DE102017201326A1

DE102017201326A1 - Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlage

Info

Publication number: DE102017201326A1
Application number: DE102017201326.5A
Authority: DE
Inventors: Katrin Benkert; Werner Hartmann; Martin Koletzko
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-08-02
Also published as: CN110226211B; EP3559968B1; EP3559968A1; US10930454B2; KR102258591B1; JP6999680B2; US20200027673A1; JP2020507886A; WO2018137903A1; CN110226211A; KR20190104222A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlagen (3) mit mindestens einem achsensymmetrischen isolierenden Strukturelement (2). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Strukturelement (2) mindestens zwei ringförmige Basisbereiche (4) aufweist, die durch einen ringförmigen Sperrbereich (6) voneinander getrennt sind, wobei die relative Permittivität des Materials des Sperrbereichs (6) mindestens zweimal so hoch ist, wie die relative Permittivität des Materials des Basisbereiches.

Description

Die Erfindung betrifft eine Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Als Isolatormaterial in Hoch- bzw. Mittelspannungsanlagen, insbesondere Schaltanlagen wird häufig als isolierendes Material ein keramischer Werkstoff eingesetzt. Die Isolierfähigkeit dieser Festkörper ist im Allgemeinen recht hoch, durch Defekte in der Gitterstruktur bzw. Kornstruktur der keramischen Materialien kann es bei hohen Spannungen, insbesondere höhere als 72kV zu einem Durchschlag kommen. D. h. die Durchbruchsfeldstärke E_bd wird bei diesen Materialien ab einer kritischen elektrischen Spannung bzw. eines kritischen Potentials erreicht. Die durch die angesprochenen Defekte beeinflusste kritische Durchbruchsfeldstärke E_bd kann jedoch nicht alleine dadurch erhöht werden, in dem man den keramischen Isolator entsprechend dicker bzw. länger ausgestaltet. Dies liegt daran, da durch eine Vergrößerung der Dicke bzw. Länge des Isolators keine lineare Zunahme der Durchbruchsfeldstärke E_bd stattfindet, sondern dass zwischen der Dicke bzw. Länge eines Isolators und dessen Durchbruchsfeldstärke ein im Wesentlichen wurzelförmiger Zusammenhang besteht. D. h. durch eine hohe Steigerung der Dicke bzw. Länge des Isolators kann eine nur relativ niedrige Steigerung der Durchbruchsfeldstärke erzielt werden. Durch diesen wurzelförmigen Zusammenhang zwischen Dicke und Durchbruchsfeldstärke müsste somit die Materialausdehnung des Isolierstoffes bzw. des Isolierelementes überproportional erhöht werden, um eine signifikante Steigerung der Durchbruchsfeldstärke zu erzielen. Dies ist zwar technisch bis zu einem gewissen Grade möglich, jedoch nicht wirtschaftlich realisierbar.
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- bzw. Mittelspannungsanlage bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine Erhöhung der Durchbruchsfeldstärke der Isolatoranordnung bei konstanten geometrischen Ausdehnungen gewährleistet.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- und Mittelspannungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlage gemäß Patentanspruch 1 weist mindestens ein Strukturelement auf, das achsensymmetrisch ausgestaltet ist. Eine typische symmetrische Ausgestaltung des Strukturelementes wäre eine Zylinderform, die jedoch auch konisch verlaufen kann, vom Querschnitt ist auch eine elliptische Verzerrung grundsätzlich technisch möglich. Dabei weist das Strukturelement mindestens zwei ringförmige Basisbereiche auf, die durch einen ebenfalls ringförmigen Sperrbereich voneinander getrennt sind. Unter ringförmig wird hierbei eine Zylinderform verstanden, die ebenfalls konisch bzw. hohlkegelförmig verlaufen kann, die einen kreisrunden oder elliptischen Querschnitt aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Permittivität des Materials des Sperrbereiches mindestens zweimal so hoch ist wie die Permittivität des Materials des Basisbereichs.
Durch die Einfügung von Sperrbereichen bzw. mindestens eines Sperrbereichs zwischen zwei Basisbereiche der Isolatoranordnung mit einer deutlichen Erhöhung der Permittivität des Sperrbereichs gegenüber des Basisbereichs von mindestens einem Faktor 2, wird in den Sperrbereichen die elektrische Feldstärke des durch die Hochspannungsanlage induzierten elektrischen Feldes gegenüber den Basisbereichen deutlich erniedrigt. Man spricht hierbei von feldschwachen Bereichen, im Idealfall handelt es sich um feldfreie Bereiche. Diese Feldschwächung wird durch das Verhältnis der relativen Permittivität des Materials der Basisbereiche und der relativen Permittivität der Sperrbereiche bestimmt. Dadurch wird die Keramik intern elektrisch in kurze axiale Stücke unterteilt, wodurch sich die elektrische Festigkeit der Teilstrecke wie auch das der gesamten Isolatoranordnung stark erhöht.
