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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Stromschiene mit koaxial angeordneten, rohrförmigen Teilleitern.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 1 803 363 A sind elektrische Mittelspannungsleiter mit koaxial angeordneten, rohrförmigen Phasenleitern mit dazwischen angeordneten Isolationsschichten beschrieben. Die dortigen Mittelspannungsleiter sind für Stromstärken von etlichen 10 kA und Spannungswerten von etlichen 10 kV ausgelegt.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 008 751 A1 ist es bekannt, bei Mittel- und Hochspannungsanwendungen als Isolierungsmittel ein Material mit geeigneten dielektrischen Eigenschaften zu verwenden, wobei sich in diesem Material gasenthaltende Poren, die eine weitgehend monodisperse Verteilung haben, befinden. Das Material kann ein Polymer, insbesondere eine Polymerschaum, sein. Möglich sind aber auch Schüttungen von diskreten Materialhohlteilchen, deren innerer Hohlraum einer Pore entspricht. Es werden insbesondere bei Hochspannungsschaltanlagen bisher durchweg elektrische Isolationen aus Stickstoff N
2 oder aus Schwefelhexafluorid SF
6 verwendet.
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Die deutsche Patentschrift
DE 2 254 935 C offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Stromschienen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolierstoffrohr auf die Stromschiene aufgeschoben wird und dann eine leitfähige Schicht in einen zwischen Stromschienenmantel und dem Isolierstoffrohr verbleibenden Spalt eingespritzt wird.
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Ferner zeigt die deutsche Offenlegungsschrift
DE 40 29 017 A1 ein Verfahren und Mittel zur Herstellung von Stromschienen mit zwei koaxialen, durch einen Isolator getrennten Leitern. Dazu wird ein mit durchlässigen Abstandshaltern versehener Innenleiter in das mit Isoliermasse gefüllte Außenrohr eingeführt.
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Die deutsche Patentschrift
DE 1 026 385 C offenbart ein Verfahren zur Herstellung mehradriger elektrischer Starkstromkabel. Dazu werden in wechselnder Folge Leiter nahtlos mittels Metallstrangpressen erzeugt und Isolierstoffschichten aufgebracht.
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Die hier betrachteten Stromschienensysteme sind vorzugsweise für Anwendungen im Niederspannungsbereich, das heißt bis zu 1000 V. ausgelegt. Sie umfassen mehrere koaxial angeordnete, rohrförmige Phasenleiter mit einer Stromtragefähigkeit von bis zu mehreren 1000 A. Alternativ können diese Stromschienensysteme auch im Mittelspannungsbereich, das heißt für Anwendungen in einem Spannungsbereich bis ca. 20 kV, ausgelegt sein.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Stromschienen mit koaxial angeordneten, rohrförmigen Teilleitern anzugeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Varianten sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung:
- – eine Einspritzeinheit zur radialzentrierten Aufnahme eines ersten, unteren Endes (UE) der ineinandergeschobenen, rohrförmigen Teilleiter, und zum Einspritzen eines flüssigen oder aufgeschäumten, aushärtenden Isolierstoffes in die koaxialen Hohlräume (KH) zwischen benachbarten Teilleitern,
- – eine Halteeinheit zur radial zentrierten Aufnahme eines zweiten, oberen Endes (OE) der ineinandergeschobenen, rohrförmigen Teilleiter und
- – einen Isolierstoffaufbereiter zum Aufbereiten und zum Zuführen des flüssigen oder aufgeschäumten, aushärtenden Isolierstoffes zur Einspritzeinheit,
- – wobei die Einspritzeinheit und die Halteeinheit trichterförmig ausgebildet sind und in Umfangrichtung verlaufende Fixierstege aufweisen, um die ineinandergeschobenen, eine radial von außen nach innen zunehmenden axiale Länge aufweisenden Teilleiter radial und zugleich zentriert aufzunehmen und zu fixieren.
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Durch das Auffüllen des koaxialen Teilleiterpaketes mit einem Isolierstoff ist auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine koaxiale Stromschiene herstellbar. Die dazu erforderliche radiale Fixierung der Teilleiter und das anschließende Auffüllen der koaxialen Hohlräume können vorteilhaft automatisiert erfolgen.
