine Grö¬ ßenordnung von demjenigen des Transformatoröls abweicht (also höchstens um den Faktor 10) .
Die spezifischen Widerstände p0, pP und pComP im Zusammenhang mit dieser Erfindung sollen jeweils bei Raumtemperaturen und einer herrschenden Bezugsfeldstärke von 1 kV/mm gemessen werden. Bei diesen Bedingungen liegt der spezifische Widerstand Po zwischen 1012 und 1013 Qm. Zu bemerken ist jedoch, dass sich der spezifische Widerstand p0 von Transformatorenöl bei einer erfindungsgemäß vorgesehenen stärkeren Belastung durch die am Transformatoröl abfallende Spannung eher verringert. Bei den im Folgenden noch näher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird daher von einem spezifischen Widerstand p0 im Transformatoröl von 1012 Qm ausgegangen.
Wichtig bei der Wahl des spezifischen Widerstandes pComP des Komposits an der Oberfläche des Schirmrings ist, dass in die¬ sem Bereich der spezifische Widerstand des Transformatoröls Po nicht wesentlich unterschritten wird. Hierdurch kann, wie bereits beschrieben, eine Angleichung der elektrischen Beanspruchung des Transformatoröls und des Cellulosematerials er¬ folgen. Allerdings ist es vorteilhaft auch möglich, dass der spezifische Widerstand des Cellulosematerials des Schirmrings mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche des Schirmrings weiter abnimmt (auch auf Werte unterhalb von pQ ) , so dass in diesem Bereich eine gezielte Verteilung der Feldstärke ermög¬ licht wird. Dies trägt in besonderem Maße vorteilhaft zu ei¬ ner Verringerung der elektrischen Beanspruchung im Bereich der oben bereits angesprochenen abgerundeten Ecken des Querschnitts bei.
Um eine ungleichmäßige Verteilung des spezifischen Widerstandes Pcomp über die Schichtdicke am Schirmring zu erreichen, ist es vorteilhaft möglich, dass der spezifische Widerstand von benachbarten, die Schicht bildenden Schichtlagen abgestuft ist, wobei die Schichtlage oder die Schichtlagen mit dem geringsten spezifischen Widerstand an den Kern angrenzen. Die Lagen können beispielsweise durch Wicklungen mit unter- schiedlich imprägnierten Papieren entstehen. Es wird danach auf den Kern zunächst die Schichtlage mit dem geringsten spe¬ zifischen Widerstand pComP und danach mindestens eine Schicht¬ lage mit einem höheren spezifischen Widerstand pComP aufge¬ bracht, wobei vorteilhaft die letzte Lage, die die Oberfläche des Stirnrings bildet, zumindest größenordnungsmäßig dem spe¬ zifischen Widerstand von Transformatoröl entsprechen kann. Als Schichtlagen im Sinne der Erfindung werden jeweils Bereiche der Schichtdicke aufgefasst, die jeweils mit demselben spezifischen Widerstand pComP ausgestattet sind. Dies bedeutet auch, dass diese Schichtlage durch mehrere Papierlagen gebil¬ det werden kann. Es werden hierbei so viele Papierlagen
(Wicklungslagen) gewickelt, dass die gewünschte Dicke der Schichtlage erreicht wird. Eine andere Möglichkeit, den Schirmring mit Bereichen unterschiedlichen spezifischen Widerstandes pComP auszustatten, be¬ steht darin, dass dieser aus mehreren konzentrisch ineinan- derliegenden Einzelringen aufgebaut ist, wobei der innere Einzelring mit einem Cellulosematerial mit einem geringeren spezifischen Widerstand versehen ist, als der äußere Einzel¬ ring oder mehrere folgende Einzelringe. Besonders vorteilhaft werden allerdings nur zwei Einzelringe verwendet. Die Einzel¬ ringe bilden im Sinne der Erfindung gemeinsam den Schirmring, auch wenn diese baulich nicht miteinander verbunden sind. Als Schirmring im Sinne der Erfindung ist also damit die gesamte Baugruppe zu verstehen, die im Bereich der stirnseitigen Enden der Spulen vorgesehen ist und einen typischen Schirmring- Aufbau aufweist.
