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Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Leitungsanordnung mit einem elektrischen Leiter in einem Isoliergasraum, in dem ein Isoliergas vorliegt, üblicherweise zur Anwendung in der Mittel- und Hochspannungstechnik.
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Die Spannungsführung in Anlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik geschieht u.a. mittels Leiterabschnitten, die an einer Durchführung in einen abgeschlossenen Raum geführt werden, wobei in diesem abgeschlossenen Raum ein Isoliergas vorliegt. Der Leiterabschnitt kann innerhalb des Raums, im Folgenden als Isoliergasraum bezeichnet, auch zusätzlich mit Stützkörpern abgestützt sein.
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Die für die Stützkörper und Durchführungen eingesetzten Materialien sind typischerweise dicht gesinterte Keramik, Porzellan, Glas, hochpolymere Kunststoffe (Thermoplaste, Duroplaste, und Elastomere) wie Epoxidharze, Silikonharze und -Elastomere, Polypropylen, Polyimide, und mit mineralischen Füllstoffen versetzte Epoxidharze. Dabei ist es vorteilhaft, makroskopische und mikroskopische Gaseinschlüsse im Material mit Durchmessern im Bereich Mikrometer bis Millimeter, sogenannte Lunker, zu vermeiden, weil diese die dielektrische Festigkeit des Materials drastisch reduzieren.
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Als Isoliergas werden Gasgemische verwendet, die elektronegative Komponenten wie beispielsweise SF6 zusammen mit beispielsweise N2, CO2, oder CF4 enthalten. Das Isoliergas hilft u.a. durch seine hohe spezifische Wärme beim Löschen von bei Volumendurschlägen gebildeten Störlichtbögen in solchen Anlagen.
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Überschläge finden erfahrungsgemäß besonders häufig entlang der Oberflächen der Stützkörper und Durchführungen spannungsführender Teile statt. Damit sind Stützkörper und Durchführungen bezüglich der Spannungsfestigkeit die schwächsten Regionen solcher Anlagen. Dieses Problem wird verstärkt, wenn das SF6 in der Zukunft aufgrund seiner ausgeprägten Wirkung als Treibhausgas durch andere Gase ersetzt wird. Als Ersatz werden beispielsweise elektronegative Isolier- und Löschgase mit niedrigerem Treibhauspotential wie beispielsweise Fluorketone, Fluornitrile, Fluorolefine diskutiert.
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Diese weisen allerdings höhere Siedepunkte bei Normaldruck als SF6 auf und müssen deshalb mit wesentlich niedrigeren Konzentrationen als SF6 in die Anlagen eingefüllt werden, um eine Kondensation großer Mengen innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches zu vermeiden. Dadurch wird unter der Voraussetzung gleicher konstruktiver Randbedingungen (Bauraum und Arbeitsdruck) die Isolationsfähigkeit verringert. Weiterhin sinkt auch das Löschvermögen des Gasgemisches für Störlichtbögen gegenüber Gasgemischen, die SF6 als Isoliergas enthalten.
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Dieses sinkende Isolationsvermögen macht sich auch an den Oberflächen von isolierenden Durchführungen und Stützkörpern spannungsführender Teile bemerkbar. Erfahrungsgemäß wird es sich bei einer gut ausgelegten Mittel- und Hochspannungsanlage sogar zuerst dort bemerkbar machen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gasisolierte Leitungsanordnung anzugeben, bei der eine Verbesserung der Spannungsfestigkeit erreicht wird, insbesondere beim Einsatz neuartiger elektronegativer Isoliergase mit Siedebereichen oberhalb des Siedepunktes von SF6.
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Diese Aufgabe wird durch eine gasisolierte Leitungsanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der gasisolierte Leitungsanordnung.
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Die erfindungsgemäße gasisolierte Leitungsanordnung weist einen Isoliergasraum auf, in dem wenigstens ein Leitungsabschnitt zur elektrischen Spannungsführung angeordnet ist, wobei der Isoliergasraum mit Isoliergas gefüllt ist und das Isoliergas den Leitungsabschnitt umgibt. Weiterhin weist der Isoliergasraum wenigstens eine Durchführung auf, mit der der Spannung führende Leitungsabschnitt aus dem Isoliergasraum geführt wird, und/oder wenigstens einen isolierenden Stützkörper zur mechanischen Abstützung des Spannung führenden Leitungsabschnitts. Eines oder mehrere der Bauteile der Durchführung und/oder des Stützkörpers wiederum weisen ein Material auf, das mit dem Isoliergas in Kontakt steht und offenporös ist mit einem spezifischen Porenvolumen von wenigstens 0,05 cm^3/g.
