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Title:
LEAD-THROUGH WITH A POWER SEMI-CONDUCTOR COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/078461
Kind Code:
A3
Abstract:
The invention relates to a device (1) which is used to lead a high voltage line through a wall, comprising an insulator (2) which extends in a longitudinal direction, a high voltage line (10) which extends in a longitudinal manner through the insulator (2), a connection (9) which is arranged on an end side of the insulator (2), said connection being used to connect a connection line which is located on a high voltage potential. Said device also comprises a securing section (5) which is used to secure the device (1) to the wall with the aid of a current interruption. According to the invention the high voltage conductor (10) is connected to at least one power semi-conductor component (11) corresponding to a control line. Said power semi-conductor component is oriented in order to interrupt the current flowing through the high voltage line (10). Each power semi-conductor element (11) is supported on the wall by the securing section (5).

Inventors:
KOCH NORBERT (DE)
Application Number:
PCT/DE2005/000225
Publication Date:
December 18, 2008
Filing Date:
February 04, 2005
Export Citation:
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Assignee:
HSP HOCHSPANNUNGSGERAETE PORZ (DE)
KOCH NORBERT (DE)
International Classes:
H01B17/00; H01B17/26; H01H33/02; H02G3/22; H03K17/79
Domestic Patent References:
WO1995028030A11995-10-19
Foreign References:
US5585611A1996-12-17
US3812314A1974-05-21
US6151201A2000-11-21
US20020100605A12002-08-01
EP0406099A11991-01-02
US3886586A1975-05-27
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1995, no. 02 31 March 1995 (1995-03-31)
Attorney, Agent or Firm:
BERG, PETER (München, DE)
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Claims:

Patentansprüche 1. Vorrichtung (1) zum Durchführen einer Hochspannungslei- tung durch eine Wandung mit einem sich in einer Längs- richtung erstreckenden Isolator (2), einem sich längs durch den Isolator (2) erstreckenden Hochspannungsleiter (10), einem endseitig an dem Isolator (2) angeordneten Anschluss (9) zum Verbinden mit einer Anschlussleitung, die sich auf Hochspannungspotential befindet, und mit ei- nem Befestigungsabschnitt (5) zur Befestigung der Vor- richtung (1) an der Wandung, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsleiter (10) mit wenigstens einem über eine Steuerungsleitung (12) ansprechbaren Leistungshalb- leiterbauelement (11) verbunden ist, das zum Unterbrechen des Stromflusses durch den Hochspannungsleiter (10) ein- gerichtet ist, wobei jedes Leistungshalbleiterbauelement (11) mittels des Befestigungsabschnitts (5) an der Wan- dung (6) abgestützt ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen primärseitig mit dem Hochspannungsleiter (10) wech- selwirkenden Versorgungswandler (13), der sekundärseitig mit den Leistungshalbleiterbauelementen (11) verbunden ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsleitung eine Glasfaserleitung (12) und das Leistungshalbleiterbauelement (11) ein optisch ansteuer- bares Leistungshalbleiterbauelement (11) ist.

4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (11) ein Thyristor, IGBT oder ein GTO ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinheit (16) und einen mit der Steuerungs- einheit (16) verbundenen Stromsensor (14), der zum Messen des Stromes durch den Hochspannungsleiter (10) eingerich- tet ist, wobei die Steuerungseinheit (16) Messwerte des Stromsensors (14) auf Unterbrechungsbedingungen hin über- prüft und die Leistungshalbleiterbauelemente (11) bei Vorliegen von Unterbrechungsbedingungen aktiv oder passiv in deren Sperrstellung überführt.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiterbauelemente (11) in einem Kopfteil (8) angeordnet ist, das an einem freien Ende des Isola- tors (2) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (2) einen Harzabschnitt (3) aufweist, das von einem Gehäuse (4) aus Keramik und/oder Silikon umge- ben ist.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Harzabschnitt (3) konzentrisch um den Hochspan- nungsleiter (10) voneinander beabstandete leitende Einla-

gen eingebettet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (16) als separates Bauteil reali- siert ist.
Description:

Beschreibung Durchführung mit Leistungshalbleiterbauelement Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen einer Hochspannungsleitung durch eine Wandung mit einem sich in ei- ner Längsrichtung erstreckenden Isolator, einem sich längs durch den Isolator erstreckenden Hochspannungsleiter, einem endseitig an dem Isolator angeordneten Anschluss zum Verbin- den mit einer Anschlussleitung, die sich auf Hochspannungspo- tential befindet, und mit einem Befestigungsabschnitt zur Be- festigung der Vorrichtung an der Wandung.

Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 100 05 164 AI bereits bekannt. Die dort gezeigte Vorrich- tung weist einen Isolator auf, der aus einem mit öl gefüllten Isolatorgehäuse besteht. Durch den Isolator erstreckt sich in einer Längsrichtung ein Leiterbolzen, der mit Hochspannungs- potential beaufschlagbar ist. Die Vorrichtung weist endseitig ein Kopfteil zum Anschluss einer Hochspannungsleitung auf, wobei ein Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Gehäuses an einer öffnung einer Wandung vorgesehen ist, die sich auf Erdpotential befindet.

Weitere gattungsgemäße Durchführungen sind beispielsweise in der WO 99/45550 beschrieben.

Den vorbekannten Durchführungen haftet der Nachteil an, dass zum Unterbrechen des Stromflusses über die Durchführung ein separater Schalter notwendig ist, der aufwändig aufzustellen und insbesondere aufwändig zu isolieren ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Durchführung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit deren Hilfe eine Stromun- terbrechung einfach und kostengünstig ermöglicht wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Hochspan- nungsleiter mit wenigstens einem über eine Steuerungsleitung ansprechbaren Leistungshalbleiterbauelement verbunden ist, das zum Unterbrechen des Stromflusses durch den Hochspan- nungsleiter eingerichtet ist, wobei jedes Leistungshalblei- terbauelement mittels des Befestigungsabschnitts an der Wan- dung abgestützt ist.

Die Leistungshalbleiterbauelemente sind erfindungsgemäß über die Steuerungsleitung mit Steuerungssignalen versorgbar, die übergänge jedes Leistungshalbleiterbauelements zwischen einer Sperrstellung, in der ein Stromfluss über das jeweilige Leis- tungshalbleiterbauelement unterbrochen ist, und einer Durch- lassstellung bewirken, in der ein Stromfluss durch das jewei- lige Leistungshalbleiterbauelement ermöglicht ist. Wird das Leistungshalbleiterbauelement beispielsweise durch das Steue- rungssignal gezündet, wird das Leistungshalbleiterbauelement in seine Durchlassstellung überführt. Beim aktiven Löschen des Leistungshalbleiterbauelementes hingegen wird dieses durch das Steuerungssignal in seine Sperrstellung überführt.

Das Löschen des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementes kann erfindungsgemäß jedoch auch passiv also durch Auslassen einer Zündung erfolgen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Leistungshalbleiterbauelement ohne Steuerungs- signal in seine Sperrstellung überführbar ist, wie beispiels- weise bei einem Thyristor. Durch die elektrische Eingliede- rung der Leistungshalbleiterbauelemente in den Hochspannungs- leiter ist daher eine aktive oder passive Unterbrechung des Stromflusses durch die Vorrichtung ermöglicht. Ein gesondert

und mechanisch getrennt aufgestellter Schalter oder Schal- tungselement ist erfindungsgemäß überflüssig geworden. Die Leistungshalbleiterbauelemente bilden mit den übrigen Be- standteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine bauliche Einheit. Insbesondere entfällt die Notwendigkeit der geson- derten isolierten Aufstellung der Leistungshalbleiterbauele- mente, die sich aufgrund der zumindest elektrischen Verbin- dung mit dem Hochspannungsleiter im Betriebszustand auf einem Hochspannungspotential befinden. Die Isolierung gegenüber der Wandung, die sich beispielsweise auf einem Erdpotential be- findet, erfolgt mittels des Isolators der Vorrichtung. Das Abstützen des Leistungshalbleiterbauelements durch den Befes- tigungsabschnitt kann selbstverständlich auch indirekt, also unter Zwischenschaltung weiterer Bestandteile der Vorrich- tung, erfolgen.

Jedes Leistungshalbleiterbauelement ist vorteilhafterweise in einem Gehäuse der Vorrichtung untergebracht. Das gemeinsame Gehäuse ist als separates Bauteil des Isolators oder aber als dessen Außenseite realisiert.

Abweichend davon ist jedes Leistungshalbleiterbauelement in einem vom Isolator getrennten Kopfteil angeordnet. In jedem Falle ist jedes Leistungshalbleiterbauelement fest mit dem Befestigungsabschnitt verbunden und so an der Wandung abge- stützt.

