DE102011055401A1

DE102011055401A1 - Isolierkörper und Verfahren zur Herstellung eines Isolierkörpers

Info

Publication number: DE102011055401A1
Application number: DE102011055401A
Authority: DE
Inventors: Andrey Mashkin; Anja Strauchs; Armin Schnettler
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-16

Abstract

Isolierkörper zur Isolierung eines ein elektrisches Feld erzeugenden Leiters mit einem syntaktischen Schaum, der in ein Matrixmaterial (3) eingebettete Mikrohohlelemente (2) umfasst, wobei die Mikrohohlelemente (2) zur Beeinflussung des Felds ungleichmäßig verteilt in dem Matrixmaterial (3) angeordnet sind. Elektrisches Bauteil, insbesondere für die Energietechnik, mit einem ein elektrisches Feld erzeugenden Leiter und einem derartigen Isolierkörper (1). Verfahren zur Herstellung eines Isolierkörpers (1) zur Isolierung eines ein elektrisches Feld erzeugenden Leiters mit einem syntaktischen Schaum, der in ein Matrixmaterial (3) eingebettete Mikrohohlelemente (2) umfasst, wobei die Mikrohohlelemente (2) in dem Matrixmaterial (3) zur Beeinflussung des Felds ungleichmäßig verteilt angeordnet werden. Verwendung von in einem Matrixmaterial (3, 13) eingebetteten Mikrohohlelementen (2, 12) zur Beeinflussung des Feldverlaufs eines ein elektrisches Feld erzeugenden Leiters (6, 16) in einem Isolierkörper (1, 11).

Description

Die Erfindung betrifft einen Isolierkörper zur Isolierung eines ein elektrisches Feld erzeugenden Leiters mit einem syntaktischen Schaum, der in ein Matrixmaterial eingebettete Mikrohohlelemente umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Bauteil, insbesondere für die elektrische Energietechnik, mit einem ein elektrisches Feld erzeugenden Leiter und einem derartigen Isolierkörper. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Isolierkörpers.
Verwendung finden kann die Erfindung in elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen, die einen Isolierkörper aufweisen, z. B. bei Schaltern, Kabeln, Kabelgarnituren, Motoren, Generatoren oder sonstigen Komponenten der Energie-, Fahrzeug-, Hochfrequenz- oder Medizintechnik sowie in Baugruppen aus derartigen Bauteilen.
Derartige Bauteile weisen elektrische Leiter auf, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, bestehen. Die elektrische Leitfähigkeit solcher Leiter liegt typischerweise im Bereich größer als 10⁶ S/m. Stromdurchflossene oder aufgeladene elektrische Leiter erzeugen in Ihrer Umgebung ein elektrisches Feld. Zur Isolierung elektrischer Leiter werden Isolierkörper verwendet, welche ein elektrisch isolierendes Material aufweisen. Die elektrische Leitfähigkeit derartiger elektrischer Isolatoren liegt typischerweise im Bereich kleiner als 10^–8 S/m.
Isolierkörper können auch zur Festlegung und/oder Halterung elektrischer Leiter eingesetzt werden und befinden sich im Einflussbereich des durch den Leiter erzeugten elektrischen Feldes. So ist beispielsweise aus der DE 10 2008 009 333 A1 ein elektrisches Bauteil mit als Anschlussdrähten elektronischer Bauelemente ausgebildeten elektrischen Leitern bekannt, welche durch einen Isolierkörper festgelegt werden. Der Isolierkörper weist einen syntaktischen Schaum auf, welcher ein Matrixmaterial nach Art einer Vergussmasse sowie in dem Matrixmaterial eingebettete Mikrohohlelemente umfasst. Die Abmessungen der Mikrohohlelemente liegen dabei im Bereich kleiner als 100 μm.
Die Felder elektrischer Leiter sind zumeist nicht homogen ausgebildet und weisen Bereiche hoher sowie niedriger elektrischer Feldstärke auf. Die lokale Feldstärke ist zumeist vom Abstand zum Leiter sowie von der Geometrie des Leiters abhängig. Insbesondere bei der Isolierung von solchen Leitern, an denen eine hohe elektrische Spannung anliegt, wie z. B. bei Komponenten der Energie- oder Hochspannungstechnik, können in dem Isolierkörper, an seiner Oberfläche oder in einem den Isolierkörper umgebenden Medium lokal sehr hohe elektrische Feldstärken auftreten. Dies kann zur lokalen Überschreitung der materialspezifischen Durchschlagfeldstärke oder zu lokalen Teilentladungen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Feldbelastung in dem Isolierkörper zu verbessern.
Bei einem Isolierkörper der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Mikrohohlelemente zur Beeinflussung des Felds ungleichmäßig verteilt in dem Matrixmaterial angeordnet sind.
