Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsisolation gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Große supraleitende Magnetspulen werden meist aus Supra¬ leiterkabeln gewickelt, die von einer dichten, rohrförmigen Metallhülle umgeben sind. Das Kühlmittel Helium hält das Kabel auf Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes; es strömt im Inneren der Hülle zwischen den Kabellitzen ("intern gekühltes Supraleiterkabel") . Vor dem Wickeln einer Spule wird der Spulenleiter normalerweise mit Kunststoff, Glasfaser- oder einem anderen geeigneten Gewebe umgeben und nach dem Wickeln mit Epoxidharz vergossen. Dadurch ergibt sich eine hochspannungsfeste Spule, die je nach Bauweise Spannungen bis zu mehreren zehn kV standhalten kann. Die Leiterenden werden entweder gleichzeitig mit dem gesamten Spulenleiter isoliert und mit dem Wickelkörper vergossen oder nachträglich beispielsweise durch "Naßwickeln" mit einem epoxidharzgetränkten Isolatorgewebe isoliert. Schwieriger ist jedoch die Isolation der Leiterverbindungen sowie der Strom- und Heliumanschlüsse.

Im Betrieb sind sowohl die beschriebenen Spulen incl . eventueller Stahlgehäuse als auch die aus den Wickelkörpern und Gehäusen herausragenden Spulenanschlüsse zwecks thermischer Isolation von Kochvakuum umgeben. Hochvakuum ist bekanntlich auch ein hervorragender elektrischer Isolator, so daß die Hochspannungsfestigkeit sowohl der Spulen als auch der Anschlüsse im Normalbetrieb kein Problem darstellt. Sollte jedoch in einem Störfall Gas, beispielsweise Helium, durch ein Leck in den Hochvakuumraum eintreten, könnte sich bei Erreichen eines entsprechenden Druckes das Paschen- Minimum zwischen einem spannungsführenden Spulen- oder

Anschlußteil und einer geerdeten Elektrode (Rohrleitung, Strukturteil etc.) einstellen. Die Durchschlagsspannung von Helium im Paschen-Minimum liegt bei nur ca. 160 V. Die Isolation des gesamten Spulensystems incl . aller Anschlüsse und Zuleitungen ist daher für das Paschen-Minimum auszu¬ legen, d.h. die Isolation muß "Paschen-dicht" sein. Das bedeutet, daß im ungünstigsten Fall alle Isolatorüberzüge der Kabelenden und Anschlüsse der vollen - wegen der Gasionisation direkt anliegenden - Spannung standhalten müssen.

Die Kabelverbindunger. zwischen zwei Spulen oder Spulenteilen sind meist Lötstellen, die sich beispielsweise in einem metallischen Gehäuse 1 (auch Verbindungstopf genannt) befinden (s. Fig. 1) . Die beiden Leiterenden der zu verbin¬ denden Wicklungen, d.h. die Kabelhüllen 2, die die eigent¬ lichen Supraleiterkabel 3 enthalten, sind mit dem Verbin¬ dungsgehäuse dicht verschweißt . Oft wird über die Gehäuse auch das Kühlhelium den Kabeln zu- bzw. abgeführt. Beispiels¬ weise strömt in Fig. 1 Helium durch das ebenfalls dicht mit dem Gehäuse verschweißte Rohr 4 in das Gehäuse und von dort je zur Hälfte in das Innere der beiden Supraleitkabel 3. Das Kühlmittel kann dem Leiter beispielsweise auch über ein direkt mit der Leiterhülle verschweißtes Rohr zugeführt werden.

Sowohl die Leiterenden als auch das He-Rohr sind von der elektrischen Isolation 5 überzogen. Falls noch irgendwelche Instrumentierungen wie beispielsweie Druckfühler oder Spannungsabgriffe vorgesehen sind, müssen die entsprechenden Zuleitungen im Inneren der Heliumzuführung oder durch eigene, dem He-Rohr entsprechende Rohre geführt werden.

In einem Magnetsystem, das aus mehreren Spulen besteht, können die Spulenanschlüsse erst nach der Installation der Spulen hergestellt werden. Die Montageschweißnähte der entsprechenden Verbindungsgehäuse können somit erst nach dem

Abkühlen des gesamten Systems kalt, d.h. endgültig, leck¬ getestet werden. Die Isolation dieser Gehäuse und der un¬ mittelbar anschließenden blanken Leiter- und Rohrenden kann naturgemäß erst nach der Fertigstellung der Verbindungen und Anschlüsse erfolgen. Erschwerend kommt hinzu, daß im Spulen- Anschlußbereich oft mehrere Leiterverbindungen von Spulen¬ teilen nebeneinander angeordnet sind, so daß sehr beengte Raumverhältnisse vorliegen.

