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Hochspannuhgsanlage
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Die Erfindung betrifft eine Anlage gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruches 1.
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Eine solche ist aus der US-PS 2 561 738 bekannt. In deren Innerem
herrscht eine Stickstoffatmosphäre, in der als Flüssigkeit eine Halogen-Kohlenstoffverbindung
mit einem Siedepunkt zwischen 50 und 225 0C angeordnet ist. Die Flüssigkeit hat
die Aufgabe, die elektrischen Betriebsmittel zu kühlen. Dafür wird sie mit diesen
in Berührung gebracht und verdampft. An Kühlflachen-der Anlage kondensiert dieser
Dampf wieder, und der Kühlkreis schließt sich. Durch die Verdampfung der Flüssigkeit
ergeben sich größere Druckprobleme für die Kapselung als bei der Verwendung eines
einzigen nicht kondensierenden Isoliergases Eine wirksame Druckregelung ist weder
angesprochen, noch ist eine solche mit der Flüssigkeit möglich, da deren Temperatur
wesentlich voll den Betriel.s teln sowie von der Umgebungsatmosphäre beeinflußt
ist.
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In der DE-OS 2 556 768 ist vorgeschlagen worden, den Betriebsdruck
des Isoliergases einer Hochspannungs-Schaltanlage durch einen Wärmetauscher konstant
zu halten, der das Isoliergas entsprechend aufheizt bzw. abkühlt. Dies ist aufwendig
und unwirtschaftlich, da die Verlustwärme bzw. die Umweltwärme weggekühlt werden
muß.
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Nachdem sich in der ilochspannungstechnIik für Innenraumanlagen gasdicht
gekapselte SF6-isolierte Schaltanlagen und -geräte
weitgehend durchgesetzt
haben, get die Entwicklurlg verstärkt in Richtung des Einsatzes dieser vorteilhaften
Technik in der Mittelspannung. Ein wesentliches Ilemmnis bilden hierbei noch die
Kosten für eine gasdichte und druckfeste Kapselung, welche solche Schaltanlagen
für den Einsatz in Mittelspannungsnetzen noch unwirtschaftlich erscheinen lassen.
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Ein erster Schritt zur Erstellung kostengiinstiger Schaltanlagen für
mittlere Spannungen wurde mit der Schaltanlagenkonzeption nach der DE-OS 26 59 038
erreicht. Durch einen niedrigen Isoliergasüberdruck von etwa 0,2 bar ist eine im
wesentlichen kubische Form der Kapselung aus geschweißten Stahlblechen möglich.
Nachteilig ist bei diesen, mit geringem Überdruck betriebenen Schaltanlagen die
Tatsache, daß bereits geringe Schwankungen der absoluten Druckwerte innerhalb und
außerhalb der Kapselung relativ hohe Schwankungen der Druckdifferenz und damit der
mechanischen Beanspruchung der Kapselung ergeben. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, steigt
der Überdruck des Isoliergases in einer Kapselung, die bei 20°C mit einem Nennüberdruck
von 0,2 bar gefüllt wurde, infolge Eigenerwärmung und Erhöhung der Umgebungstemperatur
auf etwa 0,35 bar an. Berücksichtigt man, daß Innenraumschaltanlagen nach VDE 0670
bzw. IEC 298 ohne besondere Vereinbarungen auch in Höhen bis 1000 m über dem Meeresspiegel
aufgestellt werden dürfen, so kann der mögliche Betriebsüberdruck sogar (),/l5 bar
erreichen und sich damit gegenliter dem Nenndruck mehr als verdoppeln.
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Diese mögliche Obergrenze des Betriebsdruckes wirkt sich unmittelbar
auf die Kosten für mechanische Stabilität der Kapselung, Berstschutzmaßnahmen, Prüfaufwand
und Sicherheitsauflagen entsprechend der Druckbehälterverordnung aus, die alle Behälter
mit einem Betriebsüberdruck von mehr als 0,1 bar erfaßt.
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Nun ist es möglich, die Schaltanlage so zu dimensionieren, daß die
geforderte Isolationsfestigkeit auch bei einer niedrigeren Dichte des Isoliergases
gewährleistet ist. Damit würde sich auch
der größte Betriebsüberdruck
auf kleinere Werte begrenzen lassen.
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An Hand der Fig. 1 ist jedoch leicht zu erkennen, daß in diesem Fall
bei niedrigeren Temperaturen und unter Berücksichtigung einer unvermeidlichen Leckage
(allmählicher Abfall der Nennbetriebsdichte auf die niedrigste Betriebsdìchte, bei
welciier Isoliergas nachgefüllt werden muß) der Betriebsüberdruck negativ werden
könnte Dieser Betriebsfall ist jedoch möglichst zu vermeiden, da bei Unterdruck
in der Kapselung feuchte Luft von außen eindringen kann, deren schädliche Auswirkungen
hinreichend bekannt sind Aus dem DE-GBN 76 Ol 086 ist es bekaniit geworden, gasgefüllten
Kapselungen einen Volumenausgleichsbehälter zuzuordnen. Dies ist unwirtschaftlich.
