DE602005005694T2

DE602005005694T2 - Hoch- oder mittelspannungsvorrichtung mit bestimmtem dielektrischem system

Info

Publication number: DE602005005694T2
Application number: DE602005005694T
Authority: DE
Inventors: Jean Luc Bessede; Mounir Hairour; Alain Toureille
Original assignee: Areva T&D SAS
Current assignee: Grid Solutions SAS
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: EP1789975A1; EP1789975B1; FR2875052B1; WO2006027534A1; DE602005005694D1; FR2875052A1; ATE390695T1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine elektrisch leitfähige Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung und insbesondere ein dielektrisches System, das für diese Art von Vorrichtung vorgesehen ist.
Diese Vorrichtungen können insbesondere Speisetransformatoren, Messwandler, Schutzschalter und auch Stromschienen (auch Sammelschienen genannt) sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass vorangehend und nachfolgend unter Mittelspannung der gesamte Spannungsbereich zu verstehen ist, der im allgemeinen zwischen 1 kV und 35 kV liegt.
Unter Hochspannung ist der gesamte Spannungsbereich zu verstehen, der im allgemeinen über 35 kV beträgt.
Vorbekannter Stand der Technik
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtungen weisen im allgemeinen einen elektrisch leitfähigen aktiven Teil auf, in dessen Bereich die Hoch- bzw. Mittelspannung angelegt wird. Dieser aktive Teil ist im allgemeinen durch einen Mantel nach außen isoliert, der dazu bestimmt ist, den aktiven Teil zu enthalten und zu schützen, sowie durch ein dielektrisches System, das für die Weiterleitung der elektrischen Energie und für die Stromisolierung zwischen aktivem Teil und Mantel sorgt und den Freiraum zwischen dem aktiven Teil und dem Mantel ausfüllt. Dieser aktive Teil kann nur nach außen über ein dielektrisches System isoliert werden, das für die Weiterleitung der elektrischen Energie und für die Stromisolierung zwischen dem aktiven Teil und dem Außenbereich sorgt.
Um wirkungsvoll zu sein, muss das dielektrische System einer Anzahl von Kriterien genügen:

– Es muss für das elektromagnetische Feld transparent sein,
– es muss eine ausreichend hohe dielektrische Festigkeit haben, um einen Durchschlag bzw. Überschlag im Falle von Überspannung durch die Vorrichtung zu verhindern,
– es muss eine gute Alterungsbeständigkeit aufweisen; mit anderen Worten darf seine dielektrische Festigkeit nicht mit der Zeit abnehmen,
– es muss bei Kontakt mit dem aktiven Teil und dem Mantel bzw. mit der Umgebungsluft, einschließlich bei hoher Temperatur, chemisch träge sein,
– es muss gute Wärmeübertragungseigenschaften besitzen, so dass die Ableitung der sich aus dem Stromfluss ergebenden Wärme erleichtert wird.

Ein geläufig verwendetes dielektrisches System, das den oben erwähnten Merkmalen am nächsten kommt, ist das Gas SF₆. Dieses Gas ist jedoch mit einem Umweltproblem behaftet, da es bekanntermaßen einen Treibhauseffekt hervorruft. Um den geltenden Bestimmungen zu entsprechen, muss seine Verwendung somit von seiner Herstellung bis zum Ende der Standzeit und auch während seiner Verwertung sehr rigoros gehandhabt werden.

Um diesem Problem Abhilfe zu schaffen, bestehen mehrere Gase als potentieller Ersatz für SF₆. Im allgemeinen ist jedoch der Kompromiss zwischen der Auswirkung des Treibhauseffekts (gemessen über die Größe mit der Bezeichnung GWP₁₀₀ (Global Potential Warming, gerechnet über 100 Jahre), das der französischen Terminologie "Potentiel de réchauffement du globe" entspricht (zu deutsch: potentielle globale Erwärmung)), und den dielektrischen Eigenschaften schwierig zu optimieren, wie aus der nachfolgenden Tabelle hervorgeht.