Es ist vorteilhaft, den inneren Ring mit einem geringeren spezifischen Widerstand zu versehen, als den äußeren Ring. Die die bereits beschriebene elektrische Beanspruchung der abgerundeten, dem stirnseitigen Ende der Spule abgewandten Ecken des Querschnitts des Schirmrings ist auf der Innenseite der Spule nämlich höher als auf der Außenseite. Dies kann bei der Auslegung des am Schirmring verwendeten Cellulosemateri- als berücksichtigt werden. Hierdurch ist vorteilhaft für den äußeren Einzelring eine Imprägnierung des Cellulosematerials mit geringerer Konzentration einstellbar, wodurch insbesondere Materialkosten eingespart werden können. Außerdem entsteht vorteilhaft ein größerer Spielraum, um das elektrische Feld in der gewünschten Weise zu gradieren.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schicht aus dem Cellulosematerial um den gesamten senk¬ recht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt im Wesentlichen gleich dick ausgeführt ist. Diese Ausführung wird, wie bereis erläutert, dadurch ermöglicht, dass erfindungsgemäß der spe¬ zifische Widerstand des Cellulosematerials an die Erforder¬ nisse einer Feldgradierung derart angepasst wird, dass die elektrische Beanspruchung besser über die einzelnen Bereiche des Schirmringes sowie das umgebende Transformatoröl verteilt wird. Unter einer im Wesentlichen gleich dicken Ausführung des Cellulosematerials soll auch eine Schicht des Schirmrings verstanden werden, die allein durch Wickeln eines Papierstreifens um den Kern erzeugt wird. Hierbei ist es naturgege¬ ben so, dass die gewickelte Schicht auf der Innenseite des Ringes etwas dicker wird, als auf der Außenseite des Ringes, weil sich hier die benachbarten Wickelschlingen des verwendeten Papiers etwas stärker überschneiden. Im Wesentlichen ist eine gewickelte Schicht in Anbetracht des Durchmessers des zu umwickelnden Kerns allerdings als mit im Wesentlichen in gleicher Dicke ausgeführt anzusehen.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die Schicht aus dem Cellulosematerial um den gesamten senk¬ recht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt direkt auf dem Kern aufliegt. Dies bedeutet, dass auf zusätzliche Einlagen verzichtet wird, die einen zusätzlichen Fertigungsaufwand be¬ deuten würden. Vorteilhaft kann also der Fertigungsaufwand durch das Einsparen zusätzlicher Einlagen verringert werden. Hierdurch wird nicht nur der Fertigungsaufwand verringert, sondern es wird auch eine höhere Prozesssicherheit erreicht, da auf eine Einlage verzichtet wird, die beim Wickeln bei¬ spielsweise verrutschen könnte.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Cellulosematerials ist es vorteilhaft auch möglich, dass die Höhe h des Schirm¬ rings im Vergleich zur erforderlichen Höhe bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Komposits verringert ist. Eine andere Möglichkeit besteht vorteilhaft darin, dass die Dicke s der Schicht im Vergleich zur erforderlichen Dicke bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Komposits verrin¬ gert ist. Außerdem kann auch vorgesehen werden, dass vorteilhaft der Schirmring einen rechteckigen, senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt mit abgerundeten Ecken auf- weist, wobei der Radius r dieser abgerundeten Ecken im Vergleich zum erforderlichen Radius bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials anstelle des Kompo- sits verringert ist. Diese konstruktiven Auslegungsmerkmale können vorteilhaft aufgrund des bereits erwähnten konstrukti¬ ven Gestaltungsspielraums modifiziert werden, wobei hierbei die geometrischen Randbedingungen des Anwendungsfalls Berücksichtigung finden können. Beispielsweise ist es möglich, der Höhe h des Schirmrings bei HGÜ-Transformatoren zu verringern mit einer Isolierstrecke zu versehen, die ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Cellulosematerials bei den immer höheren Betriebsspannungen der HGÜ-Komponenten von teilweise über 1000 kV zu raumgreifend werden würden. Andererseits sind die baulichen Maximalabmessungen von HGÜ-Komponenten vorgegebenen, um beispielsweise einen Transport mit der Eisenbahn noch zu ermöglichen. Hier können Schirmringe mit verringerten geometrischen Abmessungen einen Beitrag zur Bauraumreduzierung leisten. Zu berücksichtigen ist bei der Reduzierung des Bauraums, also der Höhe h des Schirmrings oder der Dicke s der Schicht allerdings, dass insgesamt die Sicherheit gegen elektrische Durchschläge mindestens den vorgegebenen Werten noch entspricht.
