DE60309277T2

DE60309277T2 - Gekapselter Hochspannungskondensator mit hoher Temperaturstabilität

Info

Publication number: DE60309277T2
Application number: DE2003609277
Authority: DE
Inventors: Johannes 5014 Blatter
Original assignee: Areva T&D SAS
Current assignee: Grid Solutions SAS
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: CN100568421C; FR2849264A1; DE60309277D1; FR2849264B1; EP1431767A1; CN1521774A; EP1431767B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kondensator mit hoher thermischer Stabilität, mit einer Hochspannungselektrode, die sich in einer Longitudinalrichtung erstreckt, einer zylindrischen gedruckten Schaltung, welche die Hochspannungselektrode koaxial umgibt und eine elektrisch leitende Bahn umfasst, die eine Niederspannungselektrode bildet, sowie einem Chassis, welches eine zylindrische Innenfläche festlegt, die koaxial die zylindrische gedruckte Schaltung umgibt, wobei die gedruckte Schaltung von dem Chassis getragen wird.
Ein solcher Kondensator ist insbesondere für elektrische Anlagen vom gepanzerten bzw. gekapselten Typ bestimmt, das heißt, mit einer gasförmigen Isolierung wie z.B. SF6. Er wird verwendet, um Messungen der Spannung eines Hochspannungselements durchzuführen, beispielsweise ein gepanzertes Hochspannungs-Postkabel. Das Hochspannungselement ist elektrisch mit der Hochspannungselektrode des Kondensators verbunden, während das Chassis des Kondensators mit der Masse elektrisch verbunden ist. Eine solche Einheit ist beispielsweise in einer elektrischen Verteilerstation installiert, die sich am Ausgang eines Elektrizitätswerks befindet.
Die Hochspannungselektrode des Kondensators, die allgemein aus einem Metallstab mit rundem Querschnitt gebildet ist, ist von der Niederspannungselektrode umgeben, welche am Chassis befestigt ist und gleichzeitig elektrisch von diesem isoliert ist. Das Chassis des Kondensators ist mit der Masse derart verbunden, dass es eine Kapazitäts-Teilerbrücke (pont diviseur capacitif) zwischen der Hochspannungselektrode und der Masse bildet. Im einzelnen umfasst die Teilerbrücke einen ersten Kondensator, der aus der Hochspannungselektrode und der Niederspannungselektrode gebildet ist, und der in Reihe mit einem zweiten Kondensator geschaltet ist, welcher aus der Niederspannungselektrode und dem Chassis gebildet ist. Die Spannung der Niederspannungselektrode ist also ein Abbild der Hochspannung, und diese Niederspannungselektrode ist mit einer Messvorrichtung verbunden.
Bei einer solchen Anordnung sind die Spannungsmesswerte insbesondere eine Funktion der Kapazität C des ersten Kondensators, die durch die folgende bekannte Beziehung gegeben ist:
wobei K eine Konstante ist, D und S der Durchmesser und die Oberfläche der Niederspannungselektrode sind, und d der Durchmesser der Hochspannungselektrode ist. Diese Art Kondensator wird allgemein außerhalb angeordnet und unterliegt Temperaturschwankungen, die zwischen –40°C und +80°C liegen. Diese Fluktuationen rufen Dehnungen und Kontraktionen seiner ihn bildenden Materialien hervor, welche die Kapazität sehr stark schwanken lassen, da die Materialien sich in ihren Dimensionen gemäß der bekannten folgenden Beziehung entwickeln: L(T) = L0(1 + a·(T – T0)) (2)wobei L (T) eine Länge bei der Temperatur T bezeichnet, L₀ diese Länge bei einer Bezugstemperatur T₀, und a den linearen Dehnungskoeffizienten des entsprechenden Materials. Eine Temperatursteigerung führt zu einer Vergrößerung der Oberfläche S und des Durchmessers D der Niederspannungselektrode, was eine Kapazitätsabweichung des Kondensators aufgrund der Beziehungen (1) und (2) induziert. Die Temperaturschwankungen induzieren so Kapazitätsschwankungen, welche die Messgenauigkeit stören.
Bei der Konzipierung eines solchen Kondensators wird versucht, den Einfluss der Temperatur auf die Kapazität zu minimieren, um eine thermische Stabilität zu erhalten, die eine zufriedenstellende Messgenauigkeit ergibt. Diese Optimierung besteht allgemein darin, eine spezielle mechanische Architektur zu konzipieren, die mit einer Wahl der sie bildenden Materialien verbunden ist, welche geeignete Dehnungskoeffizienten aufweisen.