Unter den nach Fig. 1 vorgegebenen Betriebsbedingungen müßte ein Volumenausgleichsbehälter
wenigstens 35 , des Kapselvolumens aufnehmen können. Bei üblichen Schaltanlagen
der Spannungsreihe 72,5 kV wäre zum Beispiel ein Ausgleichsvolumen von 25 bis 30
m3 erforderlich, was neben erhöhtem Raumbedarf auch technische Schwierigkeiten bei
der Realisierung derart großer und langzeitig gasdichter volumenveränderlicher Behälter
mit sich bringt.
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Das Verdichten des Ausgleichsgases durch Kompressoren und Speichern
in Druckbehältern würde zwar den raumbedarf vermindern, den Aufwand an Prüf- und
Wartungsarbeit jedoch wesentlich erhöhen.
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Ebenso muß das Verflüssigen ausgeschlossen werden, da hierz.tt ,ei
üblichen Isoliergasen sehr niedrige Temperaturen erforderlich wären, die eine hohe
Kühlleistung bedingen.
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Hieraus ergibt sich die Aufgabenstellung der Erfindung, eine gasdichte
Kapselung für elektrische Anlagen und Geräte, insbesondere Hochspannungs-Schaltanlagen,
so zu gestalten, daß die infolge von Schwankungen der Umgebungstemperatur, des Luftdruckes
sowie der Eigenerwärmung auftretenden Änderungen des Betriebsüberdruckes mit geringem
Aufwand in engen Grenzen gehalten erden. Im Idealfall sollte der größte Betriebsü
berdruck
nicht mehr als 0,1 bar und der kleinste Betriebsüberdruck
nicht weniger als o bar betragen.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruches 1. Sie soll an Hand eines Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert werden.
Soll eine gekapselte Hochspannungsanlage mit dem Isoliergas Schwefelhexafluorid
(SF6) bei Innenraumbedingugen (- 50C bis + 450C) betrieben werden1 so kann sich
- einschlieíblich der Eigenerwärmung - eine maximale Isoliergastemperatur von 600C
ergeben (Fig. 1).
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Ohne zusätzliche Maßnahmen würde sich der Betriebsüberdruck in der
Kapselung, abhängig von der 'remperatur und dem Gasverlust, gemäß Fig. 1 einstellen.
Die Kapselung wurde hierbei bis zu einem Überdruck von 0,2 bar bei Raumtemperatur
gefüllt (siehe Kurve für Nenndichte). Dieser Überdruck ist mindestens erforderlich,
wenn bei der niedrigsten Betriebstemperatur (- 500) und niedrigster Betriebsdichte
(entsprechend einem Druckabfall von 0,1 bar bei 200C) kein Unterdruck in der Kapselung
auftreten soll.
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Gem der vorliegenden Erfindung wird die Kapselung mit einer niedrigeren
Isoliergasdichte gefüllt, die zum Beispiel bei 200C einem Partialdruck von 0,85
bar entspricht (siehe Fig. 2, Kurve für Isoliergas-Partialdruck). Die Druckdifferenz
bis zum gewiinschten Betriebsüberdruck, der im vorliegenden Beispiel bei 0,1 bar
liegen soll, wird durch den Dampfdruck einer Flüssigkeit ausgeglichen, welche sich
in einem gekühlten und zweckm.ißigerweise gut wärmeisolierten Behälter befindet,
dessen Illnenraum mit dem der Kapselung der Anlage verbunden ist. Während sich der
Partialdruck des Isoliergases gemäß Fig. 2 annähernd linear mit der Gas temperatur
in der Kapselung verändert, kann der Dampfdruck der Flüssigkeit hiervon unabhängig
über die Temeratur des Behälters eingestellt werden.
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lii dem gewählten Beispiel wurde als Flüssigkeit die Halogen-Kohlenstoffverbindung
Monofluortrichlormethan (CFCl3) verwendet, die als Kältemittel Ril bekannt ist.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich,
kann durch Kühlung des Flüssigleeitsbehæilter8
(siehe Regeltemperatur) der Dampfdruck so eingestellt werden, daß sich, unabhängig
von der Betriebstemperatur der Kapselung, ein konstanter Betriebsüberdruck einstellt.
Grundsätzlich können auch andere Isoliergas-Partiaidrücke und andere Flüssigkeiten
gewahlt werden, wobei jedoch folgende Bedingungen eingehalten werden müssen: 1 Der
Dampfdruck der Flüssigkeit muß ei jeder Betriebstemperatur der Kapselunggrößer sein
als die Differenz zwischen dem gewünschten Betriebsdruck und dem Isoliergas-Partialdruck,
damit Kondensation in der Kapselung vermieden wird 2 Der Dampfdruck der Flüssigkeit
bei der niedrigsten Betriebstemperatur muß größer sein als die auszuregelnde Änderung
des Isoliergas-Partialdruckes.
