DE102014004284B4 - Hochspannungsdurchführung - Google Patents

Abstract

Hochspannungsdurchführung (1) zur Durchleitung eines spannungsführenden Leiters (3), mit einem Mantelrohr (5) aus einem Faserverbundwerkstoff (6), mit einer hochspannungsseitigen ersten Armatur (7) und mit einer erdseitigen zweiten Armatur (8), wobei die erste und die zweite Armatur (7, 8) jeweils mit dem Mantelrohr (5) gasdicht verbunden sind, und wobei die erste Armatur (7) das Mantelrohr (5) abschließt und eine Durchführung (9) für den Leiter (3) umfasst, wobei wenigstens eine der beiden Armaturen (7, 8) und das Mantelrohr (5) dadurch verbunden sind, dass die wenigstens eine Armatur (7 oder 8) zumindest entlang eines Axialabschnitts (11) vom Faserverbundwerkstoff (6) des Mantelrohrs (5) umwickelt ist und wobei die wenigstens eine umwickelte Armatur (7 oder 8) einen Befestigungsbund (12) umfasst, dessen Außenfläche als eine Mantelfläche eines Kegelstumpfes (KS) ausgebildet ist, derart, dass sich der Befestigungsbund (12) in das Mantelrohr (5) hinein aufweitet und der Befestigungsbund (12) mit dem Faserverbundwerkstoff (6) des Mantelrohrs (5) umwickelt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsdurchführung zur Durchleitung eines spannungsführenden Leiters, mit einem Mantelrohr aus einem Faserverbundwerkstoff, mit einer hochspannungsseitigen ersten Armatur und mit einer erdseitigen zweiten Armatur, wobei die erste Armatur und die zweite Armatur jeweils mit dem Mantelrohr gasdicht verbunden sind, und wobei die erste Armatur das Mantelrohr abschließt und eine Durchführung für den Leiter umfasst.
• Eine derartige Hochspannungsdurchführung wird insbesondere dazu verwendet, einen Hochspannung führenden elektrischen Leiter aus einem mit Isoliergas isolierten System, insbesondere aus einem SF₆-System (also ein System mit dem Isoliergas Schwefelhexafluorid oder Gemischen mit SF₆, wie z.B. SF₆/N₂ oder SF₆/CO₂) in ein Luft-System oder umgekehrt aus einem Luft-System in ein mit Isoliergas isoliertes System zu führen. Eine Hochspannungsdurchführung der genannten Art wird beispielsweise in Strom erzeugenden Kraftwerken zur Ausleitung eines spannungsführenden elektrischen Leiters in eine Hochspannungsleitung oder zur Übermittlung der Hochspannung in eine Hochspannungsschaltanlage eingesetzt. Unter dem Begriff der Hochspannung werden hierbei Spannungen im Bereich einiger kV bis zu mehreren 100 kV verstanden. Die Länge von entsprechenden Hochspannungsdurchführungen liegt typischerweise im Bereich mehrere Meter. Das Innere der Hochspannungsdurchführung ist im Betrieb mit Isoliergas gefüllt.
• Eine Hochspannungsschaltanlage kann durch den Einsatz von mit Isoliergas isolierten Systemen in ihrer Baugröße gegenüber Luftsystemen enorm verringert werden, da die Durchschlagsfestigkeit eines Isoliergases gegenüber Luft vergrößert ist. Beispielsweise weist SF₆ gegenüber Luft eine etwa 4-fach erhöhte Durchschlagsfestigkeit auf. Durch eine Erhöhung des Druckes innerhalb des Isoliergas-Systems kann der Unterschied noch weiter vergrößert werden. Die Isolierabstände können im Isoliergas-System gegenüber einem Luftsystem deutlich reduziert werden.
• Bei der Durchführung eines Hochspannung führenden elektrischen Leiters aus einem Isoliergas-System in ein Luftsystem oder umgekehrt muss insbesondere auf der Erdseite der in Luft notwendige Isolationsabstand des Leiters zur Umgebung eingehalten werden, um einen Spannungsdurchschlag sicher zu vermeiden. Aus diesem Grund weisen Hochspannungsdurchführungen im Inneren der erdseitigen zweiten Armatur (Erdseite) eine den Leiter bis zu einer gewissen Höhe umgebende geerdete Ringelektrode auf, um das vom spannungsführenden Leiter erzeugte elektrische Feld erst in einem geeigneten Erdabstand austreten zu lassen. An der hochspannungsseitigen ersten Armatur (Kopfseite) von Hochspannungsdurchführungen ist üblicherweise ein metallischer Koronaring montiert, um dort durch den Austritt des Leiters bedingte unerwünscht hohe Feldspitzen zu verhindern.
• Das zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit eingesetzte Isoliergas ist teuer. Ein Verlust des Isoliergases muss auch aus Gründen des Klimaschutzes verhindert werden. Ein mit Isoliergas isoliertes System muss daher gasdicht sein. Die Volumina der eingesetzten Apparaturen sollten möglichst klein sein, um generell den Bedarf an Isoliergas zu reduzieren.
