Hochspannungswiderstand für Freiluft-Isolieranordnungen

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen Freiluft-Hochspannungsisolator, bei dem ein Überschlag unter Fremdschichteneinfluß (Schmutzabiagerung) verhindert oder zumindest in Richtung auf höheren Verschmutzungsgrad verschoben wird.
Erfindungsgemäß wird mit dem eigentlichen Isolator (2) ein Widerstandselement (1) in Reihe geschaltet, an dem der einem Überschlag vorausgehende Fremdschicht-Ableitestrom einen Spannungsabfall erzeugt. Dieser Spannungsabfall reduziert die am Isolator anliegende Spannung und verhindert oder verzögert einen Überschlag.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Hochspannungswiderstand zur Vermeidung von Fremdschicht-Uberschlägen für Freiluft-Isolieranordnungen, bestehend aus einem Isolierkörper und einem Widerstandsmaterial, der in Reihe mit einem Isolator geschaltet ist. Für solche Anordnungen können ein oder mehrere Hochspannungswiderstände bzw. Hochspannungs-Isolatoren beliebiger Bauform wie z.B. Langstäbe, Stütz- und Kappenisolatoren sowohl für Gleich- als auch Wechselspannungen verwendet werden.

[0002] Mit dem Hochspannungswiderstand will man Überschläge vermeiden, die durch leitfähige Fremdschichten, insbesondere befeuchtete Schmutzablagerungen auf der Oberfläche von Freiluft-Isolatoren entstehen. Bei solchen leitfähigen Oberflächen fließt zuerst ein sogenannter Fremdschicht-Ableitstrom. Durch diesen Strom werden an den Stellen größter Stromdichte Fremdschichten ausgetrocknet und sog. Trockenzonen gebildet. Diese Trockenzonen werden dann wegen der sich einstellenden ungleichmäßigen Spannungsverteilung durch Teillichtbögen überbrückt. Ist die Leitfähigkeit der noch feuchten Zonen zu groß, dann verlängern sich die Teillichtbögen und es kommt schließlich zu einem Überschlag bei der Leiter-Erdspannung. Diesen Überschlag versucht man zu verhindern, indem man entweder unter Beibehaltung der Isolatorform durch Vergrößerung der Baulänge die Kriechwege erhöht oder unter Beibehaltung der Baulänge Isolatoren mit größerer Kriechweglänge einsetzt. Diese beiden Maßnahmen sind aber nur im beschränkten Umfang möglich, so daß bei stärkerer Verschmutzung noch Überschläge auftreten können. Bei sehr starker Verschmutzung führen diese Maßnahmen allein zu keinem Erfolg. Deshalb hat man versucht, wie aus der GB-PS 1 039 193 hervorgeht, Hochspannungsisolatoren mit einer leitfähigen Oberfläche zu versehen, um so eine ungleichmäßige Spannungsverteilung zu vermeiden, die für die Ausbildung von Teillichtbögen verantwortlich ist. Insbesondere soll die dort vorgeschlagene halbleitende Glasur erreichen, daß die erforderliche Befeuchtung durch die Erwärmung des Isolators verhindert wird. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß ständig hohe Ableitstromverluste entstehen. Außerdem sind solche Oberflächenschichten für große Isolatoren mit der erforderlichen Gleichmäßigkeit, thermischen Stabilität und Alterungsbeständigkeit nur schwer herstellbar.

[0003] Eine andere Maßnahme geht aus der GB-PS 1 296 038 hervor. Zur Vermeidung von Fremdschicht-Überschlägen wird dem Isolator ein zylinderförmiger Widerstand in Reihe zugeordnet. Dieser Widerstand ist so bemessen, daß der fließende Ableitstrom über die Oberfläche des Isolators klein bleibt und einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Die hierfür erforderlichen Widerstände müssen einen Widerstandswert im Bereich einiger Mega-Ohm bis hundert Mega-Ohm aufweisen. Nachteilig ist bei diesem System, daß nach Bildung einer leitfähigen Schicht am Isolator nahezu die gesamte Leiter-Erdspannung vom Widerstand übernommen werden muß, da der Wert des Oberflächenwiderstands des Isolators bei starker Verschmutzung sehr viel niedriger als der des in Reihe geschalteten Widerstands wird. Damit wird eine solche Isolieranordnung sehr lang. Außerdem wird die Anordnung unwirksam, wenn sich auf der Oberfläche des in Reihe geschalteten Widerstandes durch Verschmutzung eine leitfähige Schicht ausbildet, so daß man gezwungen ist, z.B. kegelförmige Abdeckungen gegen die Verschmutzung anzubringen, wie dies aus dem Ausführungsbeispiel des britischen Patents hervorgeht.