Gas	relative dielektrische Festigkeit bzgl. SF₆	Auswirkung auf Treibhauseffekt (GWP₁₀₀)
CF₃SF₅	1,51	höher als SF₆
C₄F₁₀	1,36	7000
c-C₄F₈	1,25	8700
SF₆	1	23900
C₃F₈	0,96	7000
C₂F₆	0,78	9200
CO	0,4	0,6
CF₄	0,37	6500
CO₂	0,3	1
N₂O	0,44	270
N₂	0,36	keine
Luft (trocken)	0,3	keine
H₂	0,18	2,4
Ar	0,07	keine

Somit wurde vorgeschlagen, andere Arten von dielektrischem Gas zu verwenden, die keinen Treibhauseffekt haben, wie etwa Stickstoff.
Obwohl sie hinsichtlich der Umwelt zufrieden stellend ist, weist diese Art von Gas jedoch keine dielektrischen Eigenschaften auf, die mit denen von SF₆ unter den gleichen Anwendungsbedingungen (Druck, Temperatur, Feuchtigkeit) vergleichbar wären.
Um diesen Verlust an dielektrischen Eigenschaften und insbesondere die dielektrische Festigkeit zu kompensieren, würde eine Lösung darin bestehen, diese Art von Gas, wie etwa Stickstoff, unter erhöhten Druck zu setzen (Faktor 2 bis 3 bezüglich des Drucks für SF₆). Diese würde jedoch insbesondere dazu führen, elektrische Vorrichtungen, bei denen diese Gase verwendet werden, mit Gehäusen versehen zu müssen, die stark genug und gegenüber dem hohen Druck einwandfrei dicht sind. Ferner wurde die Wirksamkeit derartiger Gase unter Druck bisher nur bei Mittelspannungsvorrichtungen nachgewiesen.
Um den oben erwähnten Nachteilen entgegenzutreten, wurde auch ersonnen, gasförmige dielektrische Systeme durch dielektrische Hybridsysteme Gas-Feststoff zu ersetzen, d. h. durch Systeme, die zugleich ein gasförmiges dielektrisches Material und ein festes dielektrisches Material enthalten, das in Form von Schicht(en) auf die zu isolierenden Elemente aufgetragen wird.
So beschreibt die DE 100 09 474 eine elektrische Vorrichtung mit zwei Elektroden aus Metall, die konzentrisch angeordnet sind, d. h. die eine Elektrode bildet einen Mantel um die andere sogenannte innere Elektrode.
Diese beiden Elektroden sind durch ein dielektrisches System voneinander getrennt, das enthält:

– eine Schicht aus Polyethylen, die zumindest auf einen Teil der Oberfläche der inneren Elektrode aufgetragen ist,
– eine Schicht aus einem Material auf Basis von SiC oder ZnO, die auf die Polyethylen-Schicht aufgetragen ist,
– eine dielektrische Gasschicht, welche den Freiraum zwischen den beiden Elektroden ausfüllt.

Dieses dielektrische System ermöglicht es, den Problemen der elektrischen Entladung wirkungsvoll vorzubeugen.
Es ermöglicht jedoch nicht, das Auftreten von Ablösung des Polyethylens von dem Leiter und die Elektroneninjektion von Metall in das Polyethylen einzugrenzen, die durch die Ablösung umso mehr erleichtert wird.
Dieser Vorgang der Elektroneninjektion und allgemeiner der Injektion von elektrischen Ladungen über die Elektroden ist sehr oft Ursache für elektrische Durchschläge, die in den Mittel- bzw. Hochspannungsvorrichtungen auftreten.
Dieser Vorgang der Injektion von Ladungen, wie etwa Elektronen, geht aus verschiedenen Mechanismen hervor, wie etwa der photoelektrischen Emission, Emission von Photoionen, Schottky-Emission, usw., die dem Fachmann bekannt sind.
Darlegung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine elektrische Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung mit einem dielektrischen System vorzuschlagen, das eine bessere elektrische Festigkeit aufweist und das Auftreten einer Ladungsinjektion, die Ursache für elektrische Durchschläge bei Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtungen ist, begrenzen kann.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine elektrische Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung vorzuschlagen, die nicht eine systematische Verwendung von SF₆ erfordert.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung mit einem elektrisch leitfähigen Teil (3) und mit einem dielektrischen System erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass dieses dielektrische System enthält:

a) eine halbleitende Feststoffschicht, die auf den leitfähigen Teil aufgebracht ist,
b) eine Feststoffschicht mit einer nichtlinearen elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld, die auf die halbleitende Feststoffschicht a) aufgebracht ist,
c) eine elektrisch isolierende Feststoffschicht, die auf die Schicht b) aufgebracht ist.

