Durchführung mit einem Basis-Aktivteil und einer Isoliereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Durchführung und eine Isoliereinrichtung gemäss dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Durchführung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs . Die Isoliereinrichtung gelangt zur Anwendung in der Hochspannungstechnik als Basiselement für den Bau von Durchführungen im Spannungsbereich von 6 kV bis 800 kV Wechselspannung und Gleichspannung, kann aber auch für Messtransformatoren, Kondensatoren und Stützern eingesetzt werden.

Stand der Technik sind folgende Durchführungen mit integrierten Steuerungen für Hochspannungsanordnungen zwischen zwei Potentialen bzw. zwischen Hochspannungspotential und Erdpotential .

1. Durchführung, bestehend aus kalandriertem Elektro- Isolierpapier oder Krepp-Isolierpapier, aufgewickelt auf ein Metallrohr oder einem Rohr aus Isoliermaterial oder einem Isolierstab mit eingelegten oder aufgedruckten/aufgedampften oder gespritzten Steuerelektroden aus Metall oder einer leitenden Materialschicht, imprägniert unter Vakuum mit Epoxydharz oder Polyurethan-Harz oder Isolierflüssigkeit, wie z. B. Mineralöl.

2. Durchführung, bestehend aus kalandriertem Elektro- Isolierpapier oder Krepp-Isolierpapier, beschichtet mit einer Harzschicht im nicht polymerisierten Zustand, auf-

gewickelt unter Wärme und Druck auf einem Metallrohr oder einem Rohr aus Isoliermaterial, oder Zylinder oder Isolierstab mit eingelegten Steuer-Elektroden aus Metall oder leitender Materialschicht.

3. Durchführung, bestehend aus Elektro-Kunststofffolien, wie z.B. Polypropylen- oder Polyester-Folien, aufgewickelt auf ein Metallrohr, Rohr aus Isoliermaterial oder Isolierstab mit integrierten Steuerfolien, bestehend aus eingelegten Al-Folien oder aufgedrucktem oder gespritz- tem Metall, vorzugsweise Aluminium oder einem leitenden Material und imprägniert unter Vakuum mit SF _δ -Gas oder einer Isolierflüssigkeit.

4. Durchführung, bestehend aus einer zylindrischen Erdelektrode und einem zylindrischen Stromleiter auf HS- Potential und einer Isolierstrecke zwischen Leiter und Erdelektrode aus SFβ-Gas mit einem Druck zwischen 1 bar und 10 bar.

Gemäss IEC Standard 60137 für Durchführungen lassen sich die folgenden Isoliereinrichtungen für Durchführungen mit integ- rierten Steuerungen für Hochspannungsanordnungen zwischen zwei Potentialen bzw. zwischen Hochspannungspotential und Erdpotential unterscheiden: ölimprägniertes Papier (0IP) , Harzimprägniertes Papier (RIP) , Harzbeschichtetes Papier (RBP) und gasisolierte Isoliereinrichtungen. Anwendungen sind wie folgt: Durchführungen für Transformatoren, Durchführungen für GIS-Anlagen, wobei GIS für „gas insulated switchgear" steht, Verbindungen von GIS-Anlagen mit Transformatoren, Wanddurchführungen oder Generatordurchführungen. Dieselben

Isoliereinrichtungen werden auch für Hochspannungs- Messwandler eingesetzt.

Folgende Steuerungen können unterschieden werden: eine durchgehende Steuerung mit veränderlicher Elektrodenbreite, eine zweifache Steuerung mit konstanter Breite, eine einfache Steuerung mit konstanter Breite, eine Grobsteuerung mit Ringelektrode an den Lagenrändern oder eine Grobsteuerung mit Erdelektrode .

Die verschiedenen Technologien weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. Für ölimprägniertes Papier (OIP) sprechen eine hohe zulässige Betriebsfeldstärke, ein Vorhandensein eines organischen Dielektrikums, eine kostengünstige Herstellung, eine hohe Zuverlässigkeit, eine lange Lebensdauer, ein flexibles Dielektrikum, ein sehr guter Wärmetransport (Lei- ter-Isolatoroberflache) und TE-Einsatzwerte von 2 pC bis 5 pC, die leicht erreichbar sind. Nachteilig ist ein Vorhandensein von abbaubarem Mineralöl oder pflanzlichem öl zwischen Aktivteil und Isolatorwand, welches bei einer Beschädigung herausfliessen kann. Weiter von Nachteil ist eine Limitierung der zulässigen Feldstärke durch die Festigkeit des imprägnierten Isolierpapiers, eine horizontale Einbaulage ist nur mit eingebautem Kompensator möglich und ein Bedarf an Porzellan- oder Komposit-Isolator für den Betrieb.