• Nachteiligerweise erfordert die Notwendigkeit einer Gasdichtigkeit einen relativ hohen Fertigungsaufwand. Insbesondere ist dies der Fall bei elektrischen Durchführungen mit einem Mantelrohr aus einem Faserverbundwerkstoff, bei denen die metallischen Anschlussarmaturen gasdicht mit dem Mantelrohr verbunden werden müssen. Die Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen den unterschiedlichen Materialien ist technisch komplex und hinsichtlich des Fertigungsablaufs aufwändig. Insbesondere muss die Gasdichtigkeit auch unter den auf die Durchführung wirkenden mechanischen Belastungen gewährleistet bleiben.
• Üblicherweise wird das Mantelrohr in einem separaten Fertigungsschritt als ein Faserverbundwerkstück mit einer endseitigen Fügestelle hergestellt. In einem weiteren Fertigungsschritt wird auf die Fügestelle ein geeignetes Klebematerial aufgetragen. Die metallische Armatur wird zur Fügestelle mit einer Presspassung hergestellt. Durch Aufschrumpfen der Armatur auf die vorbereite Fügestelle wird ein Klebeschrumpfverbund zwischen der Armatur und dem Mantelrohr hergestellt, der die Gasdichtigkeit insbesondere unter den gegebenen mechanischen Belastungen gewährleistet.
• In der EP 1 091 365 A1 ist ein Verbundisolator beschrieben, bei dem an einem Tragrohr aus glasfaserverstärktem Epoxidharz endseitig Flansche befestigt sind.
• Aus der AT 507 751 A1 ist ein Hochspannungsisolator zu entnehmen, bei dem ein Rohr zusammen mit einem Flansch als ein einstückiger Körper gemeinsam aus einem faserverstärkten Kunststoff durch Flechten hergestellt wird,
• In der DE 1 921 299 A ist ein glasfaserverstärkter Hängeisolator beschrieben, bei dem zur mechanischen Verbindung zwischen einer Armatur und einem faserverstärkten Kunststoffstrang ein wellenartiges Profil im Verbindungsbereich vorgesehen ist. Beim Herstellen wird der noch nicht fertig ausgehärtete Strang mittels einer Pressform einer Formänderung unterworfen und anschließend wird die Armatur eingesetzt, bevor die Aushärtung erfolgt.
• Weiterhin ist aus der DE 36 40 180 A1 eine hochspannungsfeste und vakuumdichte elektrische Durchführung für kryogene Anwendung zu entnehmen. Ein Wickeldorn wird zur Ausbildung eines Rohres zunächst umwickelt. Auf das ausgehärtete Rohr wird anschließend mittig ein Flansch aufgeschoben und mittels eines Klebers befestigt. Ergänzend werden Fußteile des Flansches zusätzlich umwickelt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungsdurchführung der eingangs genannten Art anzugeben, die möglichst einfach und kostengünstig herzustellen ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Hochspannungsdurchführung.
• Diese Aufgabe wird für eine Hochspannungsdurchführung gelöst durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 16 gelöst. Die Hochspannungsdurchführung weist ein Mantelrohr aus einem Faserverbundwerkstoff, eine hochspannungsseitige erste Armatur und eine erdseitige zweite Armatur auf, wobei die erste Armatur und die zweite Armatur jeweils mit dem Mantelrohr gasdicht verbunden sind, und wobei die erste Armatur das Mantelrohr abschließt und eine Durchführung für den Leiter umfasst. Wenigstens eine der beiden Armaturen und das Mantelrohr sind dadurch verbunden, dass die wenigstens eine Armatur zumindest entlang eines Axialabschnitts mit dem Faserverbundwerkstoff des Mantelrohrs umwickelt ist.
• Weiterhin umfasst die wenigstens eine umwickelte Armatur einen Befestigungsbund, dessen Außenumfang sich vom Mantelrohr entfernend verringert, wobei der Befestigungsbund mit dem Faserverbundwerkstoff des Mantelrohrs umwickelt ist. Hierdurch wird zusätzlich zu einer materialschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung der Armatur mit dem Mantelrohr zugleich ein formschlüssiger Verbund geschaffen. Durch die Aufweitung des Befestigungsbundes in das Mantelrohr hinein ist die Armatur nach Aushärtung des Faserverbundwerkstoffs vom Mantelrohr nicht mehr ohne mechanische Zerstörung abziehbar. Die Armatur ist dauerhaft und verliersicher an das Mantelrohr gebunden.
• Die Außenfläche des Befestigungsbundes ist als die Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet. Mit anderen Worten ist der Befestigungsbund der Armatur rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei sich der Durchmesser des Befestigungsbundes vom Mantelrohr weg konisch verjüngt. Diese Form lässt sich leicht herstellen. Es resultiert eine gleichmäßige Anlagefläche für das Faserverbundmaterial des Mantelrohrs.
• Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, die Verbindung einer oder beider Armaturen mit dem Mantelrohr in den Fertigungsschritt des Mantelrohrs zu integrieren. In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass dies gelingt, indem die entsprechende Armatur bei der Fertigung des Mantelrohrs als eine Ergänzung einer Wickelform für das Fasermaterial des Mantelrohrs eingesetzt wird. Das Mantelrohr wird dann durch Wicklung von Fasern auf die Wickelform unter zumindest teilweisem Einschluß der Armatur gefertigt. In einem automatisierten Fertigungsverfahren können die Fasern in einem Vorlauf vor der Wicklung bereits mit einem geeigneten Harz getränkt werden. Das Harz kann aber auch separat erst nach Wicklung der Fasern aufgebracht werden. Nach Aushärten des Harzes ist die Armatur zumindest abschnittsweise vom Faserverbundwerkstoff des Mantelrohrs umwickelt. Es ist ein stabiler mechanischer Verbund zwischen dem Mantelrohr und der umwickelten Armatur geschaffen. Durch das zumindest teilweise Umwickeln der Armatur mit dem Fasermaterial unter Hinzufügung des Harzes ist die Verbindung zudem gasdicht. Der mechanische Verbund zwischen der umwickelten Armatur und dem Mantelrohr kann mittels eines Kraft-, Form- und/oder Materialschlusses realisiert sein.
• Demnach bietet die Erfindung den Vorteil, die Verbindung der entsprechenden Armatur mit dem Mantelrohr in den Fertigungsschritt der Herstellung des Mantelrohrs zu integrieren. Ein separater Fertigungsschritt zum Fügen der Armatur mit dem Mantelrohr entfällt. Insbesondere wird auch die Dichtigkeit der Verbindung bereits während der Herstellung des Mantelrohrs erzielt. Die angegebene Hochspannungsdurchführung lässt sich demnach mit vergleichsweise niedrigen Kosten herstellen. Der Herstellungsprozess ist gegenüber den Verfahren des Standes der Technik verkürzt und vereinfacht. Zudem wird durch das vereinfachte Verfahren die Ausschussquote gesenkt.
• Die Verbindung der entsprechenden Armatur mit dem Mantelrohr wird nach dem Prinzip der verlorenen Form hergestellt. Dabei wird die zu verbindende Armatur einer Wickelform für das Mantelrohr aufgesetzt. Anschließend wird die Armatur zumindest entlang eines Axialabschnitts gemeinsam mit der Wickelform unter gleichzeitiger oder nachfolgender Zuführung von Harz mit den vorgesehenen Fasern umwickelt. Nach dem Aushärten des Harzes wird die Wickelform entfernt. Die Armatur verbleibt und ist mit dem Mantelrohr fest verbunden bzw. vom Faserverbundwerkstoff des Mantelrohrs zumindest abschnittsweise fest umschlossen.
• Grundsätzlich können beide Armaturen der Hochspannungsdurchführung mit dem Mantelrohr in der vorbeschriebenen Art und Weise dauerhaft, mechanisch stabil und gasdicht verbunden sein. Die erdseitige zweite Armatur muss für eine Hochspannungsdurchführung jedoch die Aufgabe einer ausreichenden Isolation des durchgeführten elektrischen Leiters gegenüber dem Erdboden bzw. gegenüber der auf Erdpotential liegenden Umgebung erfüllen. Dazu ist beispielsweise eine mit der zweiten Armatur gekoppelte Erdelektrode erforderlich, die den elektrischen Leiter bis zu einer ausreichenden Höhe umgibt. Auch muss die erdseitige zweite Armatur ggf. die Befestigung der Hochspannungsdurchführung am Untergrund gewährleisten. Aus konstruktiver Sicht ist daher wenigstens die hochspannungsseitige erste Armatur der Hochspannungsdurchführung oder nur diese Armatur mit dem Mantelrohr dadurch verbunden, dass sie mit dem Faserverbundwerkstoff des Mantelrohrs umwickelt ist.
• In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist die wenigstens eine umwickelte Armatur der Hochspannungsdurchführung aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Faserverbundwerkstoff, gefertigt. Neben dem Vorteil einer einfachen Fertigung der entsprechenden Armatur kann durch die Wahl eines geeigneten Kunststoffs oder insbesondere durch die Wahl des Faserverbundwerkstoffs des Mantelrohrs als Kunststoff erreicht werden, dass während der Herstellung ein materialschlüssiger Verbund zwischen der ersten Armatur und dem Mantelrohr resultiert. Der materialschlüssige Verbund erfolgt beispielsweise durch eine Erwärmung während des Herstellungsverfahrens. Dadurch kann eine Vernetzung des Harzsystems des Mantelrohrs mit dem Kunststoff der Armatur erzielt werden. Auch können auf die Armatur zur Herstellung eines materialschlüssigen Verbunds geeignete Haftvermittler aufgetragen werden. Die Verwendung von Kunststoff für die entsprechende Armatur der Hochspannungsdurchführung bietet insbesondere im Falle der hochspannungsseitigen Armatur gegenüber dem Einsatz von Metall auch den weiteren Vorteil einer Vergrößerung der Schlagweite der Hochspannungsdurchführung.
• Vorteilhafterweise ist das Mantelrohr der Hochspannungsdurchführung geschäftet. Zur Befestigung der Armatur durch Umwicklung mit dem Faserverbundwerkstoff des Mantelrohrs braucht dann nur ein vergleichsweise kurzes Teilstück des Mantelrohrs gemeinsam mit der Armatur hergestellt werden, was gerade für lange Hochspannungsdurchführungen fertigungstechnische Vorteile bringt. Die Werkzeugform zur Verbindung der Armatur mit dem Mantelrohr durch Umwicklung kann kürzer ausgestaltet werden. Das vergleichsweise kurze Teilstück des Mantelrohrs mit daran durch Umwicklung befestigter Armatur wird anschließend durch Schäftung mit einem anderen Teilstück des Mantelrohrs, welches separat hergestellt wurde, verbunden. Die fertige Hochspannungsdurchführung umfasst dann ein Mantelrohr aus wenigstens zwei Teilstücken, die durch eine Schäftung, also durch eine Verbindung über angeschrägte Kontaktflächen miteinander, beispielsweise durch Klebung, verbunden sind.