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Die Erfindung schafft eine gasisolierte Leitungsanordnung, deren Isolationsvermögen gesteigert ist. Störlichtbögen werden schnell gelöscht. Der Einfachheit halber wird im Folgenden vom Kondensieren des Isoliergases gesprochen, obwohl das Isoliergas gewöhnlich ein Gasgemisch ist und auch Komponenten wie Stickstoff enthalten kann, die bei keinem realen Betriebszustand kondensieren werden. Gemeint sind dabei immer jene Teile des Isoliergases, bei denen der Partialdruck nahe oder über dem Dampfdruck liegt, so dass ein Kondensieren in messbarer Menge vorkommen kann.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass das Isoliergas besonders gut in den Poren des offenporösen Materials kondensiert. Weiterhin wird dort bedingt durch das spezifische Porenvolumen eine vergleichsweise große Menge an kondensiertem Isoliergas gespeichert. Beginnende Überschläge erhitzen das Material in der Umgebung des Überschlags. Dadurch verdampft das in den Poren kondensierte Isoliergas und erhöht somit in der engen Umgebung der Oberfläche des Materials den Druck des Isoliergases und die Konzentration der elektronegativen Anteile des Isoliergases. Dadurch sinkt die elektrische Leitfähigkeit, was dem Lichtbogen entgegenwirkt. Dadurch wird der weitere Überschlag verhindert.
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Weiterhin bewirkt das Verdampfen des Isoliergases aus den Poren eine erhebliche Kühlung des Materials und damit indirekt auch eines Störlichtbogens, sofern doch einer auftritt. Da die Verdampfungsenthalpie typischerweise sehr groß ist gegenüber der spezifischen Wärmekapazität, kann die Verdampfung des Isoliergases viel Energie aufnehmen, die dann zu keiner Temperaturerhöhung führt.
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Das Porenvolumen bzw. die Porengrößenverteilung wird gemessen durch Adsorptions- und Desorptions-Isothermen unter Verwendung des Isoliergases, das in der Anlage verwendet wird und adsorbiert werden soll, beispielsweise gemäß S. Nagappan, et al., J. Ind. Eng. Chem. (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.07.022.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Leitungsanordnung noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- – Das Material kann als Oberflächenbeschichtung des Bauteils vorliegen. Dadurch wird der prinzipielle Aufbau des Bauteils nicht wesentlich verändert, aber trotzdem die gewünschte Speicherung des Isoliergases erreicht. Je nach Porosität des Materials kann eine Dicke von wenigen µm, wenigen 10 µm bereits die maximale Dicke sein, die das Isoliergas überhaupt in das Material eindringt. Bei anderen Materialien kann die Dicke der Beschichtung auch 1 mm oder mehr betragen. Die Oberflächenbeschichtung kann dabei Teile der Oberfläche des Bauteils überziehen oder das ganze Bauteil.
- – Das Material kann auch als Oberflächenüberzug über Teile des Bauteils oder das ganze Bauteil vorliegen. Der Oberflächenüberzug ist wenigstens mehrere cm dick. In diesem Fall kann man nicht von einer Beschichtung sprechen und der Aufbau des Bauteils wird insgesamt deutlich verändert. Jedoch weist das Bauteil immer noch Teile aus unporösem Material auf.
- – Alternativ kann das Bauteil auch komplett oder nahezu komplett aus dem porösen Material gefertigt sein.
- – Das spezifische Porenvolumen kann wenigstens 0,1 cm^3/g, insbesondere wenigstens 1 cm^3/g betragen. Ein erhöhtes Porenvolumen erhöht vorteilhaft die gespeicherte Menge an kondensiertem Isoliergas und somit die kühlende Wirkung bei Verdampfen des Isoliergases aus den Poren.
- – Das Material ist bevorzugt mesoporös. Gemäß der hier verwendeten Definition weist das Material also Porengrößen im Bereich von 2 nm bis 50 nm auf. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Porengrößen eine Verteilung aufweisen, also Poren verschiedener Größen vorhanden sind. Porengrößen in diesem Bereich ergeben ein hohes Volumen an Poren pro Materialgewicht. Eine Porengrößenverteilung erlaubt eine Kondensation des Isoliergases in einem weiten Temperaturbereich bei gleichzeitig schneller Freisetzung des Isoliergases bei Erhitzung.
