DE3709544C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchführungsisolator für ei­ nen elektrischen Verbindungsleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Durchführungsisolatoren sind in der Veröffentlichung "Power Apparatus and Systems" der IEEE POWER ENGINEERING SOCIETY, Juli 1982, Band 101, Nr. 7, Seite 2303, Fig. 5, dargestellt. Weiterhin ist aus der US-PS 44 03 105 ein vergleichbarer Durchführungsisola­ tor bekannt, bei dem der Umfangsrand seiner Durchgangsöff­ nung abgerundet ist. Schließlich zeigt die DE-PS 79 27 658 einen ebenfalls vergleichbaren Durchführungsisolator, bei dem sich aufgrund der zwischengefügten Isolierplatte eine kreisförmige Ausnehmung gegenüber dem metallischen Gehäuse­ boden ergibt.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei derartigen Durchführungs­ isolatoren an der Berührungsstelle zwischen dem abgerunde­ ten Umfangsrand der Durchgangsöffnung und dem Durchführungs­ isolator die elektrische Feldstärke sehr groß und damit die Durchbruchsspannung vergleichsweise niedrig ist. Wenn man nun als Gegenmaßnahme die Isolationsstrecke und/oder den Krümmungsradius des Umfangsrands der Durchführungsöffnung vergrößert, dann führt dies zu einer beträchtlichen Vergrö­ ßerung der gesamten Isolatoranordnung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Durch­ führungsisolator der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß die an der erwähnten Berührungsstelle zwischen Trenn­ platte und Verbindungsisolator auftretende elektrische Feld­ stärke beträchtlich vermindert ist, und zwar ohne eine Ver­ größerung der Abmessungen dieser Bauteile des Durchführungs­ isolators. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Durchführungsisolators sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen üb­ lichen, gasdicht geschlossenen Schaltkasten, in welchem der Durchführungsisolator nach der Er­ findung untergebracht ist, und zwar an der mit A bezeichneten Stelle,

Fig. 2 den Durchführungsisolator nach der Erfindung, wie er an der Stelle "A" von Fig. 1 unterge­ bracht ist,

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch einen Teil des Durchführungsisolators von Fig. 2,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der elektrischen Feldstärke E, aufgetragen über dem Isolatorspalt,

Fig. 5 ein Schema einer parallelen Plattenelektrode, und

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, darstellend jedoch einen Durchführungsisolator nach dem Stand der Technik.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein geschlossener Me­ tallkasten bezeichnet, dessen Innenraum in zwei Kammern un­ terteilt ist, nämlich eine Abschalterkammer 2 und eine Trenn­ schalterkammer 3, die voneinander durch eine Trennplatte 4 abgeteilt sind. Diese Kammern 2 und 3 sind mit einem isolie­ renden Gas gefüllt, vorzugsweise mit SF₆.

In der ersten Kammer 2 befindet sich ein Abschalter 5, wäh­ rend in der zweiten Kammer 3 Trennschalter 6 und 7 vorgese­ hen sind.

Mit 8 ist ein Tragkörper bezeichnet, der über Isolatoren 9 Sammelschienen 10 trägt, die über Verbinder 11 mit dem Trenn­ schalter 6 verbunden sind, während der andere Trennschalter 7 über Verbinder 13 mit einem Kabelkopf 12 verbunden ist.

Der Abschalter 5 ist mit den Trennschaltern 6 und 7 über ent­ sprechende Verbindungsleiter 15 verbunden, die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet sind. Diese Verbindungsleiter 15 durchsetzen Durchlaßöffnungen 16, die in die Trennplatte 4 eingeformt sind, wobei in jede dieser Öffnungen ein Durchfüh­ rungsisolator 14 eingepaßt ist.

Die Verbesserung gemäß vorliegender Erfindung betrifft nun die Konstruktion der isolierenden Durchführung an und zwischen dem Durchführungsisolator und der Trennplatte, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben wird, die zunächt auf Fig. 6 Bezug nimmt, welche eine übliche Konstruktion zeigt.

Gemäß Fig. 6 weist die Trennwand 4 eine Durchführungsöffnung 16 auf, durch welche der Verbindungsleiter 15 hindurchgeführt ist, wie bereits obenerwähnt wurde. Ersichtlichermaßen wird der Umfang der Öffnung 16 durch den nach innen vorstehenden, im Querschnitt halbkreisförmigen Rand 17 der Trennplatte 4 be­ grenzt, und zwar zum Zweck einer Erniedrigung der Konzentra­ tion des starken elektrischen Feldes, die ansonsten in dem betreffenden Raum herrschen würde, wenn die Vorrichtung in Betrieb ist, wie später noch im einzelnen erläutert werden wird.

