WO2012093053A1 - Isolationsanordnung für eine hgü-komponente mit wandartigen feststoffbarrieren - Google Patents

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WO2012093053A1
WO2012093053A1 PCT/EP2011/074085 EP2011074085W WO2012093053A1 WO 2012093053 A1 WO2012093053 A1 WO 2012093053A1 EP 2011074085 W EP2011074085 W EP 2011074085W WO 2012093053 A1 WO2012093053 A1 WO 2012093053A1
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resistivity
insulation
arrangement according
composite
wall thickness
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PCT/EP2011/074085
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Beriz BAKIJA
Dieter Breitfelder
Thomas Hammer
Jens Hoppe
Karsten LOPPACH
Johann Schlager
Ursus KRÜGER
Frank Heinrichsdorff
Volkmar LÜTHEN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • 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
    • H01F27/363—Electric or magnetic shields or screens made of electrically conductive material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens

Definitions

  • the invention form an insulating arrangement for an HVDC component, particularly a transformer or a Dros ⁇ sel consisting of a series of wall-like solid barrier made of a cellulose material, between which intermediate spaces are provided for a transformer oil and together ⁇ men with the transformer oil, an insulating distance.
  • Such an insulation arrangement of the type mentioned is known for example from EP 285 895.
  • the HVDC component is, for example, a imple ⁇ tion for the electrical connections of a HVDC transformer which must be electrically insulated and shielded.
  • solid barriers made from pressboard are used, whereby the pressboard has an increased conductivity compared to normal pressboard.
  • the solid barrier ⁇ form a plurality of spaced apart formwork around the passage, so that therebetween gaps for filling with transformer oil.
  • Transformer oil filled columns and solid barriers provides an insulating stretch for the implementation.
  • 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 depen- dent on is polymerized by the concentration of the oxidizing agent. The thus impregnated cellulosic material is dried at Hauttem ⁇ temperature 24 hours.
  • the oxidizing agent ensures ei ⁇ neminte for the polymerization of pyrrole compounds, Au ßerdem 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 a field- ⁇ gradierendes material, when it comes to reduce peaks in the formation of electric fields, for example, to the insulation of electrical conductors.
  • WO 2004/038735 Al for example, 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 are used for such nanoparticles, inter alia, whose band gap is in a range of 0 eV and 5 eV.
  • the game ⁇ can be made of ZnO in, can be set the electrical resistance of the nanocomposite.
  • 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.”
  • a relative Per ⁇ 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.
  • 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
  • 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.
  • a cellulosic material such as a Pa ⁇ pier, cardboard or pressboard can be used.
  • the Cellulosema ⁇ TERIAL has a construction made of cellulose fibers that 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.
  • 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). According to the application published at the time of this application with the file reference DE 102010041635.5 it can also be provided that the impregnation consists of a polymer which is crosslinked from a negative ionomer, in particular PSS, and a positively charged ionomer. As positively charged ionomers 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 specific resistance.
  • the ge ⁇ can called ionomers 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 the BNNT can be selected 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 BNNTs by adding suitable dopants such that the dopant atoms form electronic states that make the BNNT a p-type conductor (ie, that form electronic states that capture electrons from the Capture valence band edge) or to an n-conductor (ie, that electronic states are reached which emit electrons by thermal excitation over the conduction band edge emittie ⁇ ren).
  • suitable dopants such that the dopant atoms form electronic states that make the BNNT a p-type conductor (ie, that form electronic states that capture electrons from the Capture valence band edge) or to an n-conductor (ie, that electronic states are reached which emit electrons by thermal excitation over the conduction band edge emittie ⁇ ren).
  • a dopant for a p-type doping for example, Be is suitable as dopant for a n-type dopant.
  • Doping 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 are incorporated. It is also possible to carry out doping in a further step, after the growth of BNNT, wherein the dopants are received by the BNNT typically under the influence ei ⁇ ner heat treatment. By introducing the dopants into the BNNT, the resistivity can be lowered to values typical for doped semiconductors between 0.1 and 1000 ⁇ cm.
  • the nanocomposite of cellulosic material can also be impregnated with semiconducting nanoparticles, wherein also to increase the effective conductivity of at least part of the nanoparticles distributed in the insulating material, a doping thereof Nanoparticles with dopants is provided.