• Die umwickelte Armatur kann bis auf die Durchführung für den Leiter auf der Hochspannungsseite vollflächig mit vom Faserverbundwerkstoff des Mantelrohrs umwickelt sein. Dazu verjüngt sich die Form der umwickelten Armatur vorteilhafterweise in Richtung vom Mantelrohr weg, um zusätzlich zu einem material- oder kraftschlüssigen Verbund auch einen formschlüssigen Verbund zu erzielen. Die Armatur ist dauerhaft und verliersicher an das Mantelrohr gebunden. Insbesondere weist die umwickelte Armatur auf der Hochspannungsseite dazu eine kuppelförmige oder eine kegelförmige Form auf, wobei die Durchführung für den Leiter die Kuppel bzw. den Kegel zentral durchsetzt. Dabei ist es grundsätzlich möglich, den Leiter und die Armatur vor der Umwicklung oder nach der Umwicklung miteinander zu verbinden. In einer Ausgestaltungsvariante sind der Leiter und die hochspannungsseitige zweite Armatur einstückig gefertigt.
• Vorteilhafterweise sind auf dem Mantelrohr zumindest entlang eines Axialabschnitts Schirme aus einem Silikonkautschuk aufgebracht. Durch diese das Mantelrohr umlaufenden Schirme wird der Kriechweg entlang der Hochspannungsdurchführung vergrößert. Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften des Silikonkautschuks wird die Verschmutzungsneigung und damit die Gefahr eines Überschlags aufgrund einer äußeren Verschmutzung reduziert. Äußere Ablagerungen werden bei Regen leicht abgewaschen.
• Nach einem bekannten Herstellungsverfahren werden die Schirme bzw. die Beschirmung aus Silikonkautschuk dem Mantelrohr durch Aufspritzen aufgebracht. Dazu muss die zum Aufspritzen der Schirme vorgesehene Werkzeugform axialseitig abgedichtet sein. Vorteilhafterweise umfasst daher die zur Umwicklung vorgesehene Armatur der Hochspannungsdurchführung auf ihrer Stirnseite einen Flansch, dessen Außenumfang größer ist als der Außenumfang des Befestigungsbundes an seinem dem Mantelrohr abgewandten Ende. Auf diese Weise resultiert am mantelrohrfernen Ende des Befestigungsbundes ein Anschlag, der zugleich als Dichtfläche für das Formwerkzeug zur Beschirmung des Mantelrohrs dient. Auf diese Weise können die Schirme aus einem Silikonkautschuk dem Mantelrohr der Hochspannungsdurchführung einfach und kostengünstig durch Aufspritzen aufgebracht werden.
• Im Falle der hochspannungsseitigen ersten Armatur kann der sich dem Befestigungsbund anschließende Flansch weiter zur Montage eines Koronarings ausgebildet sein. Insbesondere kann die Stirnseite des Flansches als eine Auflagefläche für Montageelemente des Koronarings ausgestaltet sein. Ein Koronaring an der Hochspannungsseite der Durchführung ist ggf. erforderlich, um dort auftretende hohe Feldspitzen zu reduzieren.
• Zweckmäßigerweise ist der Rand der Durchführung an dem dem Mantelrohr zugewandten Ende der ersten Armatur gerundet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer einfachen Fertigung. Der durchzuführende elektrische Leiter kann zur Montage einfacher in die Durchführung der ersten Armatur eingebracht werden. Ein Radius am Rand der Durchführung bietet den weiteren Vorteil einer Feldglättung.
• Der elektrische Leiter kann in der Durchführung der ersten Armatur verklebt oder kraftschlüssig gehalten sein. Bevorzugt ist der Leiter in der Durchführung mit der ersten Armatur mittels einer Schrumpfklebung verbunden. Dabei werden der Durchmesser des elektrischen Leiters und der Durchmesser der Durchführung mit einer Presspassung hergestellt. Nach Abkühlung des Leiters oder einer Erwärmung der ersten Armatur lässt sich der Leiter in die Durchführung einbringen. Nach Temperaturausgleich ist der Leiter mit der ersten Armatur durch einen Presssitz verbunden. Durch zusätzliches Einbringen eines geeigneten Klebstoffs während des Fügeprozesses resultiert ein Schrumpfklebeverbund. Dieser Verbund ist mechanisch stabil und zudem gasdicht.