Der Durchführungsisolator 14, vorzugsweise aus Epoxyharz, ist mit einer exakt geglätteten Sitzfläche 14 a versehen, um so eine dichte Berührung mit der zugekehrten Oberfläche der Trennplatte 4 zu gewährleisten, und zwar nachdem eine Mehr­ zahl von Befestigungsbolzen 19 angezogen worden ist. Zwischen den beiden sich berührenden Oberflächen ist ein ein Gasleck verhindernder Dichtungsring 18 vorgesehen. Bei der dargestell­ ten üblichen Anordnung ist der Berührungswinkel R zwischen der Sitzfläche 14 a des Isolators 14 und dem die Durchlaßöff­ nung 16 begrenzenden Umfangsrand der Trennplatte 4 kleiner als 90° und der an der Verbindungsstelle zwischen dem abgerundeten Rand und der verbleibenden ebenen Oberfläche der Platte 4 gemes­ sene Berührungswinkel ist null, mit der Folge, daß die Stärke des entsprechenden elektrischen Feldes unendlich groß wird und somit die Durchbruchspannung entsprechend abnimmt. In diesem Fall muß deshalb die Länge "1" der Isolierstrecke auf einem entsprechend hohen Wert gehalten werden, und der Krümmungsra­ dius des abgerundeten Randes muß groß sein, womit die Gesamt­ größe der Vorrichtung notwendigerweise ansteigt, und zwar ver­ bunden mit einer beträchtlichen Kostenerhöhung.

Mit der Erfindung ist es nun möglich, diesen Nachteil zu ver­ meiden, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform ergibt.

Das Bezugszeichen 20 bezeichnet einen verbesserten Durchfüh­ rungsisolator, der vorzugsweise - wie bisher - aus Epoxyharz gefertigt ist und der aus einer Nabe 21 und einem Befesti­ gungsflansch 22 mit Sitzfläche 23 besteht. Der Leiter 15 durchdringt axial den Körper 20, wie bei der bekannten Aus­ führungsform. Im zusammengebauten Zustand wird die Sitzfläche 23 durch eine Mehrzahl von Befestigungsbolzen 19 in innigem Kontakt mit der gegenüberliegenden Oberfläche 4 a gehalten. Die Sitzfläche 23 ist mit einer kreisförmigen Ausnehmung 24 versehen, die durch eine Umfangswand 25 begrenzt wird und deren Tiefe mit "G" bezeichnet ist. Im zusammengebauten Zu­ stand befindet sich die Außenkante 25 a der Umfangswand 25 an der Verbindungsstelle zwischen dem die Durchgangsöffnung 16 begrenzenden, abgerundeten Umfangsrand 17 und der Sitz­ fläche 4 a der Trennplatte 4. Der Berührungswinkel R, gemes­ sen an der erwähnten Verbindungsstelle, beträgt somit 90°, wie sich aus Fig. 3 deutlich ergibt.

Die Bodenfläche 27 der Ausnehmung verläuft parallel zur An­ lagefläche 4 a der Trennplatte 4, mit der Folge, daß die Tiefe der Ausnehmung 24 der Spaltgröße G zwischen der Trenn­ platte 4 und der Bodenplatte 27 entspricht. Durch geeignete Wahl des Wertes der Spaltgröße G kann somit die Stärke E des elektrischen Feldes beträchtlich vermindert und somit die Durchschlagsspannung beträchtlich verbessert werden.

Fig. 4 zeigt eine Kennlinie der Stärke E des elektrischen Feldes, und zwar aufgetragen über dem Spalt G, wobei sich diese Kurve aus praktischen Versuchen ergeben hat. Zuerst wur­ de die Kurve C aufgetragen, und zwar auf der Grundlage eines Versuchsmodells, entsprechend der Ausführungsform von Fig. 3. Der Krümmungsradius des abgerundeten Umfangsrandes 17 betrug dabei 15 mm. Zwischen der Hochspannungselektrode 15 und dem isolierenden Stützkörper 20, dessen spezifische Dielektrizi­ täts-Konstante ε = 5 betrug, wurde der Spalt G zwischen 0 und 10 mm verändert. Die entsprechende elektrische Feldstärke wur­ de gemessen und aufgetragen. Wie sich aus Fig. 4 ergibt, nimmt die Stärke E ziemlich schnell bis zum Punkt G = 3 mm ab, worauf dann im Bereich von G größer als 3 mm die Dichte nur noch langsam bzw. im wesentlichen linear abnimmt. Die zweite Kurve D von Fig. 4 stellt die Veränderung der elektrischen Feldstärke dar, wie sie durch einen Potentialteiler eines zweischichtigen dielektrischen Körpers in der aus paralle­ len Platten bestehenden Anordnung von Fig. 5 bestimmt wird. In Fig. 5 repräsentiert A′ einen Isolator, B eine SF₆-Gasat­ mosphäre, ε _d die spezifische Dielektrizitäts-Konstante des Isolators A′ und ε _g die spezifische Intensität des dielek­ trischen Feldes der SF₆-Gasatmosphäre. Damit gilt dann