Es sei darauf hingewiesen, dass erfindungsgemäß unter einer elektrisch halbleitenden Schicht allgemein eine Schicht mit einer elektrischen Leitfähigkeit zu verstehen ist, die zwischen der von Leitern und der von elektrisch isolierenden Stoffen liegt und insbesondere eine Resistivität zwischen 10^–6 und 10⁸ Ωm aufweisen kann.
Unter Schicht mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit in Abhängigkeit vom angelegten Feld ist allgemein eine Schicht zu verstehen, die eine Resistivität aufweist, die in nichtlinearer Weise zwischen der Resistivität eines Isolierstoffs und der Resistivität eines Halbleiters bzw. eines Leiters in Abhängigkeit von der Spannung variiert.
Unter einer stromisolierenden Schicht ist in allgemeiner Weise eine Schicht mit einer Resistivität von über 10⁵ Ωm zu verstehen.
Ferner kann das dielektrische System eine Feststoffschicht mit einer nichtlinearen elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld d) aufweisen, die auf die Schicht c) aufgebracht ist, wobei diese Schicht d) insgesamt der gleichen Definition entspricht, wie oben angegeben wurde, und aus einem gleichen Material oder einem anderen Material als die Schicht b) bestehen kann.
Erfindungsgemäß kann der elektrisch leitende Teil in Form einer im wesentlichen zylindrischen Stange aus metallischem Material vorliegen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung einen Mantel enthalten, der den elektrisch leitenden Teil umgibt.
In diesem Fallbeispiel ist der elektrisch leitende Teil im allgemeinen koaxial zum Mantel angeordnet, der im allgemeinen aus einem elektrisch leitenden Material besteht, wobei die Schichten a), b), c) und gegebenenfalls d) dann allgemein konzentrisch am elektrisch leitenden Teil angeordnet sind. Es sei darauf hingewiesen, dass unter einem leitenden Material in allgemeiner Weise erfindungsgemäß jegliches Material bzw. jegliche Materialkombination mit einer Resistivität unter 10^–4 Ωm zu verstehen ist. Somit können der elektrisch leitfähige Teil und gegebenenfalls der Mantel aus einem metallischen Material bestehen, das aus der Gruppe umfassend Aluminium und dessen Legierungen, Kupfer und dessen Legierungen, Stahl ausgewählt sein kann.
Das dielektrische System kann ferner eine dielektrische Gasschicht enthalten, wobei diese Schicht auf die Schicht c) bzw. gegebenenfalls auf die Schicht d) aufgetragen ist. Diese dielektrische Gasschicht ist dann, wenn die Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung einen Mantel enthält, im allgemeinen zwischen der Schicht c) bzw. gegebenenfalls der Schicht d) und dem Mantel angeordnet.
Durch die Anordnung der das dielektrische System bildenden Schichten weisen die erfindungsgemäßen Hoch- und Mittelspannungsvorrichtungen eine ausgezeichnete dielektrische Festigkeit sowie eine hervorragende Fähigkeit auf, den Vorgang der Elektroneninjektion einzugrenzen, und zwar aufgrund einer im dielektrischen System vorhandenen isolierenden Feststoffschicht und einer bzw. gegebenenfalls zweier Schichten mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld, deren Besonderheit darin liegt, das lokale elektrische Feld zu vermindern, das zwischen dem elektrisch leitenden Teil und dem Außenbereich auftreten kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Anmeldung ergeben sich beim Lesen der nachfolgenden näheren Beschreibung und anhand der beigefügten Zeichnung, die sich nur beispielhaft und nicht einschränkend versteht.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die einzige Figur stellt einen Längsschnitt einer besonderen Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach der Erfindung dar.
