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1. (WO2019063300) HIGH-VOLTAGE DEVICE HAVING CERAMIC SPACER ELEMENTS, AND USE THEREOF
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Beschreibung

Hochspannungsgerät mit keramischen Abstandselementen und dessen Verwendung

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungsgerät mit einem Gehäuse und wenigstens einem elektrisch vom Gehäuse isoliertem Bauteil. Das wenigstens eine Bauteil ist beabstandet vom Gehäuse angeordnet und mechanisch mit dem Gehäuse verbunden. Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung des zuvor beschriebenen Hochspannungsgeräts.

Hochspannungsgeräte, insbesondere Messwandler bzw. Instrument Transformer für Spannungen bis zu 1200 kV und/oder einige tausend Ampere, sind z. B. aus der US 3,525,908 bekannt. Ein Gehäuse, z. B. auf einem Isolator angeordnet, umfasst räumlich Einrichtungen, wie z. B. Spulen zum Messen von hohen Spannungen und/oder Strömen. Die Spulen sind im Gehäuse um einen Leiter angeordnet, an welchem hohe Spannungen anliegen und/oder durch welchen zu vermessene hohe Ströme fließen, wobei das Gehäuse mit einem elektrisch isolierendem Medium, z. B. Öl, SF6 und/oder Clean Air befüllt ist. Der Leiter ist elektrisch kontaktiert mit Anschlüssen am Isolator und/oder am Gehäuse, welche vom Gehäuse elektrisch isoliert sind. Die Anschlüsse sind ausgebildet zum Anschließen von elektrischen Leitungen von Stromnetzen, elektrischen Verbrauchern und/oder Stromerzeugern. Im Gebrauch fließen hohe Ströme im Bereich von einigen tausend Ampere über den Leiter von einem zum anderen Anschluss. Dabei können die hohen Ströme an den An-Schlüssen zu einer starken Wärmeentwicklung führen.

Das Gehäuse ist elektrisch von den Anschlüssen und/oder anschließbaren bzw. angeschlossenen elektrischen Leitungen isoliert. Die Anschlüsse sind z. B. als ein isoliertes Bauteil an dem Gehäuse ausgebildet, insbesondere in Form einer Metallplatte. Die Fläche der Metallplatte ermöglicht eine Kühlung mit der Umgebungsluft und eine Abführung der Wärme an die Umgebung bzw. Umwelt. Um eine Erwärmung der Anschlüsse zu reduzieren, ist eine Ausbildung aus Kupfer, insbesondere mit einer Beschichtung aus Nickel, möglich. Dies führt zu hohen Kosten und die begrenzte Außenfläche der Anschlüsse führt zu einer begrenzten Wärmeabfuhr an die Umgebung. Bei hohen Primärströmen kann eine Erwärmung oberhalb zulässiger Grenzwerte für eine Temperatur erfolgen und eine ausreichende Wärmeabfuhr über die Anschlüsse kann unmöglich sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hochspannungsgerät und dessen Verwendung anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme vermeiden. Insbesondere ist es Aufgabe, ein Hochspannungsgerät anzugeben, dessen Anschlüsse in Form wenigstens eines elektrisch isolierten Bauteils kostengünstig, einfach, mechanisch stabil und kompakt ausgebildet werden können, mit gleichzeitig hoher möglicher Wärmeabfuhr von dem isolierten Bauteil.

Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Hochspannungsgerät mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und/oder durch die Verwendung des Hochspannungsgeräts gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochspannungsgeräts und dessen Verwendung sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände der Hauptansprüche untereinander und mit Merkmalen von Unteransprüchen sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar .

Ein erfindungsgemäßes Hochspannungsgerät umfasst ein Gehäuse und wenigstens ein elektrisch vom Gehäuse isoliertes Bauteil. Das wenigstens eine Bauteil ist beabstandet vom Gehäuse angeordnet und mit dem Gehäuse insbesondere mechanisch stabil verbunden. Zwischen dem Gehäuse und dem wenigstens einem Bauteil ist wenigstens ein keramisches Abstandselement angeordnet .

Die Anordnung des wenigstens einen Bauteils am Gehäuse beabstandet, mit wenigstens einem keramischen Abstandselement zwischen dem Gehäuse und dem wenigstens einem Bauteil, ermöglicht eine gute elektrische Isolation des wenigstens einen Bauteils vom Gehäuse, bei gleichzeitig guter Wärmeübertragung bzw. Wärmeleitfähigkeit über das wenigstens eine keramische Abstandselement. Wärme, welche an Anschlüssen des Hochspannungsgerätes in Form des wenigstens einen Bauteils z. B. bei einem hohen Stromfluss entsteht, kann gut über das wenigstens eine keramische Abstandselement auf das Gehäuse übertragen werden. Das Gehäuse dient als Kühlfläche, mit großer Oberfläche, welche eine gute Abgabe von Wärme an die Umwelt ermöglicht. Über das elektrisch isolierte Bauteil können Elemente bzw. Komponenten des Hochspannungsgeräts elektrisch kontak-tiert werden, insbesondere im Inneren des Gehäuses, wobei das elektrisch isolierte Bauteil einen kostengünstigen, einfachen, mechanisch stabilen und kompakten Anschluss bzw. ein Anschlusselement bildet.

