DE29880161U1 - Isolierter elektrischer Leiter - Google Patents
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Description
PCT/EP98/07725 ·> 05.05.2000
WO 99/29018 * &igr; 22934 G/Pi
2x/dpctgm;f005n
ABB AB
S-721 83 Västeras/Schweden
S-721 83 Västeras/Schweden
Isolierter elektrischer Leiter
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen isolierten elektrischen Leiter. Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf einen isolierten Leiter zur Verwendung in Hochspannungswicklungen, welcher Leiter eine äußere Schicht aus leitendem oder zumindest halbleitendem Material hat, die zu Erdungszwecken kontaktiert ist. Der Leiter ist bestimmt für große Motoren, Generatoren und Transformatoren für Spannungen von mehr als 10 kv, insbesondere von mehr als 36 kv und vorzugsweise von mehr als 72,5 kV bis zu sehr hohen Übertragungsspannungen von beispielsweise 400 kV bis 800 kV oder höher.
Ein besonderer Leiter, der im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann, ist in Figur 1 im Querschnitt gezeigt. Der Leiter 10 enthält Einzelleiter 12 (Litze), beispielsweise aus Kupfer, von denen die Mehrheit isoliert ist. Der Leiter ist von einer ersten leitenden Schicht 14 umgeben. Eine Isolationsschicht 16, zum Beispiel aus vernetzten! Polyethylen (XLPE), umgibt die erste leitende Schicht 14 und ist ihrerseits von einer zweiten leitenden Schicht 18 umgeben.
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05.05.2000 22934 G/Pi
Während die Schichten 14, 18 als "leitend" beschrieben sind, bestehen sie in der Praxis aus einem Basispolymer, welches mit Ruß oder metallischen Partikeln gemischt ist. Die Schichten haben einen spezifischen Durchgangswiderstand zwischen 1 und 105 Ohm·cm, vorzugsweise zwischen 10 und 500 Ohm·cm. Zu geeigneten Basispolymeren für die Schichten 14, 18 (und für die Schicht 16) gehören Ethylen-Vinyl-Acetat-Copolymer/Nitrilgummi, butyl-aufgepropftes Polyethylen, Ethylen-Butyl-Acrylat-Copolymer, Ethylen-Ethyl-Akrylat-Copolymer, Ethylen-Propengummi, Polyethylene geringer Dichte, Polybutylen, Polymethyl-Penten und Ethylen-Acrylat-Copolymer.
Die erste leitende Schicht 14 ist fest mit der Isolationsschicht 16 über die gesamte angrenzende Fläche verbunden. In gleicher oder ähnlicher Weise ist die zweite leitende Schicht 18 fest mit der Isolationsschicht 16 über die gesamte angrenzende Fläche verbunden. Die Schichten 14 bis 18 bilden ein festes Isolationssystem und werden zweckmäßigerweise zusammen um das Paket aus Einzelleitern 12 extrudiert.
Obwohl die spezifische elektrische Leitfähigkeit der ersten leitenden Schicht 14 kleiner ist als die spezifische elektrische Leitfähigkeit der elektrisch leitenden Einzelleiter 12, ist die spezifische elektrische Leitfähigkeit noch ausreichend, um das Potential über die Oberfläche der ersten leitenden Schicht auszugleichen. Folglich ist das elektrische Feld gleichmäßig über den Umfang der Isolationsschicht 16 verteilt, so daß die Gefahr lokaler Feldkonzentrationen und Glimmentladungen minimiert ist.
Das Potential der zweiten leitenden Schicht 18 j. welches Null betragen sollte oder gleich dem Erdpotential sein sollte, wird auf diesen Wert durch die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Schicht ausgeglichen. Gleichzeitig hat die leitende Schicht 18 einen ausreichenden spezifischen Wider-
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stand, um das elektrische Feld einzuschließen. Mit Rücksicht auf diesen spezifischen Widerstand ist es wünschenswert, die leitende polymere Schicht in Abständen in ihrer Längsrichtung zu erden.
Ein Problem bei der Herstellung eines elektrischen Kontaktes mit Polymerschichten besteht darin, daß diese sich bei Benutzung, bedingt durch ihren hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, ausdehnen und daß das Material unter mechanischer Belastung auch kriecht.
Es ist ein Ziel der Erfindung, die zweite leitende Schicht durch Anbringung einer geeigneten Kontaktvorrichtung im wesentlichen auf Erdpotential zu halten.
Entsprechend sieht die vorliegende Erfindung einen elektrisehen Leiter für Hochspannungswicklungen vor mit einer zentralen Leiteranordnung und einer äußeren halbleitenden Schicht, welcher Leiter dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eine Kontaktvorrichtung die äußere Schicht kontaktiert, wobei die mindestens eine Kontaktvorrichtung ein elastisches metallisches Federglied enthält.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die zentrale Leiteranordnung einen einzigen Leiter oder mehrere Einzelleiter aus Draht, und die Leiteranordnung ist ihrerseits von einer inneren Schicht umgeben, die eine geringere spezifisehe elektrische Leitfähigkeit hat als der Draht, welche Schicht ihrerseits von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist, die ihrerseits von der äußeren Schicht umgeben ist, die vorzugsweise eine höhere spezifische elektrische Leitfähigkeit hat als die Isolationsschicht.