Ob die Spulenanschluß-Isolation nun vor oder nach dem ersten Abkühlen bzw. endgültigen Lecktest aufgebracht wird, hängt davon ab, welche Isolation man verwendet und welches Risiko man einzugehen bereit ist. Beispielsweise könnte man die Isolation erst nach dem Abkühlen und den kalten Lecktests montieren. Das wäre aber aufwendig, da dazu der Kryostat wieder geöffnet und ausreichend Zugang zu den Spulen-An¬ schlußstellen hergestellt (u.a. auch die thermische Isolation entfernt) werden müßte. Wenn die Isolation vor dem ersten Kaltfahren aufgebracht wird, sollte sie für den Fall eines auftretenden Kaltlecks des Verbindungsgehäuses entweder selbst heliumdicht sein oder, wenn die Isolation gasdurch¬ lässig ist, für eine eventuelle Reparatur des Gehäuses einfach abnehmbar sein. Eine ausreichende Heliumdichtheit, die über viele Temperaturzyklen zu gewährleisten ist, ist schwierig zu erreichen. Außerdem muß die Isolation im Falle eines Lecks dem vollen He-Druck standhalten. Andererseits wäre einfache Demontierbarkeit auf jeden Fall wünschenswert, weil dann eventuell später auftretende Lecks oder Schäden im Inneren des Verbindungsgehäuses (z.B. bei der Kabelverbindung oder die Instrumentierung) einfacher repariert werden könnten.

Bisher bekannte "Paschen-dichte" Isolationen für Hoch¬ spannungen werden meist durch Naßwickeln mit Epoxidharz- getränktem Gewebe hergestellt. Dabei können auch feste, vor¬ geformte Isolatorteile, beispielsweise aus GFK (glasfaser¬ verstärkter Kunststoff) mitverwendet werden. Nachteile dieser Methode sind einerseits der hohe Arbeitsaufwand sowie

die Schwierigkeit der Herstellung bei beengten Raumverhält¬ nissen und andererseits die Tatsache, daß diese Isolation nicht einfach abnehmbar ist .

Eine andere bekannte Möglichkeit der "Paschen-dichten" Isolation eines Verbindungsgehäuses wäre, letzteres lose mit einer Isolatorhülle zu umgeben und den Zwischenraum zwischen Hülle und Topf bzw. den Leiter- und Rohrenden auszuschäumen oder mit Isolierpulver oder Glasperlen auszufüllen. Eine solche Isolation wäre zwar relativ einfach und platzsparend herzustellen, eine eventuelle Demontage wäre aber immer noch aufwendig. Außerdem wäre ein relativ großes poröses Volumen zu evakuieren. (Der Schaumstoff müßte offenporig sein) . Sollte dieses Volumen Helium enthalten, wäre die Lecksuche im gesamten Hochvakuumraum erschwert .

Außer den erwähnten existieren noch zahlreiche weitere Vor¬ schläge für die Isolation von Spulenanschlüssen. Sie sind aber sehr aufwendig und/oder benötigen viel Platz, oder sie sind nur für niedrige Spannungen weit unter 10 kV geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungsisolation anzugeben, die unter beengten Raumverhältnissen einfach montierbar und abnehmbar ist und wenig Platz beansprucht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile bekannter Hoch¬ spannungsisolationen von Leiterverbindungen und -anschlüssen supraleitender Spulen für Spannungen ab einigen kV. Er¬ findungsgemäß wird das Verbindungsgehäuse eines solchen Anschlusses lose mit einer Isolierhülle umgeben, in die ein gasdurchlässiger und elektrisch isolierender Einsatz zur Evakuierung der Hülle eingesetzt ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert .

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hoch¬ spannungsisolation mit verschraubbarer Isolierhülle oder Befestigungen nach Varianten A oder B;

Fig. 2a-2f verschiedene Ausführungsformen von Filtersystemen;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit Anschlüssen auf zwei Seiten;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter zusätzlicher Verwendung eines Potentialschirms;

Fig. 5 ein experimenteller Aufbau zur Erprobung einer erfindungungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 6 ein experimenteller Aufbau zur Erprobung einer weiteren er indungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Isolierhülle verschraubbar ausgeführt ist: Das metallische Gehäuse 1 sowie die blanken Enden der Leiterhüllen 2 und des He-Rohres 4 sind von einer Isolatorhülle, bestehend aus den Teilen 6 und 7, umgeben. In den Teil 6 der Hülle ist der Einsatz 8 eingesetzt (vorteilhafterweise eingeklebt) . Letzterer könnte sich an einer beliebigen Stelle der Hülle sowohl im Teil 6 als auch im Teil 7 befinden. Die Teile 6 und 7 sind vorteilhafterweise miteinander verschraubt, so daß der Teil 6 einfach montiert bzw. abgenommen werden kann. Das Gewinde zwischen den beiden Hüllenteilen ist so gedichtet, daß an dieser Stelle auch bei der höchstmöglichen Spannung im Paschen-Minimum kein Durchschlag erfolgen kann.