Nähere Erläuterung besonderer Ausführungsformen
Die in der beigefügten einzigen Figur dargestellte Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung enthält einen metallischen Mantel 1 (der in diesem Fallbeispiel einer ersten Elektrode entspricht) und einen elektrisch leitfähigen Teil 3 (der im diesem Fallbeispiel einer zweiten Elektrode entspricht), wobei die zweite Elektrode koaxial zur ersten Elektrode angeordnet ist und an eine Hoch- bzw. Mittelspannung angelegt ist.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind beide im wesentlichen zylinderförmig ausgeführt.
Wie vorangehend bei der Darlegung der Erfindung erwähnt wurde, können der elektrisch leitfähige Teil und der Mantel aus einem metallischen Vollmaterial, wie etwa Aluminium und dessen Legierungen, Kupfer und dessen Legierungen, Stahl bestehen. Sie können auch aus einem Isoliermaterial bestehen, das mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist. Dies ist insbesondere bei dem Mantel der Fall, der aus einem Verbundmaterial mit einer Matrix aus isolierendem Polymer, wie etwa einem Epoxidpolymer bzw. einem Polyester bestehen kann, dem gegebenenfalls Mineralteilchen bzw. -fasern (wie etwa Kieselsäure-, Wollastonit-, Aluminiumoxidteilchen oder Glasfasern) beigemischt sind, wobei die Matrix auf zumindest einer ihrer Seiten mit einer elektrisch leitfähigen Lage auf Basis von Aluminium, Kupfer, Gold, Silber oder aus jeglichem anderen elektrisch leitfähigen Material überdeckt ist.
Sie können auch aus einer Zusammenfügung von verschiedenen Materialien bestehen, wie etwa aus elektrisch leitfähigen Materialabschnitten, denen gegebenenfalls Materialabschnitte zugeordnet sind, um der Einheit beispielsweise eine mechanische Festigkeit zu verleihen.
Auf der Oberfläche 5 der zweiten Elektrode ist eine halbleitende Feststoffschicht 7 aufgetragen.
Bei dieser Ausführungsform sowie bei weiteren Ausführungsformen kann diese halbleitende Feststoffschicht insbesondere in Form einer Schicht mit einem Verbundmaterial mit einer Matrix aus organischem Polymer vorliegen, wobei das organische Polymer ein thermoplastisches Polymer, wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, ein warmaushärtendes Polymer, wie etwa Epoxidpolymer, Polyurethan, Polyester, oder auch ein Elastomerpolymer, wie etwa ein Silikonpolymer, EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Terpolymer) sein kann. In dieser Matrix ist ein gering leitfähiges Pulvermaterial verteilt. Dieses Material liegt vorteilhaft in Form von russschwarzen Teilchen, beispielsweise in einem Anteil von 10 bis 50 Gew.-% zum Gesamtgewicht des Materials vor. Diese Schicht kann auch insbesondere weitere Füllstoffe, mineralische Füllstoffe, wie etwa Kieselsäure, Aluminiumoxid, Titandioxid oder jegliche andere Füllstoffe enthalten, die es ermöglichen, die mechanischen Eigenschaften des Materials und gegebenenfalls das Anhaften der Schicht an dem leitfähigen Teil und der Schichten untereinander zu verbessern.
Eine solche Schicht nach der vorliegenden Erfindung kann typischerweise eine Materialdicke von 10 bis 500 μm, vorzugsweise von 100 bis 300 μm aufweisen.
Diese Schicht gewährleistet eine dreifache Funktion:

