DE3702782A1 - Messwandler fuer hochspannung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messwandler für Hochspannung mit einem Kopfteil, einem Sockelteil und einem dazwischen liegenden Durchführungs­ teil, mit mindestens einer den Durchführungsteil durchdringenden an mindestens einem im Kopf- und/oder Sockelteil des Messwandlers untergebrachten Aktivteil angeschlossenen elektrisch leitenden Verbindung und mit einer aus mindestens einer gegossenen und gehärteten Masse bestehenden mindestens einen Teil des Aktivteils und die Verbindung umgehenden Hochspannungsisolation.

Ein Messwandler der eingangs erwähnten Art ist aus der CH-PS 4 00 345 bekannt. In dieser Druckschrift sind ein Giessharzspannungswandler in Topfbauweise und ein Giessharzstromwandler in Kopfbauweise beschrieben, die infolge der gegenläufigen Konizität der Giessharzisolierkörper dicht nebeneinander gestellt werden können. Ein grosser Nachteil dieser mit einer spröden Hochspannungsisolation aus gehärtetem Giessharz versehenen Messwandler besteht darin, dass zwischen dem Aktivteil des Messwandlers und der Giessharzisolation eine Polsterung erforderlich ist, sonst könnte die Gissharzisolation bei thermischer Ausdehnung des Aktivteils gespalten werden. Die Anwendung einer Polsterung ist nicht nur mit wirtschaftlichen Nachteilen verbunden, sondern verursacht auch technische Schwierigkeiten bei der Herstellung einer hohlraumfreien Bindung des Giessharzes an der Oberfläche potentialführender Teile. Hohlräume würden durch Glimmentladungen zur Zerstörung des Messwandlers führen. Ein weiterer Nachteil dieses Messwandlers ist darin zu sehen, dass im Falle eines elektrischen Durchschlages in der Hochspannungsisolation die festen, in Scherben gehenden Teile der Giessharz­ isolation explosionsartig in die Umgebung geschleudert werden, wodurch Men­ schen und benachbarte Anlagenteile gefährdet sind. Ausserdem sind die Kriech­ stromfestigkeit und die Wetterbeständigkeit von Giessharzisolierkörpern unbefrie­ digend. Die CH-PS 4 60 160 zeigt einen weiteren giessharzisolierten kombinier­ ten Messwandler, der auch mit den vorerwähnten Nachteilen behaftet ist. Um die Kriechstromfestigkeit und die Wetterbeständigkeit eines Isolators aus Giess­ harz zu verbessern, hat man nach der CH-PS 4 68 060 die Giessharzisolation mit einer verhältnismässig dünnen äusseren Schicht aus Silikonkautschuk überzogen. Die äussere Silikonkautschukschicht weist eine hohe Kriechstromfestigkeit und eine gute Wetterbeständigkeit auf, wobei der innere starre Giessharzkörper die thermischen Dehnungen eines allfälligen darin eingebetteten Metallteiles auch nur mit einer dazwischenliegenden Polsterung ohne Schaden ertragen kann. Die mit einer Polsterung zusammenhängenden vorerwähnten Nachteile bleiben daher hier auch bestehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Messwandler der eingangs erwähnten Gattung anzugeben, der wirtschaftlich vorteilhaft ist, ohne eine Polsterung zwischen den eingebetteten Metallteilen und der Hochspannungs­ isolation des Messwandlers betriebsfähig ist und selbst im Falle eines allfälligen elektrischen Durchschlages in der Hochspannungsisolation keine Menschen und benachbarten Anlagenteile gefährdet.

Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, dass die gesamte Hochspannungs­ isolation gummiartig elastisch ist und eine Shore-A-Härte zwischen 25 und 98 aufweist und dass das tragende Skelett des Messwandlers aus einer starren Verschalung um den Aktivteil und aus einem mit dieser Verschalung starr verbundenen den Durchführungsteil durchdringenden die elektrische Verbindung aufnehmenden Rohr besteht. Durch diese Massnahme ist der Messwandler sehr einfach und daher wirtschaftlich vorteilhaft ausgebildet. Die gummiartig elas­ tische Hochspannungsisolation erübrigt eine Polsterung zwischen den eingebette­ ten Metallteilen und der Hochspannungsisolation. Die mechanisch nicht stabile Hochspannungsisolation wird durch das tragende Skelett gehalten. Die gummi­ artig elastische Hochspannungsisolation wird bei einem allfälligen elektrischen Durchschlag in der Hochspannungsisolation nur örtlich zerstört, explodiert nicht und gefährdet somit weder Menschen noch die übrigen Anlagenteile.

Die Hochspannungsisolation kann mindestens teilweise aus Silikonkautschuk be­ stehen. Die gummiartige Elastizität, die hohe Kriechstromfestigkeit und die gute Wetterbeständigkeit dieses Materials sind vorteilhaft.

Die Hochspannungsisolation kann aus einer mindestens eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweisenden inneren Teilisolation und aus einer daran gebundenen, aussen durch die Umgebungsluft bestreichbaren kriechstrom- und wetterfesten äusseren Teilisolation zusammengesetzt sein. Dabei kann die innere Teilisolation eine höhere Shore-A-Härte aufweisen als die äussere Teilisolation. Bei dieser zusammengesetzten Hochspannungsisolation ist es möglich, für die innere Teilisolation ein wirtschaftlich vorteilhafteres gummiartig elastisches Material zu wählen. Dadurch, dass die innere Teilisola­ tion eine höhere Shore-A-Härte aufweist, kann die mechanische Stabilität des gesamten Messwandlers erhöht werden.

Vorteilhafterweise ist die Hochspannungsisolation einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, bei welcher das Verhältnis des Betrages der Shore-A- Härte zum Betrag der in N/mm² ausgedrückten mechanischen Beanspruchung mindestens 100 beträgt. Durch die Einhaltung dieser Grenze ist erreichbar, dass die Hochspannungsisolation ihre Form mit einer zulässigen Toleranz beibehält.

Die Hochspannungsisolation im Kopfteil kann eine von der Verschalung beabstandete, als Messelektrode eines kapazitiven Teilers dienende Elektrode aufweisen. Bei Einhaltung der Grenze der mechanischen Beanspruchung der Hochspannungsisolation kann mit der in die Hochspannungsisolation eingebette­ ten Messelektrode ein kapazitiver Teiler ausreichender Genauigkeit gebildet werden.

Die Hochspannungsisolation kann am Kopfteil und/oder am Sockelteil mindestens teilweise mit einer gummiartig elastischen elektrisch leitenden Schicht über­ zogen sein. Diese elektrisch leitende Schicht kann ihrerseits mit einer gummi­ artig elastischen Schutzschicht zugedeckt sein. Die an den Kopf- oder Sockel­ teilen erforderlichen Potentialbeläge sind auf diese Weise einfach herstellbar. Sie haften an der Oberfläche der Hochspannungsisolation und folgen deren Bewegungen. Eine elastische Schutzschicht schützt die leitende Schicht gegen mechanische Einflüsse.

Das aus einer Verschalung und aus einem Rohr gebildete tragende Skelett des Messwandlers weist vorteilhafterweise an seiner elektrisch leitenden Oberfläche eine aus einem elektrisch mindestens halbleitenden Material bestehende an der Hochspannungsisolation haftende Schicht auf. Durch diese Massnahme kann eine allfällige mit Hohlraumbildung verbundene Ablösung der Hochspannungsisolation von der Verschalung und vom Rohr des Skelettes unwirksam gemacht werden.