Als Isolator eignet sich beispielsweise ein mit öl befülltes Gehäuse, in dem leitende Einlagen konzentrisch um den Hoch- spannungsleiter gewickelt sind. Dabei können die Einlagen voneinander beabstandet sein. Der beispielsweise als Flansch- abschnitt realisierte Befestigungsabschnitt ist bei dieser

Weiterentwicklung fest mit dem Gehäuse verbunden. Das Gehäuse besteht beispielsweise aus einer zweckmäßigen Keramik.

Bei einer diesbezüglich vorteilhaften Weiterentwicklung um- fasst das Gehäuse eine Kunststoffhülle, beispielsweise aus einem Elastomer wie Silikonkautschuk, die ausladende Schirme zum Erhöhen der Kriechstromfestigkeit aufweist. Selbstver- ständlich können die Schirme auch an dem Keramikgehäuse ange- formt sein, so dass eine zusätzliche Kunststoffhülle über- flüssig ist.

Vorteilhafterweise ist ein primärseitig mit dem Hochspan- nungsleiter wechselwirkender Versorgungswandler vorgesehen, der sekundärseitig mit dem oder den Leistungshalbleiterele- menten verbunden ist. Auf diese Weise wird die zum Betrieb der Leistungshalbleiterbauelemente notwendige Energieversor- gung über den durch den Hochspannungsleiter fließenden Wech- selstrom bereitgestellt, wobei der Wechselstrom in Wicklungen des Versorgungswandlers eine Spannung induziert. Der Versor- gungswandler ist beispielsweise als konzentrisch um den Hoch- spannungsleiter angeordnete Spule realisiert, die keinen gal- vanischen Kontakt mit dem Hochspannungsleiter aufweist. Ab- weichend hiervon ist für jedes Leistungshalbleiterbauelement ein Versorgungswandler vorgesehen.

Zweckmäßigerweise ist die Steuerungsleitung eine Glasfaser- leitung und das Leistungshalbleiterbauelement ein optisch steuerbares Leistungshalbleiterbauelement. Durch die Glasfa- serleitung oder mit anderen Worten den Lichtwellenleiter ist eine nicht leitende Steuerungsleitung bereitgestellt, so dass elektrische Isolationsprobleme vermieden sind. Zum Zünden des Leistungshalbleiterbauelementes dient beispielsweise ein Fa- serlaser, dessen aktives Medium aus einem Abschnitt der Glas-

faser selbst besteht, der mit optisch aktiven Teilchen do- tiert ist. Als Pumplaser dienen beispielsweise Halbleiterla- ser. Abweichend hiervon wird der Laserstrahl des Halbleiter- lasers auf übliche Weise in den Lichtwellenleiter eingekop- pelt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung ist jedes Leis- tungshalbleiterbauelement ein Thyristor. Der oder die Thy- ristoren sind beispielsweise optisch zündbar.

Abweichend davon ist das Leistungshalbleiterbauelement ein IGBT oder GTO. Diese beiden Varianten eines Leistungshalblei- terbauelements werden durch ein aktives Steuerungssignal oder mit anderen Worten ein Löschsignal von der Durchlassstellung in ihr Sperrstellung überführt, so dass die Steuerung des Leistungshalbleiterbauelements erleichtert ist. IGBTs und GTOs sind als solche bekannt, so dass auf deren Funktionswei- se hier nicht näher eingegangen wird.

Zweckmäßigerweise sind eine Steuerungseinheit und ein mit der Steuerungseinheit verbundener Stromsensor vorgesehen, der zum Messen des Stromes durch den Hochspannungsleiter eingerichtet ist, wobei die Steuerungseinheit Messwerte des Stromsensors auf Unterbrechungsbedingungen hin überprüft und die Leis- tungshalbleiterbauelemente bei Vorliegen von Unterbrechungs- bedingungen aktiv oder passiv in deren Sperrstellungen über- führt. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist eine Steuerungseinheit vorgesehen, die beispielsweise ebenfalls mittels des Befestigungsabschnitts an der Wandung abgestützt ist, so dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein kom- paktes Bauteil bereitgestellt ist. Ein ebenfalls mit dem Be- festigungsabschnitt verbundener Stromsensor misst die durch den Hochspannungsleiter hindurchtretenden Wechselströme.