Unter der Permittivität ε, die auch als die elektrische Leitfähigkeit oder die elektrische Funktion bezeichnet wird, wird dabei die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder verstanden. Auch das Vakuum weist eine Permittivität auf, die auch als die elektrische Feldkonstanze ε₀ bezeichnet wird. Die relative Permittivität ε_r eines Stoffes ergibt sich dabei aus dem Verhältnis seiner tatsächlichen Permittivität ε zu der elektrischen Feldkonstante ε₀: $ε_{r} = ε/ ε_{0} .$
Im Weiteren wird hier bei der Permittivität jeweils von der relativen Permittivität ε_r in Gleichung 1 beschrieben, gesprochen.
Durch einen Unterschied um einen Faktor 2 zwischen den relativen Permittivitäten des Basisbereiches und des Sperrbereiches kann bereits eine signifikante Abschwächung des elektrischen Feldes in den Sperrbereichen beobachtet werden. Grundsätzlich gilt jedoch, dass die Schwächung des elektrischen Feldes in den Sperrbereichen und somit die daraus bewirkte Segmentierung der Basisbereiche in elektrisch voneinander entkoppelten Bereichen umso stärker wirkt, umso höher die relative Permittivität in den Sperrbereichen ist, also umso höher der Faktor zwischen der Permittivität des Sperrbereiches und der Permittivität des Basisbereichs ist. Dabei hat es sich herausgestellt, dass es noch vorteilhafter ist, wenn die relative Permittivität des Sperrbereiches mindestens fünfmal so hoch ist, wie die Permittivität des Basisbereiches, insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sie mindestens zehnmal bzw. besonders vorteilhaft mindestens 100mal so hoch ist, wie die Permittivität des Basisbereiches.
Eine derartig hohe Permittivität lässt sich insbesondere durch ein Titanat, also einem Salz der Titansäure, insbesondere dem Bariumtitanat erzielen. Eine vorteilhafte Kombination ist dabei als Material für den Basisbereich ein Aluminiumoxid bzw. ein Material, das Aluminiumoxid umfasst und für den Sperrbereich ein Material auf Basis eines Titanates, insbesondere Bariumtitanat oder Calziumtitanat. Auch das Titanoxid weist eine hohe Permittivität auf und ist als Material oder als Materialbestandteil des Sperrbereichs geeignet.
Dabei liegt die relative Permittivität des Materials des Basisbereichs üblicherweise und bevorzugt zwischen 5 und 25. Dabei ist die relative Permittivität eine einheitslose Größe, die, wie besagt, sich aus dem Verhältnis der Gesamtpermittivität und der elektrischen Feldkonstante ε₀ ergibt. Die relative Permittivität des Materials des Sperrbereichs liegt im Gegensatz dazu mindestens zweimal so hoch, wie die relative Permittivität des Basisbereiches also mindestens weist sie einen Betrag 10 auf und ergibt sich in einem Bereich zwischen 10 und 10.000. Besonders bevorzugt ergibt sich die relative Permittivität des Steuerbereichs in einem Bereich zwischen 100 und 10.000, besonders bevorzugt zwischen 1.000 und 10.000.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, dass sich die Längenausdehnung der Basisbereiche in Richtung der Symmetrieachse zwischen einem Wert von 5 mm und 50 mm belaufen. Es hat sich herausgestellt, dass in diesen Längenbereichen der Basisbereiche sich eine besonders gute Segmentierung der Isolatoranordnung bzw. des Strukturelementes ergeben. Das gleiche gilt für eine Längenausdehnung der Sperrbereiche, die zwischen 0,1 mm und 5 mm beträgt.
Es ist ebenfalls zweckmäßig, dass das Verhältnis der Längenausdehnung eines jeweiligen Basisbereiches zu einer jeweiligen Längenausdehnung des dazugehörigen Sperrbereiches einen Betrag zwischen 10 und 100 aufweist.
Es ist zweckmäßig, dass die beschriebene Isolatoranordnung Bestandteil einer Hochspannungs- oder Mittelspannungsschaltanlage ist, wobei es sich dabei sowohl um eine Vakuumschaltanlage als auch um eine gasisolierter Schaltanlage handeln kann.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn an einer Innenwand des isolierenden Strukturelementes Schirmelemente angebracht sind, die zur Umlenkung und Ableitung des elektrischen Feldes und zu einer homogeneren Verteilung der Äquipotentiallinien in dem Material des Strukturelementes dienen. Diese Schirmelemente bzw. auch Schirmbleche genannt, sind bevorzugt so angeordnet, dass sie in dem Strukturelement dort befestigt sind, wo ein Sperrbereich vorliegt. Unter Äquipotentiallinien werden dabei Linien mit demselben elektrischen Potential verstanden. Sie stehen auf korrespondierenden Feldlinien des dazu gehörigen elektrischen Feldes senkrecht und weißen eine vergleichbare Dicht auf. Engverlaufende Äquipotentiallinien korrespondieren mit engen Feldlinien, ebenso führen auseinander gezogenen Äquipotentiallinien zu auseinander gezogenen Feldlinien.
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen. Dabei zeigen:

1 eine Hochspannungsschaltanlagen mit einer Isolatoranordnung nach dem Stand der Technik,
2 eine projizierte Ansicht eines isolierenden Strukturelementes mit Basisbereichen und Sperrbereichen,
3 eine dreidimensionale Draufsicht auf das Strukturelement nach 2,
4 ein halbierter Querschnitt durch ein Strukturelement gemäß 2 mit eingezeichneten Äquipotentiallinien,
5 eine analoge Darstellung wie in 4 jedoch mit zusätzlichen Schirmelementen.

In 1 ist eine Darstellung einer Hochspannungsschaltanlage 3 gegeben, die einen Schaltraum 26 aufweist, in dem zwei Schaltkontakte 24 axial beweglich zueinander dargestellt sind, wobei durch eine axiale Bewegung zumindest eines des Schaltkontaktes ein elektrischer Kontakt hergestellt bzw. getrennt werden kann. Ferner weist die Schaltanlage 3 Isolatoranordnungen 1 auf, die mindestens ein insolierendes Strukturelement 2 umfassen. Bei der hier dargestellten Schaltanlage nach 1 weist die Isolatoranordnung 1 drei Strukturelemente 2 auf. Grundsätzlich und bevorzugt besteht die Isolatoranordnung 1 jedoch möglichst nur aus einem Strukturelement 2. Im Weiteren wird auf die Möglichkeit, dies zu realisieren, noch näher eingegangen werden. Bei einer Isolatoranordnung 1 gemäß des Standes der Technik werden in der Regel mehrere Strukturelemente, die insbesondere aus einer Oxidkeramik beispielsweise Aluminiumoxidkeramik bestehen, durch ein entsprechendes Fügeverfahren zu der gesamten Isolatoranordnung 1 zusammengefügt. Durch das Fügen mehrerer herkömmlicher Strukturelemente ist es möglich, eine Segmentierung zu erzielen, was wiederum zu einer höheren Durchbruchsfeldstärke und somit zu einer starken Spannungssteigerung führt. Dabei wird die Länge der Isolatoranordnung 1 in ihre axiale Richtung insbesondere durch ihre Durchbruchsfeldstärke bzw. ihre maximale isolierbare Spannung bestimmt.
In 2 ist ein Strukturelement 2 dargestellt, das sowohl Basisbereiche 4 als auch Sperrbereiche 6 aufweist. Die Basisbereiche 4 weisen dabei eine axiale Längenausdehnung 8 auf, die größer ist als eine axiale Längenausdehnung 12 der Sperrbereiche 6. Es sind jeweils zwei Basisbereiche 4 durch einen Sperrbereich 6 voneinander getrennt. Die axiale Ausdehnung wird jeweils entlang der Rotationsachse 10 beschrieben. In 3 ist zur besseren Übersichtlichkeit das gleiche isolierende Strukturelement 2 aus 2 in einer dreidimensionalen Darstellung gegeben. In den 4 und 5 ist jeweils der Äquipotentiallinienverlauf von Äquipotentiallinien 16 eines elektrischen Feldes, das durch den im Schaltraum 26 vorliegende elektrische Stromfluss induziert wird, gegeben. Dabei ist nur die rechte Hälfte des Querschnittes des Strukturelementes 2 dargestellt. Am linken äußeren Rand befindet sich die Symmetrieachse 10, in der Mitte der Darstellung gemäß 4 und auch gemäß 5 ist ein Schnitt durch die Basisbereiche 4 und durch die Sperrbereiche 6 gegeben. Dabei unterteilen sich die 4 und 5 jeweils links im Bild in einen Bereich 18 innerhalb des Strukturelementes und in einen Bereich 22 außerhalb des Strukturelementes sowie in einen Bereich 20, der den Schnitt durch das Material des Strukturelementes darstellt.
Ausgehend von der Symmetrieachse 10 wird ein homogenes elektrisches Feld, das durch die Äquipotentiallinien 16 beschrieben wird, dargestellt. Die Homogenität des Feldes im Bereich 18 zeigt sich durch den relativ gleichmäßigen Abstand zwischen den Äquipotentiallinien 16. Hingegen ist im Bereich 22 außerhalb des Strukturelementes 2 der Äquipotentiallinienverlauf sehr unterschiedlich, hier liegen Bereiche mit einer hohen Äquipotentialliniendichte vor, in dem ein starkes elektrisches Feld vorherrscht und ein Bereich mit weit auseinandergezogenen Äquipotentiallinien 16, in dem ein schwächeres elektrisches Feld vorliegt. Auffällig ist, dass in den Sperrbereichen 6 nahezu keine Äquipotentiallinien 16 vorliegen, was bedeutet, dass in den Sperrbereichen 6 ein äußerst schwaches bzw. im Idealfall nicht vorhandenes elektrisches Feld vorherrscht. Dies wiederum führt dazu, dass eine elektrische Segmentierung des isolierenden Strukturelementes also des keramischen Isolators durch die Sperrbereiche 6 erzeugt wird. Die Basisbereiche 4 wirken somit wie weitere untergeordnete isolierende Strukturelemente, die elektrisch von ihrem Nachbarbasisbereich getrennt sind und zwar durch den Sperrbereich 6.