  • the use of the semiconducting nanoparticles, in particular BNNT particular has the advantage that low degrees of filling of Hoechsmann ⁇ least 5% by volume preferably sufficient even at most 2% by volume in the Iso ⁇ lierstoff to cause percolation of the nanoparticles and thus to increase the electrical conductivity of Nanokom- posits.
  • the object of the invention is to specify an insulation arrangement for an HVDC component which opens up a comparatively large creative scope, in particular allows a space-saving construction.
  • the solid ⁇ barriers are designed as a composite, consisting of the treated cellulosic material, and that the wall thickness of
  • Solid barrier is reduced compared to the required wall thickness when using the respective untreated cellulose material instead of the composite.
  • the treatment of the cellulosic material is carried out according to the invention in that the particles are distributed with a lower resistivity compared to P p of the untreated cellulose material spe ⁇ -specific resistance in a concentration above the per- kulationsschwelle.
  • a coherent network of a conductive polymer with a lower resistivity than the specific resistance p p of the untreated cellulose material pervades the composite. The preparation of such a treated cellulosic material has already been explained above.
  • the basic idea of the invention is that the use of a ⁇ Ver treated cellulosic material in the direction giving ⁇ NEN way the resistivity p CO p m automatically Ringert ⁇ ver.
  • This reduction in resistivity advantageousously leads to an approximation to the resistivity p 0 of transformer oil, so that upon stress of the insulation arrangement with a direct current, the voltage over the insulation gap advantageously decreases more uniformly. This means that a greater part of the voltage across the transformer oil drops, thus reducing the burden on the solids barriers.
  • This per se known effect can now be used according to the invention for a constructive modification of the geometry of the insulation arrangement. This is specifically achieved in that the wall thickness ⁇ the solid barrier is reduced.
  • the wall thickness of the solid barriers is currently not designed for a given required mechanical stability but because of the electrical load thereof, which is two to three orders of magnitude due to differences in the resistivity of transformer oil and cellulosic materials when using untreated cellulose material.
  • the wall thickness of the solid barriers used in HVDC components is therefore currently 3 to 6 mm.
  • the wall thicknesses can be reduced, advantageously by at least 25%.
  • the lying between the solid column barrier their calculated Spaltwei ⁇ te, whether a treated or untreated cellulose material is used for the solid barrier be maintained. From this it can advantageously be deduced that, when using solid barriers with reduced wall thickness, the overall space requirement of the insulation arrangement is reduced.
  • Solid barriers with wall thicknesses of at least 1 and at most 3 mm can be used particularly advantageously.
  • a wall thickness of 1 mm represents a mechanical see design limit for the solid barriers so that they still have sufficient stability in later use in the HVDC component.
  • 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 are required.
  • Further 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, for example, in transformer and choke coils and alternating currents.
  • the HVDC components in the sense 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 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 used advantageously good if the specific resistance p CO mp of the composite is at most 5 times 10 13 square meters.
  • a specific resistance p C om P of the composite which is 1 to 20 times the specific resistance p 0 of the transformer oil.
  • the resistivity p C P om speaks of the composite size Trim ⁇ moderate resistivity of transformer oil ⁇ ent.
  • 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 Q in the transformer oil of 10 12 Qm.
  • the wall thickness of adjacent solid particles barriers the solidification barrier is provided with the greatest wall thickness in the region of the isolating stretch where the equipotential surfaces of the electric field are closest to one another in comparison to the other regions of the insulating strip.
  • the resistivity of adjacent solid ⁇ barrier of the insulating gap is stepped, wherein the solid is substance barrier with the lowest specific resistance in the region of the insulating section is provided where the ⁇ quipo ⁇ tential inhabit of the electric field in the Compared to the other areas of the Isolierumble are closest to each other.
  • the area in which the equipotential surfaces are closest together is usually present at the end of the insulating section demje- Nigen, which is closer to the to iso ⁇ lierenden HVDC component. Is it Anlagenswei ⁇ se a transformer coil, the insulating section starts with the innermost solid barrier, where the ⁇ quipotenti ⁇ al lake of the electric field are closest together.
  • the insulating section is further defined by the sequence of concentric with each other in the case of a transformer coil further solid barriers. However, these are in areas where the distance between the equipotential surfaces is comparatively already larger.