Aus dem französischen Patent FR-2705492 ist ein Kondensator bekannt, wie er weiter oben angegeben wurde, bei dem die Niederspannungselektrode aus mehreren gekrümmten Platten gebildet ist, welche entlang dem Innenumfang des Chassis verlaufen, wobei diese Platten am Chassis befestigt sind und sich frei dehnen oder zusammenziehen können. Bei diesem bekannten Kondensator ist die Variation des Durchmessers der Niederspannungselektrode also durch den Dehnungskoeffizienten des das Chassis bildenden Materials bedingt, da die Platten an diesem befestigt sind. Die Variationen der Oberfläche der Niederspannungselektrode sind von dem Dehnungskoeffizienten des oder der Materialien bedingt, welche(s) die Platten bildet/bilden. Durch Kombinieren der Beziehungen (1) und (2) wird aufgezeigt, dass die thermische Stabilität zufriedenstellend ist, wenn das Verhältnis des Wärmedehnungskoeffizienten des das Chassis bildenden Materials gegenüber dem die Niederspannungselektrode bildenden Material zwischen eineinhalb und zweieinhalb gelegen ist. Dieser bekannte Kondensator hat eine zufriedenstellende thermische Stabilität, ist aber wegen der Notwendigkeit, mehrere Platten am Innenumfang des Chassis zu befestigen, schwer herzustellen.
Aus dem deutschen Patent DE-1409595 ist auch ein zylindrischer Kondensator bekannt, der eine zylindrische gedruckte Schaltung aufweist, deren Innenfläche mit einer Metallschicht bedeckt ist, um die Niederspannungselektrode zu bilden. Dieser Aufbau mit einer zylindrischen gedruckten Schaltung als Niederspannungselektrode ist sehr einfach und gestattet eine Senkung der Herstellungskosten. Diese zylindrische gedruckte Schaltung, die sich im Innern des Chassis unter der Wirkung der Temperaturschwankungen frei dehnen und zusammenziehen kann, macht den Kondensator aber zu empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile auszuschalten, indem ein Kondensator mit einfachem Aufbau vorgeschlagen wird, der eine erhöhte thermische Stabilität aufweist.
Im Hinblick darauf ist Gegenstand der Erfindung ein Kondensator mit hoher thermischer Stabilität, umfassend eine Hochspannungselektrode, die sich in einer Longitudinalrichtung erstreckt, eine zylindrische gedruckte Schaltung, die koaxial die Hochspannungselektrode umgibt und die eine eine Niederspannungselektrode bildende, elektrisch leitende Bahn umfasst, sowie ein Chassis, das eine zylindrische Innenfläche festlegt, welche koaxial die zylindrische gedruckte Schaltung umgibt, wobei die gedruckte Schaltung von dem Chassis gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Schaltung längs einer Mantellinie des sie bildenden Zylinders gespalten ist, dass zwei am Chassis befestigte Profilringe zwei einander zugewandte kreisförmige Kehlungen bilden, wobei jede Kehlung einen kreisförmigen Rand der gedruckten Schaltung aufnimmt, und dass die Kehlungen einen Durchmesser haben, der im wesentlichen größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Innenfläche, um die gedruckte Schaltung durch Biegung der Mantellinien der gedruckten Schaltung an der zylindrischen Innenfläche anliegen zu lassen. Die gedruckte Schaltung wird so an der Oberfläche angedrückt, indem sie direkt von den Ringen verformt wird, was die Anzahl der Bestandteile des Kondensators verringert und ihm gleichzeitig eine erhöhte thermische und mechanische Stabilität verleiht. Die erhöhte mechanische Stabilität dieses Kondensators macht ihn gegenüber Schwingungserscheinungen und mechanischen Belastungen weniger empfindlich, denen er während Transportvorgängen ausgesetzt sein kann.
