DE102015213601A1

DE102015213601A1 - Gasisolierte Hoch- oder Mittelspannungsanordnung

Info

Publication number: DE102015213601A1
Application number: DE102015213601.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hammer; Werner Hartmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2017-01-26
Also published as: WO2017012768A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Hoch- oder Mittelspannungsanordnung umfassend einen Isolierraum mit einem gasförmigen Isoliermedium und einem Füllmittel, das Füllmittel umfasst Hohlkugeln, die mit dem gasförmigen Isoliermedium gefüllt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In Anlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik, z.B. gasisolierten Schaltanlagen (GIS), gasisolierten Leitungen (GIL) oder anderen, muss stets ein mit hohen elektrischen Feldern beaufschlagtes Volumen mit einer oder mehreren Hochspannungskomponenten, zum Beispiel einer Vakuumschaltröhre, mit einem Medium gefüllt werden, welches keine elektrischen Durchschläge zwischen Teilen mit unterschiedlichen Spannungspotenzialen zulässt.
Bisher werden zur Isolierung von Mittel- beziehungsweise Hochspannungsanlagen, in gasisolierten Leitungen oder Schaltanlagen, sehr häufig das Isoliergas SF₆ verwendet. Dieses Gas hat sehr gute Isoliereigenschaften, ist nicht toxisch und gut handhabbar. Das Problem an dem Schwefelhexafluorid besteht allerdings darin, dass es das etwa 23.000-fache Treibhauspotenzial von Kohlendioxid besitzt. Dieses außergewöhnlich hohe Treibhausgaspotenzial führt dazu, dass SF₆ in seiner Verwendung als Isoliergas reduziert werden soll. Hierzu werden eine Vielzahl von verschiedenen Gasen erprobt und diskutiert, die bisher jedoch nicht den durchschlagenden Erfolg erzielt haben. Ferner wurde bereits in früherer Zeit die Isolation durch flüssige Stoffe oder Feststoffe erprobt. Auch dies hat bisher noch nicht zu dem entsprechenden Erfolg geführt.
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine isolierte Hoch- beziehungsweise Mittelspannungsanordnung einschließlich isolierter Leitungen beziehungsweise isolierte Schaltanlagen bereitzustellen, die ein ebenso gutes beziehungsweise besseres Isolierverhalten aufweisen, wie dies im Stand der Technik mit dem SF₆ der Fall ist, jedoch ein geringeres Treibhauspotenzial aufweisen.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Hoch- beziehungsweise Mittelspannungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Hoch- oder Mittelspannungsanordnung umfasst einen Isolierraum mit einem gasförmigen Isoliermedium und einem Füllmittel, und die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Füllmittel Hohlkugeln umfasst, die mit dem gasförmigen Isoliermedium gefüllt sind. Durch die Verwendung einer hochspannungsfesten Gasfüllung der Hohlkugeln wird die Teilentladungstätigkeit in den Hohlkugeln unterdrückt. Dies führt gegenüber einem freien, im gesamten Isolierraum angeordneten Isoliergas zu einer besseren Isolierwirkung.
Es hat sich dabei herausgestellt, dass die Hohlkugeln dabei einen relativ geringen Durchmesser aufweisen sollen, insbesondere ein sogenannter D₉₅-Wert von weniger als 200 µm zeigt bei Hohlkugeln, die mit Isoliergas gefüllt sind, die besten Isoliereigenschaften. Dabei wird unter dem Begriff D₉₅ verstanden, dass 95 % der eingefüllten Hohlkugeln einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als 200 µm ist. Dabei handelt es sich um den Außendurchmesser, wobei der Innendurchmesser abhängig von der Wandstärke der Hohlkugeln etwa zwischen 2 und 10 % geringer ist als der Außendurchmesser. Es hat sich ebenfalls herausgestellt, dass insbesondere ein D₉₅-Wert der Hohlkugeln von weniger als 100 µm, ganz besonders bevorzugt weniger als 30 µm, die dielektrischen Eigenschaften des Isoliermediums noch einmal erhöhen.