Die Beeinflussung des elektrischen Felds durch die ungleichmäßige Anordnung der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial kann auch als Feldsteuerung bezeichnet werden. In dem Matrixmaterial werden Bereiche mit voneinander unterschiedlicher Konzentration an Mikrohohlelementen gebildet. Über die Verteilung der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial kann die Permittivität und/oder die Leitfähigkeit des Isolierkörpers lokal auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Der Verlauf der elektrischen Feldstärke ist über die Anordnung der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial einstellbar. Der Feldstärkeverlauf in dem Isolierkörper kann somit homogenisiert werden. Lokale Feldstärkemaxima können ausgeglichen und die Wahrscheinlichkeit von Teilentladungen in dem Isolierkörper verringert werden.
Das elektrische Feld eines Leiters verändert sich typischerweise mit zunehmender Entfernung von dem Leiter und weist eine positive oder negative Steigung auf. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist daher die Konzentration der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial entlang einer Raumrichtung eine, insbesondere stetige, Steigung auf. Die Raumrichtung kann der Gradienten-Richtung des Feldes entsprechen. Es kann ein Isolierkörper gebildet werden, der entlang einer Raumrichtung eine Steigung der Permittivität und/oder der elektrischen Leitfähigkeit aufweist. Somit können die Materialeigenschaften des Isolierkörpers auf das von dem elektrischen Leiter erzeugte elektrische Feld angepasst werden. Die Änderung der Konzentration der Mikrohohlelemente kann im Isolierkörper ausgehend von einem leiternahen Bereich bis hin zum gegenüberliegenden, leiterfernen Bereich ohne Vorzeichenwechsel erfolgen. Sie sollte bevorzugt kontinuierlich zunehmen oder kontinuierlich abnehmen.
Im Hinblick auf den durch die ungleichmäßige Verteilung der Mikrohohlelemente erzeugten Feldsteuerungseffekt hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Konzentration der Mikrohohlelemente in zwei verschiedenen Bereichen des Matrixmaterials einen Unterschied von zumindest 5 Prozentpunkten, bevorzugt von zumindest 30 Prozentpunkten, besonders bevorzugt von zumindest 50 Prozentpunkten, aufweist, wobei sich diese Angaben auf die Volumenkonzentration der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial beziehen. Betrachtet werden insbesondere makroskopische Bereiche, welche beispielsweise ein Volumen von mindestens 1 cm³ aufweisen. Über den Konzentrationsunterschied kann ein Unterschied der Permittivität bzw. der elektrischen Leitfähigkeit eingestellt werden. Das Matrixmaterial kann Bereiche aufweisen, in welchen keine Mikrohohlelemente enthalten sind oder die eine verschwindend geringe Konzentration der Mikrohohlelemente aufweisen. Andere Bereiche können eine hohe Konzentration der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial aufweisen.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest ein Bereich des Matrixmaterials eine Konzentration der Mikrohohlelemente von größer oder gleich 50 Volumenprozent aufweist. Durch einen derartig hohen Füllgrad der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial kann eine besonders große Beeinflussung des elektrischen Feldes ermöglicht werden.
Die in das Matrixmaterial eingebetteten Mikrohohlelemente weisen einen mit Luft oder einem Gas gefüllten, hohlen Innenraum auf und können grundsätzlich von beliebiger Form sein. Bevorzugt sind die Mikrohohlelemente allerdings als Kugeln ausgebildet. Die Radien der einzelnen Kugeln können in derselben Größenordnung liegen, so dass das Volumen bzw. die Oberfläche aller Mikrohohlelemente ähnlich ist. Bevorzugt weisen die kugelförmigen Mikrohohlelemente einen Durchmesser auf, der kleiner als 1 mm ist.
Die Mikrohohlelemente können aus Glas, insbesondere aus alkaliarmen Glas, aus einem Polymer, aus einer Keramik oder aus einem anderen Material ausgebildet sein. Das Matrixmaterial kann aus einem organischen oder anorganischen Feststoff bestehen. Bevorzugt können Polymere, wie z. B. Gießharze, Silikone oder Silikongele zur Anwendung kommen. Darüber hinaus ist es auch möglich, als Matrixmaterial eine organische oder anorganische Flüssigkeit, z. B. ein Transformatoröl, vorzusehen.
Im Hinblick auf die Auswahl der Materialien haben sich insbesondere solche Kombinationen als vorteilhaft erwiesen, welche einen großen Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Bevorzugt weisen die Mikrohohlelemente eine Hülle auf, welche eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das Matrixmaterial aufweist. Durch das besser leitfähige Material der Hülle der Mikrohohlelemente kann das elektrische Feld im Innenraum der Mikrohohlelemente verringert werden. In dem die Mikrohohlelemente umgebenden Matrixmaterial kann somit eine höhere elektrische Feldstärke erzeugt werden. Wird als Matrixmaterial beispielsweise ein Epoxidharz mit einer Leitfähigkeit von 10^–16 S/m verwendet, so können die Mikrohohlelemente aus alkaliarmen Glas mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 10^–12 S/m ausgebildet sein.
