HGÜ-Luftdrosselspule und Verfahren zur Herstellung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Übertragung elektrischer Energie mit hoher Gleichspannung, insbesondere eine HGÜ-Luftdrosselspule sowie ein Verfahren zur Herstellung einer HGÜ-Luftdrosselspule .

Stand der Technik

Bei der Übertragung elektrischer Energie großer Leistung, ab etwa 1000 MW aufwärts, wirkt die Leitungskapazität ab einer bestimmten Leitungslänge limitierend, da die Blindleistung einen wirtschaftlichen Betrieb kaum mehr zulässt. In diesem Leistungsbereich sind so genannte Hochspannung-Gleichstrom- Energieübertragungssysteme (kurz HGÜ) seit langem in

verschiedenen Anwendungsbereichen im Einsatz. Bauteile einer solchen HGÜ-Anlage können zum Beispiel HGÜ-Glättungsdrosseln bzw. HGÜ-Filterdrosseln sein. Diese Bauteile befinden sich in der Regel auf einem sehr hohen elektrischen Potenzial gegenüber Erde, zum Beispiel 500-800 KV. Da diese Bauteile im Außenbereich angeordnet sind, sind sie den dort herrschenden Umgebungsbedingungen, wie Regenwasser und Verschmutzung ausgesetzt. An der Außenfläche eines solchen HGÜ-Bauteils können sich umgebungsbedingt Schmutzpartikel ablagern, die in einer unregelmäßigen Ansammlung zu einer Verzerrung des elektrischen Feldes entlang eines Bauteils führen können. Es kann zu einer Teilentladung am HGÜ-Bauteil kommen. Dabei können Ionen entstehen, die wiederum auf ionisierte und polarisierte Partikel in direkter Nachbarschaft anziehend wirken. Auf der Außenanlage der Spule einer solchen HGÜ- Glättungsdrosseln bzw . -Filterdrossel wird mit diesen Teilchen elektrische Ladung mit gegensinniger Polarität aufgebaut, welche entweder zu den Anschlüssen abfließt oder sich durch Entladung an der Oberfläche der Spule abbaut und dort angelagert. Die dadurch entstehende elektrisch zumindest teilweise leitfähige Struktur an der Oberfläche einer solchen HGÜ-Bauteils kann das Betriebsverhalten beeinträchtigen. In der Literatur wird dies auch mit dem Begriff "Black Spot

Phenomenon" beschrieben. Die sich an der Oberfläche des HGÜ- Bauteils ausbildende leitfähige Struktur kann zu einem elektrischen Überschlag führen. Im schlimmsten Fall kann es z.B. zu einem Totalausfall einer HGÜ-Glättungsdrossel bzw. HGÜ-Filterdrossel kommen.

Um dieser unerwünschten elektrostatischen Verschmutzung entgegenzuwirken, wird in der EP 2 266 122 Bl eine

elektrostatische Abschirmung für einen HGÜ-Bauteil

vorgeschlagen, welche aus einem Mantel mit einer Folie aus elektrisch dissipativem Material gefertigt ist, das einen Oberflächenwiderstand im Bereich von 10 ⁹ bis 10 ¹⁴ Ohm/Quadrat aufweist. Der Mantel ist mit einem Anschluss des HGÜ-Bauteils elektrisch verbunden. Mittels einer solchen halbleitenden Folie auf der Außenfläche der Spule gelingt es, Ladungsträger von der Oberfläche des Bauteils abzuführen und damit einer elektrostatischen Aufladung des Bauteils mit den oben geschilderten negativen Folgen zu verhindern. Um die

halbleitende Folie auf die Spule aufbringen zu können, muss zuvor der Untergrund für einen Klebevorgang der Folie vorbereitet werden. Dies kann beispielsweise durch ein sogenanntes „Dummypackage" erfolgen, indem die äußerste Lage der Spule des HGÜ-Bauteils zunächst mit einem textilen

Mischgewebeband umwickelt wird. Anschließend wird das

Mischgewebeband mit Epoxidharz getränkten bzw. imprägniert. Nach der Verfestigung des Epoxidharzes wird ein