Die Verringerung der Radien r der abgerundeten Ecken des Querschnitts des Schirmrings hat vor allem den Vorteil, dass dieser mechanisch einer größeren Belastung ausgesetzt werden kann, um die einzelnen Bauteile der HGÜ-Komponente zusammen zu halten. Gleichzeitig ergibt sich die Konsequenz einer Verringerung dieser Radien auch daraus, dass Einlagen zwischen dem Kern und der diesen umgebenden Schicht eingespart werden können, so dass der Bauraum, der durch diese Einlagen benötigt würde, durch das Material des Kerns ausgefüllt ist. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen :
Figur 1 einen Ausschnitt durch einen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schirmrings, wobei nur dessen Oberfläche und das an diese angrenzende Transforma- toröl und weitere Feststoffbarrieren aus Pressspan dargestellt sind,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Schirmrings, eingebaut in einen HGÜ-Transformator, im schematischen Schnitt und
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Schirmrings, bei dem bestimmte konstruktive Gestal- tungsspielräume dargestellt sind, im schematischen
Querschnitt .
Eine elektrische Isolierstrecke 18 gemäß Figur 1 besteht all¬ gemein aus mehreren Lagen aus Cellulosematerial 19, zwischen denen Ölschichten 20 liegen können. Die Isolierstrecke beginnt an der metallischen Oberfläche 11 eines zu isolierenden Bauteils 12, die zum Beispiel durch eine Metallschicht 13 auf dem Kern eines nicht näher dargestellten Schirmringes gebil¬ det sein kann. Auch das Cellulosematerial 19 ist mit Öl ge- tränkt, was in Figur 1 nicht näher dargestellt ist. Dafür ist in Figur 1 innerhalb des Cellulosematerials eine Imprägnie¬ rung 11 zu erkennen. Die gemäß Figur 1 dargestellte Isolie¬ rung umgibt beispielsweise in einem Transformator die dort zum Einsatz kommenden Wicklungen, die nach außen und zueinander elektrisch isoliert werden müssen.
Die elektrische Isolation eines Transformators muss im Be¬ triebsfall bei Anliegen einer Wechselspannung elektrische Durchbrüche verhindern. In diesem Fall ist das Isolationsverhalten der Isolierung von der Permittivität der Komponenten der Isolierung abhängig. Für Öl liegt die Permittivitätszahl ε0 ungefähr bei 2, für das Cellulosematerial ερ bei 4. Bei einer Beanspruchung der Isolation mit einer Wechselspannung ergibt sich daher für die Belastung der einzelnen Isolationskomponenten, dass die am Öl anliegende Spannung U0 ungefähr doppelt so hoch ist, wie die am Cellulosematerial anliegende Spannung Up. Wird ein Nanokomposit verwendet, bei dem das Cellulosematerial 19 erfindungsgemäß imprägniert ist, so be- einflusst die Imprägnierung 11 die Spannungsverteilung in der erfindungsgemäßen Isolation nicht, da die Permittivitätszahl SB ebenfalls ungefähr bei 4 liegt und daher die Permittivi¬ tät Scomp des imprägnierten Cellulosematerials auch bei unge¬ fähr 4 liegt. Damit ist auch bei der erfindungsgemäßen Isolation die am Öl angreifende Spannung U0 ungefähr doppelt so groß wie die am Nanokomposit (Cellulosematerial) anliegende Spannung UComP ·
Gleichzeitig ist bei HGÜ-Komponenten auch die Durchschlagfes¬ tigkeit der Isolation bei Anliegen von Gleichspannungen von Bedeutung. Die Verteilung der anliegenden Spannung auf die einzelnen Isolationsbestandteile ist dann allerdings nicht mehr von der Permittivität abhängig, sondern vom spezifischen Widerstand der einzelnen Komponenten. Der spezifische Widerstand Po von Öl liegt zwischen 1013 und 1012 Gm. Berücksichtigt man, dass erfindungsgemäß ein größerer Teil des Span¬ nungsabfalls zur Entlastung des Cellulosematerials im Öl er¬ folgen soll und dass der spezifische Widerstand des Öl sich bei Anliegen einer Spannung verringert, ist eher, wie in Fig 1 dargestellt, von einem spezifischen Widerstand p0 von 1012 Qm auszugehen. Demgegenüber ist pp vom Cellulosematerial um drei Größenordnungen höher und liegt bei 1015 Qm. Dies bewirkt, dass bei Anliegen einer Gleichspannung die Spannung am Öl U0 ein Tausendstel (bei Annahme von pQ = 1013 Qm zumindest ein Hundertstel bis ein Fünfhundertsei ) der Spannung am Cel¬ lulosematerial Up beträgt. Dieses Ungleichgewicht birgt die Gefahr, dass es bei einer Beaufschlagung der Isolation mit einer Gleichspannung zu Durchschlägen im Cellulosematerial kommt und die elektrische Isolation versagt.
