EP0285895A1 - Hochspannungsisolationsanordnung fuer Transformatoren und Drosselspulen, insbesondere zur Hochspannungs-Gleichstrom-Uebertragung (HGUE) - Google Patents

Abstract

In elektrischen Geräten von HGÜ-Anlagen treten gleichzeitig nebeneinander Wechsel- und Gleichspannungsfelder auf. Als Isolierwerkstoffe werden in den Geräten dieser Anlagen an einigen Stellen unvermeidbar unterschiedliche Werkstoffe zur Bildung von Isolierstrecken eingesetzt. Dabei ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Verhältnisse der Dielektrizitätskonstanten und der spezifischen Widerstände mitunter stark verzerrte elektrische Felder. Erfindungsgemäß sind zur Anpassung des Gleichspannungsfeldes an das Wechselspannungsfeld Feststoffbarrieren (12 bis 17) aus Preßspan mit gegenüber gewöhnlichem Preßspan abgestuft erhöhter elektrischer Leitfähigkeit aufgebaut, wobei der spezifische Widerstand des Preßspans mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit nur etwa um das 2- bis 10-fache größer ist als der des Transformatoröls und wobei die Preßspanbarrieren (12, 13) mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit jeweils an dem Ende der Isolierstrecke angeordnet sind, an dem die Feldlinien die kleineren Krümmungsradien aufweisen. Die erfindungsgemäße Hochspannungsisolationsanordnung ist vorteilhafterweise zur Isolierung des inneren Endes von Hochspannungsdurchführungen sowie zur Isolierung der Hochspannungswicklung von Transformatoren und Drosselspulen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung geeignet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsisolationsanordnung für Transformatoren und Drosselspulen, insbesondere zur Hoch­spannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) mit gleichzeitiger Be­anspruchung durch Gleich- und Wechselspannung sowie durch Stoß­spannungen, wobei Isolierstrecken aus aufeinanderfolgenden Teilstrecken abwechselnd aus festem Isolierwerkstoff und aus Transformatoröl bestehen.
• Bei der Übertragung von elektrischer Energie in sehr großen Mengen über extrem weite Entfernungen hat sich infolge der ge­ringen Blindleistungsverluste die Hochspannungs-Gleichstrom-­Übertragung als sehr wirtschaflich erwiesen. Gleichzeitig hat sich als sehr zweckmäßig herausgestellt, bei der Erzeugung der elektrischen Energie in Generatoren und bei der Verteilung der Energie an die Verbraucher die bisher übliche Arbeitsweise mit Wechsel- und Drehstrom beizubehalten. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit den in Wechsel- oder Drehstromgeneratoren erzeug­ten Strom vor dem Transport über eine HGÜ-Anlage gleichzurich­ten sowie gleichzeitig auf ein Hochspannungspotential anzuheben und entsprechend am Ende der Übertragungsleitung das Hochspan­nungspotential zu verringern und den Gleichstrom in Wechsel- ­oder Drehstrom zurückzuverwandeln.
• In den hierbei eingesetzten Transformatoren und Drosselspulen treten unvermeidlich nebeneinander sowohl hohe Wechsel- als auch hohe Gleichspannungen auf. Außerdem müssen diese Geräte bei der Prüfung und im Betrieb unbeschadet auch hohen Stoßspan­nungsbeanspruchungen widerstehen.
• In bisher bekannten Transformatoren und Drosselspulen der Wech­sel- und Drehstromübertragungseinrichtungen sind die Isolierun­gen mit Rücksicht auf die durch die Wechselspannung bedingten Belastungen ausgelegt, wobei sich als sehr vorteilhaft erwiesen hat, daß sich die Dielektrizitätskonstanten von festen Isolier­werkstoffen zu Öl etwa wie 2 : 1 verhalten. Das in diesen Gerä­ten an sich zur Kühlung dienende Öl trägt dadurch einen wesent­lichen Anteil zur elektrischen Isolierung der spannungführenden Teile bei.
• Eine Übertragung dieser Verhältnisse auf Geräte die neben einer Wechselspannung auch durch eine Gleichspannung beansprucht sind ist jedoch nicht möglich, weil sich die spezifischen Widerstän­de der üblichen festen Isoliermittel Papier oder Preßspan zu dem von Öl etwa wie 100: 1 verhalten. Das hat bei unveränder­ter Übernahme der von Wechsel- und Drehstromgeräten her bekann­ten Isolieranordnungen zur Folge, daß praktisch die gesamte Gleichspannung an der festen Isolierung abfällt. Zur Vermei­dung von Durchschlägen und zur Erhaltung der Betriebssicherheit muß also die feste Isolierung verstärkt werden. Dies ist jedoch aus physikalischen und insbesondere aus thermischen Gründen sehr nachteilig und aus fertigungstechnischen Gründen sehr schwierig und an einigen Stellen, wie beispielsweise der Wick­lungsisolierung aus Platzgründen nahezu unmöglich.