Polyurethanlack aufgespritzt. Dieser Polyurethanlack wird zur Vorbereitung der Klebeoberfläche angeschliffen. Auf die angeschliffene Polyurethan-Lackoberfläche wird im Anschluss daran die mit einer halbleitenden Schicht beschichtete Folie aufgeklebt. In einem letzten Prozessschritt wird zum Schutze eine Deckschicht aufgetragen. Das Material für diese

Deckschicht kann ein Silikon sein, das bei Raumtemperatur vernetzt (RTV) . Der Aufbau eines solchen „Dummypackage" besteht also aus mehrere Lagen. Die Herstellung ist

aufwändig. Zum einen ist das Aufbringen des Mischgewebebandes sowohl ein arbeitsintensiver als auch ein materialintensiver Prozessschritt. Die selbstklebende Folie ist teuer, denn die Folie muss der ultravioletten Strahlung über einen langen Betriebszeitraum standhalten. Das für den Klebevorgang erforderliche anschleifen der Lackoberfläche ist ebenfalls arbeitsintensiv und verursacht zudem gesundheitsschädlichen Staub .

Es besteht daher ein Bedarf nach einer HGÜ-Luftdrosselspule, die resistent bezüglich dem "Black Spot Phenomenon" ist und gleichzeitig einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine HGÜ- Luftdrosselspule und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, die möglichst einfach aufgebaut in der Herstellung kostengünstig ist.

Gelöst wird diese Aufgabe für eine HGÜ-Luftdrosselspule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung erfolgt bei einem HGÜ-Bauteil die Ausbildung einer elektrostatischen

Abschirmung nicht durch Kleben einer Folie, sondern indem auf die Mantelfläche einer äußeren Wicklungslage ein

halbleitender Lack aufgetragen wird. Dieser Auftrag erfolgt mittels eines Sprühverfahrens. Durch das Sprühverfahren wird auf der Spulenoberfläche ein Oberflächenfilm aufgespritzt, dessen elektrische Leitfähigkeitseigenschaft im Wesentlichen der bislang verwendeten Folie entspricht. Mit anderen Worten, die „dissipativen" Materialeigenschaften der in EP 2 266 122 Bl durch Kleben einer Folie hergestellte halbleitende

Schicht, wird nun durch eine durch Sprühen hergestellte halbleitende Schicht erreicht. Diese Sprühbeschichtung sorgt nun dafür, dass sich Ladungsträger, die sich während des Betriebs an der Oberfläche des HGÜ-Bauteils ausbilden, abgeführt werden. Im Ergebnis wird dadurch ebenfalls eine elektrostatische Aufladung des Bauteils wirkungsvoll entgegen gewirkt. Der große Vorteil liegt in der kostengünstigeren Herstellung und in der Gleichmäßigkeit der Abschirmwirkung .

Erfindungsgemäß weist also eine HGÜ-Luftdrosselspule zum Zweck der elektrostatischen Abschirmung eine Beschichtung auf, die durch Zerstäubung eines Materials d.h. eines halbleitenden Lackes gebildet wurde. Indem dies halbleitende Schicht direkt auf die Oberfläche der Spulenleiter

"gespritzt" wird, kann dem "Black Spot Phenomenon" sehr einfach und wirkungsvoll entgegengetreten werden. Bei der Herstellung können viele kostenintensive Prozessschritte eingespart werden: Eine teure UV stabilisierte,

selbstklebende Folie entfällt. Damit entfällt auch eine aufwändige Oberflächenbehandlung, die für die Klebeverbindung der Folie notwendig ist. Die arbeitsintensive Anbringung eines textilen Mischgewebebandes als Untergrund für das Kleben ist ebenfalls nicht mehr erforderlich. Da die

Beschichtungsfläche nicht mehr angeschliffen wird, fällt auch kein Schleifstaub an, der gesundheitsschädlich sein könnte. Von besonderem Vorteil ist, dass die Schicht für die

elektrostatische Abschirmung auf einfache Weise sehr

gleichmäßig und dabei kostengünstig hergestellt werden kann. Im Gegensatz zu der bislang erforderlichen Folie gibt es bei der Sprühbeschichtung keine Stoßstelle oder Überlappung einer halbleitenden Schicht. Die Ableitwirkung ist auf der gesamten Oberfläche gleich. Bei der Herstellung sind weniger

Verfahrensschritte erforderlich. Der Herstellungsprozess ist insgesamt kostengünstiger. Es hat sich gezeigt, dass mit einer gleichmäßig aufgetragene Abschirmschicht, die eine Dicke von etwa 80 ym bis 120 ym aufweist, dem "Black Spot Phenomenon" effizient entgegen gewirkt werden kann. Eine solche Abschirmschicht lässt sich durch Sprühbeschichtung leicht und mit geringem Aufwand herstellen .