Dabei ist es auch wiederum zweckmäßig, dass es sich bei den Hohlkugeln nicht um eine monomodale Verteilung mit einem diskreten Durchmesserwert handelt, der sich um eine Gaußverteilung ansiedelt, sondern dass eine kontinuierliche, polydisperse Verteilung der Durchmessergrößen, insbesondere eine bimodale oder trimodale Verteilung der Hohlkugeln, zweckmäßig ist, da durch eine derartige Verteilung die Zwischenräume zwischen einzelnen Hohlkugeln besser ausgefüllt werden kann, so dass die Gesamtausfüllung des Isolierraums durch die Hohlkugeln und dem darin befindlichen Isoliergas optimiert wird und bevorzugt mehr als 60 %, insbesondere bevorzugt mehr als 70 % beziehungsweise mehr als 80 % beträgt.
Als gasförmiges Isoliermedium, das sich in den Hohlkugeln befindet, haben sich verschiedene Isoliergase, insbesondere Hydrofluorolefine, Perfluorketone, Perfluornitrile, Hydrofluoroxirane, Perfluoroxirane, Hydrofluorether, Perfluorether, Stickstoff oder Kohlendioxid beziehungsweise eine Mischung aus den genannten Gasen ergeben. Dabei handelt es sich um Medien, die bei Einsatztemperatur der Hoch- beziehungsweise Mittelspannungsanordnungen in der Regel gasförmig beziehungsweise flüssig und gasförmig mit einem gasförmigen Anteil vorliegen und wobei der gasförmige Anteil eine hohe dielektrische Festigkeit aufweist.
Die Hohlkugeln wiederum bestehen bevorzugt aus einem Material, das gasundurchlässig ist und das darin befindliche gasförmige Isoliermedium sicher einschließt, dabei hat sich Glas, Polymere oder Harze als besonders vorteilhafte Materialien für die Hohlkugeln herausgestellt.
Die Hohlkugeln, die als Schüttung im Isolierraum angeordnet sind, werden wiederum bevorzugt von einem Füllmaterial umgeben, in das diese eingebettet sind. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass sowohl der Begriff Hohlkugeln als auf Füllmaterial von dem Oberbegriff Füllmittel umfasst sind.
Dieses Füllmaterial, das die Hohlkugeln mit dem gasförmigen Isoliermedium umgibt, weist bevorzugt eine höhere dielektrische Permittivität auf als die Hohlkugeln mit dem gasförmigen Isoliermedium. Diese Beziehung senkt die dielektrischen Anforderungen an das Fluid oder an ein anderes festes Dielektrikum, das die Hohlkugel umgibt, weil das elektrische Feld in den Bereichen niedriger elektrischer Permittivität erhöht ist gegenüber Bereichen hoher dielektrischer Permittivität.
Grundsätzlich ist es zweckmäßig, wenn das Füllmaterial, das die Hohlkugeln umgibt, ein Fluid ist. Hierbei kann es sich um ein flüssiges Dielektrikum, ein festes Dielektrikum, aber auch um superkritische Fluide, Suspensionen, insbesondere Kolloide oder sonstige mischphasige Substanzen, handeln. Ein flüssiges Fluid kann insbesondere ein Öl auf Basis von fluorierten Kohlenwasserstoffen oder ein Silikonöl sein. Ein festes Fluid kann ein Polymer oder ein Harz sein.
Grundsätzlich kann das Füllmaterial auch ein Gas sein, das eine höhere dielektrische Festigkeit hat, als das gasförmige Isoliermedium in den Hohlkugeln. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, dass das Füllmaterial eine höhere dielektrische Permittivität aufweist als die Hohlkugeln mit dem gasförmigen Isoliermedium.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei handelt es sich um reine Ausführungsbeispiele, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.
Dabei zeigen:
1 einen Ausschnitt aus einem Isolierraum einer Hoch- beziehungsweise Mittelspannungsanordnung mit stark vergrößert dargestellten Hohlkugeln und einem weiteren Füllmittel;
2 einen Ausschnitt aus demselben Isolierraum mit einer vergrößerten Hohlkugel und den dazugehörigen elektrischen Feldlinien des elektrischen Feldes.
In 1 ist ein Ausschnitt aus einem Isolierraum einer Hoch- beziehungsweise Mittelspannungsanlage dargestellt. Die Anlage an sich kann beispielsweise eine Schaltröhre oder eine gasisolierte Leitung (GIL) sein. Der freie Isolierraum ist dabei mit Hohlkugeln 2 aufgefüllt, die von einem Mittel 6, wie bei dem ebenfalls im Isolierraum 1 angeordneten Fluid 7, umgeben sind.