[0004] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, einen Hochspannungswiderstand zur Verwendung in einer Reihenschaltung mit einem Hochspannungsisolator für Freiluft-Isolieranordnungen anzugeben, bei dem trotz leitender Fremdschichten kein Überschlag an der Gesamtanordnung mehr auftritt und eine geringe Bauhöhe erreichbar ist.

[0005] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der für den HochspannungsIsolator charakteristische Ableitstromimpuls am Gesamtwiderstand des Hochspannungswiderstands einen Spannungsabfall von mindestens 5, vorzugsweise 10 - 30% der gesamten Leiter-Erdspannung hervorruft und seine Form einem Schirmisolator nachgebildet ist. Dieser Hochspannungswiderstand muß für diese Spannung überschlags- und durchschlagsfest sein und so ausgebildet werden, daß eine auf seiner Oberfläche vorhandene elektrisch parallel geschaltete leitfähige Fremdschicht seinen Gesamtwiderstandwert nur geringfügig verändert. Dies wird erfindungsgemäß durch Außenkonturen mit vergleichsweise hohem spezifischen Kriechweg und, wenn man eine noch kürzere Baulänge der Freiluft-Isolieranordnung erhalten will, durch Ausbildung der äußeren Oberfläche aus einem hydrophoben Material wie z.B. Polytetrafluoräthylen (PTFE), Äthylenpropylenmonomer (EPM), Äthylenpropylendienmonomer (EPDM) oder Silikongummi erreicht. Durch die Hydrophobie der genannten Kunststoffe ist gewährleistet, daß der Wert des Oberflächenwiderstandes auch bei Fremdschicht-Beanspruchung wesentlich größer als der Wert des Widerstandes ist. Außerdem ähnelt der Hochspannungswiderstand in äußerer Form und Aufbau einem Schirmisolator. Die Reihenfolge der Anordnung eines solchen Hochspannungswiderstandes in der Freiluft-Isolieranordnung spielt keine Rolle; er kann somit erd- als auch spannungsnah geschaltet, zwischen zwei Isolatoren oder auch aufgeteilt an mehreren Stellen angeordnet werden. Die Wirkung dieser Anordnung beruht in der überraschenden Feststellung, daß durch die auftretende Spannungsabsenkung ein Überschlag auch bei Überschreitung des charakteristischen kritischen Ableitstromimpulses vermieden wird.

[0006] Im einzelnen kann der Isolierkörper aus Keramik, Glas oder Kunststoff bestehen und das Widerstandsmaterial in Form von den Spiralen oder leitenden bzw. halbleitentSchichten darauf aufgetragen sein.

[0007] Eine besondere Ausbildung des erfinderischen Gedankens besteht darin, daß der Isolierkörper hohl ausgebildet ist. Weitere Merkmale hinsichtlich der Ausführungsform der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen bzw. aus der Beschreibung hervor.

[0008] Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung besteht in einer geringen Baulänge der gesamten Isolieranordnung, wodurch eine wirtschaftliche und in Folge der geringeren Masthöhe einer Freileitung auch eine umweltschonendere Ausführung erreicht wird. Außerdem erweist es sich im Rahmen der Erfindung als besonders vorteilhaft, daß bestehende Isolieranordnungen, bei denen im Laufe der Zeit die Fremdschicht-Belastungen stärker geworden sind, vor dem Überschlag, bzw. vor ständiger Reinigung bewahrt werden können, indem man den erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand in Reihe einbaut.

[0009] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Abbildungen und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand in einer erdnahen Anordnung mit einem Langstabisolator.

Fig. 2 den erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand in einer spannungsnahen Anordnung mit einem Stützisolator.

Fig. 3 den erfindungsgemäßen Widerstand in einer erdnahen Anordnung mit einer Kette von Kappenisolatoren.

Fig. 4 einen Schnitt durch den Hochspannungswiderstand, der als Drahtwiderstand ausgebildet ist.

Fig. 5 einen Schnitt durch den Hochspannungswiderstand mit einer leitenden Glasurschicht.

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Hohlisolator, der im Inneren den Hochspannungswiderstand aufweist.