- – Es ist vorteilhaft, wenn der Porendurchmesser kleiner als 1 µm ist oder mit anderen Worten Poren mit einem Durchmesser von 1 µm und mehr nicht oder nur sehr geringfügig auftreten, da diese Poren Durchschläge begünstigen.
- – Das Material kann eines oder ein Gemisch aus mehreren der folgenden Materialien umfassen: Silikat, Aluminosilikat, Zeolith, insbesondere MCM-41, MCM-48, SBA-15, poröses Glas, insbesondere Vycor, KIT-6, Organosilica. Da das Ergebnis einer Bestimmung des spezifischen Porenvolumens des Materials und/oder der Porengrößenverteilung des Materials erheblich von der verwendeten Methode der Bestimmung abhängt, umfasst die Erfindung als Alternative auch eine Leitungsanordnung, bei der wenigstens eines der Bauteile von Durchführung und/oder Stützkörper eines der vorgenannten Materialien in einer offenporösen Form aufweist, unabhängig von einem konkreten Porenvolumen. Die genannten Materialien weisen vorteilhaft die gewünschte Porosität und Stabilität für den Einsatz in einer Schaltanlage auf.
- – Das Material kann hydrophob gestaltet sein, beispielsweise durch eine Behandlung bei der Herstellung oder Beimengungen im Material. Hydrophob bezeichnet dabei gemäß der üblichen Definition Materialien mit einem Kontaktwinkel gegenüber Wasser von mehr als 90°. Dadurch wird vorteilhaft die unerwünschte Kondensation von Wasser in den Poren des Materials verringert. Das Material kann auch superhydrophob gestaltet, wobei es einen Kontaktwinkel von wenigstens 150° bei einer Hysterese von weniger als 10° aufweist.
- – Das Material kann eine Porengrößenverteilung aufweisen, deren Maximum bei einer Porengröße zwischen 1 nm und 100 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 20 nm, insbesondere zwischen 3 nm und 10 nm liegt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Großteil der Poren, insbesondere wenigstens 90% der Porengrößenverteilung, im Bereich zwischen 1 nm und 100 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 50 nm liegt.
- – Das Isoliergas kann eines oder mehrere der folgenden Löschgastypen umfassen:
- – fluorierte Ketone, insbesondere perfluorierte Ketone, insbesondere solche mit wenigstens fünf Kohlenstoffatomen,
- – fluorierte Nitrile, insbesondere perfluorierte Nitrile mit wenigstens vier Kohlenstoffatomen,
- – fluorierte Olefine,
- – fluorierte Cyclo-Olefine, insbesondere perfluorierte Cyclo-Olefine mit wenigstens vier Kohlenstoffatomen,
- – fluorierte Oxirane, insbesondere mit wenigstens vier Kohlenstoffatomen,
- – fluorierte Ether.
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Diese sind elektronegativ und in ihrer Treibhausgaswirkung besser als das herkömmlich verwendete SF6.
- – Als Verdünnungsgas können N2, N2-O2-Gemische, insbesondere trockene Luft, CO2, N2-CO2-Gemische, N2-CO2-O2-Gemische, Edelgase wie z.B. Ar, und Gemische von Edelgas mit Luftkomponenten (N2, O2, CO2) verwendet werden.
- – Die Menge des Anteils von Löschgastypen im Isoliergasraum kann wenigstens so groß gewählt werden, dass bei der höchsten möglichen Betriebstemperatur der Leitungsanordnung wenigstens ein Anteil des Gases von 3 % in flüssiger Form vorliegt. Dadurch wird erreicht, dass auch bei der maximalen Betriebstemperatur der Leitungsanordnung noch ein kondensierter Anteil des Isoliergases vorliegt. Weiterhin wird erreicht, dass auch bei einem gewissen Verlust von Isoliergas im laufenden Betrieb immer noch ein kondensierter Anteil vorliegt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Leitungsanordnung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen in schematisierter Form
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1 eine gasisolierte Anlage mit porösem Speicher für isolierendes Fluid im Bereich einer Durchführung,
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2 die gasisolierte Anlage mit porösem Speicher für isolierendes Fluid an Stützkörpern.
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1 zeigt eine gasisolierte Anlage 1, in der ein elektrischer Leiter 6 durch eine elektrisch geerdete Wand 2 mittels einer speziell gestalteten, hochspannungsfesten Durchführung 5 geführt ist. Die Wand 2 umschließt einen Isoliergasraum 4 der gasisolierten Anlage 1, der mit einem Isoliergasgemisch angefüllt ist.