Im Hinblick auf die Füllung des hohl ausgebildeten Innenraums der Mikrohohlelemente hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Mikrohohlelemente mit einem Gas gefüllt sind, welches eine geringere Permittivität als das Matrixmaterial aufweist. Das elektrische Feld kann sich in dem Innenraum des Mikrohohlelements konzentrieren, wodurch die elektrische Feldstärke in dem das Mikrohohlelement umgebendem Bereich lokal verringert wird. Die Mikrohohlelemente können beispielsweise mit Luft gefüllt sein, welche eine relative Permittivität ε_r = 1 aufweist, wobei das Matrixmaterial eine relative Permittivität ε_r > 1 aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein elektrisches Bauteil der eingangs genannten Art. Bei einem derartigen Bauteil wird zur Lösung der Aufgabe ein vorstehend beschriebener Isolierkörper verwendet.
Über die ungleichmäßig in dem Matrixmaterial des Isolierkörpers verteilt angeordneten Mikrohohlelemente kann der Verlauf des elektrischen Feldes des Leiters in dem Isolierkörper positiv beeinflusst werden.
Vorteilhaft ist dabei eine Ausgestaltung, bei der die Mikrohohlelemente derart verteilt angeordnet sind, das ein Maximum des elektrischen Feldes verringert wird. Es kann ein insgesamt homogenisierter, geglätteter Verlauf der elektrischen Feldstärke bewirkt werden. Bei einem elektrischen Gleichspannungsfeld können die Mikrohohlelemente gezielt in Bereichen hoher elektrischer Feldstärke angeordnet werden, um das elektrische Feld lokal zu verringern. Bei einem elektrischen Wechselfeld können die Mikrohohlelemente in Bereiche niedriger elektrischer Feldstärke eingebracht werden, um das elektrische Feld lokal zu erhöhen und somit Bereiche hoher Feldstärke zu entlasten.
Bei elektrischen Bauteilen, welche insbesondere mit einer Wechselspannung betrieben werden, ist es von Vorteil, wenn zur lokalen Verringerung der elektrischen Feldstärke E die Konzentration der Mikrohohlelemente in einem Bereich hoher elektrischer Feldstärke E verringert ist. Über die Verringerung der Konzentration der Mikrohohlelemente kann in dem jeweiligen Bereich eine Erhöhung der Permittivität erreicht werden. Hierbei können insbesondere solche Mikrohohlelemente Verwendung finden, welche eine geringere Permittivität als das Matrixmaterial aufweisen. In Bereichen geringer Feldstärke E kann die Konzentration der Mikrohohlelemente erhöht werden, so dass in diesen Bereichen eine Verringerung der Permittivität bewirkt wird. Somit kann die elektrische Feldstärke E in Bereichen hoher Feldstärke E reduziert und in Bereichen geringer Feldstärke E erhöht werden.
Im Hinblick auf elektrische Bauteile, welche insbesondere mit einer Gleichspannung betrieben werden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur lokalen Verringerung der elektrischen Feldstärke E die Konzentration der Mikrohohlelemente in einem Bereich hoher elektrischer Feldstärke E erhöht ist. Durch die erhöhte Konzentration von Mikrohohlelementen in einem Bereich hoher elektrischer Feldstärke E kann die Leitfähigkeit lokal erhöht werden. Die Erhöhung der Leitfähigkeit trägt lokal zu einer Verringerung des elektrischen Feldes E bei. Hierbei haben sich insbesondere solche Mikrohohlelemente bewehrt, welche eine Hülle mit einer im Vergleich zur Leitfähigkeit des Matrixmaterials erhöhten elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Es kann eine inhomogene Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit in dem Matrixmaterial eingestellt werden.
Isolierkörper können auch zur Halterung oder Befestigung elektrischer Leiter verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Matrixmaterial daher als Formteil, insbesondere nach Art eines Trichters oder eines Zylinders, ausgebildet. Das Formteil kann mittelbar oder unmittelbar mit dem elektrischen Leiter verbunden werden. Bei solchen elektrischen Bauteilen, welche mehrere Leiter aufweisen, kann das Formteil zwischen den Leitern, beispielsweise nach Art eines Abstandhalters, angeordnet werden. Trichterförmige Formteile haben sich aufgrund der einfachen Herstellung als besonders vorteilhaft erwiesen, was im Folgenden noch dargelegt werden wird.
Bei einem Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass die Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial zur Beeinflussung des Feldverlaufs ungleichmäßig verteilt angeordnet werden.
Bei der Herstellung des Matrixmaterials können die Mikrohohlelemente in unterschiedlichen Bereichen gezielt mit voneinander unterschiedlicher Konzentration eingebracht werden. Über die Verteilung der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial kann die Permittivität und/oder die Leitfähigkeit des Isolierkörpers lokal auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Der Verlauf der elektrischen Feldstärke kann somit über die Anordnung der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial gesteuert werden. Lokale Feldstärkeerhöhungen können ausgeglichen und die Wahrscheinlichkeit von Teilentladungen in dem Isolierkörper oder an dem Isolierkörper verringert werden.
Im Hinblick auf die Abläufe bei der Fertigung des Isolierkörpers hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Isolierkörper insbesondere als Formteil aus dem Matrixmaterial gegossen wird. Die Mikrohohlelemente können auf einfache Art und Weise beim Gießen oder nach dem Gießen des Isolierkörpers in das Matrixmaterial eingebracht werden.