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Die jeweiligen ineinandergeschobenen Teilleiter weisen eine radial von außen nach innen zunehmende axiale Länge auf. Die jeweiligen Teilleiter sind in axialer Richtung zentriert und fixiert. Dadurch sind an den beiden Enden einer derartigen Stromschiene in Umfangrichtung der Stromschiene verlaufende ringförmige Kontaktierungsbereiche herstellbar. Über diese Bereiche können die jeweiligen Teilleiter zum Einspeisen oder Ausleiten eines Stromes mit entsprechenden ringförmigen Verbindungsklemmen verbunden werden.
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Durch die Vorrichtung wird ein eventuell möglicher Lufteinschluss, welcher die Isolationsfähigkeit zwischen den jeweiligen Teilleitern nachteilig beeinträchtigen würde, vermieden.
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Nach einer Variante der Vorrichtung wird ein flüssiger, aushärtender Kunststoff, insbesondere ein Polymer, verwendet. Ein derartiger Kunststoff kann z. B. Epoxidharz sein.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird ein aushärtender Schaum, insbesondere ein Polymerschaum, aus einem mit einem Isoliergas aufgeschäumten, flüssigen, aushärtenden Kunststoff verwendet. Ein derartiger Schaum ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 008 751 A1 der Anmelderin offenbart. Als Isolationsgas kommen insbesondere Stickstoff N
2 oder Schwefelhexafluorid SF
6 zum Einsatz. Schwefelhexafluorid ist aufgrund seiner hervorragenden elektrisch isolierenden Eigenschaften seit Jahren bei Anwendungen im Mittel- und Hochspannungsbereich bekannt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Herstellung einer Stromschiene, die im Vergleich zu herkömmlichen Stromschienen, die massive Isolierschichten zwischen den jeweiligen Teilleitern aufweisen, erheblich leichter ist. Zugleich bleiben die mechanischen Eigenschaften in etwa erhalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass solche Stromschienen durch den geringeren Materialaufwand erheblich kostengünstiger hergestellt werden können.
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Bei derartigen Stromschienen sind die Funktionskosten für die Kurzschlussfestigkeit in den Funktionskosten der Leiter und der Isolierung enthalten, das heißt kein besonderer Aufwand zur Erreichung einer hohen Kurzschlussfestigkeit.
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Mittels einer derartigen Vorrichtung ist eine schnelle und zuverlässige Befüllung der radialfixierten, rohrförmigen Teilleiter möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Halteeinheit mit einer Unterdruckeinheit oder einer Vakuumeinheit verbunden ist. Dadurch kann die in den jeweiligen koaxialen Hohlräumen noch befindliche Luft während des Befüllens „herausgesaugt” werden. Zugleich wird durch die Bildung eines Unterdrucks das Befüllen des Isoliermaterials in den koaxialen Hohlräumen beschleunigt.
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Um das Risiko von Lufteinschlüssen weiter zu reduzieren, ist es auch vorstellbar, das Teilleiterpaket zuvor mit Stickstoff oder Schwefelhexafluorid zu fluten und auf diese Weise die Luft in den koaxialen Hohlräumen zu verdrängen.