Vorzugsweise besteht das Federglied aus einem mit einem Überzug versehenen Metall. Das Material des Überzugs kann
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ein Edelmetall sein, wie zum Beispiel Silber, Gold oder PIatin, um der Korrossion zu widerstehen. Das mit einem Überzug versehenen Metall kann jedes Metal oder jede Legierung mit einer geeigneter Zugfestigkeit sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gehört zu dem Federglied eine Schraubenfeder, welche die äußere Schicht
einer oder mehrerer Leiter derart umgibt, daß in dem Federglied eine Spannung entsteht, durch welche die Feder gegen ,--,. die äußere Schicht gedrückt wird. Zweckmäßigerweise bildet das Federglied bei dieser Ausführungsform eine endlose Schleife.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Federglied langgestreckt, und es ist eine Einrichtung vorgesehen, durch welche das Federglied gegen die äußere Schicht gedrückt wird.
Vorzugsweise besteht die äußere Schicht des Leiters aus einem Polymer, das mit Ruß gemischt ist. Eine Vielzahl von Kontaktvorrichtungen kann in Abständen längs des Leiters für Erdungszwecke vorgesehen sein.
Die Kontaktvorrichtung gemäß der Erfindung stellt eine große Kontaktfläche mit der äußeren Schicht des Leiters her und vermeidet daher lokale Erhitzungen der Schicht. Da die Vorrichtung elastisch ist, bleibt die Kontaktkraft zwischen der Vorrichtung und dem Leiter während der gesamten Lebensdauer des Leiters erhalten trotz thermischer Ausdehnung und Zusammenziehung des Leiters, die durch ohmsche Verluste bedingt auftreten, und die Vorrichtung wird mitgenommen, wenn die äußere Schicht gegenüber der zentralen Leiteranordnung kriecht.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, in denen
Figur 1 eine Querschnittsansicht eines Leiters gemäß der Erfindung zeigt, jedoch nicht die Kontaktvorrichtung,
Figur 2 eine Seitenansicht einer Kontaktvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt,
Figur 3 die Kontaktvorrichtung der Figur 2 im auf dem Leiter montierten Zustand zeigt,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht geerdeter Leiter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer Kontaktvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
und
Figur 6 die Kontaktvorrichtung der Figur 5 im auf einem Leiter montierten Zustand zeigt.
Figur 2 zeigt eine Kontaktvorrichtung 20 in Gestalt einer endlosen im allgemeinen kreisförmigen Schleife eines schraubenförmig gewickelten Drahtes. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Vorrichtung 20 aus einer Kupferlegierung, die mit Silber überzogen ist.
Figur 3 zeigt die Vorrichtung 20 im montierten Zustand auf dem Leiter 10. Der innere Durchmesser der Kontaktvorrichtung 20 ist im unbelasteten Zustand kleiner als der äußere Durchmesser des Leiters 10. Wenn daher die Kontaktvorrichtung 20 um den Leiter angebracht ist, ist sie derart gespannt, daß sie die äußere Schicht 18 des Leiters mit jeder Windung der Schraubenfeder innig kontaktiert. Hierdurch wird ein guter
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elektrischer Kontakt zwischen der äußeren Schicht 18 und der Kontaktvorrichtung 20 sichergestellt. Ein Erdungsdraht 22, dessen eines Ende an die Erdungsvorrichtung angelötet oder in andere Weise an ihr kontaktbildend befestigt ist, ist mit seinem anderen Ende an Erde angeschlossen.
Figur 4 zeigt eine alternative Kontaktvorrichtung 30 in Gestalt einer langgestreckten Schraubenfeder. Diese Ausführung ist geeignet zur Erdung einer Anzahl von Windungen 32 eines zur Spule gewickelten Leiters, beispielsweise in einer rotierenden Maschine oder in einem Transformator. Die Vorrichtung 30 steht unter Anpreßdruck zwischen einem flachen Glied 34, welches ein Teil eines Gehäuses sein kann, und den Leiterwindungen 32. Die Vorrichtung 30 besteht zweckmäßigerweise aus einer silberüberzogenen Kupfer-Berilliumlegierung.
Figur 5 zeigt eine andere alternative Kontaktvorrichtung 40 in Gestalt einer "Uhrfeder" (Spirale). Die Kontaktvorrichtung 40 hat im ungespannten Zustand einen inneren Durchmesser, der kleiner ist als der äußere Durchmesser des Leiters 10.
Figur 6 zeigt die Vorrichtung 40 in ihrem auf dem Leiter 10 montierten Zustand, der entweder erreicht werden kann durch Wickeln der Vorrichtung 40 um den Leiter oder durch Aufschieben über das Ende des Leiters. Um den elektrischen Kontakt zwischen der Vorrichtung 40 und der äußeren Schicht zu verbessern, sollte letztere vor Aufbringung der Kontaktvorrichtung 40 mit einer Silberfarbe bestrichen werden. Der Erdungsdraht 42 ist zwischen zwei benachbarte Windungen der Kontaktvorrichtung 40 in einer besonders praktischen Weise eingefaltet. Diese Ausführungsform der Kontaktvorrichtung erfordert wenig Raum und kann auf dem Leiter (bei dem es sich um einen Supraleiter handeln kann) unabhängig von anderen Konstruktionselementen aufgebracht werden.
