WO2012156184A1 - Elektrisches bauelement - Google Patents

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WO2012156184A1 PCT/EP2012/057539 EP2012057539W WO2012156184A1 WO 2012156184 A1 WO2012156184 A1 WO 2012156184A1 EP 2012057539 W EP2012057539 W EP 2012057539W WO 2012156184 A1 WO2012156184 A1 WO 2012156184A1
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electrical
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/53—Cases; Reservoirs, tanks, piping or valves, for arc-extinguishing fluid; Accessories therefor, e.g. safety arrangements, pressure relief devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches

Definitions

  • the invention relates to an electrical component according to the preamble of patent claim 1.
  • insulating media are required which must have a higher dielectric strength than the surrounding air.
  • voltage differences of up to 1000 kV must be controlled without partial discharge or corona discharges, which can lead to damage or even loss of insulation capability.
  • the isolation media should be sufficiently flexible.
  • they should also have no Treihausgaseigenschaften, have no ozone-depleting properties in the atmosphere and be non-toxic. Required the flammability properties of heavy remain bility of biodegradability in unwanted From ⁇ occurs and low specific costs relating to the volume to be filled.
  • Solid insulation For example, a suitable dielectric high-strength potting compound, such as filled epoxy resins.
  • a disadvantage here is that such solid insulation cause high costs. In addition, they often have a lack of Old ⁇ weathering resistance on, and the propensity to form at major Tempe ⁇ ture fluctuations column to the surrounding interfaces in which to partial discharges can form. Further disadvantages are the high density, and thus a large mass, which pulls a correspondingly high mechanical Anfor ⁇ alteration of the overall system by itself.
  • liquid insulating medium customary here are transformer oils from petrochemical production or from biologically produced oils, high-purity esters and silicone oils. Disadvantages here again are the high costs and the tendency, in particular in the case of some oils, to form conductive threads (eg carbon filaments) in continuous operation, which can impair the dielectric strength.
  • gaseous insulating media are still common, such as a mixture of SF 6 gas which is enriched for example with nitrogen and dry air, which also carbon dioxide and / or nitrogen and / or oxygen contained ⁇ th.
  • SF6 has excellent dielectric self ⁇ properties, its high global warming potential however, makes it more complicated to use this material as insulation material without this gas from entering the atmosphere and thus contributes to the greenhouse effect.
  • the object of the invention is therefore to provide a Isolati- onsmaterial for an electronic component rectifzustel ⁇ len, which enables a high dielectric strength while minimizing material costs and low equipment costs, without off at releasing of the isolation medium toxic substances or gases having a high global warming potential will give.
  • the object is achieved in an electrical component with the features of claim 1.
  • the electrical component according to claim 1 has an electrical functional space and an electrical insulation space and it is characterized in that the isolati- is at least partially filled with a dielectric comprising the following components:
  • liquid component which in turn contains a low-viscosity insulating liquid such as, for example, 1-diphenylethane and / or benzyl toluenes and
  • a solid component comprising a granulated polymer.
  • Both the liquid component and the solid component are configured such that a difference between ih ⁇ ren densities, so the density of the polymer and the density of the liquid component is less than 0.5 g / cm 3.
  • the particular advantage of the invention lies firstly in the combination of a liquid component and a finely divided granulated solid component, which makes it possible to fill even complex cavities of the insulation space without gaps, with no gaps or electrical transitions even with thermal expansions and other geometry changes. Due to its solid and liquid components, the insulating medium has a viscous property and is distributed in all cavities of the insulation space. Since ⁇ with a liquid dielectric is used on the one hand, the 1,1-diphenylethane and / or Benzyltoluene comprises substances which have a low density, are relatively inexpensive and have no negative greenhouse own sheep ⁇ th or hardly Toxticianen.
  • the density difference should therefore be less than 0.5 g / cm 3.
  • the density difference is preferably not more than 0.2 g / cm 3 , more preferably not less than 0.1 g / cm 3 , and most preferably not less than 0.05 g / cm 3 .
  • the properties of the dielectric can be further improved by paying attention to a suitable distribution of the particle diameter of the polymer.