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Bei der Vorrichtung sind die Einspritzeinheit und die Halteeinheit trichterförmig und insbesondere in axialer und radialer Richtung gestuft ausgebildet, um die ineinandergeschobenen Teilleiter axial und zugleich radial zentriert aufzunehmen. Die Teilleiter weisen dabei eine radial von außen nach innen zunehmende axiale Länge auf. Dadurch können zugleich die zuvor beschriebenen Kontaktierungsringe zum externen Anschließen der jeweiligen Teilleiter vorteilhaft in einem einzigen Schritt hergestellt werden.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
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1 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens,
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2 beispielhaft eine mittels dieses Verfahrens hergestellte Stromschiene mit koaxial angeordneten, rohrförmigen Teilleitern und
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3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Stromschiene mit koaxial angeordneten, rohrförmigen Teilleitern gemäß der Erfindung.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens. Mit dem Bezugszeichen S1 ist ein Startschritt und mit dem Bezugszeichen S6 ein Endschritt des Verfahrens bezeichnet. Im Schritt S2 werden die jeweiligen rohrförmigen Teilleiter koaxial ineinandergeschoben. Das Ineinanderschieben erfolgt derart, dass die axiale Länge der Teilleiter radial von außen nach innen zunimmt. Im darauf folgenden Schritt S3 werden die Teilleiter radial beabstandet und fixiert. Vorzugsweise sind der Durchmesser und die radiale Dicke der jeweiligen Teilleiter derart aufeinander abgestimmt, dass zwischen den Teilleitern jeweils ein radialer Mindestabstand für die Spannungsisolierung eingehalten wird. Vorzugsweise nimmt die radiale Dicke eines Teilleiters von innen nach außen ab, wobei die jeweiligen Teilleiter eine in etwa gleiche Querschnittsfläche zum Einhalten einer Mindeststromdichte aufweisen. Allerdings wird eine Mindestradialdicke des insbesondere außenliegenden Teilleiters nicht unterschritten, um eine ausreichende mechanische Festigkeit einer derart hergestellten Stromschiene zu gewährleisten.
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Im folgenden Schritt S4 werden die koaxialen Hohlräume zwischen radial benachbarten Teilleitern mit einem aushärtenden Isolierstoff aufgefüllt. Das Auffüllen erfolgt vorzugsweise in der Weise, dass die in den koaxialen Hohlräumen befindliche Luft während des Auffüllens verdrängt wird oder dass diese Luft durch entsprechende Absaugung, wie z. B. mittels einer Unterdruckeinheit, entfernt wird. Vorzugsweise wird der Isolierstoff erwärmt, um dessen Fließeigenschaften zu verbessern.
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Im abschließenden Schritt S5 wird abgewartet, bis die gesamte Stromschiene ausreichend ausgehärtet ist. Die Aushärtezeit kann im Bereich von wenigen Minuten bis einigen Stunden liegen.
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2 zeigt beispielhaft eine Stromschiene 1 mit fünf koaxial angeordneten, rohrförmigen Teilleitern 2. Der äußerste Teilleiter 2 ist zum Anschluss an eine Schutzerde PE vorgesehen. Diesem schließen sich radial von außen nach innen drei Teilleiter 2 an, die den drei Phasen L1, L2, L3 eines dreiphasigen Drehstromsystems zugeordnet sind. Ganz im Inneren ist ein mit dem Bezugszeichen N angeordneter Neutralleiter als Teilleiter 2 bezeichnet. Letzterer kann aufgrund der im symmetrischen Betrieb der Stromschiene 1 auftretenden und im Vergleich zu den Phasenströmen deutlich kleineren Ausgleichsströme einen kleineren Querschnitt aufweisen. Bei einem unsymmetrischen Betrieb kann der Querschnitt des Neutralleiters größer als die Querschnitte der Phasenleiter L1, L2, L3 ausgeführt werden, ohne dass die Maße der Verbindungsstelle geändert werden müssen. Mit A ist die Längsachse bzw. die Rotationsachse der so gebildeten Stromschiene 1 bezeichnet. Mit H ist ein im Inneren des Neutralleiters N befindlicher Hohlraum bezeichnet. Dieser kann unter anderem zur Kühlung der Stromschiene 1 dienen. Zwischen den rohrförmigen Teilleitern 2 sind ringförmig ausgebildete Abschnitte 3 aus dem ausgehärteten Isolierstoff 3 gezeigt.
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Bei der gezeigten Stromschiene 1 weisen die jeweiligen ineinandergeschobenen Teilleiter 2 bereits eine radial von außen nach innen zunehmende axiale Länge auf. Dadurch entstehen radial von außen zugängliche metallische Kontaktierungsringe zum Stromanschluss der jeweiligen Stromphasen L1, L2, L3 und des Neutralleiters N.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Stromschienen 1 mit koaxial angeordneten, rohrförmigen Teilleitern. Im unteren Teil der 3 ist eine Einspritzeinheit 4 zu sehen. Sie ist zur radialzentrierten Aufnahme eines unteren Endes UE der rohrförmigen Teilleiter 2 sowie zum Einspritzen eines flüssigen oder aufgeschäumten, aushärtenden Isolierstoffs 3 in die koaxialen Hohlräumen KH zwischen den benachbarten Teilleitern 2 vorgesehen. Im Beispiel der vorliegenden 3 sind die Einspritzeinheit 4 und die Halteeinheit 5 zudem trichterförmig ausgebildet, um die ineinandergeschobenen, eine radial von außen nach innen zunehmende axiale Länge aufweisenden Teilleiter 2 radial und zugleich zentriert aufzunehmen.