Die erfindungsgemäß in das Cellulosematerial 19 eingebrachte Imprägnierung 11 kann z. B. aus BNNT bestehen und wird durch eine geeignete Beschichtung der BNNT aus PEDOT:PSS und evtl. durch eine zusätzliche Dotierung der BNNT mit Dotierstoffen mit ihrem spezifischen Widerstand (zwischen 0,1 und 1000 Qcm) so eingestellt, dass der spezifische Widerstand des Cellulo- sematerials pp herabgesetzt wird. Dies ist auch durch allei¬ nige Verwendung von PEDOT:PSS oder alleinige Verwendung von BNNT möglich. Damit lässt sich für den erfindungsgemäßen Kom- posit eine spezifische Leitfähigkeit pComP einstellen, der an den spezifischen Widerstand p0 angenähert ist und im Ideal¬ fall diesem ungefähr entspricht. Bei einem spezifischen Widerstand Pcomp von höchstens 5 mal 1013 Qm liegt die am Öl an¬ liegende Spannung U0 größenordnungsmäßig im Bereich der am Komposit anliegenden Spannung UCOmp/ so dass sich ein ausge¬ glichenes Spannungsprofil in der Isolation einstellt. Hier¬ durch wird vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit der Isolati¬ on verbessert, da sich die Belastung des Cellulosematerials spürbar verringert.
In Figur 2 ist der Ausschnitt eines HGÜ-Trafos zu sehen, Die- ser ist in einem auch als Kessel 21 bezeichneten Gehäuse un- tergebracht. Angedeutet sind außerdem eine Oberspannungsspule und eine Unterspannungsspule deren Wicklungen 22, 23 in Figur 2 zu erkennen sind. Ein Transformatorkern 14 ist der Übersichtlichkeit halber nur schematisch dargestellt.
Für die Wicklung 22 ist ein elektrisches Feld durch Feldinien 33 dargestellt, die auf Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes verlaufen. Dieses elektrische Feld wird durch ver¬ schiedene Elemente einer Isolationsanordnung beeinflusst, welche als Elemente unter anderem segmentierte Schirmringe 24, 25 zylindrische Feststoffbarrieren 26 aus Pressspan und Winkelringe 27 ebenfalls aus Pressspan aufweisen. Die Schirmringe 24, 25 weisen einen Kern 28 mit einer metallische Oberfläche 29 und eine Papierwicklung 30 auf. Außerdem ist der Innenraum 31 mit einer Füllung von Transformatoröl ausgefüllt, welches daher auch in die Spalte 32 zwischen den einzelnen Elementen der Isolationsanordnung fließt und diese ausfüllt. Die Feldlinien 33 durchdringen außerdem auch einen Druckring 34 aus Blockspan. Daher kann mit der erfindungsge- mäßen Herabsetzung des spezifischen Widerstandes des Cellulo- sematerials auch der Druckring 34 modifiziert werden, um in diesem Bereich das sich ausbildende elektrische Feld zu be¬ einflussen. Der Druckring 34 sorgt zusammen mit einem nicht dargestellten Wicklungstisch, der ebenfalls aus Blockspan hergestellt werden kann und die Wicklungen 22, 23 trägt, für einen mechanischen Zusammenhalt aller Baugruppen (inklusive der Feststoffbarrieren) . Im Sinne der Erfindung sind auch der Druckring 34 und der nicht dargestellte Wicklungstisch als Elemente der Isolationsstrecke zu verstehen.