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Hochspannungswiderstand in spannungsnaher Anordnung mit einer Durchführung.

Fig. 8 den erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand in einer mechanisch gering beanspruchbaren Ausführung in einer erdnahen Anordnung mit einem Langstabisolator.

Fig.9 einen Schnitt durch einen Hochspannungswiderstand aus Keramik, der als Drahtwiderstand ausgebildet und mit Kunststoffschirmen versehen ist.

Fig. 10 einen Schnitt durch den Hochspannungswiderstand aus Keramik, der als Schichtwiderstand ausgebildet und mit Schirmen aus Kunststoff versehen ist.

Fig. 11 einen Schnitt durch einen Freileitungsisolator, bei dem der Hochspannungswiderstand integriert ist.

Fig. 12 einen Schnitt durch einen Freileitungsisolator oder Stützer, bei dem der Hochspannungswiderstand integriert und verteilt angeordnet ist.

Fig. 13 einen Schnitt durch einen Hochspannungswiderstand in der Ausführung wie ein Kunststoff-Verbundisolator, wobei der Strunk aber mit leitfähigen Fasern versehen ist.

[0010] Die erfindungsgemäße Vorrichtung des Hochspannungswiderstands 1, 1a, 1b ist in Reihe mit dem eigentlichen Freiluftisolator 2, 2a, 2b in den Figuren 1 bis 3 dargestellt, wobei der Freiluftisolator in Fig. 1 als Langstabisolator, in Fig. 2 als Stützisolator und in Fig. 3 als Kette aus Kappenisolatoren dargestellt ist.

[0011] In Fig. 4 ist im Schnitt ein Widerstand zur Verwendung mit einem Langstabisolator 2 gezeigt. Er besteht aus einem Widerstandsdraht 3, der auf die Oberfläche eines Isolierkörpers 4 z.B. eines Porzellanisolators spiralförmig aufgebracht ist und in eine Glasur 5 eingebettet ist. Die Oberfläche ist mit einer hydrophoben Schicht 6 z.B. aus Silikonkautschuk überzogen.

[0012] Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 5 gezeigt. Auf die Oberfläche des Isolierkörpers 4 ist eine leitende Glasur 7 aufgebracht, auf der wiederum eine hydrophobe Schicht 6 aufgebracht ist.

[0013] Solchermaßen ausgebildete Draht- bzw. Schichtwiderstände lassen sich natürlich nicht nur für Langstabisolatoren, sondern auch für Stützisolatoren, eine Kette aus Kappenisolatoren oder für Durchführungen verwenden, da es technologisch keine Schwierigkeiten gibt, die Schirmform des Widerstandes den Formen dieser Isolatoren anzupassen.

[0014] Eine Variation hinsichtlich des Materials als auch der Ausbildung eines solchen Widerstandes ergibt sich gemäß Fig. 9, wobei ein Isolierkörper 4 verwendet wird, der zylinderförmig ausgebildet ist. Auf der zylindrischen Oberfläche werden ein oder mehrere parallele Widerstandsdrähte 3 in die Glasur eingebettet, ähnlich wie bei den herkömmlichen glasierten Drahtwiderständen : Auf diesem Grundkörper werden dann Schirme 8 aus freiluftbeständigem Kunststoffmaterial wie z.B. Silikongummi in Form von Isolatorschirmen aufgebracht.

[0015] Die Ausführungsform nach Fig. 10 unterscheidet sich von der Fig. 9 nur dadurch, daß anstelle eines Drahtwiderstandes ein Schichtwiderstand 9 verwendet wird, der entweder durch eine leitfähige Glasur gebildet wird oder durch eine dünne Metallauflage, wobei der Widerstand entweder durchgehend oder spiralförmig ausgebildet ist.

[0016] Eine weitere Ausführungsform des Widerstands ergibt sich auch aus Fig. 6. Hier befindet sich ein zylindrischer Widerstand 10 im Inneren eines Hohlisolators 11. Die Oberfläche des Hohlisolators kann wiederum mit einem hydrophoben Material 6 überzogen werden.