Die Montage der Isolation nach Fig. 1 könnte beispielsweise so erfolgen, daß schon vor der Montage des Gehäuses 1 der Teil 7 über die Leiter- und Rohrenden aufgeschoben wird. Nach der Montage der Leiterverbindung, des He-Anschlusses, einer eventuellen Instrumentierung sowie des Verbindungs¬ gehäuses würden dann die Teile 6 und 7 vorläufig verschraubt, in die richtige Lage gebracht, und der Teil 7 mit den Isolationen 5 der Leiter- bzw. Rohrenden verklebt. Der Teil 6 mit dem Einsatz 8 würde nach dem Aushärten der Klebe¬ stellen endgültig mit dem Teil 7 verschraubt werden.

Die erfindungsgemäße Isolation erfüllt alle drei genannten Anforderungen. Der Zwischenraum zwischen dem Verbindungs- gehäuse und der Hülle wird über den Einsatz 8 ausreichend gut evakuiert. Die Öffnung hat den zusätzlichen Vorteil, daß daran ein Leckdetektor für einen integralen (warmen) Lecktest des Verbindungsgehäuses angeschlossen werden kann.

In einer anderen möglichen Ausführungsform sind die Teile 6 und 7, wie im Detail "Variante A" der Fig. 1 dargestellt, über eine Flanschverbindung miteinander lösbar verbunden. Die Dichtung zwischen den Flanschen kann geometrisch ver¬ schiedenartig geformt, muß aber wiederum "Paschen-dicht" sein.

Für höhere Spannungen könnte es erforderlich sein, die Verbindungsstelle zwischen den Hüllenteilen 6 und 7 zu verkleben. Die "Variante B" in Fig. 1 stellt ein Beispiel einer einfach lösbaren Klebestelle dar. Dabei werden die Teile 6 und 7 zusammengefügt und die Verbindungsstelle beispielsweise mit epoxidharzgetränktem Isolatorgewebe "naß" umwickelt, so daß ein mit der Hülle fest verbundener Ring 9 entsteht. Anstatt einen Naßwickel herzustellen könnte man auch einen festen Ring aufkleben. Für eine eventuelle spätere Demontage müßte nur der Ring 9 abgeschliffen werden. Beide Hüllenteile wären wieder verwendbar.

Der Einsatz 8 in der Isolierhülle hat die Aufgabe, den Stromtransport im ionisierten Gas im "Paschen-Minimum" bei niedrigen Gasdrücken zu vermeiden bzw. sehr stark zu ver¬ mindern. Als Einsatz 8 kann z.B. ein konventioneller Filter, z.B. ein HDPE (high density polyethylene) -Filter, verwendet werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird anstelle des Fil¬ ters 8 ein Filtersystem, bestehend aus mehreren Teilen, eingesetzt. Die Fig. 2a und b zeigen solche Filtersysteme, die aus den Filtern 10 und 11 bestehen, die in ein Isolator¬ rohr 12 eingeklebt sind. Der Raum zwischen den beiden Filtern kann mit gasdurchlässigem Schaum, Isolierpulver oder Glasperlen 13 ausgefüllt sein. Beim Filtersystem der Fig. 2b wird die Überschlagsstrecke an der Innenwand des Rohres 12 durch Rillen verlängert. Zusätzlich behindern die Rillen (wegen der wechselnden Winkel der Feldlinien zur Wand) durchgehende Entladungen. In der Ausführung Fig. 2c besteht das Filtersystem nur aus Schaum, Pulver oder Glasperlen 14, die von einem Isolatorrohr 15 und gasdurchlässigen Geweben oder Sieben 16 eingeschlossen sind.

