DE10009474C1

DE10009474C1 - Schichtdielektrikum

Info

Publication number: DE10009474C1
Application number: DE2000109474
Authority: DE
Inventors: Gerhard Salge; Friedrich Koenig
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2020-02-29

Abstract

Zwischen zwei hochspannungsführenden Elektroden (1, 2) ist ein Dielektrikum angeordnet, welches eine Isoliergasschicht (4) und eine Feststoffisolierungsschicht (3) enthält. Zwischen der Isoliergasschicht (4) und der Feststoffisolierungsschicht (3) ist eine halbleitende Beschichtung (5) auf die Feststoffisolierungsschicht (3) aufgetragen, welche eine nichtlineare, von der elektrischen Feldstärkeabhängige Leitfähigkeit aufweist. DOLLAR A Mit der Beschichtung (5) kann die Ausbreitung von allfällig auftretenden Gasentladungen entlang der Oberfläche der Feststoffisolierungsschicht (3) behindert werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Dielektrikum zwischen zwei Elektroden gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

In vielen technischen Anwendungen, beispielsweise in Hochspannungsdurchführungen, Kabelendverschlüssen oder gasisolierten Systemen mit zusätzlicher, laminar geschichteter Feststoffisolierung, müssen Gasentladungen möglichst vermieden werden. Dies ist mit Dielektrika der eingangs genannten Art, welche eine Isoliergas- und eine Feststoffisolierungsschicht umfassen, beispielsweise über eine ausreichende Dimensionierung der Anlage zu erreichen.

'Mechanisms Of Surface Flashover Along Solid Dielectrics In Compressed Gases' [Sudarshan/Dougal, IEEE Transactions on Electrical Insulation Vol. El-21 No. 5, October 1986] enthält eine Aufzählung verschiedener Möglichkeiten, wie das Entstehen von Gasentladungen verhindert werden kann.

In US 4,473,765 ist ein Dielektrikum im Innern einer elektrischen Maschine beschrieben, welches zwischen anderen Feststoffisolationsschichten eine SiC enthaltende, halbleitende Schicht mit einer nichtlinearen, spannungsabhängigen Leitfähigkeit umfasst. Diese Schicht erhöht ihre Leitfähigkeit, sobald ein elektrisches Feld im Bereich von einigen kV pro Zoll anliegt. Auf diese Art soll ebenfalls verhindert werden, dass es zu einer lokalen, ausreichend starken elektrischen Feldüberhöhung kommt, die die Zündung einer Gasentladung ermöglicht.

Falls Gasentladungen zwischen zwei durch ein Dielektrikum der eingangs genannten Art getrennten Elektroden mit einem überhöhten Potentialunterschied dennoch auftreten, breiten sie sich in der Isoliergasschicht entlang der Oberfläche der Feststoffisolierungsschicht mit sehr geringem Spannungsabfall pro Länge (< 1 kV/cm) und sehr hoher Geschwindigkeit (< 100 km/s) aus. Durch Anbringung von Feststoffbarrieren auf der Oberfläche der Feststoffisolierungsschicht kann die Ausbreitung der Entladung gestoppt werden. Wegen des geringen Spannungsabfalls pro Länge der Gasentladung entlang der Oberfläche der Feststoffisolierungsschicht liegt jedoch praktisch der volle Potentialunterschied an der Barriere an.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Dielektrikum der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Ausbreitung von Gasentladungen entlang der Oberfläche einer Feststoffisolierungsschicht massgeblich behindert.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass auf der Feststoffisolierung eine Beschichtung mit halbleitenden Materialien aufgetragen ist, welche eine nichtlineare, von der elektrischen Feldstärke abhängige Leitfähigkeit aufweist. Eine allfällig auftretende Gasentladung dringt, da die elektrische Feldstärke am Kopf der Gasentladung wesentlich grösser ist als die intrinsische Feldstärke der Beschichtung und sich dadurch die Leitfähigkeit der Beschichtung erhöht, in die Beschichtung ein und breitet sich darin aus. Dank des erhöhten Spannungsabfalls pro Länge im Innern der Beschichtung wird die Gasentladung in ihrer Ausbreitung jedoch massgeblich behindert. Beim eventuellen Wiederaustritt aus der Beschichtung ist somit das Potential am Kopf der Gasentladung reduziert, so dass die Gasentladung von auf der Oberfläche der Feststoffisolierung angebrachten Barrieren erheblich einfacher aufgehalten werden kann.

Die Beschichtung enthält vorzugsweise einen Lack, welcher eine starke Veränderung der intrinsischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke aufweist.

Die Beschichtung wird vorteilhafterweise in einer Dicke von wenigstens 100 µm aufgetragen. Dadurch kann verhindert werden, dass ein durch die Gasentladung gespeister, in der Beschichtung fliessender Strom thermische Schäden verursacht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 Einen schematischen Aufbau des erfindungsgemässen Dielektrikums, und

Fig. 2 eine Versuchsanordnung mit dem Dielektrikum nach Fig. 1.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Ein schematischer Aufbau des erfindungsgemässen Dielektrikums ist in Fig. 1 dargestellt. In einem Hohlraum zwischen zwei einander gegenüberliegend angeordneten Metallelektroden 1 und 2 ist eine Schicht aus Isoliergas 4, beispielsweise Luft oder SF₆, eingebracht. Auf der unteren der beiden Metallelektroden 2 ist eine Schicht aus einer Feststoffisolierung 3, beispielsweise Polyäthylen, angebracht. Zwischen der Isoliergasschicht 4 und der Feststoffisolierungsschicht 3 ist eine flächenartig ausgebildete, orthogonal zu zwischen den Elektroden verlaufenden Feldlinien ausgedehnte Beschichtung 5 auf der Feststoffisolierungsschicht 3 aufgetragen. Die Beschichtung 5 enthält halbleitende Materialien, beispielsweise SiC oder ZnO, und weist eine nichtlineare, von der elektrischen Feldstärke abhängige Leitfähigkeit auf.