– sie sogt für ein Haften zwischen der zweiten Elektrode und der Schicht 9,
– sie reguliert und glättet die Oberfläche der zweiten Elektrode und begrenzt damit das Auftreten eines starken lokalen elektrischen Feldes und das Auftreten einer Elektroneninjektion, die mit dem Erscheinen eines solchen Feldes zusammenhängt,
– sie bildet eine erste resistive Barriere.

Diese Schicht wird gewöhnlich durch Extrusion, Zerstäubung oder auch durch Tauchbeschichtung in einer geeigneten flüssigen Lösung aufgetragen.
Auf diese halbleitende Feststoffschicht (7) wird dann eine Feststoffschicht aufgetragen, die eine nichtlineare Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld (9) aufweist.
Bei dieser Ausführungsform sowie bei weiteren Ausführungsformen kann diese Schicht in Form einer Schicht mit einem Verbundmaterial vorliegen, das eine Matrix aus organischem Polymer aufweist, in welcher Teilchen von einem oder mehreren Materialien mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem anlegten elektrischen Feld verteilt sind, wobei diese Teilchen vorzugsweise aus SiC und/oder ZnO sind.
Die Matrix aus organischem Polymer kann aus einem Polymer ausgewählt aus der Gruppe umfassend thermoplastische Polymere, wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, warmaushärtende Polymere, wie etwa ein Epoxidpolymer, ein Polyurethan, ein Polyester, Elastomerpolymere, wie etwa Silikonpolymer, EPDM, bestehen.
Die Materialteilchen mit nichtlinearer Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem angelegten elektrischen Feld, wie etwa SiC und/oder ZnO liegen typischerweise mit einem Gehalt von 5 bis 30 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundmaterials vor.
Diese Schicht kann auch weitere Füllstoffe enthalten, insbesondere mineralische Füllstoffe, wie etwa Kieselsäure, Aluminiumoxid, TiO₂ oder jeglichen anderen Füllstoff, der es ermöglicht, die mechanischen Eigenschaften des Materials und gegebenenfalls das Anhaften dieser Schicht an der darunter liegenden halbleitenden Schicht und den nachfolgenden Schichten zu verbessern.
Diese Schicht weist typischerweise eine Materialdicke von 50 bis 500 μm und vorzugsweise von 200 bis 300 μm auf.
Diese Schicht kann auch mit unterschiedlichen Verfahren aufgebracht werden, wie etwa durch Extrusion, Zerstäubung oder auch Tauchbeschichtung.
Wie weiter oben angegeben wurde, weist die Schicht 9 eine nichtlineare Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld auf.
Wenn somit das lokale elektrische Feld zwischen dem leitfähigen Teil und dem Mantel einen solchen Wert erreicht, dass eine Elektroneninjektion auftreten kann, steigt die Leitfähigkeit der Schicht an und trägt somit dazu bei, den Wert des elektrischen Feldes zu senken und dadurch das Auftreten einer Elektroneninjektion zu verhindern.
Die Schicht 9 wird dann mit einer elektrisch isolierenden Feststoffschicht überdeckt, die bei dieser Ausführungsform eine Schicht auf Basis von elektrisch isolierendem organischen Polymer (11) ist, deren Rolle auch darin besteht, dem Auftreten einer Elektroneninjektion vorzubeugen.
Gemäß dieser Ausführungsform kann diese Schicht 11 – ohne darauf beschränkt zu sein – ein Polymer ausgewählt aus thermoplastischen Polymeren, wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, aus warmaushärtenden Polymeren, wie etwa Epoxidpolymer, Polyurethan, Polyester, und aus Elastomerpolymeren, wie etwa ein Silikonpolymer, EPDM enthalten.
Diese Schicht 11 kann durch verschiedene Verfahren aufgetragen werden, wie etwa durch Extrusion, Zerstäubung oder auch durch Tauchbeschichtung.