Vorteilhafterweise umfasst das Chassis zwei Schultern, welche die zylindrische Innenfläche verlängern, wobei jede Schulter einen größeren Durchmesser als der Durchmesser der Innenfläche aufweist, und jeder Ring an einer entsprechenden Schulter befestigt ist. Jeder Ring wird auf diese Weise zentriert, indem er direkt an einer zu der zylindrischen Innenfläche koaxialen Schulter befestigt wird, was die Montage erleichtert und die Herstellungskosten des Kondensators noch mehr reduziert.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfassen die Ränder der gedruckten Schaltung Ansätze, die im wesentlichen Rändelungen bzw. Backen bilden. Die Anliegekraft der gedruckten Schaltung an der Innenfläche kann verringert werden, indem Ansätze geringer Größe hergestellt werden, und sie kann vergrößert werden, indem größere Ansätze hergestellt werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst jeder Ring einen zylindrischen Abschnitt, der sich längs der gedruckten Schaltung und in konstantem Abstand von der gedruckten Schaltung erstreckt, wobei ein mit einem Messsystem verbundenes Leiterkabel an eine Leiterbahn der gedruckten Schaltung in einer dem zylindrischen Abschnitt gegenüberliegenden Zone angeschweißt ist. Jeder zylindrische Abschnitt bildet einen Schirm, welcher den Gradienten des elektrischen Feldes in dessen Umgebung dämpft, und zwar so, dass das Potential der zylindrischen Elektrode auf diese Weise in einer Zone mit geringem Gradienten gemessen wird, was die Messgenauigkeit verbessert.
Die Erfindung wird im folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die eine Ausführungsform anhand eines nicht-einschränkenden Beispiels veranschaulichen. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht des Kondensators gemäß der Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht der zylindrischen gedruckten Schaltung,
3 eine Schnittansicht der Befestigung der gedruckten Schaltung an dem Chassis, und
4 eine perspektivische Ansicht einer Variante der gedruckten Schaltung des Kondensators gemäß der Erfindung.
Der Kondensator mit hoher thermischer Stabilität gemäß der Erfindung ist ein zylindrischer Kondensator. Er umfasst eine Hochspannungselektrode HT, die sich in einer Hauptrichtung HX erstreckt, wie in 1 dargestellt ist, die eine Ansicht des Kondensator in einer die Achse A enthaltenden Schnittebene ist. Die Elektrode HT, die hier ein Metallstab mit rundem Querschnitt mit einem Durchmesser d ist, ist auf koaxiale Weise von einer Niederspannungselektrode in Form einer elektrischen Leiterbahn einer zylindrischen gedruckten Schaltung CI umgeben. Diese gedruckte Schaltung wird in einem Metallgehäuse CH festgehalten, das mit einer eingekapselten bzw. ummantelten, mit SF6 gefüllten Vorrichtung gekoppelt werden kann. Das Chassis CH umfasst eine im wesentlichen zylindrische Innenfläche SI mit einem Durchmesser D, die sich koaxial zu der Achse AX erstreckt und die gedruckte Schaltung CI umgibt, um sie in Bezug auf die Hochspannungselektrode HT in ihrer Position zu halten. Wie bei anderen bekannten Kondensatoren ist das Chassis mit der Masse verbunden, so dass eine kapazitive Teilerbrücke zwischen der Hochspannungselektrode HT und der Masse gebildet wird, wobei die Hochspannungselektrode mit einer Messvorrichtung elektrisch verbunden ist.
Bei dem Kondensator gemäß der Erfindung ist die gedruckte Schaltung CI längs einer Mantellinie G1 des Zylinders, den sie bildet, gespalten, wie in 2 dargestellt ist. Im einzelnen legt die Schaltung einen Zylinder fest, der sich zwischen zwei Kreisrändern B1 und B2, erstreckt, wobei sich der Spalt auf der gesamten Länge der Schaltung erstreckt, das heißt von einem Rand zum anderen. Gemäß der Erfindung werden die Ränder der Schaltung von zwei Profilringen A1, A2 gebildet, die am Chassis CH befestigt sind und die zwei kreisförmige Kehlungen bilden, die sich gegenüberliegen. Jeder Rand B1, B2 der gedruckten Schaltung CI ist in eine Kehlung eingesetzt, so dass er sich frei längs der Innenfläche dehnen kann, indem er in diesen Kehlungen unter der Einwirkung der Temperaturschwankungen gleitet. Der Spalt der gedruckten Schaltung CI weist also eine Breite auf, die mit den Temperaturschwankungen fluktuiert. Die Variation der Oberfläche S der Niederspannungselektrode ist so von dem Dehnungskoeffizienten der Niederspannungselektrode bedingt, während die Variation seines Durchmessers D von dem Dehnungskoeffizienten des Chassis CH bedingt ist. Daraus ergibt sich, dass eine geeignete Wahl der Dehnungskoeffizienten der Niederspannungselektrode und des Chassis CH es ermöglicht, eine zufriedenstellende thermische Stabilität zu erreichen. Im einzelnen wird die optimale thermische Stabilität erreicht, wenn der Wärmedehnungskoeffizient des Chassis das Doppelte des Wärmedehnungskoeffizienten der Niederspannungselektrode beträgt, wie aus dem vorher erwähnten Stand der Technik bekannt ist. Bei dem in den Figuren dargestellten Beispiel ist die gedruckte Schaltung CI am Chassis CH an mehreren Befestigungspunkten F1 und F2 befestigt, die längs einer Mantellinie G2 des die Schaltung C bildenden Zylinders so verteilt sind, dass sie Verschiebungen der gedruckten Schaltung in Bezug auf das Chassis minimieren.