  • the particle diameter distribution is advantageously between 10 .mu.m and 100 .mu.m, more than 80% of the particles being in this specified range. It has also been shown that in particular a broad Parti ⁇ kel malmesserver whatsoever with as uniform as possible many particles of each particle size is particularly suitable. This ensures that particles of different sizes A possible ⁇ lichst large packing density of the solid particles documentru ⁇ fen, whereby the share of low-cost solid in the dielectric - is increased - with consistently good fluid properties.
  • a suitable electrical component for the construction described is in particular a Hochwoodsschaltvorrich ⁇ device. Further preferred embodiments and further Merkma ⁇ le of the invention will be described in more detail with reference to the following figure. In this case, the described embodiment is merely an exemplary embodiment and does not constitute a restriction of the protective rights range.
  • the single figure shows a high-voltage switching device with a vacuum interrupter and a surround ⁇ this isolation space.
  • an electrical component 2 in the form of a high voltage switching device 10 is shown schematically.
  • the high voltage switch device 10 has a stationary terminal 12, which is ge to a vacuum interrupter 14 ⁇ leads and further includes a movable terminal 20.
  • the vacuum interrupter 14 is a wide area surrounded by a housing 16 which is grounded. Between the housing 16 and the Va ⁇ kuumschaltrheime 14 is an isolation space. 6
  • the insulation space 6 is filled with a dielectric 8, which on the one hand comprises a solid component in the form of polypropylene.
  • the polypropylene in turn has a finely divided grain size, with 80% of the particles of the polypropylene granules lying between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the United ⁇ distribution of the particle diameter a relatively flat curve, there are as few grain size accumulations vorlie ⁇ gen. Rather, a uniform distribution in the specified particle diameter range desired.
  • ER is aimed that the polymer particles have a maximum degree of filling it ⁇ rich and thus, having the proportion of a yet to be described the second liquid component the smallest possible proportion.
  • the liquid component comprises at least one substance or a mixture of 1, 1-diphenylethane and / or Benzyltolue- ne.
  • the liquid component of Dielektri ⁇ kums 8 may contain other additives.
  • the function ⁇ materials 1, 1-diphenylethane and / or Benzyltoluene should JE but have the highest possible purity, in which case they have dielectric strengths of more than 70 kV / mm 2.
  • the density of the mixture is about 1 g / cm 3 .
  • the density of the liquid component is such that it differs from the density of the polymer, ie the polypropylene, less than 0.1 g / cm 3 .
  • the described electrical component with the applied novel dielectric is particularly distinguished from the state of the art in the form of environmental compatibility. Due to the described construction can be dispensed with the otherwise very good dielectric SF6 gas. Furthermore, a dielectric is found, which makes it possible to design the entire component, in this case, the high-voltage switching device, much smaller than would be the case with the use of a gas mixture, in particular of purified air. Due to the more compact design and in particular the cost-effective use of a sches from a very inexpensive and dielectrically very good acting polymer such.
  • the polypropylene in combination with the liquid component, which is also relatively ⁇ -effectively kos and thereby excellent dielectric properties inherent ⁇ having a low cost and environmentally scho ⁇ designating construction of the electrical component is ensured. Furthermore, the dielectric spreads in all complex areas of the insulation space (which is shown in a very simplified rectangular manner in the present figure). It can thus ⁇ not come to the formation of gaps, as would be the case for example with the use of solid state dielectrics. In particular, the aging compared to conventionally used solid dielectric and other FLÜS ⁇ sigen dielectrics is emphasized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem elektrischen Funktionsraum und einem elektrischen Isolationsraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsraum zumindest teilweise mit einem Gemisch gefüllt ist, das folgende Komponenten umfasst: - eine flüssige Komponente, die wiederum 1,1 Diphenylethan und/oder Benzyltoluene enthält und - ein feste Komponente, die ein granuliertes Polymer umfasst, wobei ein Unterschied zwischen der Dichte des Polymers und der Dichte der flüssigen Komponente weniger als 0,5 g/cm³ beträgt.