• Zur Vermeidung eines Koronarings oder allgemein zur Vermeidung von Feldspitzen sind insbesondere im Bereich der ersten Armatur der Hochspannungsdurchführung und/oder in das Material der ersten Armatur Mikrovaristoren zur Feldsteuerung eingebracht. Entsprechendes gilt auch für den Bereich der erdseitigen zweiten Armatur bzw. für den Bereich einer dort angebrachten Erdelektrode oder „Steuertüte“. Mikrovaristoren, die beispielsweise als Granulat mit einer Korngröße zwischen 10 µm und 200 µm vorliegen, können bei der Herstellung leicht einem Kunststoffmaterial beigemengt werden. Insbesondere gilt dies für das Material des Mantelrohrs, das Material der Beschirmung oder das Material der Armatur selbst. Alternativ können auch einzelne Bereiche mit Mikrovaristoren im Bereich der Armatur oder an der Armatur selbst in die Hochspannungsdurchführung eingearbeitet oder dieser angebunden werden. Varistoren zeigen generell einen spannungsabhängigen Widerstandswert. Ihr Widerstand sinkt mit zunehmender Spannung oder Feldstärke. Dies macht es möglich, Mikrovaristoren zur Feldsteuerung in Isolatoren und insbesondere in Hochspannungsdurchführungen einzusetzen. Bei hohen Spannungen bzw. elektrischen Feldern werden die Mikrovaristoren zu ausgezeichneten elektrischen Leitern. Hierdurch wird ein weiterer Anstieg des elektrischen Feldes begrenzt.
• Geeignete Mikrovaristoren sind beispielsweise Oxide oder Karbide von Metallen oder Halbleitern in Partikelform. Insbesondere können Zinkoxid-Partikel oder Siliziumkarbid-Partikel eingesetzt sein. Sind die Mikrovaristoren in die hochspannungsseitige erste Armatur der Hochspannungsdurchführung eingebettet, so kann ggf. aufgrund der Feldsteuerwirkung auf einen teuren und aufwendigen Koronaring verzichtet werden.
• Bevorzugt erstreckt sich der Bereich der Beschirmung in axialer Richtung über den Befestigungsbund bis zum Flansch der umwickelten Armatur. Ggf. kann hierbei durch das Material der Beschirmung die konische Form der Armatur ausgeglichen werden.
• In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist im Bereich der erdseitigen zweiten Armatur der Hochspannungsdurchführung eine mit dieser elektrisch verbundene metallische Ringelektrode am Mantelrohr angeordnet. Durch die Anordnung der Erdelektrode am Mantelrohr kann der gesamte Durchmesser der Hochspannungsdurchführung auf den notwendigen Isolationsabstand zum elektrischen Leiter im Isoliergas-System reduziert werden. Hierdurch lässt sich eine beträchtliche Einsparung des Innenvolumens der Hochspannungsdurchführung erzielen. Hierdurch kann im Isoliergas-System die benötigte Menge an Isoliergas reduziert werden, was die Kosten einer entsprechenden Anlage senkt.
• Die am Mantelrohr angeordnete und mit der zweiten Armatur elektrisch verbundene metallische Ringelektrode übernimmt die Funktion einer Erdelektrode. Das elektrische Feld des Leiters tritt erst am Ende der Ringelektrode aus. Dort ist ein ausreichender Isolationsabstand gegenüber dem Erdboden bzw. der auf der Erdpotential liegenden Umgebung gewährleistet. Die Ringelektrode am Mantelrohr übernimmt die Funktion der von Hochspannungsdurchführungen bekannten, innenliegenden „Steuertüten“. Auf eine derartige innere Erdelektrode ist jedoch verzichtet.
• Die Ringelektrode kann dem Mantelrohr aufgewickelt oder in das Mantelrohr eingearbeitet werden. Hierzu kann bei der Herstellung des Mantelrohrs eine entsprechende Nut vorgesehen werden, in die die Erdelektrode eingebracht wird. Die Nut kann hierbei am Innen- oder am Außendurchmesser des Mantelrohrs vorgesehen sein.
• In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist das der zweiten Armatur abgewandte Ende der Ringelektrode von einem Ringbereich umlaufen, in dem Mikrovaristoren in das Mantelrohr, insbesondere in das Material einer Beschirmung, eingebracht sind. Die Mikrovaristoren übernehmen wie vorstehend beschrieben die Aufgabe einer Feldsteuerung. Bei hohen Feldstärken wird eine Überhöhung des elektrischen Feldes gegenüber der auf Erdpotential liegenden Umgebung verhindert. Insbesondere hierdurch wird es möglich, den Durchmesser der Hochspannungsdurchführung auf den notwendigen Isolationsabstand zwischen dem elektrischen Leiter und dem Erdpotential im Isoliergas-System zu reduzieren. Das am Ende der auf Erdpotential liegenden Ringelektrode austretende elektrische Feld des Leiters wird durch die Feldsteuerwirkung der Mikrovaristoren auf der Außenseite der Hochspannungsdurchführung verringert.
• In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist im Bereich der zweiten Armatur eine Elektrode für eine kapazitive Spannungsmessung am Mantelrohr angeordnet. Auch diese Elektrode kann in das Mantelrohr integriert oder an diesem beispielsweise durch Auflage oder Aufwicklung angeordnet sein. Über diese Elektrode kann nach dem Prinzip des kapazitiven Spannungswandlers ein Messwert für die Spannung des elektrischen Leiters, der durch die Hochspannungsdurchführung geführt ist, abgegriffen werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:
• 1 schematisch einen Querschnitt durch eine Hochspannungsdurchführung,