Die elektrische Eigenschaft dieser halbleitenden Schicht kann durch geeignete Füllstoffe, d.h. leitfähige Partikel in weiten Grenzen vorgegeben werden. Leitfähige Partikel können durch dielektrische, plättchenförmige Substrate gebildet sein, die jeweils von einer elektrisch leitfähigen Schicht umhüllt sind. Geeignete Werkstoffe für ein Substrat sind beispielsweise natürlicher oder synthetischer Glimmer,

Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Glas, oder Gemische davon. Die elektrisch leitfähige Schicht eines Partikels kann aus einem dotierten Metalloxid bestehen. Hinsichtlich geringer Herstellungskosten kann es günstig sein, wenn das im Sprühvorgang zerstäubte Material ein

Polymer mit eingebetteten halbleitenden Füllstoffen ist.

Geeignet als Polymer ist ein Epoxidharz oder ein Polyurethan oder ein Silikon oder ein Polyester.

Bevorzugt wird ein Füllstoff, der durch ein Metalloxid oder ein Siliciumcarbid gebildet ist.

Mit Vorteil ist der Füllstoff ein dotiertes Metalloxid oder ein dotiertes Siliciumcarbid.

Ganz besonders bevorzugt hat sich ein Füllstoff

herausgestellt, der anteilsmäßig aus Partikeln aus

undotiertem Siliciumcarbid und Partikeln aus einem mit

Antimon dotiertem Zinnoxid zusammengesetzt ist.

Das eingangs gestellte Problem wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine HGÜ-Außenanlage gelöst, bei dem auf die außen liegende Mantelfläche einer äußeren Wicklungslage direkt eine halbleitende Schicht mittels eines Spritz- bzw. Sprühverfahrens aufgebracht wird. Dadurch können bislang erforderliche Prozessschritte

eingespart werden, so dass die Herstellungskosten

vergleichsweise geringer sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer HGÜ- Luftdrosselspule ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt eine konzentrische

Wicklungsanordnung bereitgestellt wird und anschließend daran die äußere Mantelfläche der Wicklungsanordnung mit einem Sprühbeschichtungs-Verfahren , bei dem eine Schicht aus einem halbleitenden Lack, gebildet aus einem elektrostatisch dissipativem Material, welches einen Oberflächenwiderstand im Bereich von 10 ⁹ bis 10 ¹⁴ Ohm/Quadrat aufweist, aufgetragen wird .

Mit besonderem Vorteil wird für diese Sprühbeschichtungs- Verfahren die so genannte „High Volume Low Pressure"-Technik (HVLP) angewandt. Mit diesem Niederdrucksprühverfahren ist eine schnelle und effiziente Lackierung großer Flächen möglich. Die Zerstäubung erfolgt durch Druckluft mit einem Luftdruck von 3-4 bar. Von Vorteil ist hier be, dass

vergleichsweise wenig Spritznebel erzeugt wird. Das

Herstellungsverfahren ist dadurch umwelttechnisch günstig.

Kurzbeschreibung der Zeichnung Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf Zeichnungen Bezug genommen, aus denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung anhand eines nicht

einschränkenden Ausführungsbeispiels zu entnehmen sind. Es zeigen:

Figur 1 eine HGÜ-Luftdrosselspule gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht; Figur 2 eine aus Figur 1 ausgerissene Detaildarstellung, mit Blick auf die obere Stirnseite der HGÜ- Luftdrosselspule, wodurch ein Teil der Wicklungsanordnung in einer räumlichen Darstellung zu sehen ist; Figur 3 die elektrostatische Abschirmung der HGÜ-

Luftdrosselspule gemäß Figur 1 in einer räumlichen

Darstellung;

Figur 4 eine Schnittdarstellung durch die in Figur 2

dargestellte Wicklungsanordnung, wobei der

Schichtaufbau auf der äußeren Wicklungslage vergrößert dargestellt ist.

Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt eine HGÜ-Luftdrosselspule 1 wie sie

üblicherweise bei Hochspannung-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) als Glättungsdrosseln eingesetzt wird. Der Betrieb einer solchen HGÜ-Luftdrosselspule 1 erfolgt üblicherweise in einem Außenbereich und ist damit auch den dort herrschenden

Witterungsbedingungen ausgesetzt. Die Zeichnung der Figur 1 zeigt die Luftdrosselspule 1 in einer vertikal stehenden

Lage, die mittels Isolatoren 13 und einer Stahlkonstruktion 15 auf einem Fundament bzw. auf Erde 15 abgestützt ist.

Im Betriebsfall liegt die Luftdrosselspule 1 auf einem hohen elektrischen Potenzial gegenüber Erde, beispielsweise auf 500-800 KV und führt einen Strom von bis zu 4000 A. Der Spannungsabfall über die Luftdrosselspule 1 d.h. zwischen den elektrischen Anschlüssen 11 und 12 ist im Vergleich hierzu geringer und entspricht etwa der Restwelligkeit der zu glättenden Spannung, in der Regel etwa 100 V bis einige KV. Nur bei transienten Vorgängen, wie Schaltvorgängen oder bei einem Blitzeinschlag kann an der Luftdrosselspule 1 selbst eine signifikante Spannung abfallen, welcher die Isolation ihrer Wicklungen standhalten muss.

Wie in Figur 2 zu sehen, weist die Luftdrosselspule 1 eine elektrische Wicklungsanordnung auf, mit einem spiralförmig um die Achse 18 gewickelten Spulenleiter 10. Die einzelnen Lage 2, 3, 4, und 4 ^Λ des Leiters 10 sind durch einen Haltestern 7, 8 in radialem Abstand gehalten. Endseitig am Haltestern 7,8 ist jeweils eine Schirmkappe 16 vorgesehen, so dass der Effekt der Spitzenwirkung gemindert ist. Aufgrund des hohen elektrischen Potenzials der

Luftdrosselspule 1 baut sich ein starkes elektrostatisches Feld zwischen der Außenseite der Luftdrosselspule 1 und der Erde 15 auf. Dieses Potenzial kann dazu führen, dass sich Ladungsträger aus der Umgebung 9 auf der Mantelfläche der Drossel 1 mit den eingangs genannten Folgen einer

elektrostatischen Verschmutzung bzw. der Ausbildung von so genannten "blck spots" ausbilden. Um diesem "Black Spot Phenomenon" entgegenzutreten, ist die Luftdrosselspule 1 mit einer elektrostatischen Abschirmung versehen. Diese

elektrostatische Abschirmung wurde bislang durch eine selbstklebende, elektrisch halbleitende Folie realisiert, die nun aber gemäß der Erfindung durch eine Schicht 22 ersetzt wird, die direkt auf die äußere Wicklungslage auf gesprüht wird, und im Folgenden näher erläutert ist.

Figur 2 zeigt eine aus Figur 1 ausgerissene

Detaildarstellung, mit Blick auf die obere Stirnseite der HGÜ-Luftdrosselspule, wodurch ein Teil der Wicklungsanordnung in einer räumlichen Darstellung zu sehen ist. Auf der äußeren Mantelfläche 21 ist die halbleitende Schicht 22 in Form einer Lackierung aufgesprüht (siehe auch Figur 4) . In Figur 2 ist auch zu sehen, das die einzelnen Wicklungslagen 2, 3, 4, 4 ^Λ der Luftdrosselspule 1 durch Luftspalte 6 voneinander getrennt sind. Haltestern 7 hält diese Wicklungslagen 2, 3, 4, 4 ^Λ in einem Abstand. Abstandshalter 5 definieren den

Abstand der einzelnen Wicklungslagen 2, 3, 4, 4 ^Λ zueinander. Endseitig sind die Haltesterne 7 mit einer Schirmkappe 16 versehen . In der Figur 3 ist die elektrostatische Abschirmung 17 der

HGÜ-Luftdrosselspule getrennt heraus gezeichnet. Sie besteht im Wesentlichen aus der holzylindrischen Schicht 22 und stirnseitig den Umfang umschließende Kollektorelektroden 19, 20. Die Schicht 22 wurde durch Spritzen hergestellt. Mit einer Spritzpistole wurde mit einem Luftdruck von 3-4 bar ein halbleitender Polyurethanlack: in einer Spritzpistole

zerstäubt und außenseitig auf der Mantelfläche der

Wicklungslage 4 ^Λ aufgesprüht. Während des Spritzvorgangs wurde der Abstand zwischen Spritzpistole Achse 18 der Spule 1 konstant gehalten. Auf diese Weise lässt sich mittels einer automatisierten Spritzvorrichtung auf der Außenumfangsfläche der Wicklungslage 4 ^Λ eine elektrisch halbleitende

Beschichtung 22 herstellen, die eine gleichmäßige

Schichtdicke zwischen 80-120 ym aufweist.