Description

Beschreibung
Elektrisches Bauelement Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei elektrischen Bauelementen, insbesondere bei elektrischen Bauelementen im Hochspannungsbereich, ist die elektrische Isolation der die Hochspannung führenden Komponenten stets eine Herausforderung. Insbesondere bei kosten- und resour- censparenden kompakter Bauweise werden Isolationsmedien benötigt, welche eine höhere Spannungsfestigkeit aufweisen müssen als die umgebende Luft. Speziell bei Hochspannungsschaltanla- gen müssen dazu Spannungsdifferenzen bis zu 1000 kV beherrscht werden, ohne dass Teilentladung bzw. Coronaentladun- gen auftreten, welche zur Schädigung bis hin zu einem Verlust der Isolationsfähigkeit führen können. Da dazu große Tempera¬ turdifferenzen von -60°C bis zu mehr als +85°C beherrscht werden müssen, sollten die Isolationsmedien entsprechend flexibel sein. Aus ökologischen Gründen sollten sie zudem keine Treihausgaseigenschaften aufweisen, keine ozonzerstörenden Eigenschaften in der Atmosphäre haben und nicht toxisch sein. Gefordert sind weiterhin die Eigenschaften schwerer Entflamm- barkeit der biologischen Abbaubarkeit bei ungewünschtem Aus¬ tritt und niedrigen spezifischen Kosten bezüglich des zu füllenden Volumens.
Bisher setzt man zu dem beschriebenen Zweck folgende Lösungen ein:
Feststoffisolation : Z. B. eine geeignete dielektrisch hochfeste Vergussmasse, wie gefüllte Epoxidharze. Hierbei ist nachteilig, dass derartige FeststoffIsolationen hohe Kosten verursachen. Zudem weisen sie häufig eine mangelnde Alte¬ rungsbeständigkeit auf, sowie die Neigung, bei großen Tempe¬ raturschwankungen Spalte zu den umgebenden Grenzflächen zu bilden, in welchen sich Teilentladungen ausbilden können. Weitere Nachteile sind die hohe Dichte und damit auch eine große Masse, welche eine entsprechend hohe mechanische Anfor¬ derung an das Gesamtsystem nach sich zieht. Ferner kommen bisher flüssige Isolationsmedium zum Einsatz, gebräuchlich sind hierbei Transformatoröle aus petrochemi- scher Herstellung oder aus biologisch erzeugten Ölen, hochreine Ester und Silikonöle. Nachteilig sind hier wiederum die hohen Kosten und die Neigung, insbesondere bei manchen Ölen, im Dauerbetrieb leitfähige Fäden (z. B. Kohlenstofffäden) , zu bilden, welche die dielektrische Festigkeit beeinträchtigen können .
Ferner sind noch gasförmige Isolationsmedien verbreitet, wie beispielsweise ein Gemisch aus SF6-Gas, das beispielsweise mit Stickstoff und trockener Luft angereichert ist, das zudem Kohlendioxid, und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff enthal¬ ten kann. SF6 weist zwar hervorragende dielektrische Eigen¬ schaften auf, sein hohes Treibhauspotential macht es jedoch immer aufwändiger, dieses Material als Isolationsmaterial zu verwenden, ohne dass dieses Gas in die Atmosphäre gelangt und so den Treibhauseffekt verstärkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, ein Isolati- onsmaterial für ein elektronisches Bauelement bereitzustel¬ len, welches bei möglichst geringen Materialkosten und geringem apparativem Aufwand eine hohe dielektrische Festigkeit ermöglicht, ohne dass bei Freisetzen des Isolationsmediums toxische Stoffe oder Gase mit hohem Treibhauspotential abge- geben werden.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem elektrischen Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Das elektrische Bauelement gemäß Patentanspruch 1 weist einen elektrischen Funktionsraum und einen elektrischen Isolationsraum auf und es zeichnet sich dadurch aus, dass der Isolati- onsraum zumindest teilweise mit einem Dielektrikum gefüllt ist, das folgende Komponenten umfasst:
- eine flüssige Komponente, die wiederum eine niedrigviskose Isolierflüssigkeit, wie beispielsweise 1 , IDiphenylethan und/oder Benzyltoluene enthält und
- ein feste Komponente, die ein granuliertes Polymer umfasst.