[0017] Hochspannungswiderstände in der Ausführungsform nach Fig. 6 können für Freiluft-Isolieranordnungen mit Langstäben nach Fig. 1 oder Stützern nach Fig. 2 verwendet werden, wobei die Isolierkörper 11 mechanisch ausreichend fest ausgeführt sein müssen. Widerstände nach Fig. 6 können aber auch vorteilhaft in Freiluft-Isolieranordnungen verwendet werden, ohne daß sie hohe mechanische Anforderungen erfüllen. In Fig. 8 ist eine derartige Anordnung des Hochspannungswiderstandes 15 für einen Langstabisolator 19 dargestellt. Der Isolator 18 dient nur dazu, die mechanischen Kräfte des eigentlichen Isolators 19 zu übernehmen; elektrisch wird er durch den parallel geschalteten Widerstand 15 überbrückt.

[0018] Durch die zusätzliche elektrische Parallelschaltung der durch Verschmutzung leitfähigen Oberfläche des obersten Langstabisolators 18 zur durch Verschmutzung leitfähigen äußeren Oberfläche des Widerstands 15 darf die Wirksamkeit des zylindrischen Widerstands 10 nach Fig. 6 nicht erheblich beeinträchtigt werden. Diese Forderung ist bei geeigneter Ausbildung der Schirme und der Oberflächen des Langstabisolators 18 des Widerstandes 15 sowie erfindungsgemäßer Dimensionierung des zylindrischen Widerstandes 10 meist erfüllbar; als typisches Beispiel für eine Anordnung nach Fig. 8 zur Verwendung in einer 123-kV-Freileitung kann ein Widerstandswert des zylindrischen Widerstandes 10 von 20 kOhm gelten und ein Widerstandswert für die durch starke Verschmutzung leitfähige Oberfläche des obersten Langstabs 18 sowie des Widerstandes 15 von je etwa 100 kOhm.

[0019] In der Ausführungsform des Hochspannungswiderstands nach Fig.7, die zur Verwendung mit einer Durchführung 16 vorgesehen ist, ist der Isolierkörper 11 ebenfalls als Hohlisolator ausgeführt. Der Widerstand 12 wird in einer der Ausführungsformen von Fig.4 o:er Fig. 5 ausgebildet.

[0020] Eine weitere Ausführungsform besteht darin, den Hochspannungswiderstand, wie in Fig. 11 gezeigt, in den Isolator der Freiluft-Isolieranordnung zu integrieren. Die Ausführung des Widerstands kann dabei in der Ausführungsform nach Fig. 4, wie in Fig. 11 dargestellt, oder nach Fig. 5 erfolgen.

[0021] In der Ausführung nach Fig. 12 ist der Widerstand wieder in den Isolator der Freiluftanordnung integriert, im Gegensatz zu Fig. 11 aber verteilt angeordnet. Der Aufbau der verteilt angeordneten Teilwiderstände 22 kann wieder nach Fig. 4 oder Fig. 5 erfolgen, wie in Fig. 11 dargestellt.

[0022] In der Ausführung nach Fig. 13 ist der Widerstand nach dem Prinzip eines Kunststoff-Verbundisolators aufgebaut, wobei ein faserverstärkter Kern 13 mit leitfähigen Fasern, z.B. Carbonfasern, verwendet wird, über dem eine Schirmhülle 14, z.B. aus Silikongummi, angeordnet ist.

[0023] Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstands in der beschriebenen Anordnung wird nun anhand eines Beispiels näher ausgeführt. Als Isolator wurde ein keramischer Langstab L 75/22 mit einer Baulänge von 1270 mm und einem Kriechweg von 2440 mm verwendet, und zwar gemäß den Vorschriften nach DIN 48006/2. Bei einer labormäßigen Prüfung des Fremdschicht-Isoliervermögens gem. DIN/VDE 57448, Teil 2/9.77 wurde für die herkömmliche Anordnung, also ohne Reihenschaltung mit dem erfindungsgemäßen Widerstand ein Stehsalzgehalt von 28 kg/m³ bei 63 kV erreicht.

[0024] Dabei wurde als kritischer Ableitstromimpuls beim überschlag 1072 mA (Scheitelwert) gemessen. Dieser Ableitstromimpuls ist für den verwendeten Isolator charakteristisch. Die Prüfungen erfolgten dabei mit einer steifen Spannungsquelle (Kurzschlußstrom 20 A).

[0025] In der vergleichsweise geprüften Anordnung wurde zusätzlich ein erfindungsgemäßer Widerstand nach Fig. 6 mit einer Baulänge von 160 mm verwendet, der einen Widerstandswert von 13 kOhm aufwies und mit dem Isolator L75/22 in Reihe geschaltet war. Bei gleicher Prüfspannung von 63 kV konnte der Isolator selbst beim physikalisch größtmöglichen Salzgehalt (224 kg/m³) nicht mehr zum überschlag gebracht werden. Bei dieser Prüfung ohne Überschlag wurde als höchster Ableitstromimpuls 2110 mA gemessen.