Ein Messwandler in Form eines Kopfstromwandlers ist vorteilhafterweise mit einer mechanisch entlasteten Hochspannungsisolation versehen, wobei der Hochspannungspotential aufweisende Primärleiter des Kopfstromwandlers vom am Sockelteil abgestützten tragenden Skelett des Messwandlers mechanisch unabhängig und durch angrenzende Teile einer Hochspannungsanlage getragen ist. Die mechanische Entlastung der Hochspannungsisolation sichert auch bei relativ weichem Isolationsmaterial die Formbeständigkeit der Hochspannungs­ isolation und erlaubt die Anwendung verhältnismässig schwerer, bei Hochstrom­ anlagen notwendigen Primärleiter.

Die vorliegende Erfindung überwindet ein in der Fachwelt herrschendes Vorurteil bezüglich der Anwendung einer ausschliesslich aus einem gummiartig elastischen Material bestehenden Hochspannungsisolation für einen Messwandler. Obwohl eine gummiartig elastische Hochspannungsisolation für biegsame Kabelenden in Form einer auf das Kabelende aufschiebbaren Endmuffe ohne ein mechanisch tragendes starres Skelett beispielsweise aus der DE-PS 29 44 120 vorbekannt war, wurde für Hochspannungsmesswandler nur eine starre, meistens aus Giessharz bestehende Hochspannungsisolation angewandt, oder bei einer mechanisch nicht tragfähigen Hochspannungsisolation ein Porzellanisolator als Tragelement eingesetzt.

Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen zwei Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufriss-Schnitt und

Fig. 2 den Seitenriss-Schnitt eines Kopfstromwandlers für Hochspannung,

Fig. 3 den Aufriss-Schnitt und

Fig. 4 den Seitenriss-Schnitt eines Spannungswandlers für Hochspannung.

In Fig. 1 ist ein Stromwandler in Kopfbauweise dargestellt. Der im Kopfteil untergebrachte Aktivteil dieses Kopfstromwandlers besteht aus den beiden ringförmigen mit den Sekundärwicklungen 1, 2 bewickelten Eisenkernen 3, 4. Den Aktivteil durchdringt der Primärleiter 5. Die elektrisch leitenden an den Sekundärwicklungen 1, 2 des Stromwandlers angeschlossenen, in den Fig. 1 und 2 nicht näher dargestellten Verbindungen führen durch den Durchführungs­ teil zum Sockelteil 6 des Stromwandlers, wo sie von aussen an entsprechenden Anschlussklemmen zugänglich sind.

Die gesamte Hochspannungsisolation 7 des Stromwandlers besteht aus einem gummiartig elastischen Material, dessen Shore-A-Härte im allgemeinen zwischen 25 und 98 liegen kann. Solche Materialien gehören zur Gruppe der Elastomere. Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Stromwandler ist eine aus kaltvernetzendem Silikonkautschuk mit einer Shore-A-Härte von 50 bestehende Hochspannungsisolation 7 eingesetzt. Die mechanische Beanspruchung dieser Hochspannungsisolation 7 überschreitet eine bestimmte Grenze nicht, wodurch die Formbeständigkeit und eine gleichbleibende elektrische Beanspruchung ge­ währleistet bleibt. Die zulässige Grenze der mechanischen Beanspruchung liegt dort, wo das Verhältnis des Betrages der Shore-A-Härte zum Betrag der in N/mm² ausgedrückten mechanischen Beanspruchung mindestens 100 beträgt. Nachdem die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Hochspannunsisolation 7 eine Shore-A-Härte von 50 aufweist, sollte die mechanische Beanspruchung der Hochspannungsisolation den Wert von 0,5 N/mm² nicht überschreiten. Bei dieser Beanspruchung ist es möglich, in die Hochspannungsisolation 7 im Kopfteil des Stromwandlers eine Messelektrode 8 einzubauen. Diese Messelektrode 8 ist der Messabgriff eines kapazitiven Teilers, der zwischen der hochspannungsführenden elektrisch leitenden Schicht 9 um den Kopfteil einerseits und der elektrisch leitenden inneren Verschalung 10 um den Aktivteil anderseits angeordnet ist. Die Messgenauigkeit des kapazitiven Teilers bleibt in zulässigen Grenzen, wenn die mechanische Beanspruchung die vorerwähte Grenze nicht überschreitet.