Hierzu eignen sich handelsübliche Stromwandler. Die Signale des Stromsensors werden zur Steuerungseinheit geleitet, wel- che die Signale anhand einer in dieser implementierten Logik auf Unterbrechungsbedingungen hin überprüft und beim Vorlie- gen einer Unterbrechungsbedingung beispielsweise Unterbre- chersignale für das oder die Leistungshalbleiterbauelemente erzeugt, so dass der Stromfluss durch die Vorrichtung unter- brochen ist. Die Steuerungseinheit übernimmt ferner das Zün- den jedes Leistungshalbleiterbauelementes, um dieses im Be- darfsfall in dessen Durchlassstellung zu überführen. Auf die- se Weise wird im Nennbetrieb die Stromleitfähigkeit der Vor- richtung sichergestellt. In diesem Fall unterlässt die Steue- rungseinheit das Zünden, wenn Unterbrechungsbedingungen fest- gestellt sind.

Vorteilhafterweise ist jedes Leistungshalbleiterbauelement in einem Kopfteil angeordnet, das an einem freien Ende des Iso- lators vorgesehen ist. Bei einer zweckmäßigen Weiterentwick- lung befinden sich die Steuerungseinheit und der Stromsensor auf Erdpotential und sind im Bereich des Befestigungsab- schnitts angeordnet. Die in dem Kopfteil angeordneten Bautei- le sind leicht zugänglich und können auf einfache Art und Weise gewartet oder gegebenenfalls ausgetauscht werden.

Vorteilhafterweise weist der Isolator einen Harzabschnitt auf, der von einem Gehäuse aus Keramik umgeben ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung sind in dem Harzab- schnitt konzentrisch um den Hochspannungsleiter angeordnete leitende Einlagen eingebettet. Als Einlagen sind beispiels- weise metallische Folien, wie Aluminiumfolien geeignet. Aber auch mit Graphit beschichtete Kunststofffolien sind hier

zweckmäßig. Der Befestigungsabschnitt ist beispielsweise durch Klemmsitz fest mit dem Gehäuse verbunden.

Selbstverständlich sind auch Schraub-oder Klebverbindungen zwischen Isolator und Befestigungsabschnitt möglich.

Zweckmäßigerweise ist die Steuerungseinheit als separates Bauteil realisiert. Dabei liegt die Steuerungseinheit bei- spielsweise auf Erdpotential, so dass eine aufwändige Isolie- rung entfällt.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin- dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei die Figur eine geschnittene Seitenansicht eines Ausfüh- rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die nachfolgend als Durchführung 1 bezeichnet wird, in einer geschnittenen Seitenansicht. Die Durchführung 1 erstreckt sich im Wesentlichen in einer Längsrichtung und umfasst einen Isolator 2, der sich aus einem inneren Harzab- schnitt 3 sowie einem aus Keramik gefertigten Gehäuse 4 zu- sammensetzt. Das Gehäuse 4 ist fest mit einem Flanschab- schnitt 5 als Befestigungsabschnitt verbunden, mit dem die Durchführung 1 an einer sich auf Erdpotential befindlichen Wandung befestigbar ist. Zur Befestigung dienen beispielswei- se umfänglich um den Flansch verteilte Schraubverbindungen.

An dem Gehäuse 4 sind ausladende Schirme 6 angeformt, so dass der Weg eines Kriechstromes bei gleich bleibender Gesamtlänge

der Durchführung 1 vergrößert ist. Der Isolator 2 umfasst ne- ben dem Gehäuse 4 aus Keramik und dem Harzabschnitt 3 ein öl- bad 7, so dass Lufteinschlüsse in dem Isolator 2 vermieden sind.

An dem dem Flanschabschnitt 5 gegenüberliegenden freien Ende des Isolators 2 ist ein Kopfteil 8 angeordnet, das mit einem Anschluss 9 versehen ist, der zur Befestigung einer figürlich nicht dargestellten Hochspannungsfreileitung vorgesehen ist.

Durch den Harzabschnitt 3 erstreckt sich ein zentraler Hoch- spannungsleiter 10, der an einem Ende leitend mit dem Kopfab- schnitt 8 verbunden ist und sich somit nach Anschluss der Hochspannungsfreileitung auf einem Hochspannungspotential be- findet. An dem dem Kopfteil 8 gegenüberliegenden Ende des Hochspannungsleiters 10 sind weitere figürlich nicht darge- stellte elektrische Anschlussmittel vorgesehen. Die gezeigte Durchführung 1 dient somit zum Durchführen eines Hochspan- nungspotentials durch eine Wandung, die sich auf Erdpotential befindet.