Die von den Ringen A1 und A2 gebildeten Kehlungen haben einen Innendurchmesser D1, der merklich größer ist als der Durchmesser D der Innenfläche, um das Doppelte der Dicke ε der gedruckten Schaltung verringert, so dass sie eine starke Radialkraft auf die Ränder B1, B2 der gedruckten Schaltung CI ausüben. Letztere wird so gegen mindestens eine Ringzone ZCI des Durchmessers D der Innenfläche SI gedrückt, wobei seine Mantellinien einen Krümmungseffekt erfahren, der eine Zunahme des Durchmessers seiner Ränder ergibt. Die mechanische Elastizität der gedruckten Schaltung CI wird so genutzt, um diese die Rolle einer Federung ausüben zu lassen, welche sie wirksam längs der Innenfläche SI angedrückt hält. Mit anderen Worten zwingen die von den Ringen A1 und A2 gebildeten Kehlungen die Ränder der gedruckten Schaltung CI dazu, sich auszuweiten. Wenn der profilierte Ring A1 an einem Ende des Chassis CH eingeführt wird, um dort befestigt zu werden, tritt der Rand B1 der gedruckten Schaltung in Kontakt mit der Oberfläche kleineren Durchmessers der kreisförmigen Kehlung, die von diesem Ring A1 und dem Chassis gebildet wird. Die Innenfläche des Randes B1 weitet sich aus, bis sie den Innendurchmesser D1 der Kehlung erreicht.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform erfüllt der Innendurchmesser D1 der Kehlungen die Beziehung D – ε < D1 < D. Die gedruckte Schaltung wird so durch die Kehlungen gezwungen, einen größeren Durchmesser an seinen Rändern als auf einer Mitten-Symmetrieebene aufzuweisen. Es versteht sich, dass D1 auch gleich D oder geringfügig größer sein könnte, um die von der Verformung der Ränder der Schaltung erbrachte Feder-Haltewirkung zu verstärken, sofern die Schaltung einer solchen Verformung widerstehen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Chassis CH zwei Schultern, wie z.B. die Schulter E1, die in 3 erkennbar ist. Die zylindrische Oberfläche des Chassis, das einen Innendurchmesser D aufweist, erweitert sich in einer ringförmigen Schulter E1 mit einem Durchmesser D2, der größer ist als D, so dass sie eine Ausweitung des Randes B1 der gedruckten Schaltung CI zulässt. Jeder Ring A1, A2 weist hier einen Schnitt in L-Form auf und ist an einer entsprechenden Schulter befestigt, mit der er eine Kehlung festlegt, welche die Form eines U aufweist. Jeder Ring A1, A2 ist so in Bezug auf die Achse AX zentriert, indem er direkt an einer koaxialen Schulter an der Achse AX befestigt ist, was die Montage des Kondensators gemäß der Erfindung vereinfacht. Bei dieser Ausführungsform wird die den Rand der gedruckten Schaltung aufnehmende Kehlung von dem Profilring A1 und der Innenfläche der Schulter E1 gebildet.