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Die Durchführung 5 ist dabei nach Art einer abschnittsweise zylinderförmigen und abschnittweise kegelförmigen Hülle um den Leiter 6 gestaltet. Dabei ist die vom Leiter 6 abgewandte Oberfläche der Durchführung 5 mit einer porösen Schicht 8 aus superhydrophobem Polymethylhydroxysiloxan überzogen. Diese Schicht 8 wird mittels Sol-Gel Verfahren hergestellt und ist 0,1 mm dick. Die Schicht 8 erstreckt sich vom Ende des kegelförmigen Hüllbereichs, an dem der Leiter 6 aus der Durchführung 5 hervortritt, bis zur Wand 2 hin und bedeckt die Außenseite der Durchführung 5 vollständig.
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2 zeigt eine Ansicht eines weiteren Abschnitts der gasisolierten Anlage 1 in einer Sichtrichtung entlang des Leiters 6. Der Leiter 6 wird von drei isolierenden Stützkörpern 16 in der Mitte der zylinderförmigen, geerdeten Außenwand 12 gehalten. Jeder der Stützkörper 16 ist wiederum von einer porösen Schicht 17 aus superhydrophobem Polymethylhydroxysiloxan überzogen. Diese Schicht 17 wird mittels Sol-Gel Verfahren hergestellt und ist beispielhaft 0,05 mm dick.
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Alternativ kommen für die Beschichtung auch weitere Stoffe in Frage: Vycor 7930 (ein mesoporöses Glas), MCM-41 (ein mesoporöses Molekularsieb), Zeolithe mit speziell auf das Isoliergas zugeschnittener Porengröße, die über das Al-Si-Verhältnis eingestellt wird. Die mesoporösen Gläser und Molekularsiebe zeichenen sich dabei durch besonders hohes spezifisches Porenvolumen von rund 0,8–1,2 g/cm3 und dominierende Porengrößen im Bereich von 1–25 nm aus.
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Als beispielhaftes Isoliergas soll in diesem Ausführungsbeispiel das Gas 1,1,1,2,2,4,5,5,5-Nonafluoro-4-(trifluoromethyl)-3-pentanone verwendet werden. Dieses ist ein perfluoriertes Keton mit 6 Kohlenstoffatomen, das im Folgenden als C6-PFK bezeichnet wird. C6-PFK ist nicht giftig, nicht entflammbar, nach derzeitigen Kenntnissen nicht umweltgefährdend, hat ein niedriges Treibhauspotenzial und eine dielektrische Festigkeit, die dem 1,75-fachen von SF6 entspricht. Der Stoff wird beispielsweise als Mittel zum Ersticken von Bränden unter dem Namen Novec 1230 eingesetzt sowie weiterhin als Schutzgas bei der Magnesium-Herstellung und Verarbeitung unter dem Namen Novec 612.
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Der Siedepunkt von C6-PFK liegt bei 49 °C. Da Mittelspannungs- und Hochspannungs-Anlagen unter verschiedensten klimatischen Bedingungen arbeiten können sollten, schränkt das den Partialdruck der Gasfüllung für solche Anlagen deutlich ein: Die Befüllung von Anlagen, die bis –10 °C arbeitsfähig sein sollen, darf bei dieser unteren Arbeitstemperatur einen C6-PFK Partialdruck von 7,685 kPa nicht überschreiten. Bei Arbeitsfähigkeit bis –30°C hinunter sinkt dieser Wert sogar auf 2,346 kPa. Diese Druckwerte liegen weit unter dem Gesamtdruck, mit dem die gasisolierte Leitungsanordnung gefüllt wird.
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Die Anlage wird daher mit einer solchen C6-PFK Menge gefüllt, dass das C6-PFK bei der minimalen Betriebstemperatur nicht vollständig verdampft. Damit bleibt bei minimaler Betriebstemperatur ein kleiner Rest flüssiges C6-PFK in der Anlage, der mit steigender Betriebstemperatur verdampft und so zu einem gegenüber dem minimalen Auslegungsdruck erhöhten C6-PFK Partialdruck führt, der durch die Antoine-Gleichung
log10p = A – B / C + T (1) beschrieben werden kann, in der A, B und C Materialparameter sind und T die Temperatur. Da wie durch die Kelvin-Gleichung
mit der Oberflächenspannung des Isoliergas-Kondensats σ
liq, der allgemeinen Gaskonstante R
0,
der Differenz der Massendichten des kondensierten und des gasförmigen Isoliergases ∆ρ
lg,
und der Filmdicke des Adsorbates auf der Poren- oder Kapillaroberfläche d
film beschrieben in den Poren des mesoporösen Materials das C6-PFK abhängig von Temperatur T und Porendurchmesser D
p bereits bei deutlich niedrigerem Partialdruck p
cc(T, D
p) < p
sat(T) beginnt zu kondensieren als im freien Gasvolumen, ist das mesoporöse Material mit kondensiertem C6-PFK nicht nur unterhalb sondern auch oberhalb des Taupunktes mit C6-PFK beladen, wobei der Grad der Beladung vom C6-PFK Partialdruck, Temperatur und Porengrößenverteilung abhängt.