  • the gradation of the wall thickness of the adjacent solid material barriers or of the specific resistance of the adjacent solid material barriers advantageously takes into account the distribution of the electric field strength so that the material input can be optimized to the locally present field strength.
  • the wall thicknesses of the solids barriers can be optimized over the entire insulating distance, which advantageously leads to the greatest possible saving of installation space.
  • the specific resistances the solids barriers set differently so for example, impregnating material for the Feststoffbar ⁇ rations can be saved, whereby the material costs are reduced.
  • Advantageous uses for the insulation arrangement are, for example, in the embodiment as winding insulation for transformer coils or inductors. These coils are isolated on their lateral surfaces by solid barriers in the form of cylinders, for example from pressboard. In the region of the end faces of the coils angle rings and caps are arranged, which are also designed as wandar ⁇ term solids barriers. All of these components benefit from the design according to the invention with reduced in comparison to untreated cellulose material specific resistivity, so that advantageously the wall thickness of all these individual solid barriers can be reduced.
  • the insulation arrangement of a separation point for a wiring for a HVDC component, the wiring itself, or a passage with an electrode for connection to a line in the Ge housing of the HVDC component surrounds.
  • wall-like solids barriers are used, which can be advantageously constructed with thin ren wall thicknesses. This simplifies the arrangement of cable guides and associated with these separation points and feedthroughs, since the space in the housing components of HVDC components are often cramped.
  • Figure 1 is a schematic cross section through an insulating path, formed by an alternating sequence of transformer oil and solid barrier as an embodiment of the inventive insulation ⁇ arrangement and
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a dung OF INVENTION ⁇ proper insulation assembly installed in a HVDC transformer which is shown in section.
  • An electrical insulating section 18 according to FIG. 1 consists generally of several layers of cellulosic material 19, between which oil layers 20 are located. Also, the cellulosic material 19 is impregnated with oil, which is not shown in detail in Figure 1. For this, an impregnation 11 can be seen in FIG. 1 within the cellulosic material.
  • the insulation shown in Figure 1 surrounds, for example, in a Transforma ⁇ tor there coming windings, which must 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 of the individual insulation components results in the voltage U Q applied to the oil being approximately twice as high like those on the cellulosic material Voltage U p .
  • the impregnation 11 does not influence the stress distribution in the insulation according to the invention, since the permittivity number SB is also approximately at 4 and therefore the permittivity Scomp of the impregnated cellulosic material also at unge ⁇ ferry 4.
  • the voltage U Q acting on the oil is approximately twice as great as the voltage U C om P applied to the nanocomposite (cellulosic material).
  • the inventively introduced into the cellulosic material 19 impregnation 11 may, for. B.
  • FIG. 2 shows the section of an HVDC transformer.
  • the ⁇ ser is housed in a designated as boiler 21 housing. 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 umbrella Rings 24, 25 have a core 28 with a metallic surface 29 and a paper coil 30.
  • the inner 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 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.
  • Angle rings 27 can also be used in a manner not shown annular caps that the
  • the thickness of the cylindrical solids barriers 26 and the angle rings 27 is reduced.
  • space can be saved, since the width of the column 32 remains kon ⁇ constant and so the width of scattering channels 35 can be reduced.
  • This increases the scope for a constructive Ausges ⁇ taltung of the transformer according to the invention.
  • the transformer can be designed to save space. This is of particular importance for a currently emerging trend of HVDC components for ever higher Provide voltage ranges in particular of more than 1000 kV, in which the insulation arrangements always expansive who the.
  • there are specifications for the maximum size of the HVDC components which are preferably still to be transported by rail.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Isolationsanordnung für eine HGÜ-Komponente wie z. b. einem Transformator. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Feststoffbarrieren (26, 27) aus einem ein Cellulosematerial enthaltenden Komposit gefertigt sind, welcher im Vergleich zu unbehandeltem Cellulosematerial einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist. Vorteilhaft kann daher vorgesehen werden, dass die Wandstärke der Feststoffbarrieren (26, 27) verringert wird, so dass beispielsweise die Streukanalbreite (35) zwischen den einzelnen Elementen (22, 23) in der HGÜ-Komponente verringert werden kann. Hierdurch entsteht vorteilhaft ein vergrößerter konstruktiver Spielraum, der insbesondere zu einer kompakteren Bauweise führt. Die Erfindung kann insbesondere bei HGÜ-Transformatoren und HGÜ-Drosseln angewendet werden.