Um die gewünschte mechanische Stabilität des Stromwandlers bei einer gummiartig elastischen Hochspannungsisolation 7 zu erreichen, besteht das mechanisch tragende Skelett des Stromwandlers aus der starren Verschalung 10 um den Aktivteil des Stromwandlers und aus einem mit dieser Verschalung 10 starr verbundenen Rohr 11. Das Rohr 11 ist am Sockelteil 6 des Stromwandlers starr befestigt. Der Sockelteil 6 seinerseits ist ortsfest.

Um die Hochspannungsisolation 7 mechanisch zu entlasten, ist der Primärleiter 5 vom am Sockelteil 6 abgestützten tragenden Skelett unabhängig an einem angrenzenden Teil 12 einer Hochspannungsanlage befestigt. Der angrenzende Teil 12 kann die Anschlusstelle eines Leistungsschalters, eines Trennschalters, eines Ueberspannungsableiters, eines Stützisolators, einer ortsfesten Sammelschiene oder irgendein den Primärleiter 5 tragender Anlagenteil sein.

Am Kopfteil ist die Hochspannungsisolation 7 des Stromwandlers mit einer gummiartig elastischen elektrisch leitenden Schicht 9 überzogen. Diese Schicht 9 besteht aus einem additionsvernetzten, durch Russzugabe elektrisch leitend gemachten Silikonkautschuk, weist eine Shore-A-Härte von 55 auf und ist bei Temperaturen zwischen 180 und 200°C auf die Hochspannungsisolation 7 aufvulkanisiert. Die Schicht 9 ist im Uebergangsbereich zwischen Kopfteil und Durchführungsteil mit einem elektrisch leitenden Ring 13 abgeschlossen. Die elektrisch leitende Schicht 9 ist im Lochbereich des Kopfteiles unterbrochen, um eine Kurzschlusswindung um die Eisenkerne 3 und 4 zu vermeiden. Beidseitig des für den Primärleiter 5 vorgesehenen Loches am Kopfteil des Stromwandlers sind zwei mittels elektrisch isolierender Zugbolzen 14 zusammengehaltene Iso­ lierstoffplatten 15 angebracht. Die zentrale Oeffnung ist an diesen Isolierstoff­ platten 15 so gross, dass sich der Primärleiter 5 daran nicht abstützt. Unter einer der beiden Isolierstoffplatten 15 ist ein mit dem Primärleiter 5 elektrisch leitend verbundener in den Figuren nicht dargestellter Verbindungsdraht einge­ klemmt. Dieser Verbindungsdraht stellt zwischen dem Primärleiter 5 und der elektrisch leitenden Schicht 9 eine Potentialverbindung her.

In Hochspannungsanlagen können Anordnungen getroffen werden, bei welchen in unmittelbarer Nähe des Stromwandlers keine mechanisch tragenden angrenzen­ den Teile 12 vorhanden sind. Für solche Anordnungen ist vorgesehen, die zentralen Oeffnungen an den Isolierstoffplatten 15 dem Durchmesser des Primärleiters 5 anzupassen. Der passend in den zentralen Oeffnungen der Isolierstoffplatten 15 sitzende Primärleiter 5 wird in diesem Fall durch das aus dem Rohr 11 und aus der Verschalung 10 gebildete Skelett und durch die zwischen der Verschalung 10 und den Isolierstoffplatten 15 liegende Hochspannungsisolation 7 getragen. In diesem Fall ist aber dafür zu sorgen, dass die Anschlussleitungen der Hochspannungsanlage mechanisch weitgehend entlastet am Primärleiter 5 angeschlossen sind. Der Stromwandler soll keine Stützfunktionen übernehmen müssen. Der Primärleiter 5 kann um die Eisenkerne 3 und 4 auch mehrere Windungen bilden, wie es aus der Stromwandlerbautech­ nik, z.B. aus der CH-PS 4 60 160 bereits bekannt ist. In diesem Fall halten die Isolierstoffplatten 15 die Anschlussbolzen des Stromwandlers.