• Beispielsweise sind bei einer rotationssymmetrischen konischen Kondensatordurchführung mit Abschirmelektrode am ölseitigen An­schluß die Auslegungsprinzipien gegenüber beiden Spannungsarten nur schwer miteinander vereinbar. Die bei transienten Spannun­gen wirksame Kondensator-Steuerung der Spannung im Durchfüh­rungswickel wird ohne zusätzliche Barrieren durch das leit­fähige Öl bei Gleichspannung völlig verzerrt. Konzentrisch den Wickel umhüllende Preßspanbarrieren haben im Zylinderfeld der­art unterschiedliche Isolierwiderstände gegenüber den zwischen den Barrieren liegenden Ölschichten, daß ein großer Teil der gesamten Gleichspannung an der innersten Barriere konzentriert ist. Insbesondere gilt dies auch für die Feststoff-Beschichtung der Oberfläche von Schirmelektroden.
• Als Abhilfemaßnahme ist beispielsweise durch die DE-OS 20 62 157 bekannt, mit Isolierwerkstoff beschichtete Schirmelektroden zu unterteilen, so daß durch einen entspre­chend dimensionierten Ölspalt der Isolationsstrom zur blanken Innenfläche abgeleitet wird und die Beschichtung von Gleich­spannung entlastet bleibt.
• Ebenfalls gemäß der DE-OS 20 62 157 ist als Abhilfe bekannt geworden, einen Teil der festen Isolierschichten mittels Über­zügen aus hochohmig leitenden Schichten abzuschirmen und da­durch die Gleichspannung praktisch ausschließlich in vom Trans­formatoröl gebildeten Schichten abzubauen. Dies führt jedoch folgerichtig in an sich unerwünschter Weise zu vergleichsweise großen ölgefüllten Abstandsräumen und damit insgesamt zu gegen­über ausschließlich mit Wechselspannungen belasteten Transfor­matoren und Drosselspulen zu größeren Gesamtabmessungen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für Transfor­matoren und Drosselspulen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Über­tragung eine Hochspannungsisolationsanordnung zu schaffen, die einer gleichzeitigen Beanspruchung durch Wechsel-, Gleich- und Stoßspannung standhält und die trotzdem mit nur geringem fer­tigungstechnischen und sonstigen Aufwand realisierbar ist.
• Diese Aufgabe wird für Transformatoren und Drosselspulen er­findungsgemäß dadurch gelöst,
  - daß Feststoffbarrieren zur Anpassung des Gleichspannungsfel­des an das Wechselspannungsfeld aus Preßspan mit gegenüber gewöhnlichem Preßspan abgestuft erhöhter elektrischer Leit­fähigkeit aufgebaut sind,
  - daß der spezifische Widerstand des Preßspans mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit nur etwa um das 2- bis 10-fache größer ist als der des Transformatoröls, wobei die Dielektri­ zitätskonstante des Preßspans unabhängig von der Größe seines spezifischen Widerstandes etwa doppelt so groß ist wie die des Transformatoröls und
  - daß der Preßspan mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit jeweils an dem Ende der Isolierstrecke angeordnet ist, an dem die Äquipotentialflächen des Gleichspannungsfeldes kleinere Krümmungsradien aufweisen als an dem anderen Ende.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß ein Teil oder alle der Feststoffbarrieren aus elektrisch leit­fähigem Papier aufgebaut sind, daß alle Feststoffbarrieren gleich dick sind und daß die Abstände der Feststoffbarrieren voneinander mit der Entfernung vom höchsten Gleichspannungspo­tential zunehmen.
• Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung sind die Fest­stoffbarrieren als konzentrische Zylindermäntel ausgeführt und umfassen bei einem Transformator die Verbindungsstelle des Innenanschlusses einer Durchführung mit der Hochspannungsaus­leitung einer Wicklung oder sind die Isolierstoffbarrieren als Winkelringe ausgeführt und umfassen das hochspannungsseitige Ende einer Transformatorwicklung.
• Die erfindungsgemäße Hochspannungsisolationsanordnung ist sehr vorteilhaft, weil sie mit einem Minimum an spezifisch praktisch gleichmäßig beanspruchten Feststoffbarrieren ausführbar ist, denn die Dielektrizitätskonstante des Preßspans bleibt auch bei erhöhter Leitfähigkeit unverändert, so daß infolge der erhöh­ten Leitfähigkeit der Feststoffbarrieren zwar das Gleichspan­nungsfeld nicht jedoch das durch die Dielektrizitätskonstante bestimmte Wechselfeld verändert wird. Demzufolge ergibt sich für die erfindungsgemäße Isolationsanordnung eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit überall dort, wo inhomogene Gleichspan­nungsfelder auftreten. Dies ist beispielsweise bei der Randiso­lation der Ventilwicklungen von HGÜ-Transformatoren sowie bei deren Ausleitungen bis zur Durchführung und bei Gleichspan­nungskabeln der Fall.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeich­nung in einer Schnittdarstellung der Verbindungsstelle des Innenanschlusses einer Hochspannungsdurchführung mit dem Aus­leitungsende einer Transformatorwicklung näher erläutert.
• Ein Leiterbolzen 1 trägt einen Papierwickel 2 und ist Teil ei­t näher dargestellten Hochspannungsdurchführung mit ei­nem Porzellankörper zum Anschluß von elektrischen Geräten, bei­spielsweise Transformatoren, Drosselspulen oder Gleichrichtern, an eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung. In der Vielzahl der Schichten des Papierwickels 2 wird das vom Leiter­bolzen 1 geführte Potential mindestens im Bereich eines Flan­sches zur Befestigung der Durchführung auf einem Gerätedeckel kapazitiv bis auf Null- oder Sternpunktpotential abgebaut.