Dabei sind sowohl die flüssige Komponente als auch die feste Komponente so ausgestaltet, dass ein Unterschied zwischen ih¬ ren Dichten, also der Dichte des Polymers und der Dichte, der flüssigen Komponente weniger als 0,5 g/cm3 beträgt.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt zum einen in der Kombination aus einer flüssigen Komponente und einer feinverteilten granulierten Festkörperkomponente, die es ermöglicht, auch komplexe Hohlräume des Isolationsraumes spaltfrei zu füllen, wobei auch bei thermischen Ausdehnungen und sonstigen Geometrieänderungen keine Spalte oder elektrische Übergänge auftreten. Das Isolationsmedium weist aufgrund seiner festen und flüssigen Bestandteile eine zähfließende Eigenschaft auf und verteilt sich in alle Hohlräume des Isolationsraumes. Da¬ bei wird auf der einen Seite ein flüssiges Dielektrikum eingesetzt, das 1,1 Diphenylethan und/oder Benzyltoluene umfasst Substanzen, die eine geringe Dichte aufweisen, relativ kostengünstig sind und keinerlei negativen Treibhauseigenschaf¬ ten bzw. kaum Toxitäten aufweisen. Diese an sich schon recht kostengünstigen Dielektrikummaterialien werden mit einem noch kostengünstigeren Feststoffdielektrikum, einem Polymer, be- vorzugt Polypropylen gemischt. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass der Unterschied zwischen der Dichte der flüssi¬ gen Komponente und der festen Komponente relativ gering ist, damit sich die feste Komponente nicht absetzt oder entmischt. Der Dichteunterschied soll daher weniger als 0,5 g/cm3 betra- gen. Bevorzugt beträgt der Dichteunterschied nicht mehr als 0,2 g/cm3, besonders bevorzugt nicht weniger als 0,1 g/cm3, und ganz besonders bevorzugt nicht weniger als 0,05 g/cm3. Die Eigenschaften des Dielektrikums können noch verbessert werden, wenn auf eine geeignete Verteilung der Partikeldurchmesser des Polymers geachtet wird. Es hat sich herausge¬ stellt, dass die Partikeldurchmesserverteilung in vorteilhaf- ter Weise zwischen 10 ym und 100 ym liegen, wobei in diesem angegebenen Bereich mehr als 80 % der Partikel liegen. Dabei hat sich zudem gezeigt, dass insbesondere eine breite Parti¬ keldurchmesserverteilung mit möglichst gleichmäßig vielen Partikeln jeder Partikelgröße besonders geeignet ist. Dies gewährleistet, dass unterschiedlich große Partikel eine mög¬ lichst große Packungsdichte der Feststoffpartikel hervorru¬ fen, wodurch der Anteil an kostengünstigem Feststoff im Dielektrikum - bei gleichbleibend guten Fluideigenschaften - erhöht wird.
Ein geeignetes elektrisches Bauelement für die beschriebene Bauweise ist insbesondere eine Hochspannungsschaltvorrich¬ tung . Weitere bevorzugte Ausgestaltungsformen sowie weitere Merkma¬ le der Erfindung werden anhand der folgenden Figur näher beschreiben. Dabei stellt die beschriebene Ausgestaltungsform lediglich eine beispielhafte Ausführungsform dar und stellt keine Beschränkung des Schutzrechtsbereiches dar.