Eine analoge Darstellung hierzu ist in 5 gegeben, wobei die Äquipotentiallinien auch hier in den Sperrbereichen 6 nahezu nicht vorkommen und somit die beschriebene Segmentierung zwischen Basisbereichen erzielt wird. 5 zeigt jedoch noch weitere Schirmelemente 14, die auch als Schirmbleche 14 bezeichnet werden, die eine gezielte und optimierte Lenkung der Äquipotentiallinien 16 bewirken. Entsprechende Schirmelemente 14 sind auch in 1 entsprechend dargestellt. Die Schirmelemente 14 sind bevorzugt so ausgestaltet, dass sie in Sperrbereichen 6 im Strukturelement 2 verankert sind.
Das Reduzieren der Äquipotentiallinien 16 bzw. des so dargestellte elektrische Feldes 16 in den Sperrbereichen 6 des Strukturelementes 2 wird dadurch erzielt, dass das Material der Sperrbereiche 6 eine relative Permittivität aufweist, die mindestens zweimal so hoch ist, wie die relative Permittivität der Basisbereiche 4. Auf diese Weise wird das elektrische Feld praktisch aus den Sperrbereichen 6 herausgedrängt. Dies wiederum bewirkt, dass es zu einer elektrischen Segmentierung des Strukturelementes 2 in die Basisbereiche 4 kommt. Dies wiederum hat eine ähnliche Wirkung auf die Durchbruchsfeldstärke, wie das Aneinanderfügen von mehreren Strukturelementen, wie es in 1 mit der Bezeichnung 2' für das Strukturelement dargestellt ist. Grundsätzlich ist das Fügen von Strukturelementen 2 zu einer Isolatoranordnung 1 nicht anzustreben, da es sich hierbei um kostenintensive Arbeitsvorgänge handelt, die eine Qualitätssicherung und einen hohen technischen Aufwand erfordern, um eine Vakuumdichtigkeit bzw. Gasdichtigkeit zu gewährleisten. Somit ist es durch die beschriebene Anordnung des Strukturelementes 2 und die Segmentierung in Basisbereiche 4 sowie in Sperrbereiche 6 möglich, die gesamte Isolatoranordnung 1 eine Schaltanlage 3 bzw. allgemein einer Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlage 3 durch lediglich ein isolierendes Strukturelement 2 auszugestalten. Ob dies technisch ausreichend ist, hängt auch von der geforderten gesamten Durchbruchsfeldstärke bzw. der maximal anliegenden Spannung ab. Beispielsweise können Hochspannungsschaltanlagen von 72kV durch ein Strukturelement 2 mit einer Längenausdehnung in axialer Ausrichtung von 80 mm oder weniger realisiert werden. Durch die herkömmliche beschriebene Technologie müssten hierzu zwei bis drei Strukturelemente durch ein Fügeverfahren aneinandergefügt werden. Zusammenfassend ist zu sagen, dass eine Isolatoranordnung 1 möglichst nur ein Strukturelement 2 umfassen soll, bei Hochspannungsanlagen mit sehr hoher Spannung können jedoch auch zwei oder mehrere Strukturelemente 2 zu einer Isolatoranordnung 1 gefügt werden, wobei dies dann eine insgesamte Längenausdehnung aufweist, die deutlich geringer ist als die Längenausdehnung von herkömmlich ausgestatteten Strukturelementen nach dem Stand der Technik ohne die beschriebene Segmentierung.
Ein weiterer Vorteil bei der Herstellung der Isolatorstruktur besteht darin, dass bei der Herstellung des Strukturelementes 2 alternierend in eine Pressform Materialien für die Basisbereiche 4 und Materialien für die Sperrbereiche 6 eingebracht werden können und bereits in diesen Aufbau gepresst und gesintert werden können. D. h. durch einen herkömmlichen Arbeitsschritt durch Einbringen der Materialien alternierend in die entsprechende Form kann ein segmentiertes Strukturelement 2 erzeugt werden, das eine Durchbruchsfeststellstärke und eine Festigkeit aufweist, die nach herkömmlichen Mitteln nur mit Strukturelementen erzielbar ist, die durch aufwendige Lötverfahren bzw. Fügeverfahren miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können die Herstellungskosten der Isolatoranordnung deutlich gesenkt werden und die beanspruchte Längenausdehnung und somit der Bauraum der Schaltanlage und die äußere Dimensionierung der Schaltanlage verkleinert werden.