Bevorzugt wird bei der Erstarrung des Matrixmaterials ein Konzentrationsgefälle der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial eingestellt. Beim Abkühlen des Matrixmaterials kann ein Gradient der Konzentration an Mikrohohlelementen in dem Matrixmaterial erzeugt werden.
Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn das Konzentrationsgefälle mittels einer Auftriebskraft der Mikrohohlelemente eingestellt wird. Der Isolierkörper kann derart gelagert werden, dass bei der Erstarrung des Matrixmaterials eine Auftriebskraft auf die Mikrohohlelemente wirkt. Durch die Auftriebskraft kann selbsttätig ein Konzentrationsgefälle der Mikrohohlelemente in dem Matrixmaterial eingestellt werden.
Neben den vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens können auch die im Zusammenhang mit dem Isolierkörper oder dem elektrischen Bauteil beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen zur Anwendung kommen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe trägt es ferner bei, wenn in einem Matrixmaterial eingebettete Mikrohohlelemente zur Beeinflussung des Feldverlaufs eines ein elektrisches Feld erzeugenden Leiters in einem Isolierkörper verwendet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Verwendung sind bereits im Zusammenhang mit dem Isolierkörper, dem elektrischen Bauteil oder dem Herstellungsverfahren beschrieben worden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen mittels mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. In den Zeichnungen zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Isolierkörpers in einer Schnittdarstellung;
2 den Isolierkörper aus der 1 in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung;
3 den Isolierkörper aus der 1 in perspektivischer Darstellung;
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Isolierkörpers in einer Schnittdarstellung;
5 den Isolierkörper aus der 4 in geschnittener, perspektivischer Darstellung;
6 den Isolierkörper aus der 4 in perspektivischer Darstellung;
7 ein elektrisches Bauteil mit einem Isolierkörper gemäß 1 in einer Schnittdarstellung;
8 den Verlauf der elektrischen Feldstärke E entlang des Isolierkörpers gemäß 7;
9 den Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Konzentration der Mikrohohlelemente entlang des Isolierkörpers gemäß der 7;
10 ein elektrisches Bauteil mit einem Isolierkörper gemäß 4 in einer Schnittdarstellung;
11 den Verlauf der elektrischen Feldstärke E entlang des Isolierkörpers gemäß 10; und
12 den Verlauf der Permittivität sowie der Konzentration der Mikrohohlelemente entlang des Isolierkörpers gemäß der 10.
In den 1 bis 3 ist ein Isolierkörper 1 dargestellt, welcher zur Festlegung eines elektrischen Leiters 6 in einer gasisolierten Schaltanlage verwendet werden kann. Der Isolierkörper 1 ist von trichterförmiger Gestalt und gliedert sich in drei Bereiche 1.1, 1.2 und 1.3. Der leiternahe Bereich 1.1 ist nach Art eines Hohlzylinders gestaltet und weist eine Durchführung 4 für den elektrischen Leiter 6 der Schaltanlage auf. Auf einer der Durchführung 4 gegenüberliegenden Seite ist im Bereich 1.3 eine Öffnung 5 vorgesehen, deren Durchmesser größer bemessen ist als der der Durchführung 4. Der Bereich 1.3, welcher die Öffnung 5 umgibt, ist nach Art eines Flansches ausgebildet. Zwischen der Durchführung 4 und der Öffnung 5 bzw. zwischen dem Bereich 1.1 und dem Bereich 1.3 ist der hohlkegelförmig ausgebildete Bereich 1.2 angeordnet. Die Wände des Bereichs 1.2 laufen trichterförmig auf die Durchführung 4 zu.
Der Isolierkörper 1 besteht aus einem syntaktischen Schaum, welcher aus einem Matrixmaterial 3 sowie in dem Matrixmaterial 3 eingebetteten Mikrohohlelementen 2 besteht. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Matrixmaterial 3 als Epoxidharz ausgebildet, welches eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 10^–6 S/m und eine relative Permittivität (auch: Dielektrizitätszahl) im Bereich von etwa 4 aufweist. Als Mikrohohlelemente 2 werden Mikrohohlkugeln aus alkaliarmen Glas mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 10^–12 S/m und einer relativen Permittivität von etwa 5 verwendet, welche mit Luft gefüllt sind. Gegenüber einem Isolierkörper ohne Mikrohohlelemente 2 ergibt sich ein verringertes Gewicht des Isolierkörpers 1.