Für harzimprägniertes Papier (RIP) sprechen eine zulässige Feldstärke, ähnlich derjenigen von OIP, ein trockenes Dielektrikum, eine Einbaulageunabhängigkeit und Silikonschirme, die direkt auf den Aktivteil aufgebracht werden können. Nachteilig ist ein aufwändiger und materialintensiver Her- stellungsprozess (kostenintensiver als OIP) , TE-Werte müssen

aus Lebensdauererwartungen < 2 pC sein, unelastisches Aktivteil kann innere Spannungen bewirken, eine schlechte Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums verglichen mit OIP, kein organisches Dielektrikum und eine Epoxydharz-Aussenfläche des Aktivteils, welche überdreht werden muss.

Für harzbeschichtetes Papier (RBP) spricht ein trockenes Dielektrikum und eine Einbaulageunabhängigkeit. Von Nachteil ist eine niedrige TE-Einsatzspannung, hohe zulässige TE-Werte im Betrieb, die von einem Trafobauer nicht toleriert werden und eine Aktivteil-Aussenflache, die überdreht werden muss.

Für gasisolierte Isoliereinrichtungen, die z. B. SF ₆ als Gas einsetzen, sprechen ein trockenes Dielektrikum, eine Einbaulageunabhängigkeit, ein einfacher Herstellungsprozess und ein TE-Wert < 2 pC . Nachteilig ist eine Begrenzung der zulässigen Feldstärke an den Lagenrändern durch das SF ₅ -GaS und dessen Gasdruck, dadurch ist keine hohe Ausnutzung des Dielektrikums möglich. Weiter von Nachteil ist eine unerwünschte Zugehörigkeit des SFe-Gases zu den Treibhausgasen, ein Unterdruckstehen des Isolators, was zumeist den Einsatz von Komposit- Isolatoren aus Sicherheitsgründen bedingt, sowie eine Begrenzung des Minustemperaturbereiches nach unten durch den Gasdruck .

Als Beispiel einer Isoliereinrichtung für eine Durchführung gemäss dem Stand der Technik ist in Fig. 1 eine Standardlö- sung der vorstehend unter den Punkten 1 und 4 beschriebenen Technologien für die gesteuerte Lösung einer Durchführung gezeigt. Linie 501 ist eine Potentiallinie, die durch Steuerelektroden bzw. Steuerbeläge 502 bestimmt wird. Eine Isolierung 503 aus ölpapier oder gasimprägnierter Folie liegt zwi-

sehen einem Leiter 504 auf Hochspannungspotential und einer Elektrode 505. Ein Basisaktivteil 506 ist durch einen Porzellanisolator oder Komposit-Isolator 507 hermetisch von der Umgebung abgeschlossen. Ein Zwischenraum oder Spalt 508 zwi- sehen Aktivteil und Isolator ist mit einer Isolierflüssigkeit oder Isoliergas, wie Luft, SF ₆ , N ₂ usw. unter Druck von 1 bar bis 6 bar gefüllt. Eine Hochspannung wird an einen An- schluss 509 gelegt. Eine Hochspannungselektrode 510 hat das gleiche Potential wie der Anschluss 509. Ein Anschluss 511 an den Transformator oder die GIS-Anlage (GIS = gas insulated switchgear) ist durch den Leiter 504 mit dem Anschluss 509 verbunden. Die Steuerelektrode 505 ist mit einem Flansch 512 verbunden und auf Erdpotential 513 gelegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchführung und eine Isoliereinrichtung vorzuschlagen, welche die mit einer vorstehend beschriebenen herkömmlichen Durchführung bzw. Isoliereinrichtung verbundenen Nachteile nicht aufweisen, unabhängig von der Einbaulage sind, keine Porzellan- oder Komposit-Isolatoren benötigen und einfach hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemässe Durchführung bzw. durch die erfindungsgemässe Isoliereinrichtung gelöst, wie sie im unabhängigen Patentanspruch 1 bzw. 8 definiert sind. Der unabhängige Patentanspruch 11 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemässen Durchführung mit einem Basis-Aktivteil und einer Isoliereinrichtung. Vorteilhafte AusführungsVarianten ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Insbesondere umfasst bei der erfindungsgemässen Durchführung

mit einem Basis-Aktivteil und einer Isoliereinrichtung der Basis-Aktivteil einen Leiter, Kunststoff-Elektro-Folien, Steuerelektroden und eine Erdelektrode. Die Isoliereinrichtung weist einen Schrumpfschlauch aus einem elektrisch iso- lierenden Material auf.