• Am unteren Ende der Durchführung ist der Papierwickel 2 durch eine ihn konzentrisch umhüllende Porzellankappe 4 mechanisch zusammengehalten und spannungsmäßig entlastet. Die Porzellan­kappe 4 erstreckt sich bis zu einem die Durchführung tragenden Flansch und trennt den ölgefüllten Raum des angeschlossenen elektrischen Gerätes von einem Ölraum 3 der Durchführung.
• Der Leiterbolzen 1 trägt an seinem unteren Ende eine Klemmplat­te 5, an die ein vom oberen Ende eines flexiblen Leiterseils 6 getragenes Kontaktstück 7 anschraubbar ist. Das untere Ende des Leiterseiles 6 ist durch ein weiteres Kontaktstück 8 fest mit einer Klemmplatte 9 auf dem freien Ende einer Wicklungsauslei­tung 10 verbunden.
• Das Leiterseil 6 mit seinen Kontaktstücken 7 und 8, Klemmstük-­ken 5 und 9 sowie die freien Enden des Leiterbolzens 1 und der Wicklungsausleitung 10 liegen in Betriebsstellung in einem kelchförmigen Schirmkörper 11, dessen Innenflächen von einer elektrisch leitenden Schicht, beispielsweise aus Kupfer, und dessen nach außen gekehrte Seite aus einer Vielzahl von Papier­schichten oder Preßspan besteht. Die Hochspannungspotential führenden Teile, insbesondere das Leiterseil 6, sind galvanisch mit der elektrisch leitenden Schicht auf der Innenseite des Schirmkörpers 11 verbunden.
• Die Porzellankappe 4 und der Schirmkörper 11 sind konzentrisch von einer inneren Feststoffbarriere 12 sowie von innen nach außen von zylindermantelförmigen Feststoffbarrieren 13, 14, 15, 16 und 17 umgeben. Zwischen radial aufeinanderfolgenden der Feststoffbarrieren 12 bis 17 befindet sich jeweils ein Ölkanal 18. Die lichte Weite der Ölkanäle 18 wächst mit dem Abstand von der Feststoffbarriere 12. Die Feststoffbarriere 12 ist in Höhe des oberen Randes des Schirmkörpers 11 radial eingezogen und trägt dort eine Manschette 19, die das untere Ende der Fest­stoffbarriere 13 außen umfaßt. Die Feststoffbarrieren 12 bis 17 und die Ölkanäle 18 sind nach außen von einer zu ihnen konzen­trischen Domwand 20 umfaßt. Der nur ausschnittsweise darge­stellte Dom trägt auf seinem oberen Flansch die oben erwähnte Hochspannungsdurchführung.
• Die Feststoffbarrieren 11, 12 bis 17 bestehen beim dargestell­ten Ausführungsbeispiel aus Preßspan. Dabei ist zur Herstellung der Feststoffbarrieren 11, 12 und 13 Preßspan mit gegenüber nor­malem Preßspan erhöhter Leitfähigkeit verwendet. Der in beiden Feststoffbarrieren 11 und 12 eingesetzte Preßspan hat einen spezifischen elektrischen Widerstand, der nur dem 2- bis 10-fa­chen Wert des spezifischen Widerstandes des Transformatoröls entspricht. Dagegen ist die Feststoffbarriere 17 aus normalem Preßspan hergestellt, dessen spezifischer Widerstand etwa dem 100-fachen Wert des spezifischen Widerstandes des Transforma­toröls entspricht. Die spezifischen Widerstände der Preßspan­sorten, aus denen die Feststoffbarrieren 13, 14, 15 und 16 hergestellt sind, sind so abgestuft, daß sich in jedem Fall für die spezifischen Widerstände benachbarter Feststoffbarrieren das gleiche Verhältnis ergibt.
• Die Dielektrizitätskonstante aller verwendeten Preßspansorten ist gleich groß.
• Da die Dielektrizitätskonstante aller im Ausführungsbeispiel eingesetzten Feststoffbarrieren 11 bis 17 gleich der bei nor­malem Preßspan ist, ist auch das Wechselspannungsfeld analog dem bei üblichen Feststoffbarrieren aufgebaut.
• Durch die von der Feststoffbarriere 11 bis zur Feststoffbar­riere 17 stufenweise abnehmende Leitfähigkeit des verwendeten Preßspans ist das Gleichspannungsfeld etwa analog dem Wechsel­spannungsfeld. Einerseits ist auf der Hochspannungsseite durch die Absenkung des spezifischen Widerstandes des Preßspans bis auf die Größenordnung des spezifischen Widerstandes des Trans­formatoröls und andererseits ist auf der Nullpotential führen­den Seite der Isolierstrecke durch den gegenüber dem Transfor­matoröl deutlich höherohmigen normalen Preßspan in der Fest­stoffbarriere 17 eine erhöhte Feldstärke des Gleichspannungs­feldes vermieden.
• Analog zum beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Aufbau von Isolierstrecken aus Transformatoröl und Feststoffbarrieren mit abgestuft erhöhten Leitfähigkeitswerten überall dort sinnvoll, wo gleichzeitig vorhandene Wechsel- und Gleichspannungsfelder zu beherrschen sind. Anstelle von Preßspan mit stufenweise ver­änderter elektrischer Leitfähigkeit ist auch der Einsatz ande­rer fester Isolierwerkstoffe, beispielsweise Papier, möglich soweit dabei die höchste Leitfähigkeit in der Größenordnung der Leitfähigkeit des Transformatoröls liegt.

