Hochspannungsdurchführung und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsdurchführung mit ei nem Isolierkörper und einem durch den Isolierkörper hindurch geführten Innenleiter, wobei der Isolierkörper Isolierlagen aus einem synthetischen Material umfasst.

Eine Hochspannungsdurchführung ist auf ein Isolieren von Spannungen oberhalb von 1 kv, bevorzugt oberhalb von 100 kV ausgelegt. Im Allgemeinen hat eine solche Hochspannungsdurch führung die Aufgabe, den im Betrieb auf einem Hochspannungs potential liegenden Innenleiter der Hochspannungsdurchführung von einer auf Erdpotential befindlichen Umgebung, beispiels weise einer Wandung der Hochspannungsanlage oder einer Kes selwand eines Transformators, elektrisch zu isolieren.

Eine artgemäße Hochspannungsdurchführung ist aus der WO 2019/011426 Al bekannt. Die Isolierlagen der bekannten Hoch spannungsdurchführung weisen ein textiles Flächengebilde auf, das beispielsweise ein Vliesstoff ist. Der Vliesstoff ist aus Fasern oder Filamenten einer beliebigen, insbesondere endli chen Länge oder aus sogenannten Endlosfilamenten zusammenge setzt. Der Vliesstoff kann beispielsweise ein synthetischer Kunststoff-Vliesstoff sein. Ein Kunststoff-Vliesstoff zeich net sich dabei durch Kunststofffasern aus, die das Vliesmate rial ausbilden.

Üblicherweise werden die Isolierlagen aus dem synthetischen Material auf einen Wickelkern, beispielsweise den Innenlei ter, aufgewickelt und anschließend mit einem Harz impräg niert. Auf diese Weise entsteht ein Wickelkörper, der durch das Harz für den Betrieb bei Hochspannung ausreichend gute mechanische und isolierende Eigenschaften aufweist. Ein lü ckenfreies Imprägnieren ist für einen zuverlässigen Betrieb der Hochspannungsdurchführung hoch relevant. Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine artgemäße Hochspan nungsdurchführung vorzuschlagen, die möglichst zuverlässig ist.

Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Hochspannungsdurchfüh rung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Isolierlagen zur Ausbildung von Hohlräumen zwischen benachbarten Isolier lagen jeweils eine Faltstruktur aufweisen. Vorzugsweise wei sen die Isolierlagen jeweils eine Faltstruktur mit einer aus geprägten Faltrichtung auf, wobei aufeinander direkt auflie gende Isolierlagen gegenübereinander unterschiedliche Falt richtungen aufweisen. Demgemäß liegen die Isolierlagen nicht als im Wesentlichen ebenflächiges Flächengebilde vor, sondern weisen eine (unregelmäßige) Faltstruktur auf, die sinngemäß auch als Kreppstruktur bezeichnet werden kann. Die Faltstruk tur ist dabei nicht völlig beliebig, sondern weist eine ge prägte Faltrichtung auf. Diese Faltrichtung ist dadurch aus geprägt bzw. ausgezeichnet, dass entlang dieser ausgeprägten Faltrichtung die Faltstruktur längliche Einbuchtungen auf weist, die dazu geeignet sind, Durchgangskanäle entlang der Oberfläche der Isolierlage zumindest teilweise zu begrenzen. Jede Isolierlage weist dabei geeigneter Weise nur eine ausge prägte Richtung auf. Das bedeutet beispielsweise, dass die auf diese Weise ausgebildeten Einbuchtungen oder Kanäle (die auch als Falten bezeichnet werden können) in etwa parallel zueinander verlaufen. Die Parallelität der Kanäle kann in diesem Zusammenhang dabei selbstredend nicht exakt verstanden werden, weil material- und herstellungsbedingt an sich Unre gelmäßigkeiten aufweist. Dennoch ist im Rahmen der Erfindung eine Richtung als ausgeprägt bzw. ausgezeichnet anzunehmen, wenn für den Fachmann eine Richtung entlang der Oberfläche der Isolierlage in der Faltstruktur erkennbar in dem zuvor beschriebenen Sinne ausgeprägt bzw. ausgezeichnet ist.