Im Filtersystem der Abbildung 2d wird die elektrische Entladung um 180° so umgelenkt, daß sie, in Bezug zum außen anliegenden Feld, teilweise in einem elektrischen Gegenfeld erfolgt und dadurch stark reduziert wird. Dazu werden ein topfförmiger Isolatorteil (19) und ein als Ringgefäß ausge¬ führter Isolator (20) so inemandergesteckt, daß die Ent¬ ladung nacheinander durch den äußeren Ringraum (C) , den inneren Ringraum (D) sowie die innere Öffnung des Ringge¬ fäßes (E) - oder umgekehrt - erfolgen muß. Im inneren Ring¬ raum (D) fließt der Entladestrom gegen die außen anliegende Spannung. Der äußere Ringraum (C) sowie die innere Öffnung des Ringgefäßes (E) sind mit einem Filter, Sieb oder Gewebe (17 bzw. 18) abgeschlossen. Der gesamte, aus den drei Teilräumen (C, D, E) bestehende Entladungsraum zwischen den Filtern (bzw. Sieben oder Geweben) kann bei niedrigeren

Spannungen leer sein oder ist zur Isolation höherer Span¬ nungen mit Glasperlen, Pulver oder offenporigem Schaum gefüllt. Der Isolatorteil (19) wird entweder nur vom ringförmigen Filter (17) oder von zusätzlichen, den Ent¬ ladungsraum nicht unterbrechenden Halteelementen in seiner Lage gehalten.

In konsequenter Fortführung dieser Idee der Umlenkung des Durchschlagsweges sind auch Filteranordnungen möglich, bei denen weitere Ringräume hinzugefügt werden, in denen eine Entladung mehrfach die Richtung zum elektrischen Feld wechseln muß. Fig. 2e zeigt eine solche Anordnung, bei der die Ent- laderichtung zweimal gegen das Feld gerichtet ist .

Die im Querschnitt gezeigten Filtersysteme der Fig. 2a bis 2e müssen selbstverständlich nicht eine runde, sondern können beliebige Grundrißformen besitzen. Beispielsweise können die Figuren 2d und 2e auch als Schnitte durch quaderförmige Anordnungen gesehen werden, bei denen die Teile 19 und 20 bzw. 19a und 20a sowie der dann in zwei rechteckige Teile zerfallende Filter 17 und ebenfalls rechteckige Filter 18 über zwei Seitenwände so verklebt sind, daß der Ξntladeraum 21 bzw. 21a seitlich geschlossen ist.

Eine andere Ausführungsform einer solchen quaderförmigen Anordnung ist in Fig. 2f gezeigt. Die kammförmigen Teile 19b und 20b sowie die rechteckigen Filter 17b und 18b werden über Seitenwände so verklebt, daß ein mäanderförmiger Entladungs- raum 21b entsteht.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem Fall besitzt das Gehäuse 22 Leiter und/oder Rohranschlüsse auf zwei Seiten; es ist von der Isolatorhülle bestehend aus den Teilen 23, 24 und 25 um-

geben. Der Filter 8 ist in den Teil 24 eingesetzt, er könnte sich aber wiederum an einer beliebigen Stelle der Hülle befinden. Der Durchmesser des Teils 24 ist größer als der des Teils 25.

Die Montage dieser Isolation erfolgt im wesentlichen so, daß zuerst der Teil 23 und danach der Teil 25 über die Leiter und Rohre auf der oberen Seite des Gehäuses 22 und sodann der Teil 24 über die Leiter und Rohre auf der unteren Seite geschoben werden. Dann werden die Anschlüsse hergestellt, das Gehäuse 22 montiert und die Teile 24 und 25 durch vor¬ läufiges Verschrauben mit Teil 23 in die richtige Lage gebracht und danach verklebt. Bei der Endmontage wird das Rohr 23 gleichzeitig mit den Teilen 24 und 25 über ent¬ sprechende Dichtmaterialien verschraubt.

Anstelle der gezeichneten Gewinde können auf beiden oder auch nur auf einer Seite Flanschverbindungen oder Verklebung etwa entsprechend Variante A bzw. Variante B in Fig. 1 verwendet werden.

Eine weitere Ausführungs orm der Erfindung ist m Fig. 4 dargestellt. In dieser Variante werden die Schwachstellen der Isolation, nämlich der Filter 8 und das Gewinde zwischen den Hüllenteilen 27 und 28, durch einen Potentialschirm 29 so abgeschirmt, daß diese Schwachstellen in Bereichen mit niedrigen elektrischen Feldstärken zu liegen kommen. Der elektrische Kontakt zwischen dem Verbindungsgehäuse 26 und dem Potentialschirm 29 wird über Federelemente 30 hergestellt Diese Federn 30 sind mit dem Potentialschirm 29 fest verbunden und bilden mit dem Gehäuse 26 einen druck¬ belasteten Schleifkontakt. Die Montage dieser Isolation entspricht der der Isolation nach Fig. 1.