Description

Beschreibung
Isolationsanordnung für eine HGU-Komponente mit wandartigen Feststoffbarrieren
Die Erfindung eine Isolationsanordnung für eine HGÜ- Komponente, insbesondere einem Transformator oder eine Dros¬ sel, bestehend aus einer Folge von wandartigen Feststoffbarrieren aus einem Cellulosematerial , zwischen denen Zwischenräume für ein Transformatoröl vorgesehen sind und die zusam¬ men mit dem Transformatoröl eine Isolationsstrecke bilden.
Eine solche Isolationsanordnung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der EP 285 895 bekannt. Bei der HGÜ- Komponente handelt es sich beispielsweise um eine Durchfüh¬ rung für die elektrischen Anschlüsse eines HGÜ- Transformators, welche elektrisch isoliert und abgeschirmt werden müssen. Hierbei kommen Feststoffbarrieren aus Pressspan zum Einsatz, wobei der Pressspan gegenüber normalem Pressspan eine erhöhte Leitfähigkeit aufweist. Die Feststoff¬ barrieren bilden mehrere voneinander beabstandete Verschalungen um die Durchleitung, so dass dazwischen Spalte zur Befüllung mit Transformatorenöl entstehen. Die Folge von mit
Transformatoröl gefüllten Spalten und Feststoffbarrieren ergibt eine Isolierstrecke für die Durchführung.
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, au- ßerdem 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 beispiels- weise 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 Ener- gie 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 Polyani- lin 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 lonomere 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 wer- den, 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 elekt- ronische 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- sehen 0,1 und 1000 Qcm abgesenkt werden.
Gemäß der der nach dem Zeitpunkt dieser Anmeldung veröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2009 033 268.5 kann der Nanokomposit aus Cellulosematerial auch anderen mit halbleitenden 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, insbeson- dere BNNT hat den Vorteil, dass geringe Füllgrade von höchs¬ tens 5 Vol-% bevorzugt sogar höchstens 2 Vol-% in dem Iso¬ lierstoff ausreichen, um eine Perkolation der Nanoteilchen zu bewirken und damit die elektrische Leitfähigkeit des Nanokom- posits zu erhöhen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Isolationsanordnung für eine HGÜ-Komponente anzugeben, welche einen vergleichsweise großen gestalterischen Spielraum eröffnet, ins- besondere eine raumsparende Konstruktion erlaubt.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Isolationsan¬ ordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Feststoff¬ barrieren als Komposit ausgeführt sind, bestehend aus dem be- handelten Cellulosematerial , und dass die Wandstärke der
Feststoffbarrieren im Vergleich zur erforderlichen Wandstärke bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosemate- rials anstelle des Komposits verringert ist. Die Behandlung des Cellulosematerials erfolgt erfindungsgemäß dahingehend, dass Partikel mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand Pp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spe¬ zifischen Widerstand in einer Konzentration oberhalb der Per- kulationsschwelle verteilt sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen werden, dass ein zusammenhängendes Netz- werk eines leitfähigen Polymers mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand pp des unbehandelten Cellulosematerials geringeren spezifischen Widerstand den Komposit durchzieht. Die Herstellung eines solchen behandelten Cellulosematerials ist eingangs bereits erläutert worden.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die Ver¬ wendung eines behandelten Cellulosematerials in der angegebe¬ nen Weise den spezifischen Widerstand pCOmp automatisch ver¬ ringert. Diese Verringerung des spezifischen Widerstandes führt vorteilhaft zu einer Angleichung an den spezifischen Widerstand p0 von Transformatoröl, so dass bei Beanspruchung der Isolationsanordnung mit einem Gleichstrom die Spannung über die Isolationsstrecke vorteilhaft gleichmäßiger abfällt. Dies bedeutet, dass ein größerer Teil der Spannung über dem Transformatoröl abfällt und auf diese Weise die Belastung der Feststoffbarrieren verringert wird. Dieser an sich bekannte Effekt kann nun erfindungsgemäß auch für eine konstruktive Modifikation der Geometrie der Isolationsanordnung genutzt werden. Dies wird konkret dadurch erreicht, dass die Wand¬ stärke der Feststoffbarrieren verringert wird. Die Wandstärke der Feststoffbarrieren ist derzeit nämlich nicht aufgrund einer bestimmten geforderten mechanischen Stabilität ausgelegt, sondern aufgrund der elektrischen Belastung derselben, die aufgrund der Unterschiede des spezifischen Widerstandes von Transformatoröl und Cellulosematerialien bei Verwendung von unbehandeltem Cellulosematerial zwei bis drei Größenordnungen beträgt. Gewöhnlich liegt die Wandstärke der verwendeten Feststoffbarrieren bei HGÜ-Komponenten derzeit daher bei 3 bis 6 mm.