Zwischen den beiden Metallelektroden 1 und 2 liegt eine Spannung U an. Übersteigt die Spannung U einen kritischen Wert, kommt es im Bereich einer Feldinhomogenität zur Zündung einer Gasentladung in der Isoliergasschicht 4. Zu Versuchszwecken ist eine Feldinhomogenität in Form einer Nadelelektrode 6 an der oberen Metallelektrode 1 in die Isoliergasschicht 4 eingebracht. Die Gasentladung startet an der Spitze der Nadelelektrode 6 und erreicht die Oberfläche der beschichteten Feststoffisolierung 3. Da die elektrische Feldstärke am Kopf der Gasentladung wesentlich grösser ist als die intrinsische Feldstärke der Beschichtung 5, ändert sich die Leitfähigkeit der Beschichtung 5. Der Entladungsstrom fliesst durch einen von der Gasentladung gebildeten Kanal bis zur Oberfläche der Beschichtung 5 und weiter durch die Beschichtung 5. An der Oberfläche der Beschichtung 5 ist in der Folge keine sichtbare Gasentladung mehr auszumachen. Im Inneren der Beschichtung 5 wird das Potential entlang der Oberfläche mit der intrinsischen Feldstärke der Beschichtung 5 abgebaut.

Am Ende der Beschichtung 5 kommt es, falls das dortige Potential noch genügend gross ist um die für eine Zündung notwendige elektrische Feldstärke zu verursachen, zu einer erneuten, sichtbaren Gasentladung entlang der Oberfläche der Polyäthylenschicht 3.

Die Beschichtung 5 wird vorteilhafterweise in einer Dicke von wenigstens 100 µm aufgetragen. Dadurch kann verhindert werden, dass der durch die Gasentladung, bzw. in der Beschichtung 5 fliessende Strom thermische Schäden verursacht. Die Dicke der Feststoffisolierungsschicht 3 ist von der Anwendung abhängig, beträgt aber vorteilhafterweise mindestens 3 mm.

In Fig. 2 ist eine Versuchsanordnung abgebildet, mit der die Ausdehnung der Gasentladung entlang der Oberfläche einer Feststoffisolierungsschicht ermittelt werden kann. Die Versuchsanordnung umfasst ein geschichtetes Dielektrikum, bestehend aus atmosphärischer Luft und einer Feststoffisolierungsschicht 3 aus Polyäthylen. Die Polyäthylenschicht hat eine Dicke von 8 mm. 8 mm oberhalb der Polyäthylenschicht ist eine Nadelelektrode 6 angebracht. Unterhalb der Polyäthylenschicht ist eine Erdpotentialelektrode 21 in Form eines Kupferstreifens angebracht, welcher in seiner Mitte isolierte Löcher zum Anbringen von kapazitiven Spannungssensoren S₁ bis S₄ aufweist. Die Spannungssensoren sind in ihrem Abstand zur Nadelelektrode variabel verstellbar angeordnet und dienen dem Messen der Ausdehnung der Gasentladung entlang der Oberfläche.

Nach Anlegen einer sprungförmigen Spannung U von 160 kV an der Nadelelektrode wird mit der Versuchsanordnung die Ausdehnung der Gasentladung entlang der Oberfläche der Polyäthylenschicht gemessen. Für eine unbeschichtete Polyäthylenschicht wird dabei eine Entladungsausdehnung von ca. 500 mm gemessen.

Anschliessend wird bei einer zweiten Versuchsanordnung auf die Polyäthylenschicht eine dünne Beschichtung aus einem grauen, lösungsmittelhaltigen Zweikomponentenlack auf Epoxid-Basis mit spannungsabhängiger Leitfähigkeit aufgetragen. Bei unveränderten Rahmenbedingungen resultiert bei dieser zweiten Versuchsanordnung eine Entladungsausdehnung von ca. 100 mm.

BEZEICHNUNGSLISTE

1

,

2

Metallelektroden

21

Kupferstreifen, Erdpotentialelektrode

3

Feststoffisolierungsschicht

4

Isoliergasschicht

5

Beschichtung

6

Nadelelektrode
S₁

-S₄

Kapazitive Spannungssensoren
U Spannungsquelle

Claims

1. Dielektrikum, welches zwischen zwei hochspannungsführenden Elektroden (1, 2) angeordnet ist, mit

- einer ersten Schicht aus einem Isoliergas (4), und
- einer zweiten, auf mindestens einer der beiden Elektroden (1, 2) aufgebrachten Schicht aus einer Feststoffisolierung (3),

dadurch gekennzeichnet, dass

- zwischen der Isoliergasschicht (4) und der Feststoffisolierungsschicht (3) eine flächenartig ausgebildete Beschichtung (5) zumindest auf einen Teil der Feststoffisolierungsschicht (3) aufgetragen ist, und dass
- die Beschichtung (5) halbleitend ist und eine nichtlineare, von der elektrischen Feldstärke abhängige Leitfähigkeit aufweist.

2. Dielektrikum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Beschichtung (5) halbleitendes Material enthält.

3. Dielektrikum nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Beschichtung (5) eine Dicke von wenigstens 100 µm aufweist.

4. Dielektrikum einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Feststoffisolierungsschicht (3) wenigstens eine Dicke von 3 mm aufweist.

5. Dielektrikum nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine erste der beiden Elektroden als Kapselungsrohr ausgebildet ist, welches die als Stromleiter ausgebildete zweite Elektrode umschliesst.