Der Basis-Aktivteil zusammen mit dem Schrumpfschlauch ermöglicht einen hermetisch verschlossenen Basis-Aktivteil ohne Isolator was gleichbedeutend mit einem trockenen Aktivteil ist. Auch ist bei der erfindungsgemässen Durchführung jede Einbaulage möglich, es werden keine Porzellan- oder Komposit- Isolatoren benötigt und die erfindungsgemässe Durchführung kann günstig hergestellt werden.

Im Speziellen sind bei der erfindungsgemässen Durchführung die Kunststoff-Elektro-Folien, die Steuerelektroden und deren Kanten mit einer niederviskosen Isolierflüssigkeit unter Vakuum versehen, wobei die Isolierflüssigkeit eine Viskosität zwischen 8 m ² /s und 20 m ² /s bei 40 ⁰ C aufweist, oder mit einer alternativen niederviskosen Isolierflüssigkeit, die sich bei einer Vernetzungstemperatur von mindestens 50 ⁰ C vernetzt, wo- bei die alternative Isolierflüssigkeit eine Viskosität zwischen 20 m ² /s und 100 m ² /s bei 40 ⁰ C aufweist. Eine Imprägnierung mit einem flexiblen Silikon-Gel oder einer Isolierflüssigkeit hoher Durchschlagsfestigkeit (hohe TE- Einsatzfeidstärke) ergibt ein elastisches Dielektrikum und ermöglicht den Einsatz einer erfindungsgemässen Isoliereinrichtung für eine Durchführung in den folgenden Temperaturbereichen, die typischerweise für solche Isoliereinrichtungen gefordert werden: Aussentemperatur von -50 ⁰ C bis +60 ⁰ C resp . Einsatztemperatur aufgrund der Eigenerwärmung der Isolierein- richtung von -5O ⁰ C bis +12O ⁰ C. Es findet somit keine Impräg-

nierung mit einem Epoxyd- oder Polyurethan-Harzsystexn statt. Die Isoliereinrichtung weist eine gute Wärmeleitfäigkeit auf und erreicht eine hohe Ausnutzung des Dielektrikums, wobei die Feldstärken bei der Wechselspannungsprüfung durch die folgenden zwei Kriterien festgelegt werden:

E ≤ E

U=U TE- Einsalzspannung

U _d _ Durchschlag h) E < — 2- = spannung u= ^u r d _F Dielelctrikumsdicke

Im Speziellen sind bei der erfindungsgemässen Durchführung die Kunststoff-Elektro-Folien auf einem Metallrohr, einem Rohr aus Isoliermaterial oder einem Isolierstab angeordnet.

Im Speziellen ist bei der erfindungsgemässen Durchführung das Metallrohr mit den darauf angeordneten Kunststoff-Elektro- Folien gleichzeitig der Leiter.

Im Speziellen umfassen bei der erfindungsgemässen Durchfüh- rung die Steuerelektroden Steuerfolien aus Al-Folien, aufgedampften Al-Steuerfolien oder leitende Materialschichten. Auch können aufgedruckte Elektroden aus Metall bzw. aufgedruckte oder aufgespritzte Metallschichten oder leitende Materialschichten als Elektroden zum Einsatz kommen. Für einen einfachen Herstellprozess wurde die Einfach- oder Zweifachsteuerung festgelegt und als Elektroden Al-Folien, aufgedampftes Aluminium oder eine leitende Materialschicht ausgewählt. Somit ist wahlweise ein Einsatz von Zweifach- oder Einfach-Steuerung möglich. Es resultiert ein einfacher Her- stellungsprozess und eine automatische Herstellung der erfin-

dungsgemässen Durchführung mit integrierten Elektroden ist auch möglich.

Im Speziellen umfassen bei der erfindungsgemässen Durchführung die Kunststoff-Elektro-Folien Polyester-Elektro-Folien, wobei die Polyester-Elektro-Folien eine Oberflächenrauhigkeit von 0.07 um bis 0.5 μm aufweisen und keine Einschlüsse von leitenden Partikel und keine Fehlstellen vorhanden sind.

Im Speziellen weisen bei der erfindungsgemässen Durchführung die Polyester-Elektro-Folien eine Dicke von 10 Um bis 80 Um, insbesondere eine Dicke von 18 Um bis 36 Um, auf. Die Polyester-Elektro-Folien können z. B. eine Dicke von 18, 36 oder auch 72 μm aufweisen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Isoliereinrichtung für eine Durchführung, die einen Schrumpf- schlauch aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist. Der Basis-Aktivteil zusammen mit dem Schrumpfschlauch ermöglicht einen hermetisch verschlossenen Basis-Aktivteil ohne Isolator was gleichbedeutend mit einem trockenen Aktivteil ist. Auch ist bei der erfindungsgemässen Isoliereinrichtung jede Einbaulage möglich.