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Die elektrische Isolation eines elektrischen Leiters gemäß der Erfindung ist für sehr hohe Spannungen, zum Beispiel bis zu 800 kv und höher, bestimmt und ist imstande, den bei diesen Spannungen auftreten elektrischen und thermischen Belastungen standzuhalten. Beispielsweise können die elektrisehen Leiter gemäß der Erfindung für Wicklungen von Leistungstranformatoren verwendet werden, die eine Leistung von einigen hundert kVA und darüber hinaus bis über 1000 MVA haben bei Nennspannungen von 3 bis 4 kV bis zu sehr hohen Übertragungsspannungen von 400 bis 800 kV und mehr. Bei hohen Betriebsspannungen bilden Glimmentladungen oder PD (PD = partial discharge) bei bekannte Isolationssysteme ein ernstes Problem. Wenn in der Isalation Hohlräume oder Poren vorhanden sind, können innere Glimmentladungen auftreten, durch die das Isolationsmaterial allmählich erodiert wird und es schließlich zu Durchschlägen durch die Isolation kommt. Die elektrische Belastung der elektrischen Isolation, die bei einem elektrischen Leiter gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist dadurch vermindert, daß sichergestellt ist, daß die innere Schicht aus (halb)leitendem Material des Isolationssystems im wesentlichen auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Leiter der zentralen Leiteranordnung liegt, die von der inneren Schicht umgeben ist, und die (halb)leitende äußere Schicht auf einem kontrollierten (gesteuerten) Potential liegt, wie zum Beispiel dem Erdpotential. Dadurch ist das elektrische Feld in der elektrisch isolierenden Schicht zwischen der inneren und äußeren Schicht im wesentlichen gleichmäßig über die Dicke der Zwischenschicht verteilt. Durch Verwendung von Materialien mit gleichen oder ähnlichen thermischen Eigenschaften und mit geringen Defekten in den Schichten des Isolationssystems wird die Möglichkeit von Glimmentladungen bei gegebener Betriebsspannung reduziert. Der elektrische Leiter kann somit zur Bewältigung sehr hoher Betriebsspannungen, typischerweise
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Claims (16)
1. Elektrischer Leiter, vorzugsweise für Hochspannungswicklungen, mit einer zentralen Leiteranordnung und einer äußeren halbleitenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kontaktvorrichtung die äußere Schicht (18) kontaktiert, wobei die mindestens eine Kontaktvorrichtung ein elastisches metallisches Federglied (20, 30, 40) enthält.
2. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Leiteranordnung aus einem einzigen Leiter oder mehreren Einzelleitern (12) aus Draht besteht, welche Leiteranordnung nacheinander umgeben ist von einer inneren Schicht (14), die eine geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit als der genannte Draht hat, dann von einer elektrischen Isolationsschicht (16) und dann von der äußeren halbleitenden Schicht (18).
3. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht mindestens ein Polymer ist, Ruß enthält und einen spezifischen Durchgangswiderstand zwischen 1 und 105 Ohm.cm hat.
4. Leiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der äußeren halbleitenden Schicht zwischen 10 und 500 Ohm.cm liegt.
5. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federglied die äußere Schicht (18) des Leiters (10) derart umgibt, daß in dem Federglied Spannung entsteht, um das Federglied gegen die äußere Schicht zu drücken.
6. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (10) zu einer Vielzahl von Windungen gewickelt ist und das Federglied (30) in Kontakt mit den genannten Windungen gedrückt ist.
7. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federglied (20,30) eine Schraubenfeder enthält.
8. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Federglied die Gestalt einer Spiralfeder (40) hat.
9. Leiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Erdungsdraht (42) zwischen mindestens zwei Windungen der Spiralfeder (40) eingefaltet ist.
10. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federglied (20) eine endlose Schleife bildet.
11. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kontaktvorrichtungen vorhanden ist, die längs des Leiters (10) mit Abstand voneinander angebracht sind.
12. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Federglied aus einem überzogenen Metall besteht.
13. Leiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus Silber, Gold oder Platin besteht.
14. Leiter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das überzogene Metall Kupfer oder eine Kupferlegierung ist.
15. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Anordnung und die äußere halbleitende Schicht (18) für hohe Spannungen ausgelegt sind, zweckmäßigerweise für über 10 kV, insbesondere für über 36 kV und vorzugsweise für mehr als 72,5 kV und für sehr hohe Übertragungsspannungen, wie zum Beispiel von 400 kV bis 800 kV und höher.
16. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Anordnung und die äußere halbleitende Schicht (18) für einen Leistungsbereich von über 0,5 MVA, vorzugsweise von über 30 MVA und bis zu 1000 MVA ausgelegt sind.
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