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Zur radialen Beabstandung und Fixierung weisen die Einspritzeinheit 4 sowie die Halteeinheit 5 vorzugsweise in Umfangrichtung verlaufende Fixierstege 7 auf. Diese sind derart ausgebildet, dass die ineinandergeschobenen Teilleiterrohre 2 radial beabstandet und fixiert werden können. Mit RB ist eine radiale Breite zwischen den Teilleitern 2 bezeichnet. Diese ist vorzugsweise einheitlich für alle Teilleiter 2. Weiterhin weisen die Teilleiter 2 eine derart radial von außen nach innen zunehmende axiale Länge auf, dass diese von Teilleiterrohr 2 zu Teilleiterrohr 2 an jedem Ende UE, OE um eine vorzugsweise gleiche axiale Breite AB zunehmen.
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Werden nun die ineinandergeschobenen Teilleiterrohre 2 der noch nicht fertigen Stromschiene 1 zwischen der Einspritzeinheit 4 und der Halteeinheit 5 eingespannt, so werden diese (automatisch) radial beabstandet, axial zentriert und zugleich axial wie radial fixiert. Zugleich dichten die in Umfangrichtung verlaufenden Fixierstege 7 die Teilleiterrohre 2 gegeneinander ab.
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Weiterhin ist im rechten Teil der 3 beispielhaft ein Isolierstoffaufbereiter 6 dargestellt, welcher zum Zuführen des flüssigen oder aufgeschäumten, aushärtenden Isolierstoffs 3 über ein Zuführrohr 64 zur Einspritzeinheit 4 vorgesehen werden kann. Im Falle eines flüssigen Isolierstoffs 3 kann dem Isolierstoffaufbereiter 6 z. B. ein Harz 61 und ein Härter 62 in einem vorgegebenen Mengenverhältnis über einen Mischer 63 zugeführt werden.
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Alternativ kann, wie im oberen Teil der 3 angedeutet, die Luft über eine Vakuumeinheit VAC bzw. über eine Unterdruckeinheit abgezogen werden. Dadurch wird eine nachteilige Blasenbildung mit Lufteinschlüssen in den koaxialen Hohlräumen KH verhindert. Zugleich unterstützt der Unterdruck das Aufsteigen des heißen, flüssigen Isolierstoffs 3. Zum Einspritzen kann der Isolierstoffaufbereiter 6 weiter eine Pumpeneinheit P aufweisen. Er kann weiterhin eine Heizeinheit HZ aufweisen, um die Viskosität des Gießharzes herabzusetzen und um die Aushärtezeit zu verkürzen. Weiterhin kann der Isolierstoffaufbereiter 6 eine Schäumeinheit SCH aufweisen, um den flüssigen Kunststoff K, wie z. B. ein Polymer, mittels eines von außen zugeführten Isoliergas, wie z. B. Schwefelhexafluorid SF6, zu einem aushärtenden Schaum 3 aufzuschäumen. Dieser Schaum 3 kann dann über die Einspritzeinheit 4 in die koaxialen Hohlräume KH eingespritzt werden. Überschüssiges Material wird über die Ausführleitungen 52 in der Halteeinheit 5 nach außen geführt. Dabei wird gleichzeitig die vollkommene Füllung der Hohlräume kontrolliert.
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Die Verwendung eines hochisolierenden, aushärtenden Schaums führt dazu, dass das Gesamtgewicht einer derartig hergestellten Stromschiene 1 im Vergleich zu herkömmlichen koaxialen Stromschienen 1 mit einem massiven Isolierstoff 3 erheblich leichter ist. Zugleich gewährleistet der ausgehärtete Schaum 3 in etwa gleiche mechanische sowie elektrisch isolierende Eigenschaften.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.