Die Hohlkugeln 2 weisen eine bimodale Verteilung auf, weshalb größere Hohlkugeln 2 und kleinere Hohlkugeln 2‘ vorliegen. Die kleineren Hohlkugeln 2‘ füllen die Zwischenräume zwischen den größeren Hohlkugeln 2 aus, sodass eine möglichst gute Raumausfüllung erfolgt. Die Hohlkugeln 2 sind ihrem Inneren, in dem Hohlraum, mit einem gasförmigen Isoliermedium 4 gefüllt. Insofern kann bei einer Hoch- beziehungsweise Mittelspannungsanordnung, einem Schalter oder einem Leiter unter Anwendung der beschriebenen gasgefüllten Hohlkugeln 2, 2‘ ebenso von einem gasisolierten Leiter beziehungsweise einer gasisolierten Schaltanlage gesprochen werden, da die Hauptisolierwirkung durch das gasförmige Isoliermedium 4 innerhalb der Hohlkugel 2, 2‘ erfolgt.
Die Hohlkugeln bestehen dabei insbesondere aus Glas, es können aber auch Polymere und Harze als kugelbildendes Material herangezogen werden, hierbei eignen sich auch beispielsweise Silikon oder Epoxidharz. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Hohlkugeln 2, 2‘ von ihrem Füllmaterial so gasundurchlässig sind wie möglich, damit das darin befindliche gasförmige Isoliermedium 4 nicht aus den Hohlkugeln 2, 2‘ austreten kann.
Als gasförmiges Isoliermedium bietet sich eine Vielzahl von Materialien an, eine exemplarische Auswahl besteht aus der folgenden Gruppe, nämlich der Hydrofluorolefine, der Perfluorketone, der Perfluornitrile, der Hydrofluoroxirane, der Perfluoroxirane, der Hydrofluorether und der Perfluorether. Ferner kommt ein klassisches Gemisch zwischen Stickstoff und Kohlendioxid sowie Gemische aus allen vorher genannten Gasen in Frage.
Die Zwischenräume zwischen den Hohlkugeln 2, 2‘ werden in einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung mit einem Fluid mit hoher elektrischer Isolationsfähigkeit gefüllt. Das bevorzugt eine, gegenüber der Gasfüllung der Hohlkugelschüttung erhöhte dielektrische Permittivität aufweist. Hierbei kann es sich um ein flüssiges Dielektrikum, wie beispielsweise Öle auf Basis fluorierter Kohlenwasserstoffe, oder Silikonöle und/oder um ein festes Dielektrikum, aber auch um superkritische Fluide, Suspensionen, insbesondere Kolloide oder sonstige mischphasige Substanzen handeln. Grundsätzlich kann auch ein Gas als Füllmaterial zwischen den Hohlkugeln 2, 2‘ eingesetzt werden, das eine höhere dielektrische Festigkeit hat, als die Gasfüllung der Hohlkugelschüttung.
Die Hohlkugeln 2 weisen typischerweise einen Durchmesser von 100 µm bis 120 µm auf, ein Innendurchmesser liegt im Bereich von 100 µm. Es handelt sich bevorzugt um eine bimodale oder um eine trimodale, aber auch um eine kontinuierliche, polydisperse Größenverteilung, die dazu führt, dass wie in 1 beispielhaft angedeutet ist, Zwischenräume zwischen den Hohlkugeln 2, 2‘ minimiert werden und eine möglichst hohe Raumausfüllung durch die Hohlkugeln 2, 2‘ erfolgt. Die kleineren Hohlkugeln 2‘ haben beispielsweise einen Durchmesser von 30 µm, wobei sich bei den Angaben der einzelnen modalen Peaks um gaußkurvenförmige Peaks handelt, die einen Zwei-Sigma-Bereich von etwa 15 µm aufweisen.