Claims

Isolatoranordnung für eine Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlagen (3) mit mindestens einem achsensymmetrischen isolierenden Strukturelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (2) mindestens zwei ringförmige Basisbereiche (4) aufweist, die durch einen ringförmigen Sperrbereich (6) voneinander getrennt sind, wobei die relative Permittivität des Materials des Sperrbereichs (6) mindestens zweimal so hoch ist, wie die relative Permittivität des Materials des Basisbereiches.
Isolatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Permittivität des Materials des Sperrbereichs (6) mindestens fünfmal, insbesondere zehnmal, insbesondere 100-mal so hoch ist, wie die relative Permittivität des Basisbereiches (4).
Isolatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Sperrbereichs 6 ein Titanat, insbesondere Bariumtitanat umfasst.
Isolatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass des Materials des Basisbereichs (4) eine relative Permittivität aufweist, die zwischen 5 und 25 liegt.
Isolatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Permittivität des Materials des Sperrbereichs (6) zwischen 10 und 10 000, insbesondere zwischen 100 und 10 000, insbesondere zwischen 1000 und 10 000 beträgt.
Isolatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenausdehnung (8) der Basisbereiche (4) in Richtung der Symmetrieachse (10) zwischen 5 mm und 50 mm beträgt.
Isolatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenausdehnung (12) des Sperrbereichs (6) in Richtung der Symmetrieachse (10) zwischen 0,1 mm und 5 mm beträgt.
Isolatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Längenausdehnung (8) eines jeweiligen Basisbereichs zur jeweiligen Längenausdehnung (12) des dazwischen angeordneten Sperrbereichs (6) zwischen 10 und 100 beträgt.
Isolatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungs- oder Mittelspannungsanlagen (3) eine Schaltanlage ist.
Isolatoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Innenwand (28) des Strukturelementes (2) Schirmelemente (14) angebracht sind.
Isolatoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmelemente (14) in oder an einem Sperrbereich (6) angeordnet sind.