Diese Schicht kann auch Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe beispielsweise in Pulverform enthalten, die dafür bekannt sind, eine Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften von Isolierstoffen, wie etwa Mika, Aluminiumoxid, Kieselsäure, zu gestatten, oder jeglichen anderen Füllstoff, mit dem es möglich ist, die mechanischen Eigenschaften des Materials und gegebenenfalls das Anhaften dieser Schicht mit der zugrunde liegenden Schicht und den nachfolgenden Schichten zu verbessern.
Diese Schicht 11 weist typischerweise eine Materialdicke von 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 2 mm auf.
Schließlich ist die isolierende Feststoffschicht aus organischem Polymer 11 gemäß dieser Ausführungsform mit einer Feststoffschicht überdeckt, die eine nichtlineare Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der durch diese tretenden Spannung 13 aufweist. Diese Schicht kann die gleiche Zusammensetzung oder eine andere als die Schicht 9 haben.
Im allgemeinen liegt bei dieser Ausführungsform und auch bei anderen diese Schicht 13 auch in Form einer Schicht mit einem Verbundmaterial vor, das eine Matrix aus organischem Polymer aufweist, in welcher SiC- oder ZnO-Teilchen verteilt sind, wobei der SiC- und/oder ZnO-Gehalt sich von dem der Schicht 9 unterscheiden kann, wenn diese aus einem ähnlichen Verbundmaterial besteht. Der Gehalt an SiC- bzw. ZnO-Einschlüssen kann von 5 bis 30 Gew.-% des Verbundmaterials reichen. Die Materialdicke der Schicht 13 liegt in der gleichen Größenordnung wie die der Schicht 9, nämlich in einem Bereich von 50 bis 500 μm, vorzugsweise von 200 bis 300 μm.
Die Matrix besteht aus einem Polymer, das gleich oder ähnlich beschaffen sein kann wie vorangehend für die Schicht 9 beschrieben wurde.
Sie kann mit den gleichen Aufbringtechniken aufgetragen werden, wie sie weiter oben für das Aufbringen der Schicht 9 erläutert wurden.
Anzumerken ist, dass zwischen jeder Schicht und beim Aufbringen der ersten Schicht auf den elektrisch leitfähigen Teil eine Oberflächenbehandlung Anwendung finden kann, die bezweckt, das Anhaften einer Schicht auf der anderen oder auf dem leitfähigen Teil zu verbessern. Diese Behandlung kann darin bestehen, eine Zusammensetzung auf Basis von Silanen auf die geeigneten Oberflächen zu zerstäuben. Diese Behandlung kann auch in einer Funktionalisierung durch Laserbehandlung der genannten Oberflächen bestehen.
Gemäß einer besonderen Form der Erfindung können die Schichten a), b), c) und gegebenenfalls d) das gleiche organische Polymer enthalten, wobei sich versteht, dass die Schichten sich durch die spezifischen Elemente unterscheiden, welche in diesem gleichen organischen Polymer enthalten sind. Insbesondere sind diese Elemente vorteilhaft Russschwarz für die halbleitende Schicht, SiC und/oder ZnO für die Schicht(en) mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem angelegten elektrischen Feld.
Bei diesem Fallbeispiel kann die Aufbringung der Schichten auf verschiedene Weisen erfolgen.
Gemäß einer ersten Variante können die verschiedenen Schichten auf Basis des gleichen Grundpolymers aufeinanderfolgend durch Zerstäubung eines Vorläufers dieses Grundpolymers aufgetragen werden, wobei dem Vorläufer zuvor adäquate spezifische Elemente, wie sie oben erwähnt wurden, beigemischt wurden. Dann wird die aufgestäubte Vorläuferschicht getrocknet bzw. gehärtet, um die Polymerisierung des Grundpolymers zu erhalten. Bei diesem besonderen Fall können die Vorläufer von Silikonpolymer verwendet werden, wie sie von Polytec unter der Bezeichnung Si-COAT^TM 570 vertrieben werden. Es können auch Vorläufer von Epoxidpolymer Anwendung finden, wie sie etwa von der Fa. 3 M unter der Bezeichnung Scotchcast^TM vertrieben werden und insbesondere für ihre isolierenden Eigenschaften bei Temperaturen bis zu 180°C bekannt sind.