Die Isolierlagen sind geeigneter Weise im Isolierkörper (in Radialrichtung) übereinandergelegt bzw. angeordnet. Die radi al benachbarten Isolierlagen sind dabei derart angeordnet, dass sie unterschiedliche Faltrichtungen aufweisen. Damit kann erreicht werden, dass die in der Faltstruktur ausgebil deten wiederholten Einbuchtungen bzw. Kanäle sich nicht inei- nanderlegen, sondern die Kanäle der aufeinander gelegten Iso lierlagen in Zusammenwirkung Kanäle und zwischen den Isolier lagen eingeschlossene Hohlräume ausbilden.

Ein Vorteil der Erfindung ist der Umstand, dass die ausgebil deten Kanäle und Hohlräume einen besseren Durchfluss eines Harzes bei der Imprägnierung erlauben. Dies wiederum erlaubt eine verbesserte Imprägnierung im Sinne einer Vermeidung von Lufteinschlüssen, da das Harz während der Imprägnierung sich innerhalb des Isolierkörpers besser verteilen kann. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit der Hochspannungsdurchführung verbessert werden. Zudem ist durch die erfindungsgemäße Hoch spannungsdurchführung die Verwendung anderer Imprägnierstoffe ermöglicht. Insbesondere solcher, die aufgrund ihrer Bestand teile bzw. derer physikalischer Eigenschaften bei ebenflä chenartigen Isolierlagen den Isolierkörper nicht ausreichend durchsetzen können. Beispiele für solche Materialien sind ge füllte Harzsysteme.

Bevorzugt ist das synthetische Material ein synthetischer Kunststoff, besonders bevorzugt ein synthetisches Vlies. Die se Stoffe haben sich insbesondere bezüglich ihrer Isolations eigenschaften als besonders vorteilhaft erwiesen. Vorzugswei se weist der Vliesstoff ein synthetisches Polymer auf. Das synthetische Polymer kann beispielsweise ein Polyester, be sonders bevorzugt Polyethylenterephthalat (PET), sein. Syn thetische Polymere sind apolar und somit feuchtigkeitsabwei send.

Die Isolierlagen sind zweckmäßigerweise konzentrisch oder spiralförmig um den Innenleiter unter Ausbildung eines Wi ckelkörpers gewickelt. Es ist hierbei anzumerken, dass die Isolierlagen nicht direkt auf den Innenleiter aufgewickelt sein müssen. Es kann vielmehr auch ein rohrförmiger Wickel träger vorgesehen sein, in dessen Inneren der Innenleiter an- geordnet ist. Mit dem Wickelkörper ist ein besonders kosten günstig hergestellter und zuverlässiger Isolierkörper bereit gestellt.

Die Faltrichtungen der Isolierlagen sind geeigneter Weise di agonal zu einer Wickelrichtung des Wickelkörpers. Demnach be trägt ein Winkel zwischen den Faltrichtungen zweier aufeinan der liegenden Isolierlagen geeigneter Weise zwischen 30 Grad und 60 Grad. In einer solchen Konstellation sind die Hohlräu me und Kanäle zwischen den Isolierlagen in vorteilhafter Wei se besonders gut ausgeprägt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Iso lierkörper leitende Steuereinlagen zur Feldsteuerung, insbe sondere kapazitiver Feldsteuerung. Die Steuereinlagen dienen dabei zur kapazitiven Feldsteuerung des elektrischen Feldes der Hochspannungsdurchführung in deren Betrieb. Damit ergibt sich also eine weitere Verbesserung der elektrischen Eigen schaften der Hochspannungsdurchführung. Die Steuereinlagen sind um den Innenleiter konzentrisch zueinander angeordnet. Sie können beispielsweise als Folien aus Aluminium herge stellt sein.