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Wenn beispielsweise die C6-PFK-Füllung auf einen Taupunkt von –20°C eingestellt ist, beträgt der C6-PFK Partialdruck bei –30°C noch 54 % des Partialdrucks bei –20°C. Das mesoporöse Isoliermaterial ist unter diesen Bedingungen vollständig mit C6-PFK beladen, d.h. das Porenvolumen ist gefüllt mit kondensiertem C6-PFK. Steigt die Temperatur auf –10°C, dann erhöht sich die C6-PFK Konzentration auf den maximal möglichen Wert von 3,9 Volumen-%. Der Partialdruck beträgt dann noch 56,7 % des Sättigungsdampfdrucks. Für Porendurchmesser zwischen 2 nm und 5 nm ist damit eine Porenkondensation gewährleistet, und bei passender Porengrößenverteilung wird eine vollständige Beladung des mesoporösen Isoliermaterials mit C6-PFK erreicht. Mit weiter steigender Temperatur sinkt dann die Beladung.
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Wenn sich ein Überschlag anbahnt, wird die Oberfläche des porösen Isolators mit dem C6-PFK-Kondensat erwärmt und das C6-PFK wird schlagartig verdampft. Dadurch werden der C6-PFK Partialdruck und die Gasdichte und damit auch die dielektrische Festigkeit im oberflächennahen Bereich erhöht. Gleichzeitig wird durch Verdunstungskühlung dem System Energie entzogen. Beides führt dazu, dass der Überschlag unterbunden wird. Tritt bereits ein Störlichtbogen auf, wird dieser beschleunigt gelöscht, was zumindest eine Reduzierung seiner Auswirkungen bewirkt. Da die spezifischen Wärmen sowohl des C6-PFKs als auch von mesoporösen Materialien wie z.B. Silica-Gel im Bereich 1 kJ/(kg K) liegen, die Verdampfungsenthalpie von C6-PFK jedoch 88 kJ/kg beträgt, entzieht die Verdunstungskühlung dem Lichtbogen bzw. der Heißgasströmung wesentlich effizienter Energie als Temperaturerhöhung der Materialien.
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Mit anderen Worten werden also durch Ausnutzung von Adsorptions- und Kondensationseffekten in porösen Isolierstoffen Überschläge von vornherein verhindert, vor allem bei niedrigen Lösch- und Isoliergas-Partialdrücken. Auftretende Störlichtbögen werden schnell gelöscht. Ausschlaggebend dafür ist Absenkung des Partialdruckes für die Kondensation elektronegativer, molekularer Isoliergaskomponenten in den offenen Poren des Isolierstoffes. Die Speicherkapazität des Isolierstoffes wird dabei wesentlich durch die Porengrößenverteilung bestimmt. Die Funktionen Gasdichtheit und dielektrische Festigkeit lassen sich durch dichte Isoliermaterialien beschichtet mit porösen Isolierstoffen erreichen.
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Vorteilhaft lassen sich elektrische Anlagen durch solche Isolatoren (bei Verwendung der gleichen Isoliergasgemische) kompakter bauen. Die elektrische Betriebssicherheit wird erhöht. Die Lösch- und Isolierfähigkeit regeneriert sich stets durch Abkühlung. Der Einsatz hochsiedender Lösch- und Isoliergaskomponenten ist besonders günstig, weil einerseits der Partialdruck (= temperaturabhängiger Sättigungsdampfdruck) dieser Komponente selbst bei maximaler Betriebstemperatur so niedrig ist, dass der maximal zulässige Gesamtdruck der gasisolierten Leitungsanordnung durch Verdampfung dieses Stoffes nicht überschritten wird, anderseits das Vorliegen eines flüssigen Reservoirs dieser Komponente gewährleistet, dass der poröse Isolierstoff vollständig mit dieser Lösch- und Isoliergaskomponente durch Porenkondensation beladen werden kann und die Beladung nach jedem Vorkommnis wie Anbahnung eines Überschlags regeneriert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- S. Nagappan, et al., J. Ind. Eng. Chem. (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.07.022 [0014]