Die Beschichtung 22 weist stirnseitig jeweils um den Umfang herumlaufende Kollektorelektroden 19, 20 auf. Diese

Kollektorelektroden 19, 20 sind mit den elektrischen

Anschlüssen 11, 12 der Luftdrosselspule 1 leitend verbunden.

Die halbleitende Schicht 22 umfasst einen polymeren Stoff der einen Füllstoff enthält, in Form elektrisch halbleitender Feststoff-Partikel bzw. -Pigmente, die in dem polymeren Werkstoff eingebettet sind. Die elektrische Leitfähigkeit der Partikel kann dabei jeweils durch Dotierung ihres Werkstoffs in weiten Grenzen variiert werden. Durch Dotierung bzw.

Zusammensetzung von Partikel und Matrixmaterial kann eine resistive Beschichtung 22 mit einem Oberflächenwiderstand in einem Bereich zwischen 10 ⁹ bis 10 ¹⁴ Ohm/Quadrat hergestellt werden. Die Schicht 22 wirkt wie gesagt als elektrostatische Abschirmung. Mit der elektrisch halbleitenden Schicht 22 wird erreicht, dass die vom Außenraum 9 auf die Luftdrosselspule 1 auftreffenden Ladungsträger „dissipativ" jeweils auf

kürzestem Wege zur nächstliegenden Kollektorelektrode 19 bzw. 20 gelangen und von dort zu einem der Anschlüsse 11 bzw. 12 abgeleitet werden. Durch die Ableitung dieser Ladungsträger verringert sich das Risiko, der Ausbildung einer leitfähigen Struktur auf der Außenseite der Luftspaltdrossel 2 und damit eines Oberflächenkriechstroms . Die eingangs geschilderten Nachteile können damit weitgehen verhindert werden.

Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung durch die in Figur 2 dargestellte Wicklungsanordnung, wobei der Schichtaufbau auf der äußeren Wicklungslage 4 ^Λ vergrößert dargestellt ist. Die Mantelfläche 21 der außen liegenden Wicklungslage 4 ^Λ ist mit der halbleitenden Sprühbeschichtung 22 beschichtet. Die Sprühbeschichtung 22 enthält einen Füllstoff. In Figur 4 sind Partikel des Füllstoffs mit dem Bezugszeichen 23

gekennzeichnet. Der Füllstoff ist aus Partikel 23

verschiedener Werkstoffe zusammensetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Zusammensetzung des

Füllstoffs aus einer Mischung von Partikel 23

unterschiedlicher Werkstoffe, gebildet aus undotiertem

Siliciumcarbid und mit Antimon dotiertem Zinnoxid. Zum

Außenraum 9 hin ist die Sprühbeschichtung 22 mit einer

Schutz- oder Deckschicht 24 abgedeckt, die aus einem RT Silikon besteht.

Obwohl die Erfindung anhand der oben dargestellten beiden Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wurde, so ist die Erfindung auf diese Beispiele nicht eingeschränkt. Andere Ausgestaltungen und Variationen sind denkbar, ohne dass der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Luftdrosselspule

2,3,4,4 ^Λ Wicklungslagen

5 Abstandshalter

6 Luftspalt

7 , 8 Haltestern

9 Außenraum

10 Spulenleiter

11, 12 elektrischer Anschluss der Luftdrosselspule 1

13 Isolator

14 Stützkonstruktion

15 Erde, Fundament

16 Schirmkappe

17 elektrostatische Abschirmung

18 Achse

19,20 Kollektorelektroden

21 Mantelfläche der äußeren Wicklungslage 4 ^Λ 22 Schicht

23 Partikel, Füllstoff

24 Deckschicht