Wie bereits zuvor ausgeführt, treten die Vorteile der Erfin dung dann besonders deutlich hervor, wenn Isolierkörper mit einem Harz imprägniert ist. Entsprechend geeignete Harze sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.

Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das Harz einen Füllstoff umfasst. Der Füllstoff kann insbesondere aus Feststoff-Partikeln bzw. Teilchen bestehen. Der Einsatz des Füllstoffes beeinflusst vorteilhaft die physikalischen Eigen schaften des Isoliersystems der Hochspannungsdurchführung und schafft zudem eine deutliche Kostenverbesserung im Vergleich zu füllstofffreien Systemen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Hochspan nungsdurchführung auf Isolierung einer Betriebsspannung von mehr als 100 kV ausgelegt. Dazu weist die Hochspannungsdurch führung insbesondere eine Länge von mehr als 5 m auf. Bei derart groß und massiv ausgebildeten Hochspannungsdurchfüh rungen ist der Einsatz von Füllstoffen besonders vorteilhaft, weil er eine hohe mechanische, thermische und elektrische Stabilität unterstützt bzw. gewährleistet.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Hochspannungsdurchführung.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Verfahren anzu geben, dass möglichst kostengünstig ist und die Herstellung einer möglichst zuverlässigen Hochspannungsdurchführung er möglicht.

Die Aufgabe wird bei dem artgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Isolierlagen aus einem synthetischen Kunststoff jeweils mit einer Faltstruktur, vorzugsweise mit einer ausgeprägten Faltrichtung versehen werden, die Isolier lagen unter Ausbildung eines Wickelkörpers um einen Innenlei ter herumgewickelt werden, wobei die Faltrichtungen radial benachbarter bzw. direkt aufeinander aufliegender Isolierla gen vorzugsweise unterschiedliche Faltrichtungen aufweisen, und der Wickelkörper mit einem einen Füllstoff aufweisenden Harz imprägniert wird.

Geeigneterweise wird für die Isolierlagen jeweils ein synthe tischer Trägerwerkstoff verwendet, der ein Thermoplast sein kann. Ab einer definierten Temperatur lässt sich ein solcher Thermoplast warmverformen. Zur Erzeugung der Isolierlagen wird der Werkstoff mittels eines Warmverformungsverfahrens strukturiert (mikro-strukturiert), dass er die Faltstruktur erlangt. Es ist nicht verlangt, dass der Trägerwerkstoff die Faltstruktur dauerhaft beibehält. Es ist ausreichend, wenn die Faltstruktur bis zum Imprägnieren bzw. bis zum Abschluss des Imprägnierens fortbesteht. Danach wird die Form des Iso lierkörpers durch das ausgehärtete Harz entsprechend erhär tet. Die weiteren Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens können den Merkmalen entsprechen, die im Zusammenhang mit der erfin dungsgemäßen Hochspannungsdurchführung zuvor erörtert worden sind. Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens ergeben sich insbesondere aus den zuvor beschriebenen Vorteilen der erfin dungsgemäßen Hochspannungsdurchführung.

Die Erfindung wird anschließend anhand der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele weiter erläutert.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hochspannungsdurchführung in einer schematischen Darstellung;

Figur 2 zeigt ein Beispiel für Isolierlagen in einer schema tischen Darstellung;

Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Ablaufdiagramms eines Aus führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Figur 1 ist eine Hochspannungsdurchführung 1 dargestellt. Die Hochspannungsdurchführung 1 umfasst einen Innenleiter 2, der durch einen Isolierkörper 3 hindurchgeführt ist. Der In nenleiter 2 ist als Hohlleiter aus Aluminium oder Kupfer aus gebildet. Die Hochspannungsdurchführung 1 umfasst ein Gehäuse 7 sowie Schirme 8 aus Silikon, die außen auf dem Gehäuse 7 befestigt sind. Ferner ist ein Befestigungsflansch 9 vorgese hen, der zum Befestigen der Hochspannungsdurchführung 1 an einer Wandung 10 dient, beispielsweise einem Transformator kessel.