In Figur 3 ist zu erkennen, dass der erfindungsgemäße Schirmring 24 aus einem inneren Einzelring 35 und einem äußeren Einzelring 36 besteht. Der Schirmring 24 weist eine Höhe h und eine Dicke s der Schicht 30 auf, wie diese dargestellt ist. Außerdem sind die abgerundeten Ecken des dargestellten Querschnittes, die der nicht dargestellten Spule abgewandt sind, mit einem Radius r versehen. In Figur 3 ist mit gestrichelten Konturlinien ebenfalls angedeutet, wie die Geometrie eines nicht mit imprägnierten Cellulosematerial ausgestatte¬ ten Schirmrings im Vergleich qualitativ aussehen könnte. Dieser hätte eine größere Höhe hQ und/oder eine größere Dicke der Schicht 30 So und/oder größere Radien an den oben genannten Ecken r0, wobei diese größeren Radien r0 nur durch den Kern 28 beschrieben würden, so dass ein Raum für eine nicht näher dargestellte zusätzliche Einlage aus Cellulose in die¬ sem Bereich entstünde. Diese könnte in dem durch die Radien r und ro gebildeten Raum vorgesehen werden. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Schicht des inneren Einzelringes 35 aus mehreren Schichtlagen 37, 38 besteht. Die die Oberfläche des Schirmringes 24 bildende Schichtlage 37 sowie die Schicht 30 des äußeren Einzelringes 36 weisen einen spezifischen Widerstand auf, der dem des umgebenden Transfor- matoröls größenordnungsmäßig entspricht. Im Vergleich hierzu ist der spezifische Widerstand der Schichtlage 38, die an den Kern 28 angrenzt, weiter verringert, so dass dieser spezifi¬ sche Widerstand denjenigen des Transformatoröls unterschrei¬ tet. Hierdurch entsteht eine Entlastung des Bereiches des Schirmrings 24, der durch den Spannungsabfall einer HGÜ-
Gleichspannung am stärksten beansprucht ist. Dieser liegt an der bezüglich des ringförmigen Verlaufs des Schirmrings inne¬ ren Ecke des Querschnitts des Schirmrings, die der Spule ab¬ gewandt ist. Für die anderen Bereiche des inneren Einzelrin- ges wäre eine Verringerung des spezifischen Widerstandes der kernnahen Schichtlage 38 an sich nicht notwendig. Diese ist jedoch auch nicht schädlich, so dass aus fertigungstechnischen Gründen der innere Einzelring 38 vollständig mit der kernnahen Schichtlage 38 umwickelt wird. Bei dem äußeren Ein- zelring 36 unterbleibt allerdings die zusätzliche Umwicklung mit einem Material, das einen spezifischen Widerstand unterhalb desjenigen von Transformatoröl hat, aus Kostengründen. Hier genügt eine Herabsetzung des spezifischen Widerstandes größenordnungsmäßig auf den Wert des Transformatoröls.

Claims

Patentansprüche
1. Schirmring für eine HGÜ-Transformatorspule oder eine HGÜ- Drosselspule, aufweisend
· einen ringförmigen Kern (28) mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche (29) ,
• eine Schicht (30) aus einem Cellulosematerial , insbeson¬ dere Papier, die den Kern (28) vollständig einschließt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Schicht (30) als Komposit ausgeführt ist, bestehend aus einem behandelten Cellulosematerial (19),
• in dem Partikel (11) mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand pp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand in einer Konzentrati- on oberhalb der Perkolationsschwelle verteilt sind und/oder
• in dem ein zusammenhängendes Netzwerk eines leitfähigen Polymers mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand Pp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand den Komposit durchzieht.
2. Schirmring nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der spezifische Widerstand pCOmp des Komposits zumindest an der Oberfläche höchstens bei 5 mal 1013 Qm liegt.
3. Schirmring nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der spezifische Widerstand pComP des Komposits zumindest an der Oberfläche das ein- bis zwanzigfache des spezifischen Widerstandes p0 des Transformatoröls beträgt
4. Schirmring nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der spezifische Widerstand pComP des Komposits zumindest an der Oberfläche des Schirmringes größenordnungsmäßig dem spezifischen Widerstand von Transformatoröl pQ entspricht.
5. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der spezifische Widerstand von benachbarten, die Schicht (30) bildenden Schichtlagen (37, 38) abgestuft ist, wobei die Schichtlage oder die Schichtlagen mit dem geringsten spezifischen Widerstand an den Kern angrenzen.
6. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass dieser aus mehreren konzentrisch ineinander liegenden
Einzelringen (35, 36) aufgebaut ist, wobei der innerste Ein¬ zelring (35) mit einem Cellulosematerial mit einem geringeren spezifischen Widerstand versehenen ist als der äußere Einzel¬ ring (36) oder die äußeren Einzelringe.
7. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Schicht (30) aus dem Cellulosematerial um den gesam¬ ten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt im we- sentlichen gleich dick ausgeführt ist.
8. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Schicht (30) aus dem Cellulosematerial um den gesam- ten senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt direkt auf dem Kern aufliegt.
9. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schicht (30) aus einer Papierwicklung mit mehreren Wicklungslagen besteht, wobei die Papierwicklung um den senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt gewickelt ist.
10. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Höhe h des Schirmrings im Vergleich zur erfordern chen Höhe bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cel lulosematerials an Stelle des Komposits verringert ist.
11. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Dicke s der Schicht (30) im Vergleich zur erforder liehen Dicke bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials an Stelle des Komposits verringert ist.
12. Schirmring nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
• dass der Schirmring einen rechteckigen, senkrecht zum Ringverlauf liegenden Querschnitt mit abgerundete Ecken aufweist und
• dass der Radius r der abgerundeten Ecken im Vergleich zum erforderlichen Radius bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials an Stelle des Kom- posits verringert ist.
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