Gemäß einer zweiten Variante können die verschiedenen Schichten auf Basis des gleichen organischen Grundpolymers nacheinander durch Extrusion dieses Polymers aufgetragen werden, wobei es sich versteht, dass diesem Polymer zuvor adäquate spezifische Elemente beigemischt wurden. Bei diesem besonderen Fall können Silikonpolymere verwendet werden, wie sie von der Fa. Getelec unter der Bezeichnung Silicone GT oder auch von der Fa. Gessil unter der Bezeichnung COVISIL^® vertrieben werden.
Schließlich können nach einer dritten Variante die verschiedenen Schichten auf Basis des gleichen Grundpolymers durch Aufwickeln von mit dem genannten Polymer zuvor imprägnierten Bändern bestehen, wobei das Polymer mit den verschiedenen spezifischen Elementen es ermöglicht, die angestrebten Merkmale zu erhalten. Es können beispielsweise Bänder vom Typ CALMICA, CONTAFEL, CONDUCTOFOL, CONTAFEL verwendet werden.
Es versteht sich, dass diese verschiedenen Verfahrensvarianten auch für den Fall gelten, dass die Schichten auf Basis von verschiedenen Polymeren bestünden.
Schließlich wird das dielektrische System nach dieser Ausführungsform mit einer dielektrischen Gasschicht 15 ergänzt, die ein dielektrisches Gas vorteilhaft unter Druck, beispielsweise bei 1 bis 15 bar (absolut) enthält, wobei diese Schicht den Freiraum zwischen Mantel 1 und Schicht 13 ausfüllt.
Erfindungsgemäß enthält die Gasschicht vorteilhaft ein Gas bzw. ein Gasgemisch, das unter den gleichen Bedingungen eine dielektrische Festigkeit von über 10% von der von SF₆ aufweist. Vorteilhaft weist diese Gasschicht einen durchschnittlichen Treibhauseffekt (GWP berechnet auf 100 Jahre) auf, der um das 15 000-fache geringer als der durchschnittliche Treibhauseffekt von CO₂ ist.
Erfindungsgemäß kann dieses diese Schicht bildende Gas Luft, Stickstoff, Stickstoffoxid, Kohlendioxid oder deren Gemische sein.
Diese Schicht kann ferner Fluorzusätze aufweisen, ausgewählt aus den mineralischen Fluoriden, wie etwa CF₄, XeF₄, XeF₂, SiF₄, WF₆.
Vorzugsweise ist diese Schicht frei von Schwefelhexafluorid SF₆.
Es versteht sich, dass das Feststoffschichtpaket, das einen Teil des dielektrischen Systems nach der Erfindung bildet, auf der Innenfläche 2 des Mantels 1 (d. h. die Fläche, die dem elektrischen leitfähigen Teil gegenüberliegt) entweder allein oder zusätzlich zu der auf den genannten leitfähigen Teil aufgetragenen vorgesehen sein kann.
Es sei angemerkt, dass die erfindungsgemäßen Mittel- bzw. Hochspannungsvorrichtungen Einrichtungen zum Unterbrechen des Stromflusses sein können, wie etwa Schutzschalter, Einrichtungen zur Stromwandlung, wie etwa Speisetransformatoren oder Messwandler, Einrichtungen zur Stromverbindung, wie etwa Stromschienen.
Die Mittel- bzw. Hochspannungsvorrichtungen finden insbesondere bei Stromschienen (bzw. Sammelschienen) und bei gasisolierten Leitungen (entsprechend der angelsächsischen Terminologie "Gaz Insulated Lines" (GIL)) Anwendung, die insbesondere die Stromübertragung zwischen einer Produktionsanlage und dem Netz zum Übertragen von elektrischer Energie in einem Außenraum eines Kraftwerks ermöglichen.
Die Mittel- bzw. Hochspannungsvorrichtungen finden bei mehrphasigen Einrichtungen, wie etwa bei Dreiphaseneinrichtungen Anwendung, die mehrere elektrisch leitfähige Teile enthalten, die jeweils mit einem erfindungsgemäßen dielektrischen System überdeckt sind.

