Gasisolierte Hoch- oder Mittelspannungsanordnung Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Hoch- oder Mittel ^¬ spannungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Anlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik, z.B. gasiso- Herten Schaltanlagen (GIS) , gasisolierten Leitungen (GIL) oder anderen, muss stets ein mit hohen elektrischen Feldern beaufschlagtes Volumen mit einer oder mehreren Hochspannungs ^¬ komponenten, zum Beispiel einer Vakuumschaltröhre, mit einem Medium gefüllt werden, welches keine elektrischen Durchschlä- ge zwischen Teilen mit unterschiedlichen Spannungspotenzialen zulässt .

Bisher werden zur Isolierung von Mittel- beziehungsweise

Hochspannungsanlagen, in gasisolierten Leitungen oder Schalt- anlagen, sehr häufig das Isoliergas SFg 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 Treibhauspo ^¬ tenzial von Kohlendioxid besitzt. Dieses außergewöhnlich hohe Treibhausgaspotenzial führt dazu, dass SFg in seiner Verwen ^¬ dung 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 besse ^¬ res Isolierverhalten aufweisen, wie dies im Stand der Technik mit dem SFg der Fall ist, jedoch ein geringeres Treibhauspo ^¬ tenzial aufweisen.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Hoch- beziehungsweise Mittelspannungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Hoch- oder Mittelspannungsanordnung um- fasst einen Isolierraum mit einem gasförmigen Isoliermedium und einem Füllmittel, und die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Füllmittel Hohlkugeln umfasst, die mit dem gas ^¬ förmigen 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, insbe- sondere ein sogenannter Dg5-Wert von weniger als 200 ym 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 ym 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 Dg5-Wert der

Hohlkugeln von weniger als 100 ym, ganz besonders bevorzugt weniger als 30 ym, 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 dis- kreten Durchmesserwert handelt, der sich um eine Gaußvertei- lung 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 Zwi ^¬ schenräume 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 be ^¬ vorzugt 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- bezie- hungsweise 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 gas ^¬ förmige Isoliermedium sicher einschließt, dabei hat sich Glas, Polymere oder Harze als besonders vorteilhafte Materia ^¬ lien für die Hohlkugeln herausgestellt.

Die Hohlkugeln, die als Schüttung im Isolierraum angeordnet sind, werden wiederum bevorzugt von einem Füllmaterial umge ^¬ ben, in das diese eingebettet sind. Hierbei sei darauf hinge ^¬ wiesen, dass sowohl der Begriff Hohlkugeln als auf Füllmate- rial von dem Oberbegriff Füllmittel umfasst sind.

Dieses Füllmaterial, das die Hohlkugeln mit dem gasförmigen Isoliermedium umgibt, weist bevorzugt eine höhere dielektri ^¬ sche Permittivität auf als die Hohlkugeln mit dem gasförmigen Isoliermedium. Diese Beziehung senkt die dielektrischen Anforderungen an das Fluid oder an ein anderes festes Dielekt ^¬ rikum, 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 fluo- rierten 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:

Figur 1 einen Ausschnitt aus einem Isolierraum einer Hochbeziehungsweise Mittelspannungsanordnung mit stark vergrößert dargestellten Hohlkugeln und einem weite- ren Füllmittel;

Figur 2 einen Ausschnitt aus demselben Isolierraum mit einer vergrößerten Hohlkugel und den dazugehörigen elektrischen Feldlinien des elektrischen Feldes.

In Figur 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 ^λ vorliegen. Die kleineren Hohlkugeln 2 ^λ 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 Mittel ^¬ spannungsanordnung, einem Schalter oder einem Leiter unter Anwendung der beschriebenen gasgefüllten Hohlkugeln 2, 2 ^λ ebenso von einem gasisolierten Leiter beziehungsweise einer gasisolierten Schaltanlage gesprochen werden, da die Hauptisolierwirkung durch das gasförmige Isoliermedium 4 innerhalb der Hohlkugel 2, 2 ^λ erfolgt. Die Hohlkugeln bestehen dabei insbesondere aus Glas, es kön ^¬ nen 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 ^λ von ihrem Füllmaterial so gasundurchlässig sind wie möglich, damit das darin befindliche gasförmige Iso ^¬ liermedium 4 nicht aus den Hohlkugeln 2, 2 ^λ 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 ^λ werden in einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung mit einem Fluid mit hoher elektrischer Isolationsfähigkeit gefüllt. Das bevorzugt eine, gegenüber der Gasfüllung der Hohlkugelschüt- tung erhöhte dielektrische Permittivität aufweist. Hierbei kann es sich um ein flüssiges Dielektrikum, wie beispielswei- se Öle auf Basis fluorierter Kohlenwasserstoffe, oder Sili ^¬ konöle 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 ^λ eingesetzt werden, das eine höhere dielektrische Festigkeit hat, als die Gasfüllung der Hohlkugelschüttung .

Die Hohlkugeln 2 weisen typischerweise einen Durchmesser von 100 ym bis 120 ym auf, ein Innendurchmesser liegt im Bereich von 100 ym. Es handelt sich bevorzugt um eine bimodale oder um eine trimodale, aber auch um eine kontinuierliche,

polydisperse Größenverteilung, die dazu führt, dass wie in Figur 1 beispielhaft angedeutet ist, Zwischenräume zwischen den Hohlkugeln 2, 2 ^λ minimiert werden und eine möglichst hohe Raumausfüllung durch die Hohlkugeln 2, 2 ^λ erfolgt. Die kleineren Hohlkugeln 2 ^λ haben beispielsweise einen Durchmesser von 30 ym, wobei sich bei den Angaben der einzelnen modalen Peaks um gaußkurvenförmige Peaks handelt, die einen Zwei- Sigma-Bereich von etwa 15 ym aufweisen.

Diese Anordnung führt dazu, dass selbst bei Gasen, die nied ^¬ rigere dielektrische Festigkeiten als das herkömmliche SFg aufweisen, durch gasgefüllte Hohlkugeln 2 in einer Schüttung, höhere Spannungsfestigkeit erreichen, als mit einer reinen SFg-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 ym und geringer, steigt die reduzierte elektrische Feldstärke, also das Verhältnis zwischen Feldstärke und Gasdichte, die auf die Gasfüllung an ^¬ gewendet 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 ^λ 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 ^λ unter hohem Druck im Isolierraum 1 können erheblich höhere Isolationspotenziale beziehungswei ^¬ se Spannungsfestigkeiten erreicht werden, als dies mit anderen Lösungen aus dem Stand der Technik möglich ist.

Die Einbettung der gasgefüllten Hohlkugeln 2, 2 ^λ in dielekt- rische Fluide 7 mit einer relativen Permittivität s _r f, die größer ist als die relative Permittivität des Isoliergases s _r q, mit dem die Hohlkugeln 2, 2 ^λ 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 Figur 2 durch den Verlauf der Feldlinien, die sich als Gradient des elektrischen Potenzials ergeben, darge ^¬ stellt ist. Dies ist besonders vorteilhaft für feste Dielekt- rika, in denen Überschläge so wirksam vermieden werden können, die sonst zu einer Zerstörung des Dielektrikums bezie ^¬ hungsweise des Füllmaterials führen könnten.