Der Isolierkörper 1 des ersten schematischen Ausführungsbeispiels kann in einer gasisolierten Schaltanlage 8 Verwendung finden, welche mit einer Gleichspannung (DC) betrieben wird. Ein Ausschnitt einer derartigen Schaltanlage 8 mit einem elektrischen Leiter 6 und einem mit einem Massepotential verbundenen Erdleiter 7 ist in der 7 dargestellt. Die Leiter 6 und 7 befinden sich in einem gasdicht verschlossenen Raum 9, welcher mit einem Schutzgas, beispielsweise mit Schwefelhexafluorid (SF₆) gefüllt ist. Zwischen den Leitern 6 und 7 liegt eine Gleichspannung von mehr als 1 kV an. Zur Festlegung der Leiter 6 und 7 gegeneinander ist zwischen den Leitern 6 und 7 der Isolierkörper 1 angeordnet. Der Isolierkörper 1 steht in Kontakt sowohl mit dem Spannungsleiter 6 als auch mit dem Erdleiter 7 und befindet sich in dem zwischen den Leitern 6 und 7 ausgebildeten elektrischen Feld.
Um eine Feldsteuerung zu bewirken und somit den Verlauf des elektrischen Feldes in dem Isolierkörper 1 zu beeinflussen, sind die Mikrohohlelemente 2 in dem Matrixmaterial 3 ungleichmäßig verteilt angeordnet, siehe 1. In dem Ausführungsbeispiel sind in dem der Durchführung 4 zugewandten Bereich 1.1 vergleichsweise viele Mikrohohlelemente 2 enthalten. In dem an den Bereich 1.1 angrenzenden Bereich 1.2 ist die Konzentration der Mikrohohlelemente gegenüber dem Bereich 1.1 verringert. Der Bereich 1.3, der sich an den Bereich 1.2 anschließt, weist eine im Vergleich zu der Konzentration des Bereiches 1.2 nochmals geringere Konzentrationen an Mikrohohlelementen 2 auf.
Die Konzentration der Mikrohohlelemente nimmt im Isolierkörper 1 ausgehend von dem nahe zum das Feld erzeugenden Leiter liegenden Bereich 1.1 bis hin zu dem gegenüberliegenden, entfernt zum das Feld erzeugenden Leiter liegenden Bereich 1.3 ohne Vorzeichenwechsel kontinuierlich bis hin zu im Wesentlichen null ab. Die Abnahme der Konzentration erfolgt somit über die gesamte Isolationsstrecke.
Die Beeinflussung des elektrischen Feldes über die ungleichmäßige Anordnung der Mikrohohlelemente 2 in dem Matrixmaterial 3 wird als Feldsteuerung bezeichnet. Mithilfe der Feldsteuerung kann die Spannungsfestigkeit des Isolierkörpers 1 erhöht werden. Die nähere Wirkungsweise der Feldsteuerung durch die ungleichmäßig in dem Matrixmaterial 3 verteilten Mikrohohlelemente 2 soll im Folgenden anhand der 8 und 9 erläutert werden:
In der 8 ist der Verlauf der elektrischen Feldstärke E in Abhängigkeit von der Entfernung von dem inneren Leiter 6 der Schaltanlage 8 in der mit X bezeichneten Raumrichtung dargestellt. Die durchgezogene Linie kennzeichnet den Verlauf der elektrischen Feldstärke E₀, welcher sich bei einem Isolierkörper ergibt, bei welchem die Mikrohohlelemente 2 in dem Matrixmaterial 3 gleichmäßig vereilt angeordnet sind. Diese elektrische Feldstärke E₀ wird im Folgenden auch als fiktive Feldstärke bezeichnet. Wie der 8 ferner zu entnehmen, erreicht die fiktive Feldstärke E₀ im Abstand X_TE von dem Leiter 6 einen Wert, welcher der Teilentladungseinsatzfeldstärke E_TEE entspricht. Im Bereich X < X_TE können daher lokale Teilentladungen in dem Isolierkörper mit homogen verteilten Mikrohohlelementen 2 auftreten. Um solche Teilentladungen zu verhindern, ist er erforderlich, das Bauteil und einen Isolierkörper mit homogen verteilten Mikrohohlelementen 2 größer zu dimensionieren.
Mit der gepunkteten Linie ist in der 8 der Verlauf der elektrischen Feldstärke E dargestellt, welcher sich aufgrund der ungleichmäßigen Anordnung der Mikrohohlelemente 2 in dem Matrixmaterial 3 des Isolierkörpers 1 ergibt.
In der 9 ist die elektrische Leitfähigkeit σ entlang der Raumrichtung X aufgetragen. Die durchgezogene Linie stellt hierbei die elektrische Leitfähigkeit σ₀ in einem Isolierkörper 1 dar, welcher eine gleichmäßige Verteilung der Mikrohohlelemente 2 in dem Matrixmaterial 3 aufweist. Mit der gepunkteten Linie ist die elektrische Leitfähigkeit σ in dem erfindungsgemäßen Isolierkörper 1 mit ungleichmäßig verteilten Mikrohohlelementen 2 dargestellt. Ferner ist in der 9 die Konzentration K der Mikrohohlelemente 2 über die Raumrichtung X aufgetragen. Die Konzentration K nimmt ausgehend von dem elektrischen Leiter 6 mit einer veränderlichen Steigung stetig ab.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Mikrohohlelemente 2 derart ausgebildet, dass ihre Hülle eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das sie umgebende Matrixmaterial 3 aufweist. In solchen Bereichen, in denen eine höhere Konzentration K an Mikrohohlelementen 2 vorliegt, wird die elektrische Leitfähigkeit σ des Isolierkörpers 1 erhöht. Wie der 9 zu entnehmen, ist der Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit σ im Wesentlichen proportional zu der Konzentration K der Mikrohohlelemente 2.