Dabei zeigt die einzige Figur eine Hochspannungsschaltvorrichtung mit einer Vakuumschaltröhre und einen diese umgeben¬ den Isolationsraum. In der Figur ist ein elektrisches Bauelement 2 in Form einer Hochspannungsschaltvorrichtung 10 schematisch dargestellt. Die Hochspannungsschaltvorrichtung 10 weist einen feststehenden Anschluss 12 auf, der zu einer Vakuumschaltröhre 14 ge¬ führt ist und umfasst ferner einen beweglichen Anschluss 20. Die Vakuumschaltröhre 14 ist weiträumig von einem Gehäuse 16 umgeben, das geerdet ist. Zwischen dem Gehäuse 16 und der Va¬ kuumschaltröhre 14 befindet sich ein Isolationsraum 6. Der Isolationsraum 6 ist mit einem Dielektrikum 8 gefüllt, das einerseits eine feste Komponente in Form von Polypropylen umfasst. Das Polypropylen wiederum weist eine feinverteilte Körnung auf, wobei 80 % der Partikel des Polypropylengranula- tes zwischen 10 ym und 100 ym liegen. Hierbei weist die Ver¬ teilung der Partikeldurchmesser eine relativ flache Kurve auf, es sollen möglichst wenige Korngrößenanhäufungen vorlie¬ gen. Vielmehr ist eine gleichmäßige Verteilung in dem genannten Partikeldurchmesserbereich erwünscht. Hierdurch wird er- zielt, dass die Polymerpartikel einen maximalen Füllgrad er¬ reichen und somit der Anteil einer noch zu beschreibenden zweiten, flüssigen Komponente, einen möglichst geringen Anteil aufweist. Die flüssige Komponente umfasst zumindest einen Stoff oder ein Stoffgemisch aus 1 , 1-Diphenylethan und/oder Benzyltolue- ne . Gegebenenfalls kann die Flüssigkomponente des Dielektri¬ kums 8 noch weitere Zusatzstoffe enthalten. Die Funktions¬ stoffe 1 , 1-Diphenylethan und/oder Benzyltoluene sollten je- doch eine möglichst hohe Reinheit aufweisen, wobei sie dann dielektrische Festigkeiten von über 70 kV/mm2 aufweisen.
Die Dichte des Gemisches liegt etwa bei 1 g/cm3. Dabei ist die flüssige Komponente von ihrer Dichte her so gewählt, dass sie sich von der Dichte des Polymers, also des Polypropylens, weniger als 0,1 g/cm3 unterscheidet.
Das beschriebene elektrische Bauelement mit dem angewendeten neuartigen Dielektrikum zeichnet sich insbesondere gegenüber dem Stand der Technik in Form einer Umweltverträglichkeit aus. Durch die beschriebene Bauweise kann auf das ansonsten dielektrisch sehr gut wirkende SF6-Gas verzichtet werden. Ferner ist ein Dielektrikum gefunden, das es ermöglicht, das gesamte Bauelement, in diesem Fall die Hochspannungsschalt- Vorrichtung, deutlich kleiner auszugestalten, als dies bei der Verwendung von einem Gasgemisch, insbesondere von gereinigter Luft, der Fall wäre. Durch die kompaktere Bauweise und insbesondere durch die kostengünstige Verwendung eines Gemi- sches aus einem sehr preisgünstigen und dielektrisch sehr gut wirkenden Polymers, wie z. B. dem Polypropylen, in Kombination mit der flüssigen Komponente, die ebenfalls relativ kos¬ tengünstig ist und dabei hervorragende dielektrische Eigen¬ schaften aufweist, wird eine kostengünstige und umweltscho¬ nende Bauweise des elektrischen Bauelementes gewährleistet. Ferner breitet sich das Dielektrikum in allen komplexen Bereichen des Isolationsraumes aus (der in der vorliegenden Figur sehr vereinfacht rechteckig dargestellt ist) . Es kann so¬ mit nicht zur Bildung von Spalten kommen, wie es beispielsweise bei der Verwendung von Festkörperdielektrika der Fall wäre. Insbesondere die Alterungserscheinungen gegenüber herkömmlich verwendeten Festkörperdielektrika und anderen flüs¬ sigen Dielektrika ist hervorzuheben.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Bauelement mit einem elektrischen Funktions¬ raum und einen elektrischem Isolationsraum, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Isolationsraum zumindest teilweise mit ei¬ nem Gemisch gefüllt ist, das folgende Komponenten umfasst: eine flüssige Komponente, die wiederum niedrig-viskose
Isolierflüssigkeit enthält und
ein feste Komponente, die ein granuliertes Polymer um- fasst,
wobei ein Unterschied zwischen der Dichte des Polymers und der Dichte der flüssigen Komponente weniger als 0,5 g/cm3 beträgt .
2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer eine Partikeldurchmesserverteilung aufweist, die zwischen 10 ym und lOOym liegt in der mehr als 80 % der Partikel liegen.
3. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Polypropylen umfasst.
4. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Va- kuumschaltröhre ist.
5. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwi¬ schen der Dichte des Polymers und der Dichte der flüssigen Komponente weniger als 0,2 g/cm3 beträgt.
6. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierflüssigkeit 1 , IDiphenylethan und/oder Benzyltoluene umfasst.
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