Bei einer weiteren, in 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfassen die Ränder der gedruckten Schaltung CI Ansätze L, die dazu bestimmt sind, die Anliegekraft der gedruckten Schaltung an der Innenfläche SI so zu dämpfen, dass deren Gleiten unter der Wirkung der Wärmedehnung erleichtert wird. Im einzelnen legen diese Ansätze eine Rändelung bzw. Zackung fest, und sind in die von den Ringen und dem Chassis gebildeten Kehlungen fest eingesetzt. Durch Verringern ihrer Größe wird die Anliegekraft reduziert, und durch Vergrößern wird die Anliegekraft erhöht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Kondensators umfassen die Ringe A1, A2 jeweils einen zylindrischen Abschnitt wie den in 3 erkennbaren Abschnitt P1, der sich längs der gedruckten Schaltung CI in konstantem Abstand zu dieser erstreckt. Ein Leiterkabel CE, das mit einem Messsystem verbunden ist, ist an einer Leiterbahn BT der gedruckten Schaltung CI angeschweißt, wobei diese Leiterbahn die Niederspannungselektrode bildet. Im einzelnen ist das Leiterkabel CE an der Bahn BT an einem Schweißpunkt PS angeschweißt, der sich gegenüber dem zylindrischen Abschnitt P1 befindet. Bei dieser Anordnung bildet jeder zylindrische Abschnitt, wie z.B. P1, eine Abschirmung, welche den Gradienten des elektrischen Feldes in dessen Umgebung dämpft, und das Kabel zur Messung des Potentials der zylindrischen Elektrode wird so in einer Zone mit geringem Gradienten angeordnet, was die Störung des elektrischen Feldes reduziert und die Messgenauigkeit verbessert. Bei einer alternativen Ausführung der Ringe A1 und A2 kann der in 3 erkennbare Abschnitt P1 eine Form aufweisen, die nicht mehr zylindrisch, sondern im wesentlichen konisch ist, so dass der Abstand zwischen P1 und der zylindrischen gedruckten Schaltung in Richtung auf die Mittenebene der Schaltung hin zunimmt. Eine solche Ausführung ermöglicht auch eine Verringerung der Störung des elektrischen Feldes. Bei allen vorstehend dargelegten Ausführungsformen ist es möglich, eine Verstärkung in dem Abschnitt P1 unmittelbar gegenüber dem Schweißpunkt PS anzuordnen, so dass der Abstand zwischen diesem Punkt und P1 erhöht wird, um den Gradienten des Potentials um diesen Punkt herum noch weiter zu verringern.

Claims

Kondensator mit hoher thermischer Stabilität, umfassend eine Hochspannungselektrode (HT), die sich in einer Longitudinalrichtung (AX) erstreckt, eine zylindrische gedruckte Schaltung (CI), die koaxial die Hochspannungselektrode umgibt und eine eine Niederspannungs-Elektrode (BT) bildende, elektrisch leitende Bahn umfasst, sowie ein Chassis (CH), das eine zylindrische Innenfläche (SI) festlegt, welche koaxial die zylindrische gedruckte Schaltung (CI) umgibt, wobei die gedruckte Schaltung von dem Chassis (CH) gehalten wird, die gedruckte Schaltung längs einer Mantellinie (G1) des sie bildenden Zylinders gespalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei am Chassis (CH) befestigte Profilringe (A1, A2), zwei einander zugewandte kreisförmige Kehlungen bilden, wobei jede Kehlung einen kreisförmigen Rand (B1, B2) der gedruckten Schaltung (CI) aufnimmt, und dadurch, dass die Kehlungen einen Innendurchmesser (D1) aufweisen, der im wesentlichen größer ist als der Durchmesser (D) der zylindrischen Innenfläche (SI), verringert um die doppelte Dicke (ε) der gedruckten Schaltung, um die gedruckte Schaltung (CI) durch Biegung der Mantellinien der gedruckten Schaltung (CI) an der zylindrischen Innenfläche (SI) anliegen zu lassen.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei das Chassis (CH) zwei Schulterelemente (E1) aufweist, welche die zylindrische Innenfläche (SI) verlängern, wobei jedes Schulterelement einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser (D) der zylindrischen Innenfläche (SI), und jeder Ring (A1, A2) an einem entsprechenden Schulterelement befestigt ist.
Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein kreisförmiger Rand (B1, B2) der gedruckten Schaltung (CI) so gerändelt bzw. gezackt ist, dass er Ansatzläppchen (L) bildet.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ringe (A1, A2) einen zylindrischen Teil umfassen, der sich längs der gedruckten Schaltung (CI) in konstantem Abstand von der gedruckten Schaltung (CI) erstreckt, und wobei ein mit einem Messsystem verbundenes Leiterkabel an eine Leiterbahn der gedruckten Schaltung in einer dem zylindrischen Abschnitt gegenüberliegenden Zone angeschweißt ist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Innendurchmesser (G1) der Kehlungen die Beziehung D – ε < D1 < D erfüllt, wobei D den Durchmesser der zylindrischen Innenfläche (SI) des Chassis und ε die Dicke der gedruckten Schaltung bezeichnet.