Im Speziellen umfasst die erfindungsgemässe Isoliereinrichtung ferner Silikonschirme, die auf dem Schrumpfschlauch aufgebracht sind.

Im Speziellen ist bei der erfindungsgemässen Isoliereinrich- tung der Schrumpfschlauch ein Fluor-Kunststoff-

Schrumpfschlauch, insbesondere aus FEP (Fluor-Ethylen-

Polymer) . Alternativ kann auch ein Viton-E®-Schrumpfschlauch

verwendet werden. Der Schrumpfschlauch wird beim Herstel- lungsprozess durch Wärme auf den Aktivteil geschrumpft. Der von der Isoliereinrichtung umschlossene Basis-Aktivteil wird durch den Schrumpfschlauch hermetisch von der Umgebung abge- dichtet . Der Schrumpfschlauch kann auch mit O-Ringen oder mit einem Heisskleber auf seiner Innenseite zur besseren Abdichtung versehen sein.

Im Speziellen lassen sich bei der erfindungsgemässen Isoliereinrichtung, welche ein Trägerrohr, Polyester-Folien, Steuer- elektroden und Imprägniermittel (Gas, z. B. Luft, SFβ oder N ₂ ) oder polymerisierbarem Harz-Härtersystem oder niederviskosen isolierenden Flüssigkeit und Schrumpfschlauch umfasst, Silikonschirme einfach auf den Aktivteil integrieren. Der Aktivteil besitzt eine Oberfläche für ein direktes Aufbringen von äusseren Silikonschirmen für Aussenbetrieb.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Durchführung mit einem Basis- Aktivteil und einer Isoliereinrichtung, wobei der Basis- Aktivteil einen Leiter, Kunststoff-Elektro-Folien, Steuer- elektroden und eine Erdelektrode umfasst, bei dem ein Schrumpfschlauch aus einem isolierenden Material um den Basis-Aktivteil herum angeordnet und unter Wärmezufuhr geschrumpft wird.

Im Speziellen werden beim erfindungsgemässen Verfahren die Steuerelektroden und deren Kanten unter Vakuum mit einer elastischen und niederviskosen Isolierflüssigkeit versehen, oder mit einer alternativen niederviskosen Isolierflüssigkeit, die sich bei einer Vernetzungstemperatur von mindestens 50 ⁰ C vernetzt. Die Isolierflüssigkeit kann die Eigenschaft

haben, dass nach einem Wärmeprozess die Isolierflüssigkeit in einen elastischen Zustand übergeht.

Im Folgenden wird die erfindungsgemässe Isoliereinrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels detaillierter beschrieben. Es zeigt:

Fig. 2 - einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Durchführung mit einer erfin- dungsgemässen Isoliereinrichtung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel ei- ner erfindungsgemässen Durchführung mit einer erfindungsgemässen Isoliereinrichtung und einer Steuerung am Beispiel einer Transformator-Freiluft-Durchführung. Linie 1 ist eine Potentiallinie (60%), die durch Steuerelektroden 2 bestimmt wird. Eine Folienisolierung mit Kunststoff-Elektro-Folien 3 liegt zwischen einem Leiter 4 auf Hochspannungs-Potential und einer Erdelektrode 5. Ein Basisaktivteil 6, welches den Leiter 4, die Folienisoliereinrichtung mit den Kunststoff- Elektro-Folien 3 , Steuerelektroden 2 und die Erdelektrode 5 umfasst, ist durch einen Schrumpfschlauch 8 hermetisch von der Umgebung getrennt. Ein beim Stand der Technik angeordneter Spalt 508 (siehe Fig. 1) ist nicht mehr vorhanden. Ebenso ist ein beim Stand der Technik vorhandener Isolator 507 (siehe Fig. 1) durch Silikonschirme 7 auf dem Schrumpfschlauch 8 ersetzt worden. Die Hochspannung wird an einen Anschluss 9 angelegt, und eine Hochspannungs-Elektrode 10 hat das gleiche Potential wie der Anschluss 9. Ein Anschluss 11 an den Transformator ist durch den Leiter 4 mit dem Hochspannungs- Anschluss 9 verbunden. Die Steuerelektrode (Erdelektrode 5)

ist mit einem Flansch 12 verbunden und auf Erdpotential 13 gelegt .