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Feststoffbarrie¬ ren mit dem erfindungsgemäßen Cellulosematerial können die Wandstärken verringert werden, vorteilhaft um mindestens 25 %. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die zwischen den Feststoffbarrieren liegenden Spalte ihre berechnete Spaltwei¬ te unabhängig davon, ob ein behandeltes oder unbehandeltes Cellulosematerial für die Feststoffbarrieren verwendet wird, beibehalten. Hieraus kann vorteilhaft abgeleitet werden, dass bei Verwendung von Feststoffbarrieren mit verringerter Wandstärke der Platzbedarf der Isolationsanordnung insgesamt verringert wird. Besonders vorteilhaft können Feststoffbarrieren mit Wandstärken von mindestens 1 und höchstens 3 mm verwendet werden. Eine Wandstärke von 1 mm stellt hierbei eine mechani- sehe Auslegungsgrenze für die Feststoffbarrieren dar, damit diese noch eine genügende Stabilität im späteren Einsatz in der HGÜ-Komponente aufweisen. Dies bedeutet, dass bei den bisher gebräuchlichen Wandstärken von 3 bis 6 mm vorteilhaft bis zu 5 mm pro Feststoffbarriere an Bauraum eingespart wer¬ den kann. Im günstigsten Falle entsteht also eine Wandstärkenverringerung von ca. 83 %. Da die Isolationsanordnung aus mehreren Schalen (beispielsweise 5 - 10 Schalen) besteht und diese Materialeinsparung an jeder Feststoffbarriere anfällt, lässt sich vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Isolations¬ anordnung eine spürbar platzsparendere Lösung anbieten. Dies ist bei HGÜ-Komponenten wie beispielsweise Transformatoren vorteilhaft, da die zur Verfügung stehenden Raumbedingungen aufgrund der konstruktiven Vorgaben sehr beengt sind. Beispielsweise kann der zur Verfügung stehende Bauraum zwischen den Transformatorspulen durch die erfindungsgemäße Isolati¬ onsanordnung besser ausgenutzt werden. Gleichzeitig entsteht für die Isolierung trotz verringerten Bauraums eine höhere Durchschlagfestigkeit, was vorteilhaft durch die Betriebssi¬ cherheit der betreffenden HGÜ-Komponente verbessert.
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 erforderlich. Weitere HGÜ-Komponenten sind Trennstellen in solchen Leitungsführungen bzw. Durchführungen durch Gehäusebauteile, in denen andere HGÜ-Komponenten untergebracht sind. Neben den zu führenden Hochspannungsgleichströmen treten beispielsweise in Transformator- und Drosselspulen auch Wechselströme 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.
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 p0 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 pQ im Transformatoröl von 1012 Qm ausgegangen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wandstärke von benachbarten Feststoffbarrieren der Isolierstrecke abgestuft ist, wobei die Feststoffbarriere mit der größten Wandstärke in dem Bereich der Isolatierstre- cke vorgesehen ist, wo die Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes im Vergleich zu den anderen Bereichen der Iso- lierstrecke am dichtesten beieinander liegen. Genauso kann vorteilhaft alternativ oder zusätzlich vorgesehen werden, dass der spezifische Widerstand von benachbarten Feststoff¬ barrieren der Isolierstrecke abgestuft ist, wobei die Fest- stoffbarriere mit dem geringsten spezifischen Widerstand in dem Bereich der Isolierstrecke vorgesehen ist, wo die Äquipo¬ tentialflächen des elektrischen Feldes im Vergleich zu den anderen Bereichen der Isolierstrecke am dichtesten beieinander liegen. Der Bereich, in dem die Äquipotentialflächen am dichtesten beieinander liegen, liegt normalerweise an demje- nigen Ende der Isolierstrecke vor, das näher an der zu iso¬ lierenden HGÜ-Komponente liegt. Handelt es sich beispielswei¬ se um eine Transformatorspule, so beginnt die Isolierstrecke mit der innersten Feststoffbarriere, wo auch die Äquipotenti¬ alflächen des elektrischen Feldes am dichtesten beieinander liegen. Die Isolierstrecke ist weiterhin durch die Folge der im Falle einer Transformatorspule konzentrisch ineinander liegenden weiteren Feststoffbarrieren definiert. Diese liegen jedoch in Bereichen, wo der Abstand der Äquipotentialflächen vergleichsweise bereits größer ist.