Bei der Beaufschlagung des Isolierkörpers 1 mit einer Gleichspannung werden Bereiche mit geringer elektrischer Leitfähigkeit σ mit großer Feldstärke E belastet. Es ergibt sich also eine Feldverdrängung in die Bereiche geringer Leitfähigkeit σ.
Wie in der 8 dargestellt, verringert sich die elektrische Feldstärke E in dem erfindungsgemäßen Isolierkörper 1 aufgrund der erhöhten Leitfähigkeit σ in dem Bereich großer fiktiver Feldstärke E₀. Die Leitfähigkeit σ kann soweit erhöht werden, dass die elektrische Feldstärke E unter den kritischen Wert E_TEE absinkt, bei dessen Überschreiten Teilentladungen auftreten können. Das Maximum der fiktiven Feldstärke E_max1 kann für die Feldstärke in dem Isolierkörper 1 auf den geringeren Wert E_max2 reduziert werden. Wie in der 8 ferner ersichtlich, wird im Gegenzug die elektrische Feldstärke E im Vergleich zu der fiktiven Feldstärke E₀ in solchen Bereichen, die eine geringere fiktive Feldstärke E₀ aufweisen, angehoben. Es findet eine Homogenisierung des elektrischen Feldes E statt, so dass die elektrische Feldstärke E in der Raumrichtung X eine geringere Schwankung aufweist als die fiktive elektrische Feldstärke E₀.
In Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels könnte ein Matrixmaterial 3 gewählt werden, welches eine größere Leitfähigkeit als die Hülle der in dem Matrixmaterial 3 eingebetteten Mikrohohlelemente 2 aufweist. Um einen vergleichbaren Feldsteuerungseffekt zu erzielen und die Wahrscheinlichkeit von Teilentladungen gering zu halten, müsste in diesem Fall die Konzentration K jedoch in der Raumrichtung X einen Anstieg aufweisen.
In ähnlicher Weise kann der Feldverlauf auch in solchen elektrischen Bauteilen beeinflusst werden, welche mit einer Wechselspannung betrieben werden. Dies soll im Folgenden anhand der Darstellungen in der 4–6 und 10–12 des zweiten Ausführungsbeispiels erläutert werden:
Der in der 4–6 dargestellte Isolierkörper 11 weist eine dem aus dem ersten Ausführungsbeispiel bekanten Isolierkörper 1 gleichende förmliche äußere Ausgestaltung auf. Im Unterschied zu dem Isolierkörper 1 sind die Mikrohohlelemente 12 in dem Matrixmaterial 13 jedoch derart angeordnet, das sich im Bereich 11.1 nahe der Öffnung 15 eine erhöhte Konzentration an Mikrohohlelementen 12 ergibt und die Konzentration der Mikrohohlelemente 12 in dem Matrixmaterial 13 in dem Bereich 11.2, welcher sich zwischen der Öffnung 15 und der Durchführung 14 erstreckt, im Vergleich zu der Konzentration in dem Bereich 11.1 verringert ist. Die Konzentration der Mikrohohlelemente 12 in dem Bereich 11.3, welcher sich nahe der Durchführung 14 befindet, ist nochmals kleiner als die Konzentration der Mikrohohlelemente 12 in dem Bereich 11.2.
Darüber hinaus sind die Mikrohohlelemente 12 des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Gas gefüllt, welches eine geringere relative Permittivität ε_r als das Matrixmaterial 13 aufweist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die Mikrohohlelemente 12 mit Luft mit einer relativen Permittivität von ungefähr 1 gefüllt. Das Matrixmaterial 13 ist ein Epoxidharz mit einer relativen Permittivität ε_r im Bereich größer 1.
Wie ferner der Darstellung in der 10 zu entnehmen, ist der Isolierkörper 11 als Stützisolator in einer gasisolierten Wechselspannungsschaltanlage 18 eingebaut. Der Stützisolator 11 befindet sich in dem elektrischen Wechselfeld zwischen dem Hochspannungsleiter 16 und dem Erdpotentialleiter 17. Der Gasraum 19 zwischen den Leitern 16 und 17 ist mit Schwefelhexafluorid gefüllt. Zwischen den Leitern 16 und 17 liegt eine Wechselspannung (AC) von mehr als 1 kV an.
Der Verlauf der elektrischen Feldstärke E in Abhängigkeit von der Entfernung von dem inneren Leiter 16 der Schaltanlage 18 in der mit X bezeichneten Raumrichtung ist in der 11 dargestellt. Die durchgezogene Linie bezeichnet den Verlauf der fiktiven elektrischen Feldstärke E₀, welcher sich bei einem Isolierkörper 11 ergibt, bei welchem die Mikrohohlelemente 12 in dem Matrixmaterial 13 gleichmäßig vereilt angeordnet sind. Wie der 11 ferner zu entnehmen, erreicht die fiktive Feldstärke E₀ im Abstand X_TE von dem Leiter 16 einen Wert, welcher der Teilentladungseinsatzfeldstärke E_TEE entspricht. Im Bereich X < X_TE können daher lokale Teilentladungen in dem Isolierkörper mit homogen verteilten Mikrohohlelementen 2 auftreten.