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3 Die niedrigste Regeltemperatur des Flüssigkeitsbehälter% darf nicht
unter dem Siedepunkt des Isoliergases liegen.
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4 Der Dampf der Regelflüssigkeit sollte, mit Ausnahme des Siedepunktes,
alle Eigenschaften eines guten Isoliergases aufweisen, insbesondere bezüglich elektrischer
Durchschlagfestigkeit, chemische Stabilität und Toxizität.
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Die geforderten EigellYchaften werden von Halogen-Kohlenstoffverbindungen
recht gut erfüllt, wobei das Kühlmittel R11 von den bisher untersuchten Stoffen
zur Lösung der oben gestellten Aufgabe die beste Eigenschaftskombination aufweist:
1 Der Dampfdruck bei der für Innenraum-Schaltanlagen niedrigsten Betriebstemperatur
von - 50C beträgt etwa 0,32 bar und ist damit ausreichend, um Schwankungen des Isoliergas-Partialdruckes
bis 0,2 oder 0,25 bar auszugleichen, ohne daß Kondensation in der Kapselung auftritt.
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2. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit liegt um 60 bis 70 % höher
als die des üblicherweise verwendeten Isoliergases SF6.
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3. Ril ist im Handel leicht erhältlich, einfach zu lagern und zu transportieren.
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Außer R11 sind, je nach Anwendungsfall, jedoch noch weitere Flüssigkeiten
denkbar, deren Siedepunkt annähernd bei oder über Raumtemperatur liegen1 wie Perfluoro-n-Pentane
(n-C5F12) oder Dichlorhexafluoropropane (C3Cl2F6).
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3 26 In den Figuren 3 und 4 sind Anlagenkapselungen 1 gezeigt, die
mit einem wärmeisolierten Flüssigkeitsbehälter 2, der eine Regelflüssigkeit 3 enthält,
verbunden sind. Mit 4 ist die Wärmeisolation des Behälters 2 bezeichnet. Die Gasverbindung
5 zwischen dem Flüssigkeitsbehälter 2 und der Kapselung 1 muß so ausgelegt werden,
daß einerseits der Flüssigkeitsdampfdruck in der Kapselung 1 ohne große Verzögerung
der Behältertemperatur folgt, andererseits keine wesentliche Konvektion des Isoliergases
zwischen Kapselung und Flüssigkeitsbehälter 2 auftritt, da der Behälter nicht die
Aufgabe hat, das Isoliergas zu kühlen.
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Die Verbindung kann beispielsweise durch eine Rohrleitung (Fig. 3)
oder eine trichterförmige Öffnung im unteren Teil der Kapselung (Fig. 4), welche
das Ablaufen von Kondensat begünstigt, erfolgen.
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Die Flüssigkeitsbehälter 2 haben eigene Nachfüllöffnungen 7.
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Das Befüllen der Kapselung 1 erfolgt zweckmäßigerweise zunächst mit
Isoliergas im überdruckfreien Zustand nach der bekannten Verdrängungsmethode. Das
Isoliergas wird hierbei durch eine im unteren Kapselungsteil liegende Öffnung 8
eingefüllt und verdrängt die in der Kapselung vorhandene Luft durch eine oben gelegene
Ausströmöffnung 9. Der Flüssigkeitsbehälter 2 bleibt hierbei zunächst leer oder
wird über ein Ventil 6 (Fig. 3) abgesperrt. Nachdem die Kapselung mit dem vorgeschriebenen
Isoliergasgehalt bei Normaldruck gefüllt ist, wird der Flüssigkeitsbehälter auf
die der Raumtemperatur entsprechende Regeltemperatur
eingestellt
und gefüllt bzw. das Ventil 6 geöffnet. Der sich nun einstellende Überdruck in der
Kapselung muß so lange durch Ablassen von Gas abgebaut werden, bis der vorgesehene
Betriebsüberdruck nicht mehr überschritten wird.
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Da ein Gasverlust während des Betriebes durch die Betriebsdruckregelung
über einen erhöhten Dampfdruck ausgeglichen wird, hann er über den Flüssigkeitsstand
unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur nachgewiesen werden. Der vorübergehende
zusatz des durch Leckage verlorenen Isoliergases durch den Dampf der Regelflüssigkeit
ist wegen der guten Isoliereigensobaften des Dampfes als unkritisch anzusehen. Das
Nachfüllen von Isoliergas ist erst erforderlich, wenn der Partialdruck so weit abgefallen
ist, daß die Temperatur im Flüssigkeitsbehälter die Raumtemperatur der Schaltanlage
überschreiten müßte, um den vorgeschriebenen Betriebsüberdruck zu erreichen.
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In diesem Fall würde der Dampf an den Wänden der Kapselung kondensieren
und die Regelung unwirksam werden.
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Durch Vergleich der Flüssigkeitstemperatur mit der Raumtemperatur
(in der Umgebung der Schaltanlage) ergibt sich somit ein einfaches Überwachungskriterium
für den Partialdruck des Isoliergases
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