Das aus der Verschalung 10 und aus dem Rohr 11 gebildete tragende Skelett des Stromwandlers ist an seiner elektrisch leitenden Oberfläche mit einer elektrisch halbleitenden Schicht 16 versehen. Um diese Schicht 16 herzustellen, wird ein Halbleiterpapierband auf das Skelett gewickelt. Diese halbleitende Schicht 16 wird beim Giessen der Hochspannungsisolation 7 vom gegossenen Material durchdrungen, wodurch eine gute Haftung zwischen der halbleitenden Schicht 16 und der Hochspannungsisolation 7 entsteht. Dank dieser guten Haftung und der elektrischen Verbindung zwischen dem elektrisch leitenden Skelett und der halbleitenden Schicht 16 können allfällige unerwünschte elektrisch beanspruchte Hohlräume an der Oberfläche des Skelettes vermieden werden. Anderseits wird durch die halbleitende Schicht 16 der Potentialsprung an der Oberfläche des Skelettes vermindert.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Spannungswandler im Aufriss-Schnitt und im Seitenriss-Schnitt. Der Aktivteil des Spannungswandlers ist im Sockelteil untergebracht. Der Eisenkern 17 ist mittels Stäbe 18 an einer Bodenplatte 19 befestigt. Die Sekundärwicklung 20 und die Primärwicklung 21 sind am Eisenkern 17 abgestützt. Um die Primärwicklung 21 ist eine die Form eines aufgeschlitzten Zylinders aufweisende Verschalung 22 angebracht. An dieser Verschalung 22 ist ein elektrisch leitendes Rohr 23 starr befestigt. Das Rohr 23 und die damit starr verbundene Verschalung 22 bilden das mechanisch tragende Skelett des Spannungswandlers.

Die Hochspannungsisolation besteht aus einer inneren Teilisolation 24 und aus einer daran gebundenen äusseren Teilisolation 25. Die innere Teilisolation 24 ist auf das mit einer halbleitenden Schicht 16 versehene tragende Skelett aufge­ bracht und weist eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit auf. Für diese innere Teilisolation 24 ist ein aus reaktiven Polysiloxanen und organischen Thermoplasten durch ein besonderes Polymerisationsverfahren gewonnener Kunst­ stoff eingesetzt, der im Handel beispielsweise unter der Bezeichnung "Wacker m-Polymere" der Firma Wacker-Chemie GmbH, 8000 München 2 erhältlich ist. Die äussere Teilisolation 25 ist aussen durch die Umgebungsluft bestreichbar und besteht aus einem kriechstrom- und wetterfesten Material, aus Silikonkau­ tschuk. Die innere Teilisolation 24 weist eine Shore-A-Härte von 70 und die äussere Teilisolation 25 eine von 28 auf. Die härtere innere Teilisolation 24 sichert eine befriedigende mechanische Stabilität des Spannungswandlers.

Die innere Teilisolation 24 ist im Sockelteil des Spannungswandlers mit einer elektrisch leitenden, geerdeten Schicht 26 versehen. Diese Schicht 26 ist auf die innere Teilisolation 24 aufvulkanisiert und weist eine Shore-A-Härte von 55 auf. Die Schicht 26 ist im Uebergangsbereich zwischen dem Sockelteil und dem Durchführungsteil mit einem Ring 27 abgeschlossen.