ε _d <ε _g

In Fig. 4 nähern sich die Kurven C und D an einen Punkt G = 3 mm an und nehmen dann im Bereich G<3 mm gemeinsam li­ near ab. Im Anfangsbereich, wo also G kleiner als 3 mm ist, wird die Feldstärke am Spalt zwischen Durchführungsisolator und Trennplatte größer sein als durch den Teilspannungskreis für parallele Elektrodenplatten gegeben ist. Somit liegt also in dem betreffenden elektrischen Feld eine charakteri­ stische Singularität vor.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das Diagramm von Fig. 4 auf der Grundlage von einer Nennspannung von 77 kv erstellt wur­ de. Wenn die Nennspannung schwankt, dann wird auch die opti­ male Spalttiefe G Schwankungen um den Wert 3 mm als Mittel­ punkt unterworfen, und zwar in einem bestimmten Ausmaß. Bei­ spielsweise wird mit einem Anstieg der Nennspannung die Kriechstrecke 1 größer, mit der Folge einer entsprechenden Vergrößerung des Minimalwertes desjenigen Spalts G, der für das Auftreten der Singularität des elektrischen Feldes not­ wendig ist, und zwar relativ zum kritischen Wert 3 mm. Der Grund dafür ist, daß die kritische Länge bzw. Tiefe des Spalts G, welche zu der Feld-Singularität führt, sich in ei­ ner funktionellen Beziehung mit der Kriechstrecke 1 ändert. Es ist darauf hinzuweisen, daß dabei die funktionelle Bezie­ hung nicht proportional ist.

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß mit einer Änderung der spezifischen Induktivität der kritische Spalt G ebenfalls einer Änderung unterworfen ist. Genauer gesagt, mit einem Anstieg der spezifischen Induktivität wird die auf die spe­ zifische Induktivität des Isoliergases einwirkende Teilspan­ nung größer, womit auch die Feldstärke in einen höheren Be­ reich gelangt. In diesem Fall wird der Spalt G größer als 3 mm. Bei der praktischen Ausführung der Erfindung ist es des­ halb wichtig, den Spalt G in einen solchen Bereich zu legen, daß das Nicht-auftreten irgendeiner Feld-Singularität gesi­ chert ist.

Claims (5)

1. Durchführungsisolator für einen elektrischen Verbin­ dungsleiter in einem Schaltkasten, der ein geschlosse­ nes und gasdichtes Kastengehäuse aufweist und dessen Innen­ raum in eine Mehrzahl von Kammern mittels zumindest einer ge­ erdeten Trennplatte unterteilt ist, die mit einer Durchgangs­ öffnung für die Hindurchführung des Verbindungsleiters versehen ist, wobei die Durchgangsöffnung einen abgerundeten Umfangsrand aufweist und der Durchführungsisolator über der Durchgangsöff­ nung an der Trennplatte angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Auflagefläche (23) des Durchführungsisolators (20) eine bogenförmige Ausnehmung (24) mit einer vorgegebenen Tiefe und einer Weite, die größer ist als die der Durchgangsöffnung, derart eingeformt ist, daß der materialfreie Berührungswinkel (R) zwischen der Trennplatte (4) und dem Durchführungsisolator (20), gemessen an der Berührungslinie (25 a) zwischen der Umfangswand (25) der Ausnehmung (24) und der Trennplatte (4) mindestens 90° beträgt.

2. Durchführungsisolator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bogenförmige Ausnehmung (24) kreis­ förmig ist.

3. Durchführungsisolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Tiefe der Ausneh­ mung (24) größer ist als diejenige, an welcher ein spezifischer Kennwert (Singularität) der Feldstärke auftritt.

4. Durchführungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Tiefe der Ausnehmung (24) größer als 3 mm ist.

5. Durchführungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungslinie (25 a) mit der Übergangslinie des abgerundeten Umfangsrandes (17) der Durchgangsöffnung (16) zum ebenen Teil der Trennplatte (4) zu­ sammenfällt.