[0026] Beim Ableitstromimpuls von 1072 mA (Scheitelwert), der für die erfindungsgemäße Dimensionierung des Widerstandswertes maßgebend ist, tritt ein Spannungsabfall von 13,9 kV (Scheitelwert) am Hochspannungswiderstand auf. Bezogen auf die Prüfspannung von 63 . √2 kV (Scheitelwert) entspricht dieser Spannungsabfall 15,6% der gesamten Leiter-Erdspannung.

[0027] Gleichartige Prüfungen wurden an einer Isolatorkette aus 8 Glaskappen vom Typ F8 durchgeführt. Bei einer Kriechweglänge von 2350 mm betrug die Prüfspannung 60,6 kV, das bedeutet die gleiche Spannungsbeanspruchung je cm Kriechweglänge wie im Fall des Langstabisolators. Für die herkömmliche Isolation wurde mit steifer Spannungsquelle ein Stehsalzgehalt von 40 kg/m³ ermittelt.

[0028] Die vergleichsweise geprüfte Anordnung bestand aus der Isolatorkette, der ein erfindungsgemäßer Hochspannungswiderstand von 13 kOhm in Reihe geschaltet war. Bei der gleichen Prüfspannung von 60,6 kV konnte beim Salzgehalt 224 kg/m^l die Kappenkette nicht zum überschlag gebracht werden. Bei der Prüfung ohne Überschlag wurde als höchster Ableitstromimpuls 5515 mA gemessen.

[0029] Beim gleichen kritischen Ableitstromimpuls von 1072 mA (Scheitelwert), der für die erfindungsgemäße Dimensionierung des Widerstandswertes maßgebend ist, tritt ein Spannungsabfall von 13,9 kV (Scheitelwert) am Hochspannungswiderstand von 13 kOhm auf. Bezogen auf die Prüfspannung von 60,6 . f2kV (Scheitelwert) entspricht dieser Spannungsabfall 16,2% der gesamten Leiter-Erdspannung.

Ansprüche

1 - Hochspannungswiderstand zur Vermeidung von Fremdschicht-Überschlägen für Freiluft-Isolatoren, bestehend aus einem Isolierkörper (4, 11, 14) und einem Widerstandsmaterial (3, 7, 9, 13), der in Reihe mit einem Hochspannungsisolator (2, 2a, 2b, 16, 19) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der für diesen Hochspannungsisolator (2, 2a, 2b, 16, 19) charakteristische kritische Ableitstromimpuls am Gesamtwiderstand des Hochspannungswiderstands (1, 1a, 1b, 15) einen Spannungsabfall von mindestens 5, vorzugsweise 10 bis 30% der gesamten Leiter-Erdspannung hervorruft und seine äußere Form einem Schirmisolator nachgebildet ist.

2 - Hochspannungswiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des Hochspannungswiderstands (1, 1a, 1b, 15) mit einer hydrophoben Schicht (6) belegt ist.

3 - Hochspannungswiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophobe Schicht (6) aus Polytetrafluoräthylen (PTFE), Äthylenpropylenmonomer (EPM), Äthylenpropylendienmonomer (EPDM) oder Silikonkautschuk besteht.

4 - Hochspannungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (4, 11, 14) aus Keramik, Glas oder Kunststoff gefertigt ist.

5 - Hochspannungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (4, 11, 14) hohl ausgebildet ist.

6 - Hochspannungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial in Form einer durchgehenden leitenden Spirale (3) oder einer durchgehenden leitenden Schicht (7, 9) vorliegt.

7 - Hochspannungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial in Form einer nicht über den gesamten Isolierkörper durchgehenden leitenden Spirale (21) oder leitenden Schicht vorliegt.

8 - Hochspannungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial in Form mehrerer, nicht miteinander verbundener leitender Spiralen oder leitender Schichten (22) vorliegt.

9 - Hochspannungswiderstand nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus dem Strunk eines Kunststoffverbundisolators mit Kohlenstoff-Faserverstärkung (13) besteht und die Schirme (14) aus einem hydrophoben Material gebildet sind.

Zeichnung