Mit der gepunkteten Linie ist in der 11 der Verlauf der elektrischen Feldstärke E dargestellt, welcher sich aufgrund der ungleichmäßigen Anordnung der Mikrohohlelemente 12 in dem Matrixmaterial 13 des Isolierkörpers 11 ergibt.
Die 12 zeigt den Verlauf der relativen Permittivität ε_r in der Raumrichtung X. Hierbei ist mit einer durchgezogenen Linie der Verlauf der relativen Permittivität ε_r0 dargestellt, welcher sich bei einem Isolierkörper 11 ergibt, welcher gleichmäßig in dem Matrixmaterial 13 verteilte Mikrohohlelemente 12 aufweist. Mit der gepunkteten Linie ist der Verlauf der relativen Permittivität ε_r in dem erfindungsgemäßen Isolierkörper 11 bezeichnet, in welchem die Konzentration K der Mikrohohlelemente 12 in dem Matrixmaterial 13 in Abhängigkeit von der Entfernung von dem elektrischen Leiter 16 steigt. Die Konzentration K der Mikrohohlelemente 12 ist in der 12 mit einer gestrichelten Linie dargestellt.
Zur Verringerung des elektrischen Feldes E nahe dem Leiter 16 ist die Konzentration K der Mikrohohlelemente 12 im Bereich des Leiters 16 reduziert. Im Vergleich zu den übrigen Bereichen des Isolierkörpers 11 ergibt sich eine erhöhte relative Permittivität ε_r des syntaktischen Schaums, welcher aus dem Matrixmaterial 13 und den Mikrohohlelementen 12 gebildet ist. Die Feldbelastung wird aufgrund der erhöhten relativen Permittivität ε_r verringert. Das Feld wird in Bereiche mit geringerer relativer Permittivität ε_r verdrängt.
Abschließend soll ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Isolierkörper 1, 11 erläutert werden, bei welchem die Mikrohohlelemente 2, 12 in den Materixmaterialen 3, 13 zur Beeinflussung des Feldverlaufs ungleichmäßig verteilt angeordnet werden.
Das Formteil 1, 11 wird durch Gießen hergestellt. Hierbei wird das Matrixmaterial 3, 13 zunächst verflüssigt und dann in eine Gussform eingebracht. Während des Einbringens des flüssigen Matrixmaterials 3, 13 können auch die Mikrohohlelemente 2, 12 in die Gussform eingebracht werden. Alternativ ist es auch möglich, die Mikrohohlelemente 2, 12 kurz nach dem Einfüllen des Matrixmaterials 3, 13 in die Gussform einzubringen.
In einem weiteren Verfahrenschritt wird die Gussform mit dem eingefüllten Matrixmaterial 3, 13 und den Mikrohohlelementen 2, 12, wie in der 1 bzw. der 4 dargestellt, während einer vorgegebenen Ruhezeit gelagert. Während der Lagerung des Isolierkörpers 1, 11 erstarrt das Matrixmaterial 3, 13. Während des Erstarrens findet eine Entmischung der Mikrohohlelemente 2, 12 und des Matrixmaterials 3, 13 statt. Es kommt zu einer Sedimentierung des Matrixmaterials 3, 13. Die Mikrohohlelemente 2, 12 werden durch eine Auftriebskraft, welche im Wesentlichen in der mit A bezeichneten Richtung wirkt, entgegen der Schwerkraft, welche im Wesentlichen in der mit G bezeichneten Richtung wirkt, in dem Matrixmaterial 3, 13 bewegt.
Aufgrund der Auftriebskraft stellt sich ein Konzentrationsgefälle der Mikrohohlelemente 2, 12 entlang des Isolierkörpers 1, 11 ein. Das Konzentrationsgefälle kann über die Dauer der Ruhezeit beim Erstarren, sowie durch die Viskosität des Matrixmaterials 3, 13 eingestellt werden. Ferner kann das Konzentrationsgefälle über die Temperatur, den Druck oder Rotationskräfte beeinflusst werden.
In den vorstehend dargestellten Ausführungsbeispielen liegt die Konzentration der Mikrohohlelemente 2, 12 in dem Matrixmaterial 3, 13 in allen Bereichen 1.1–1.3 und 11.1–11.3 unterhalb von 65 Volumenprozent. Um einen möglichst großen Feldsteuerungseffekt zu erzielen, wird die Konzentration in den Bereichen 11.1 und 1.1 auf größer oder gleich 50 Volumenprozent eingestellt. Der Konzentrationsunterschied zwischen dem Bereich 1.1 und dem Bereich 1.3 bzw. dem Bereich 11.1 und dem Bereich 11.3 beträgt zumindest 5 Prozentpunkte, bevorzugt zumindest 30 Prozentpunkte, besonders bevorzugt zumindest 50 Prozentpunkte.