• 2 schematisch eine kuppelförmige Ausgestaltungsvariante der ersten Armatur und
• 3 schematisch eine kegelförmige Ausgestaltungsvariante der ersten Armatur.
• In 1 ist schematisch in einem Querschnitt eine Hochspannungsdurchführung 1 zur Durchführung eines elektrischen Leiters 3 zwischen einem mit Isoliergas isolierten System GIS und einem mit Luft isolierten System bzw. Luftsystem LIS dargestellt. Die Hochspannungsdurchführung 1 umfasst ein Mantelrohr 5, welches aus einem Faserverbundwerkstoff 6 gefertigt ist. Auf der Hochspannungs- bzw. Kopfseite der Hochspannungsdurchführung 1 ist am Mantelrohr 5 eine erste Armatur 7 befestigt. Auf der Erdseite ist das Mantelrohr 5 mit einer zweiten Armatur 8 verbunden, die die Hochspannungsdurchführung 1 zugleich an einem Hochspannungsgerät oder an einer Anlage G befestigt. Zur Ein- bzw. Ausleitung des elektrischen Leiters 3 weist die hochspannungsseitige erste Armatur 7 eine Durchführung 9 auf. Durch diese Durchführung 9 erstreckt sich der elektrische Leiter 3 zwischen dem Luftsystem LIS und dem mit Isoliergas isolierten System GIS. Der von der ersten Armatur 7 ausgehende Leiter 3 ist beispielsweise in eine Hochspannungsleitung geführt.
• Sowohl die hochspannungsseitige erste Armatur 7 als auch die erdseitige zweite Armatur 8 sind mit dem Mantelrohr 5 gasdicht verbunden. Der Innenraum der Hochspannungsdurchführung 1 ist mit einem Isoliergas IG, insbesondere mit SF₆, gefüllt. Wegen der höheren Durchschlagsfestigkeit des Isoliergases IG gegenüber Luft sind die zum Leiter 3 zu beachtenden Isolationsabstände innerhalb des mit Isoliergas isolierten System GIS kleiner als im Luftsystem LIS. Das gewählte Isoliergas bzw. der Druck innerhalb des mit Isoliergas isolierten Systems GIS bedingt die Dimensionierung der Hochspannungsdurchführung 1.
• Die erdseitige zweite Armatur 8 ist am Mantelrohr 5 mittels einer Schrumpfklebeverbindung gefügt. Die hochspannungsseitige erste Armatur 7 umfasst zur Befestigung am Mantelrohr 5 einen sich über einen Axialabschnitt 11 erstreckenden Befestigungsbund 12. Der Befestigungsbund 12 weist im Wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes KS auf. Dementsprechend verjüngt sich der Außenumfang U des Befestigungsbunds 12 konisch vom Mantelrohr 5 weg nach außen. Dazu ist der Außendurchmesser D1 am mantelrohrseitigen Ende des Befestigungsbunds 12 und der hierzu kleinere Außendurchmesser D2 am kopfseitigen Ende des Befestigungsbunds 12 eingezeichnet.
• Die Mantelfläche des Befestigungsbunds 12 ist mit dem Faserverbundmaterial 6 des Mantelrohrs 5 umwickelt. Neben einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen der ersten Armatur 7 bzw. ihres Befestigungsbunds 12 und dem Mantelrohr 5 ist durch die konische Form des Befestigungsbunds 12 zugleich eine formschlüssige Verbindung gegeben. Die hochspannungsseitige erste Armatur 7 kann vom Mantelrohr 5 nicht ohne Zerstörung abgezogen werden.
• Die Umwicklung des Befestigungsbunds 12 der ersten Armatur 7 mit dem Faserverbundwerkstoff 6 des Mantelrohrs 5 erfolgt in einem gemeinsamen Fertigungsschritt während der Herstellung des Mantelrohrs 5. Dazu wird die erste Armatur 7 als Verlängerung der Wickelform für das Mantelrohr 5 verwendet. Anschließend werden der Befestigungsbund 12 und die Wickelform gemeinsam mit Fasern für den Faserverbundwerkstoff 6 des Mantelrohrs 5 umwickelt. Zur Wicklung können mit Harz getränkte Fasern verwendet werden. Auch ist es möglich, die Fasern während oder nach der Wicklung separat mit einem noch flüssigen Harz zu tränken bzw. das Harz auf die Fasern aufzutragen. Nach Aushärten des Harzes ist ein insbesondere gasdichter, mechanisch stabiler und dauerhafter Verbund zwischen dem Befestigungsbund 12 der ersten Armatur 7 und dem Mantelrohr 5 hergestellt. Die Wickelform wird entfernt.
• Das mit der ersten Armatur 7 gemeinsam gefertigtes Mantelrohr 5 kann als ein Teilstück TS1 gefertigt sein. Diese Teilstück TS1 wird mit einem weiteren Teilstück TS2 des Mantelrohrs 5 zu einem Gesamtstück durch Schäftung gefügt.
• Die hochspannungsseitige erste Armatur 7 ist vorliegend aus Kunststoff und insbesondere aus dem Faserverbundwerkstoff des Mantelrohrs 5 gefertigt. Neben einem kraft- und formschlüssigen Verbund ist dadurch zugleich ein materialschlüssiger Verbund zwischen dem Befestigungsbund 12 und dem Mantelrohr 5 erreicht. Zur Herstellung eines materialschlüssigen Verbunds kann auch ein geeigneter Haftvermittler auf der Mantelfläche des Befestigungsbunds 12 vor Aufwicklung des Fasermaterials aufgetragen werden.