Zur Steuerung des elektrischen Feldes innerhalb des Harzab- schnitts 3 sind in diesem elektrisch leitende Einlagen einge- bettet, die kreisförmig um den Hochspannungsleiter 10 herum verlaufen, wobei die Einlagen konzentrisch zu dem Hochspan- nungsleiter 10 angeordnet sind. Der Bereich, in dem die Ein- lagen angeordnet sind, ist in der Figur mit einer durchgezo- genen Linie angedeutet.

Der Hochspannungsleiter 10 ist elektrisch mit einem Leis- tungshalbleiterbauelement verbunden, das hier ein Thyristor 11 ist. Durch die elektrische Verbindung ist der Thyristor 11 zum Anschluss 9 in Reihe geschaltet, so dass der gesamte Strom der Durchführung 1 über den Thyristor 11 fließt. Der

über eine Steuerungsleitung 12 steuerbare Thyristor 11 ist ein optisch zündbarer Thyristor, so dass als Steuerungslei- tung ein Lichtwellenleiter 12 eingesetzt ist. Der Lichtwel- lenleiter 12 ist am Flanschabschnitt 5 aus dem Gehäuse 4 ge- führt. Zur Energieversorgung des Thyristors 11 ist ein Ver- sorgungswandler 13 eingerichtet, der aus einer konzentrisch zum Leiter angeordneten Spule besteht. Durch die elektromag- netische Kopplung mit dem Hochspannungsleiter 10 wird eine Spannung in dem Versorgungswandler 13 induziert, die zur E- nergieversorgung des Thyristors 11 dient, der hierzu über ei- ne nicht dargestellte Energieversorgungsleitung mit dem Ver- sorgungswandler 13 verbunden ist.

Das Leistungshalbleiterbauelement 11 ist hier nicht in dem Harzabschnitt 3 des Isolators 2 eingegossen, sondern im Kopf- abschnitt 8 angeordnet. Dies gilt entsprechend für den Ver- sorgungswandler 13. Dabei ist der Thyristor 11 starr am Kopf- teil 8 befestigt. Sowohl der Thyristor 11 als auch Vesor- gungswandler 13 ragen zumindest teilweise in das ölbad 7 hin- ein, so dass auch hier Lufteinschlüsse vermieden sind.

Zum Ansprechen des Thyristors 11 ist eine außerhalb des Ge- häuses 4, also separat aufgestellte Steuerungseinheit 13 vor- gesehen. Die Steuerungseinheit 13 befindet sich auf Erdpoten- tial, so dass deren aufwändige Isolierung entfällt. Der An- schluss der Steuerungseinheit 13 an den sich auf Hochspan- nungspotential befindlichen Thyristor 11 erfolgt über den e- lektrisch nicht leitenden Lichtwellenleiter 12. Innerhalb der Steuerungseinheit 13 ist ein nicht dargestellter Laser vorge- sehen, dessen Laserpulse den Thyristor 11 steuern. Die Steue- rungseinheit 16 ist ferner mit einem am Befestigungsabschnitt 5 angeordneten Stromwandler 15 verbunden, der hier als Strom- sensor eingesetzt ist. Die sekundärseitig vom Stromsensor 15

erzeugten, dem Strom im Hochspannungsleiter 10 proportionalen Stromsignale werden der Steuerungseinheit 16 zugeleitet, von dieser abgetastet, digitalisiert und mittels einer in ihr implementierten Logik mit Unterbrechungsbedingungen vergli- chen. Hierbei kann es sich in einem einfachsten Fall um den Vergleich der aus Stromsignalen abgeleiteten Stromwerte mit einem Schwellenwert handeln. Werden keine Unterbrechungsbe- dingungen festgestellt zündet die Steuerungseinheit 13 den bei jedem Stromnulldurchgang des Wechselstromes in seine Sperrstellung überführten Tyristor 11 bei einem erneuten An- stieg des Stromes von neuem. übersteigen die Stromwerte des Hochspannungsleiters 10 jedoch den besagten Schwellenwert, unterlässt die Steuerungseinheit 16 das Zünden des Thyristors 11, so dass dieser in seiner Sperrstellung verbleibt und ein Stromfluss durch die Durchführung 1 unterbrochen ist. Der Ty- ristor 11 wird also passiv gelöscht.

Bei einem hiervon abweichenden Ausführungsbeispiel ist das Leistungshalbleiterbauelement ein IGBT, der im Störfall ak- tiv, also durch Abfallenlassen der Spannung an dessen so ge- nanntem"Gate"in seine Sperrstellung überführt wird.