Diese Anordnung führt dazu, dass selbst bei Gasen, die niedrigere dielektrische Festigkeiten als das herkömmliche SF₆ aufweisen, durch gasgefüllte Hohlkugeln 2 in einer Schüttung, höhere Spannungsfestigkeit erreichen, als mit einer reinen SF₆-Gasisolation. Das ist insbesondere attraktiv für Isoliergase mit einem hohen Siedepunkt, der den Einsatz unter hohem Druck in vielen Anwendungen wegen der niedrigen Betriebstemperaturen im Winter ausschließt. Bei Verwendung hinreichend kleiner Hohlkugeln im Bereich von 30 µm und geringer, steigt die reduzierte elektrische Feldstärke, also das Verhältnis zwischen Feldstärke und Gasdichte, die auf die Gasfüllung angewendet werden kann, ohne dass es zu einer elektrischen Gasentladung in der Gasfüllung kommt. Damit kann der Druck im Isolierraum 1 reduziert werden, ohne dass sich das nachteilig auf die Isolierwirkung auswirkt. Das Gas kann, sofern dies notwendig ist, auch toxische Eigenschaften aufweisen, wenn dies bei der Herstellung der Hohlkugeln 2, 2‘ unbedenklich ist. Dadurch wird auch der Einsatz von Isoliermedien 4 in Form von C4-Perfluorketonen, C3-Perfluornitrilen oder ähnlichen toxischen Substanzen ermöglicht, da diese nachhaltig in den Hohlkugeln eingeschlossen sind. Mit entsprechenden Schüttungen von Hohlkugeln 2, 2‘ unter hohem Druck im Isolierraum 1 können erheblich höhere Isolationspotenziale beziehungsweise Spannungsfestigkeiten erreicht werden, als dies mit anderen Lösungen aus dem Stand der Technik möglich ist.
Die Einbettung der gasgefüllten Hohlkugeln 2, 2‘ in dielektrische Fluide 7 mit einer relativen Permittivität ε_rf, die größer ist als die relative Permittivität des Isoliergases ε_rg, mit dem die Hohlkugeln 2, 2‘ gefüllt sind, senkt die dielektrischen Anforderungen an das Fluid 7 oder das feste Dielektrikum. Dies erfolgt deshalb, weil das elektrische Feld in den Bereichen niedriger dielektrischer Permittivität höher ist gegenüber den Bereichen hoher dielektrischer Permittivität, was in 2 durch den Verlauf der Feldlinien, die sich als Gradient des elektrischen Potenzials ergeben, dargestellt ist. Dies ist besonders vorteilhaft für feste Dielektrika, in denen Überschläge so wirksam vermieden werden können, die sonst zu einer Zerstörung des Dielektrikums beziehungsweise des Füllmaterials führen könnten.

Claims

Hoch- oder Mittelspannungsspannungsanordnung umfassend einen Isolierraum mit einem gasförmigen Isoliermedium (4) und einem Füllmittel (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel (6) Hohlkugeln (2) umfasst, die mit dem gasförmigen Isoliermedium (4) gefüllt sind.
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln (2) eine Durchmesserverteilung aufweisen, wobei der d₉₅-Wert der Durchmesserverteilung kleiner als 200 µm ist, insbesondere kleiner als 100 µm ist, besonders bevorzugt kleiner als 30 µm ist.
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserverteilung der Hohlkugeln (2) bimodal oder trimodal ausgebildet ist.
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Isoliermedium (4) ein Hydrofluorolefine, ein Perfluorketon, ein Perfluornitril, ein Hydrofluoroxiran, ein Perfluoroxiran, ein Hydrofluorether, ein Perfluorether, Stickstoff oder CO₂ oder Mischungen hieraus enthält.
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln (2) aus Glas, Polymeren oder Harzen bestehen.
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln (2) im Isolierraum von einem Füllmaterial (7) umgeben sind.
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (7) eine, gegenüber dem in den Hohlkugeln (2) vorliegenden Isoliermedium (4) höhere dielektrische Permittivität aufweist
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln (2) im Isolierraum (1) von einem Fluid (7‘) umgeben sind.
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Fluid (7‘) ein Öl auf Basis von fluorierten Kohlenwasserstoffe, oder ein Silikonöl ist.
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (7‘) ein festes Dielektrikum ist, das auf einem Polymer oder auf einem Harz basiert.
Hoch- oder Mittelspannungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (6) ein Gas ist, das eine höhere dielektrische Festigkeit hat als das gasförmige Isoliermedium in den Hohlkugeln.