• Zur Montage der Hochspannungsdurchführung 1 wird der elektrische Leiter 3 in die Durchführung 9 der ersten Armatur 7 eingeführt. Um die Montage zu erleichtern, ist insbesondere der Rand der Durchführung 9 an dem dem Mantelrohr 5 zugewandten Ende gerundet bzw. mit einem Radius 13 versehen. Auch der Rand am anderen Ende der Durchführung 9 kann mit einem derartigen Radius 13 versehen sein. Ein solcher Radius 13 bietet nicht nur den Vorteil einer einfacheren Montage für den elektrischen Leiter 3 sondern ist zugleich auch hinsichtlich des Feldlinienverlaufs vorteilhaft.
• Die erste Armatur 7 weist weiter einen Flansch 14 auf, der gegenüber dem kopfseitigen Ende des Befestigungsbunds 12 einen vergrößerten Außenumfang U bzw. einen vergrößerten Durchmesser D3 aufweist. Durch diesen Durchmessersprung resultiert eine Dichtfläche 16, die das Aufbringen einer Beschirmung 18 am Außenumfang des Mantelrohrs 5 erleichtert. Die eine Anzahl von Schirmen 19 umfassende Beschirmung 18 wird dem Mantelrohr 5 insbesondere durch ein Aufspritzen von Silikonkautschuk aufgebracht. Aufgrund der Dichtfläche 16 muss das hierzu vorgesehene Formwerkzeug am axialen Ende der ersten Armatur 7 nicht aufwendig abgedichtet sein. Alternativ kann die Beschirmung 18 dem Mantelrohr 5 auch aufgeschoben sein.
• Die umlaufend auf das Mantelrohr 5 aufgebrachte Beschirmung 18 aus Silikonkautschuk vergrößert auf der Außenseite der Hochspannungsdurchführung 1 die Kriechstrecke. In 1 sind die Schirme 19 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur auf der linken Seite dargestellt. Durch die hydrophoben Eigenschaften des Silikonkautschuks wird die Verschmutzungsneigung auf der Außenseite der Hochspannungsdurchführung 1 reduziert. Insbesondere werden Ablagerungen bei Regen von der Oberfläche abgewaschen. Die Durchschlagsneigung infolge von Schmutz und Ablagerungen wird insofern für die Hochspannungsdurchführung 1 red uziert.
• Der Flansch 14 der hochspannungsseitigen ersten Armatur 7 ist zugleich als eine Auflagefläche zur Befestigung eines Koronarings ausgebildet. Auf einen derartigen, zur Vermeidung von Feldspitzen eingesetzten Koronaring kann jedoch verzichtet werden, wenn in das Material der ersten Armatur 7 Mikrovaristoren 20 eingebettet sind. Derartige Mikrovaristoren 20 werden in hohen elektrischen Feldern elektrisch leitend. Dadurch werden hohe Feldspitzen reduziert bzw. ein zu hohes elektrisches Feld an der Außenseite der Hochspannungsdurchführung 1 in der Nähe der ersten Armatur 7 verhindert.
• Am erdseitigen Ende der Hochspannungsdurchführung 1 ist dem Mantelrohr 5 eine umlaufende Ringelektrode 25 aufgebracht. Die Ringelektrode 25 ist mit der erdseitigen zweiten Armatur 8 elektrisch verbunden und liegt somit auf Erdpotential. Die Ring- bzw. Erdelektrode 25 ist mit einem innerhalb des mit Isoliergas isolierten Systems GIS genügenden minimalen Abstand zum elektrischen Leiter 3 angeordnet. Hierdurch ergibt sich ein minimal möglicher Durchmesser für das Mantelrohr 5 der Hochspannungsdurchführung 1. Auf eine übliche innere Erdelektrode bzw. Steuerelektrode ist verzichtet. Durch die vorliegende Ausgestaltung ist das Volumen der Hochspannungsdurchführung 1 gegenüber bekannten Hochspannungsdurchführungen des Standes der Technik reduziert. Es kann teures Isoliergas IG eingespart werden.
• Um am oberen Ende der Ringelektrode 25 durch den austretenden elektrischen Leiter verursachte hohe Feldspitzen zu vermeiden, ist weiter ein Ringbereich 28 in die Beschirmung 18 eingebracht, der ebenfalls Mikrovaristoren 20 umfasst. Der Ringbereich 28 kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass an dieser Stelle bei Auftragung der Beschirmung 18 Mikrovaristoren 20 in den noch weichen Silikonkautschuk eingemischt werden.
• Es ist auch möglich, die Ringelektrode 25 und den Ringbereich 28 in das Mantelrohr 5 zu integrieren bzw. in das Faserverbundmaterial 6 des Mantelrohrs 5 einzubringen.
• Weiter ist am erdseitigen Ende der Hochspannungsdurchführung 1 eine Elektrode 30 vorgesehen. Aus der Elektrode 30 und der Ringelektrode 25 resultiert ein kapazitiver Spannungsteiler. Durch entsprechenden Abgriff mit einer geeigneten Messapparatur kann über den kapazitiven Spannungsteiler ein Messwert für die Spannung zwischen dem elektrischen Leiter 3 und dem Erdpotential abgegriffen werden.
• 2 zeigt schematisch eine kuppelförmige Ausgestaltungsvariante der ersten hochspannungsseitigen Armatur 7. Die Armatur 7 ist bis auf die Durchführung für den Leiter 9 vollflächig mit dem Faserverbundwerkstoff 6 des Mantelrohrs 5 umwickelt.
• 3 zeigt schematisch eine kegelförmige Ausgestaltungsvariante der ersten hochspannungsseitigen Armatur 7. Auch diese Armatur 7 ist bis auf die Durchführung für den Leiter 9 vollflächig mit dem Faserverbundwerkstoff 6 des Mantelrohrs 5 umwickelt.
• Bezugszeichenliste