Am Gehäuse 26 des Beispiels Fig. 4 könnten selbst¬ verständlich entsprechend Fig. 1 auch Helium- oder Instrumentierungsrohre angeschlossen werden, es wäre dafür trotz des Filters 8 ausreichend Platz im Teil 28 vorhanden.

Weiter ist es möglich, einen den Teilen 29 und 30 entsprechenden Potentialschirm auch in einer Anordnung wie in Fig. 3 zu verwenden. Dazu müßte in ein oben und unten verlängertes Rohr 23 ein entsprechend langer Potential- schirm, der sowohl das obere als auch untere Gewinde und den Filter abschirmt, eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Kochspannungsisolation für Einrich¬ tungen in Gasen bei niedrigen Drücken könnte beim geplanten Stellarator W7-X zur "Paschen-dichten" Isolierung der Spulenanschlüsse eingesetzt werden. Dort werden etwa 500 solcher Isolationen für PrüfSpannungen zwischen 10 und 20 kV benötigt. Der Test- und Demonstrationskryostat für W7-X wird etwa 50 Leiter-Verbindungstöpfe enthalten.

Weitere potentielle Anwendungsmöglichkeiten sind bei ITER und allen Fusions- oder anderen Projekten gegeben, bei denen Magnetspulen mit intern gekühlten Supraleitern oder normal- leitenden Kabeln verwendet werden, und die im Betrieb von Vakuum umgeben sind.

Die Erfindung wurde in einer Ausführung nach Fig. 5 erprobt. Die Gasatmosphäre bestand aus Helium mit verschiedenen Drücken im Bereich von 10 ^"4 mbar bis 0,4 bar, so daß die Isolation mit Sicherheit den Bedingungen des Paschen- Minimums ausgesetzt war.

Die Isolierhülle war aus GFK-Teilen zusammengeklebt bzw. verschraubt, die beiden Gewinde waren mit Teflonbändern abgedichtet. Das Filtersyste bestand aus einer Kombination von zwei eingeklebten HDPE-Filtern mit Porengrößen von ca. 250 μm und dazwischenliegenden Glasperlen mit Durchmessern

von 200 μm bis 300 μm. Die gesamte Anordnung war konzen¬ trisch in einem zylindrischen, geerdeten Vakuumgefäß aus Metall mit einem Innendurchmesser von 315 mm angeordnet.

Mit der gezeigten Anordnung wurden je nach Gasdruck sowohl langsam als auch stoßweise aufgebrachte Gleichspannungen zwischen 8 kV und 12 kV mit Standzeiten von einer Minute erreicht .

Fig. 6 zeigt einen experimentellen Aufbau zur Erprobung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer weiteren Filter¬ anordnung. Die Schnittdarstellungen in Fig. 6 sind zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse mit Maßangaben (Milli¬ meter) versehen. Die Maßangaben in Figur 5 und Figur 6 repräsentieren lediglich beispielhaft spezielle Aus- führungsformen und können an die Dimensionen eines konkret realisierten Aufbaus angepaßt werden. Die Anordnung nach Fig. 6 wurde in derselben Versuchseinrichtung bei einer Temperatur von ca. 80 K und bei Heliumatmosphäre mit Drücken wie oben erfolgreich bis 16 kV getestet. Die Filteranordnung entspricht der Fig. 2d. Sie war mit Glasperlen gefüllt, und es wurde dasselbe HDPE-Filtermaterial verwendet . Die Filteranordnung kann wie in Fig. 6 unten dargestellt mit inneren Abstands¬ haltern z.B. in Form von mehreren Stiften versehen sein, die zwischen den verschiedenen Seitenwänden (Isolatorelemente) der Filteranordnung vorgesehen sind, um die Stabilität der Filter¬ anordnung zu erhöhen. Die Isolierhülle wurde gemäß Fig. 1, Variante A, mit einem flachen Teflonring gedichtet (Flansch¬ dichtung am oberen Ende) . Es konnte gezeigt werden, daß die Filteranordnung für die beschriebenen Zwecke ausreichend gasdurchlässsig ist und das Abpumpen der Einrichtung auf Hochvakuum ohne wesentliche Verzögerung erlaubt .

Mit einem einzelnen HDPE-Filter mit einem Durchmeser von 30 mm, einer Dicke von 6,35 mm und einer Porengröße von 125 μm wurde eine Durchschlagsspannung von ca. 2 kV erreicht.