Der Isolierkörper 3 umfasst leitende Steuereinlagen 4-6 zur kapazitiven Feldsteuerung, die konzentrisch um den Innenlei ter 3 angeordnet sind. Die Steuereinlagen 4-6 sind durch ge wickelte Isolierschichten 11, 12 voneinander getrennt, die nach dem Aufwickeln auf den Innenleiter 5 in Harz getränkt worden sind. Jede Isolierschicht 11 bzw. 12 besteht aus meh reren Isolierlagen aus einem PET-Vliesstoff. Auf den Aufbau der Isolierlagen wird in der nachfolgenden Figur 2 näher ein gegangen. Das Harz ist ein gefülltes Harz, d.h. es umfasst Feststoff-Teilchen, die mit dem Harz im Isolierkörper einge bettet sind.

Die in Figur 1 dargestellte Hochspannungsdurchführung 1 weist eine Gesamtlänge von 12 m auf und dient zur Isolierung einer Betriebsspannung von über 300 kV.

In Figur 2 sind eine erste Isolierlage 20 und eine zweite Isolierlage 21 ausschnittsweise dargestellt. Die Isolierlagen 20, 21 bestehen aus einem synthetischen Vliesstoff. Bei der Herstellung der Hochspannungsdurchführung werden die Isolier lagen um einen Innenleiter herumgewickelt, wobei ein Pfeil 22 in Figur 2 die Wickelrichtung anzeigt.

Jede Isolierlage 20 bzw. 21 weist eine Faltstruktur auf, die sich durch Einbuchtungen in Form von Kanälen auszeichnet. Die Faltstruktur der ersten Isolierlage 20 zeigt eine ausgeprägte Faltrichtung, die durch einen Pfeil 23 angedeutet ist. Eine entsprechende ausgeprägte Faltrichtung der zweiten Isolierla ge ist entsprechend durch einen Pfeil 24 angedeutet. Es ist erkennbar, dass die beiden Faltrichtungen jeweils diagonal zur Wickelrichtung sind. Zudem ist erkennbar, dass die Falt richtungen der beiden Isolierlagen 20, 21 gegenübereinander verdreht sind. Aufgrund dieser Anordnung sind zwischen den beiden Isolierlagen Hohlräume bzw. Kanäle ausgebildet, die ein Durchdringen des Isolierkörpers durch ein Harz, insbeson dere ein mit Feststoff-Partikeln gefülltes Harz, ermöglichen bzw. erleichtern.

Figur 3 illustriert ein Herstellungsverfahren für eine Hoch spannungsdurchführung anhand eines Ablaufdiagrammes 30. Dem gemäß werden in einem ersten Verfahrensschritt 31 Isolierla gen aus einem synthetischen Kunststoff jeweils mit einer Faltstruktur mit einer ausgezeichneten Faltrichtung versehen. Der synthetische Kunststoff ist im hier dargestellten Bei- spiel ein Thermoplast. Die Falt- bzw. Kreppstruktur wird ent sprechend mittels eines Warmformverfahrens erreicht.

In einem zweiten Verfahrensschritt 32 werden die Isolierlagen unter Ausbildung eines Wickelkörpers um einen Innenleiter herumgewickelt. Das Wickeln erfolgt dabei entweder direkt auf dem Innenleiter oder auf einem dafür bereitgestellten Wickel träger, in den der Innenleiter hineingeschoben wird. In defi nierten radialen Abständen können geeigneter Weise leitende Steuereinlagen konzentrisch um den Innenleiter angeordnet werden.

In einem dritten Verfahrensschritt 33 wird der so gebildete Wickelkörper mit einem einen Füllstoff, insbesondere Fest- stoff-Partikel, aufweisenden Harz imprägniert. Anschließend erfolgt das Aushärten des Harz', so dass ein kompakter Block entsteht. Dieser Block kann außen mit einem Gehäuse, einer Nebenisolation, Isolierschirmen und/oder einem Befestigungs flansch versehen werden.