1

Hochspannungsdurchführung

3

Leiter

5

Mantelrohr

6

Faserverbundwerkstoff

7

erste, hochspannungsseitige Armatur

8

zweite, erdseitige Armatur

9

Durchführung

11

Axialabschnitt

12

Befestigungsbund

13

Radius

14

Flansch

16

Dichtfläche

18

Beschirmung

19

Schirme

20

Mikrovaristoren

25

Ringelektrode

28

Ringbereich Mikrovaristoren

30

Elektrode

D1

Außendurchmesser, Mantelrohrseite

D2

Außendurchmesser, Kopfseite

D3

Außendurchmesser, Flansch

G

Hochspannungsgerät, Anlage

GIS

Isoliergasisoliertes System

IG

Isoliergas

KS

Kegelstumpf

LIS

Luftisoliertes System

TS1

Teilstück

TS2

Teilstück

U

Außenumfang

Claims (16)

1. Hochspannungsdurchführung (1) zur Durchleitung eines spannungsführenden Leiters (3), mit einem Mantelrohr (5) aus einem Faserverbundwerkstoff (6), mit einer hochspannungsseitigen ersten Armatur (7) und mit einer erdseitigen zweiten Armatur (8), wobei die erste und die zweite Armatur (7, 8) jeweils mit dem Mantelrohr (5) gasdicht verbunden sind, und wobei die erste Armatur (7) das Mantelrohr (5) abschließt und eine Durchführung (9) für den Leiter (3) umfasst, wobei wenigstens eine der beiden Armaturen (7, 8) und das Mantelrohr (5) dadurch verbunden sind, dass die wenigstens eine Armatur (7 oder 8) zumindest entlang eines Axialabschnitts (11) vom Faserverbundwerkstoff (6) des Mantelrohrs (5) umwickelt ist und wobei die wenigstens eine umwickelte Armatur (7 oder 8) einen Befestigungsbund (12) umfasst, dessen Außenfläche als eine Mantelfläche eines Kegelstumpfes (KS) ausgebildet ist, derart, dass sich der Befestigungsbund (12) in das Mantelrohr (5) hinein aufweitet und der Befestigungsbund (12) mit dem Faserverbundwerkstoff (6) des Mantelrohrs (5) umwickelt ist.
2. Hochspannungsdurchführung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die hochspannungsseitige erste Armatur (7) entlang eines Axialabschnitts (11) mit dem Faserverbundwerkstoff (6) umwickelt ist.
3. Hochspannungsdurchführung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine umwickelte Armatur (7 oder 8) aus einem Kunststoff gefertigt ist.
4. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (5) geschäftet ist.
5. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine umwickelte Armatur auf ihrer Stirnseite einen Flansch (14) umfasst, dessen Außenumfang größer ist als der Außenumfang (U) des Befestigungsbundes (12) an seinem dem Mantelrohr (5) abgewandten Ende.
6. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Durchführung (9) an dem dem Mantelrohr (5) zugewandten Ende der ersten Armatur (7) gerundet ist.
7. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (3) in der Durchführung (9) mit der ersten Armatur (7) mittels einer Schrumpfklebung verbunden ist.
8. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der ersten Armatur (7) und/oder in die erste Armatur (7) Mikrovaristoren (20) zur Feldsteuerung eingebracht sind.
9. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Mantelrohr (5) zumindest entlang eines Axialabschnitts (11) Schirme (19) aus einem Silikonkautschuk aufgebracht sind.
10. Hochspannungsdurchführung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich der Beschirmung (18) in axialer Richtung über den Befestigungsbund (12) bis zum Flansch (14) der umwickelten Armatur erstreckt.
11. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der erdseitigen zweiten Armatur (8) eine mit dieser elektrisch verbundene metallische Ringelektrode (25) am Mantelrohr (5) angeordnet ist.
12. Hochspannungsdurchführung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das der zweiten Armatur (8) abgewandte Ende der Ringelektrode (25) von einem Ringbereich (28) umlaufen ist, in dem Mikrovaristoren (20) in das Mantelrohr (5) eingebracht sind.
13. Hochspannungsdurchführung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovaristoren (20) in das Material einer Beschirmung (18) eingebracht sind.
14. Hochspannungsdurchführung (1) nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Armatur (8) frei von einer inneren Erdelektrode ist.
15. Hochspannungsdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der zweiten Armatur (8) eine Elektrode (30) für eine kapazitive Spannungsmessung in das Mantelrohr (5) integriert ist.
16. Verfahren zur Herstellung einer Hochspannungsdurchführung (1), die zur Durchleitung eines spannungsführenden Leiters (3) vorgesehen ist und die ein Mantelrohr (5) aus einem Faserverbundwerkstoff (6), eine hochspannungsseitige erste Armatur (7) und eine erdseitige zweite Armatur (8) aufweist, wobei die erste und die zweite Armatur (7, 8) jeweils mit dem Mantelrohr (5) gasdicht verbunden sind, und wobei die erste Armatur (7) das Mantelrohr (5) abschließt und eine Durchführung (9) für den Leiter (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Armaturen (7, 8) und das Mantelrohr (5) dadurch verbunden werden, dass die wenigstens eine Armatur (7 oder 8) zumindest entlang eines Axialabschnitts (11) vom Faserverbundwerkstoff I (6) des Mantelrohrs (5) umwickelt wird, indem bei der Fertigung des Mantelrohrs (5) die wenigstens eine der beiden Armaturen (7,8) als eine Ergänzung zu einer Wickelform für ein Fasermaterial des Mantelrohrs (5) eingesetzt wird, so dass die Verbindung der Armatur (7,8) mit dem Mantelrohr (5) in den Fertigungsschritt des Mantelrohrs (5) integriert ist, wobei die zu verbindende Armatur (7,8) auf die Wickelform für das Mantelrohr (7,8) aufgesetzt wird, anschließend die Armatur (7,8) zumindest entlang des Axialabschnittes (11) gemeinsam mit der Wickelform unter gleichzeitiger oder nachfolgender Zuführung von Harz mit den vorgesehenen Fasern umwickelt wird und die Wickelform nach dem Aushärten des Harzes entfernt wird.

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