Claims (7)

1. Hochspannungsisolationsanordnung für Transformatoren und Drosselspulen, insbesondere zur Hochspannungs-Gleichstrom-­Übertragung (HGÜ), mit gleichzeitiger Beanspruchung durch Gleich- und Wechselspannung sowie durch Stoßspannungen, wobei Isolierstrecken aus aufeinanderfolgenden Teilstrecken abwech­selnd aus festen Isolierwerkstoffen und aus Transformatoröl be­stehen,
dadurch gekennzeichnet,
- daß Feststoffbarrieren (12 bis 17) zur Anpassung des Gleich­spannungsfeldes an das Wechselspannungsfeld aus Preßspan mit gegenüber gewöhnlichem Preßspan abgestuft erhöhter elektri­scher Leitfähigkeit aufgebaut sind,
- daß der spezifische Widerstand des Preßspans mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit nur etwa um das 2- bis 10-fache größer ist als der des Transformatoröls, wobei die Dielektri­zitätskonstante des Preßspans unabhängig von der Größe seines spezifischen Widerstandes etwa doppelt so groß ist wie die des Transformatoröls und
- daß der Preßspan mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit jeweils an dem Ende der Isolierstrecke angeordnet ist, an dem die Äquipotentialflächen kleinere Krümmungsradien aufweisen als an dem anderen Ende.

2. Hochspannungsisolationsanordnung nach Anspruch 1, da­durch gekennzeichnet, daß ein Teil oder alle der Feststoffbarrieren (12 bis 17) aus elektrisch leit­fähigem Papier aufgebaut sind.

3. Hochspannungsisolationsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß alle Fest­stoffbarrieren (12 bis 17) gleich dick sind.

4. Hochspannungsisolationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Feststoffbarrieren (12 bis 17) voneinander mit der Entfernung vom höchsten Gleichspannungspotential zunehmen.

5. Hochspannungsisolationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom höchsten Gleichspannungspotential am weitesten entfern­te Feststoffbarriere (17) aus Werkstoff mit dem etwa 100-fachen spezifischen elektrischen Widerstand des Transformatoröls be­steht.

6. Hochspannungsisolationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffbarrieren (13 bis 17) als konzentrische Zylindermäntel ausgeführt sind und bei einem Transformator die Verbindungs­stelle des Innenanschlusses einer Durchführung (1) mit der Hochspannungsausleitung (10) einer Wicklung umfassen.

7. Hochspannungsisolationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffbarrieren als im Querschnitt L-förmige Ringe ausge­führt sind und das hochspannungsseitige Ende einer Transforma­torwicklung umfassen.

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