Die Abstufung der Wandstärke der benachbarten Feststoffbarrieren bzw. des spezifischen Widerstandes der benachbarten Feststoffbarrieren berücksichtigt vorteilhaft die Verteilung der elektrischen Feldstärke, so dass der Materialeinsatz je- weils auf die lokal vorliegende Feldstärke optimiert werden kann. Auf diese Weise können vorteilhaft die Wandstärken der Feststoffbarrieren über die gesamte Isolierstrecke optimiert werden, was vorteilhaft zur größtmöglichen Einsparung von Bauraum führt. Werden zusätzlich die spezifischen Widerstände der Feststoffbarrieren unterschiedlich eingestellt, so kann beispielsweise Imprägnierungsmaterial für die Feststoffbar¬ rieren eingespart werden, wodurch die Materialkosten verringert werden.
Vorteilhafte Verwendungsmöglichkeiten für die Isolationsanordnung liegen beispielsweise in der Ausführung als Wicklungsisolierung für Transformatorspulen oder Drosselspulen. Diese Spulen werden an ihren Mantelflächen durch Feststoffbarrieren in Form von Zylindern beispielsweise aus Pressspan isoliert. Im Bereich der Stirnflächen der Spulen werden Winkelringe und Kappen angeordnet, welche ebenfalls als wandar¬ tige Feststoffbarrieren ausgeführt sind. All diese Bauteile profitieren von der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit im Vergleich zu unbehandeltem Cellulosematerial verringertem spezifischem Widerstand, so dass vorteilhaft die Wandstärke all dieser einzelnen Feststoffbarrieren verringert werden kann .
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Isolationsanordnung einer Trennstelle für eine Leitungsführung für eine HGÜ- Komponente, die Leitungsführung selbst, oder eine Durchführung mit einer Elektrode zum Anschluss an eine Leitung im Ge häuse der HGÜ-Komponente umgibt. Auch hier kommen wandartige Feststoffbarrieren zum Einsatz, welche vorteilhaft mit dünne ren Wandstärken aufgebaut sein können. Dies vereinfacht die Anordnung von Leitungsführungen und mit diesen verbundenen Trennstellen sowie Durchführungen, da die Platzverhältnisse in den Gehäusebauteilen von HGÜ-Komponenten häufig beengt sind .
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind dabei mit jeweils den gleichen Be- zugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen: Figur 1 den schematischen Querschnitt durch eine Isolierstrecke, gebildet durch eine abwechselnde Folge von Transformatoröl und Feststoffbarrieren als Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Isolations¬ anordnung und
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfin¬ dungsgemäße Isolationsanordnung, eingebaut in einen HGÜ-Transformator, der im Schnitt dargestellt ist. Eine elektrische Isolierstrecke 18 gemäß Figur 1 besteht all¬ gemein aus mehreren Lagen aus Cellulosematerial 19, zwischen denen Ölschichten 20 liegen. Auch das Cellulosematerial 19 ist mit Öl getränkt, was in Figur 1 nicht näher dargestellt ist. Dafür ist in Figur 1 innerhalb des Cellulosematerials eine Imprägnierung 11 zu erkennen. Die gemäß Figur 1 dargestellte Isolierung umgibt beispielsweise in einem Transforma¬ tor 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 UQ 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 UQ 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. Berücksich¬ tigt 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 untergebracht. 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 Schirm- ringe 24, 25 weisen einen Kern 28 mit einer metallischen 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 ein- zelnen Elementen der Isolationsanordnung fließt und diese ausfüllt. Die Feldlinien 33 durchdringen außerdem auch einen Druckring 34 aus Blockspan. Daher kann mit der erfindungsgemäßen 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.