Über die ungleichmäßige Verteilung der Mikrohohlelemente 2, 12 in den Matrixmaterialien 3 und 13 kann der Feldverlauf in den Isolierkörpern 1 und 11 beeinflusst werden. Über die Verteilung der Mikrohohlelemente 2, 12 in dem jeweiligen Matrixmaterial 3, 13 kann die Permittivität und/oder die Leitfähigkeit des Isolierkörpers 1, 11 lokal auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Der Feldstärkeverlauf in dem Isolierkörper 1, 11 kann somit homogenisiert werden. Lokale Feldstärkemaxima können ausgeglichen und die Wahrscheinlichkeit von Teilentladungen in dem Isolierkörper 1, 11 verringert werden.
Bezugszeichenliste

1: Isolierkörper
1.1: Bereich
1.2: Bereich
1.3: Bereich
2: Mikrohohlelement
3: Matrixmaterial
4: Durchführung
5: Öffnung
6: Leiter
7: Erdleiter
8: Bauteil einer Gleichspannungsschaltanlage
9: Gasraum
11: Isolierkörper
11.1: Bereich
11.2: Bereich
11.3: Bereich
12: Mikrohohlelement
13: Matrixmaterial
14: Durchführung
15: Öffnung
16: Leiter
17: Erdleiter
18: Bauteil einer Wechselspannungsschaltanlage
19: Gasraum
A, G, X: Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008009333 A1 [0004]

Claims

Isolierkörper zur Isolierung eines ein elektrisches Feld erzeugenden Leiters (6, 16) mit einem syntaktischen Schaum, der in ein Matrixmaterial (3, 13) eingebettete Mikrohohlelemente (2, 12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrohohlelemente (2, 12) zur Beeinflussung des Felds ungleichmäßig verteilt in dem Matrixmaterial (3, 13) angeordnet sind.
Isolierkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Mikrohohlelemente (2, 12) in dem Matrixmaterial (3, 13) entlang einer Raumrichtung (X) eine Steigung aufweist.
Isolierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Mikrohohlelemente (2, 12) in zwei verschiedenen Bereichen (1.1, 1.3; 11.1, 11.3) des Matrixmaterials (3, 13) einen Unterschied von zumindest 5 Prozentpunkten, bevorzugt von zumindest 30 Prozentpunkten, besonders bevorzugt von zumindest 50 Prozentpunkten, aufweist.
Isolierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen Bereich (1.1, 11.1) des Matrixmaterials (3, 13), der eine Konzentration der Mikrohohlelemente (2, 12) in dem Matrixmaterial (3, 13) von größer oder gleich 50 Volumenprozent aufweist.
Isolierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrohohlelemente (2, 12) eine Hülle aufweisen, welche eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das Matrixmaterial (3, 13) aufweist.
Isolierkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrohohlelemente (2, 12) mit einem Gas gefüllt sind, welches eine geringere Permittivität als das Matrixmaterial (3, 13) aufweist.
Elektrisches Bauteil, insbesondere für die Energietechnik, mit einem ein elektrisches Feld erzeugenden Leiter (6, 16) und einem Isolierkörper (1, 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrohohlelemente (2, 12) derart verteilt angeordnet sind, dass ein Maximum des elektrischen Feldes verringert wird.
Elektrisches Bauteil, insbesondere zum Betrieb mit einer Wechselspannung, nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur lokalen Verringerung der elektrischen Feldstärke die Konzentration der Mikrohohlelemente (12) in einem Bereich hoher elektrischer Feldstärke verringert ist.
Elektrisches Bauteil, insbesondere zum Betrieb mit einer Gleichspannung, nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur lokalen Verringerung der elektrischen Feldstärke die Konzentration der Mikrohohlelemente (2) in einem Bereich hoher elektrischer Feldstärke erhöht ist.
Verfahren zur Herstellung eines Isolierkörpers (1, 11) zur Isolierung eines ein elektrisches Feld erzeugenden Leiters (6, 16) mit einem syntaktischen Schaum, der in ein Matrixmaterial (3, 13) eingebettete Mikrohohlelemente (2, 12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrohohlelemente (2, 12) in dem Matrixmaterial (3, 13) zur Beeinflussung des Feldverlaufs ungleichmäßig verteilt angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper als Formteil aus dem Matrixmaterial (3, 13) gegossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstarrung des Matrixmaterials (3, 13) ein Konzentrationsgefälle der Mikrohohlelemente (2, 12) in dem Matrixmaterial (3, 13) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Konzentrationsgefälle mittels einer Auftriebskraft der Mikrohohlelemente (2, 12) eingestellt wird.
Verwendung von in einem Matrixmaterial (3, 13) eingebetteten Mikrohohlelementen (2, 12) zur Beeinflussung des von einem elektrischen Leiter (6, 16) erzeugten Felds in einem Isolierkörper (1, 11).