Auf die elektrisch leitende, geerdete Schicht 26 ist eine gummiartig elastische Schutzschicht 28 aus Silikonkautschuk aufgebracht. Diese Schutzschicht 28 weist eine Shore-A-Härte von 28 auf und schützt die darunterliegende elektrisch leitende Schicht 26 gegen mechanische und witterungsbedingte Einflüsse.

Der Kopfteil 29 des Spannungswandlers trägt den Anschlussbolzen 30.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung einer gummiartig elastischen Hoch­ spannungsisolation auch im Hinblick auf die Explosionssicherheit. Bei den be­ schriebenen Messwandlern entstehen bei einem allfälligen elektrischen Durch­ schlag in der Hochspannungsisolation keine herumfliegenden, Personen und be­ nachbarte Anlagenteile gefährdenden Splitter oder Messwandlerteile. Die gummi­ artig elastische Hochspannungsisolation wird bei einem elektrischen Durchschlag nur örtlich zerstört und explodiert nicht.

Claims (10)

1. Messwandler für Hochspannung mit einem Kopfteil, einem Sockelteil und einem dazwischen liegenden Durchführungsteil, mit mindestens einer den Durchführungsteil durchdringenden an mindestens einem im Kopf- und/oder Sockelteil des Messwandlers untergebrachten Aktivteil angeschlossenen elektrisch leitenden Verbindung und mit einer aus mindestens einer gegossenen und gehärteten Masse bestehenden mindestens einen Teil des Aktivteils und die Verbindung umgehenden Hochspannungsisolation, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Hochspannungsisolation (7, 24, 25) gummiartig elastisch ist und eine Shore-A-Härte zwischen 25 und 98 aufweist und dass das tragende Skelett des Messwandlers aus einer starren Verschalung (10, 22) um den Aktivteil (1, 2, 3, 4, 21) und aus einem mit dieser Verschalung (10, 22) starr verbundenen den Durchführungsteil durchdringenden die elektrische Verbindung aufnehmenden Rohr (11, 23) besteht.

2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsisolation (7, 25) mindestens teilweise aus Silikonkautschuk be­ steht.

3. Messwandler nach Anspruch 7 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsisolation aus einer mindestens eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweisenden inneren Teilisolation (24) und aus einer daran gebundenen, aussen durch die Umgebungsluft bestreichbaren kriechstrom- und wetterfesten äusseren Teilisolation (25) zusammengesetzt ist.

4. Messwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Teilisolation (24) eine höhere Shore-A-Härte aufweist als die äussere Teilisolation (25).

5. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsisolation (7, 24, 25) einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist, bei welcher das Verhältnis des Betrages der Shore-A-Härte zum Betrag der in N/mm² ausgedrückten mechanischen Beanspruchung mindestens 100 beträgt.

6. Messwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsisolation (7) im Kopfteil eine von der Verschalung (10) beabstandete, als Messelektrode eines kapazitiven Teilers dienende Elektrode (8) aufweist.

7. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsisolation (7, 24) am Kopfteil und/oder am Sockelteil mindestens teilweise mit einer gummiartig elastischen elektrisch leitenden Schicht (9, 26) überzogen ist.

8. Messwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (26) mit einer gummiartig elastischen Schutzschicht (28) zugedeckt ist.

9. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aus einer Verschalung (10, 22) und aus einem Rohr (11, 23) gebildete tragende Skelett des Messwandlers an seiner elektrisch leitenden Oberfläche eine aus einem elektrisch mindestens halbleitenden Material bestehende an der Hochspannungsisolation (7, 24) haftende Schicht (16) aufweist.

10. Messwandler in Form eines Kopfstromwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsisolation (7) mechanisch entlastet ist, wobei der Hochspannungspotential aufweisende Primärleiter (5) des Kopfstromwandlers vom am Sockelteil (6) abgestützten tragenden Skelett des Messwandlers mechanisch unabhängig und durch angrenzende Teile (12) einer Hochspannungsanlage getragen ist.