Das mechanische Zusammenwirken der einzelnen Bauelemente ist in Figur 2 nicht näher dargestellt. Statt der verwendeten
Winkelringe 27 können außerdem in nicht näher dargestellter Weise auch ringförmige Kappen verwendet werden, die die
Schirmringe 24, 25 auf der den Wicklungen 22, 23 abgewandten Seite umschließen.
Erfindungsgemäß ist die Dicke der zylindrischen Feststoffbarrieren 26 sowie der Winkelringe 27 verringert. Hierdurch kann Bauraum eingespart werden, da die Breite der Spalte 32 kon¬ stant bleibt und so die Breite von Streukanälen 35 verringert werden kann. Hierdurch steigt für eine konstruktive Ausges¬ taltung des erfindungsgemäßen Transformators der Spielraum. Insbesondere kann der Transformator platzsparender ausgeführt werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für eine derzeit sich abzeichnenden Tendenz HGÜ-Komponenten für immer höhere Spannungsbereiche insbesondere von über 1000 kV vorzusehen, bei denen die Isolationsanordnungen immer raumgreifender wer den. Andererseits bestehen Vorgaben für die maximale Größe der HGÜ-Komponenten, die vorzugsweise noch mit der Bahn transportiert werden sollen.

Claims

Patentansprüche
1. Isolationsanordnung für eine HGÜ-Komponente, insbesondere einen Transformator oder eine Drossel, bestehend aus einer Folge von wandartigen Feststoffbarrieren (26, 27) aus einem Cellulosematerial , zwischen denen Zwischenräume (32) für ein Transformatoröl vorgesehen sind und die zusammen mit dem Transformatoröl eine Isolierstrecke bilden,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Feststoffbarrieren (26, 27) als Komposit ausgeführt sind, bestehend aus dem behandelten Cellulosematerial (19),
• in dem Partikel (11) mit einem im Vergleich zum spezifischen Widerstand pp des unbehandelten Cellulosematerials (19) geringeren spezifischen Widerstand in einer Kon- zentration 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 (19) ge- ringeren spezifischen Widerstand den Komposit durchzieht und dass die Wandstärke der Feststoffbarrieren (26, 27) im Vergleich zur erforderlichen Wandstärke bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials an Stelle des Komposits verringert ist.
2. Isolationsanordnung 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 höchstens bei 5 mal 1013 Qm liegt.
3. Isolationsanordnung 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 das ein- bis zwanzigfache des spezifischen Widerstandes p0 des Trans¬ formatoröls beträgt.
4. Isolationsanordnung 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 größenord¬ nungsmäßig dem spezifischen Widerstand pQ von Transformatoröl entspricht .
5. Isolationsanordnung 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 Wandstärke der Feststoffbarrieren (26, 27) im Ver- gleich zur erforderlichen Wandstärke bei Verwendung des betreffenden unbehandelten Cellulosematerials an Stelle des Komposits um mindestens 25 % verringert ist.
6. Isolationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Wandstärke der Feststoffbarrieren (26, 27) mindestens 1 mm und höchstens 3 mm beträgt.
7. Isolationsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Wandstärke von benachbarten Feststoffbarrieren (26. 27) der Isolierstrecke abgestuft ist, wobei die Feststoffbar¬ riere mit der größten Wandstärke in dem Bereich der Isolier- strecke vorgesehen ist, wo die Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes im Vergleich zu den anderen Bereichen der Isolierstrecke am dichtesten beieinander liegen.
8. Isolationsanordnung 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 Feststoff- barrieren (26, 27) der Isolierstrecke abgestuft ist, wobei die Feststoffbarriere mit dem geringsten spezifischen Widerstand in dem Bereich der Isolierstrecke vorgesehen ist, wo die Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes im Vergleich zu den anderen Bereichen der Isolierstrecke am dichtesten beieinander liegen.
9. Isolationsanordnung 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 diese als Wicklungsisolierung für eine Transformatorspu¬ le (22, 23) oder Drosselspule ausgeführt ist.
10. Isolationsanordnung 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 diese eine Trennstelle für eine Leitungsführung der HGÜ- Komponente umgibt.
11. Isolationsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass diese eine Durchführung mit einer Elektrode zum An- schluss an eine Leitung im Gehäuse der HGÜ-Komponente umgibt.
PCT/EP2011/074085 2011-01-07 2011-12-27 Isolationsanordnung für eine hgü-komponente mit wandartigen feststoffbarrieren WO2012093053A1 (de)

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