Claims

Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung mit einem elektrisch leitfähigem Teil (3) und einem dielektrischen System, dadurch gekennzeichnet, dass dieses dielektrische System enthält: a) eine halbleitende Feststoffschicht (7), die auf den leitfähigen Teil aufgebracht ist, b) eine Feststoffschicht mit einer nichtlinearen elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld (9), die auf die halbleitende Feststoffschicht (7) aufgebracht ist, c) eine elektrisch isolierende Feststoffschicht (11), die auf die Schicht (9) aufgebracht ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische System ferner eine Feststoffschicht mit einer nichtlinearen elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld (13) aufweist, die auf die Schicht (11) aufgebracht ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner enthaltend einen Mantel (1), der den elektrisch leitenden Teil umgibt.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische System ferner eine dielektrische Gasschicht (15) enthält, die zwischen der Schicht (11) bzw. gegebenenfalls der Schicht (13) und dem Mantel (1) angeordnet ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektrisch leitfähige Teil (3) aus einem metallischen Werkstoff ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die halbleitende Feststoffschicht (7) ein Verbundmaterial mit einer Matrix aus organischem Polymer enthält, in welcher russschwarze Teilchen verteilt sind.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das organische Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend thermoplastische Polymere, warmaushärtende Polymere, Elastomerpolymere.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das thermoplastische Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das warmaushärtende Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Epoxidpolymere, Polyurethane, Polyester.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Elastomerpolymer ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silikonpolymere, EPDM.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die russschwarzen Teilchen in dem Verbundmaterial mit einem Gehalt von 10 bis 50% des Gesamtgewichts an Verbundmaterial vorhanden sind.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die halbleitende Feststoffschicht (7) eine Materialdicke von 10 bis 500 μm, vorzugsweise von 100 bis 300 μm aufweist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Feststoffschicht mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld (9) ein Verbundmaterial enthält, das eine Matrix aus organischem Polymer aufweist, in welcher SiC- und/oder ZnO-Teilchen verteilt sind.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei das organische Polymer derart ist, wie es nach einem der Ansprüche 7 bis 10 definiert ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die SiC- und/oder ZnO-Teilchen mit einem Gehalt von 5 bis 30 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundmaterials vorhanden sind.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Feststoffschicht mit nichtlinearer Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld (9) eine Materialdicke von 50 bis 500 μm, vorzugsweise von 200 bis 300 μm aufweist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die elektrisch isolierende Feststoffschicht (11) eine Schicht auf Basis von elektrisch isolierendem organischen Polymer ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das elektrisch isolierende organische Polymer derart ist, wie es nach einem der Ansprüche 7 bis 10 definiert ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die elektrisch isolierende Feststoffschicht (11) eine Materialdicke von 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 2 mm aufweist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Feststoffschicht mit nichtlinearer Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld (13) ein Verbundmaterial enthält, das eine Matrix aus organischem Polymer aufweist, in welcher SiC- oder ZnO-Teilchen verteilt sind.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 20, wobei das organische Polymer derart ist, wie es nach einem der Ansprüche 7 bis 10 definiert ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, wobei die SiC- oder ZnO-Teilchen mit einem Gehalt von 5 bis 30 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundmaterials vorhanden sind.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schicht (13) eine Materialdicke von 50 bis 500 μm, vorzugsweise von 200 bis 300 μm aufweist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach den Ansprüchen 6, 13, 17 und 20, wobei die Schichten (7), (9), (11) und (13) auf Basis des gleichen organischen Polymers bestehen.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die dielektrische Gasschicht (15) eine Schicht mit zumindest einem Gas ausgewählt aus der Gruppe umfassend Luft, Stickstoff, Stickstoffoxid, Kohlendioxid und deren Gemische ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Gas unter Druck steht.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, wobei die dielektrische Gasschicht (15) frei von Schwefelhexafluorid ist.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 4, 25, 26 oder 27, wobei die dielektrische Gasschicht (15) ferner Fluorzusatzstoffe (15) ausgewählt aus mineralischen Fluoriden enthält.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach Anspruch 28, wobei das mineralische Fluorid ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend XeF₂, XeF₄, SiF₄, WF₆, CF₄.
Hoch- bzw. Mittelspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, die ein Versorgungstransformator, ein Messwandler, ein Schutzschalter, ein Sammelschienensystem, eine gasisolierte Leitung ist.