Das keramische Abstandselement kann eine Keramikscheibe und/oder eine Keramikhülse und/oder eine Keramikplatte, insbesondere geklemmt sein, insbesondere hohlzylinderförmig mit kreisrunder Grundfläche ausgebildet und/oder mit durchgehender Öffnung entlang einer Mittelachse. Das wenigstens eine Bauteil kann an dem Gehäuse mit Hilfe von Befestigungsmitteln befestigt sein, insbesondere mit Hilfe von Schauben und/oder elektrisch vom Bauteil isolierten Befestigungsmitteln. Mit Keramikscheiben und/oder Keramikhülsen und/oder Keramikplatten, welche eine insbesondere durchgehende, insbesondere kreisrunde und/oder rechteckige Öffnung mittig aufweisen, kann das wenigstens eine Bauteil gut, d. h. mechanisch stabil und elektrisch isoliert, über Schrauben am Gehäuse befestigt werden, wobei die Schrauben jeweils durch die durchgehende, insbesondere kreisrunde Öffnung der Keramikscheibe und/oder Keramikhülse hindurchgeführt sein können. Die Keramikscheiben und/oder Keramikhülsen halten einen festen, mechanisch stabilen Abstand zwischen dem wenigstens einen Bauteil und dem Ge- häuse, und erlauben eine elektrische Isolation des wenigstens einen Bauteils vom Gehäuse bei gleichzeitig gutem Wärmeaustausch zwischen dem wenigstens einen Bauteil und dem Gehäuse. Damit sind die zuvor beschriebenen Vorteile verbunden.

Das keramische Abstandselement kann einen hohen elektrischen Widerstand und einen hohen Wärmeleitwert aufweisen. Dadurch ist eine gute elektrische Isolation des wenigstens einen Bauteils vom Gehäuse, bei gleichzeitig gutem Wärmeaustausch zwi-sehen dem wenigstens einen Bauteil und dem Gehäuse gewährleistet .

Wenigstens ein elektrisches Kontaktierungselement , insbesondere wenigstens eine Schraube, kann umfasst sein, zum elekt-rischen Kontaktieren des wenigstens einen Bauteils mit wenigstens einem Element des Hochspannungsgeräts im Inneren des Gehäuses. Das Hochspannungsgerät kann nach Art eines Instrument Transformers ausgebildet sein. Elektrische Elemente im Instrument Transformer, d. h. im Gehäuse, z. B. Leiter, Spu-len und/oder Kondensatoren, können über das wenigstens eine elektrische Kontaktierungselement, insbesondere über die wenigstens eine Schraube, mit dem äußeren Anschluss bzw. dem wenigstens einen Bauteil, und insbesondere damit verbundenen elektrischen Leitungen und/oder Stromschienen, elektrisch kontaktiert sein.

Das wenigstens eine elektrisch vom Gehäuse isolierte Bauteil kann wenigstens ein Anschlusselement zum Anschließen von elektrischen Leitungen und/oder Stromschienen umfassen, ins-besondere zum elektrischen Anschluss an Stromnetzleitungen, elektrischen Verbrauchern und/oder Stromerzeugern. Dadurch kann das Hochspannungsgerät elektrisch angeschlossen werden, um eine vorbestimmte Funktion entsprechend der Art des Gerätes zu erfüllen.

Das wenigstens eine elektrisch vom Gehäuse isolierte Bauteil kann wenigstens ein plattenförmiges Element, insbesondere we- nigstens eine quaderförmige Platte und/oder ein aus platten-förmigen Elementen zusammengesetztes L-förmiges Element umfassen. Sowohl Anschlusselemente als auch Kontaktierungsele-mente können an, im und/oder auf dem plattenförmigen Element gut angeordnet werden und ein guter elektrischer Kontakt zwischen Elementen kann über das plattenförmige Element einfach und kostengünstig erzeugt werden.

Das wenigstens eine elektrisch vom Gehäuse isolierte Bauteil kann aus einem Metall, insbesondere Kupfer und/oder Stahl bestehen, und/oder ein Metall, insbesondere Kupfer und/oder Stahl und/oder Legierungen, umfassen. Dadurch ist eine gute elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit über das elektrisch vom Gehäuse isolierte Bauteil gegeben, mit den zu-vor beschriebenen Vorteilen.

Das Gehäuse, insbesondere ein zylinderförmiges Gehäuse, kann aus einem Metall, insbesondere Gusseisen bestehen, und/oder ein Metall, insbesondere Gusseisen umfassen. Dadurch ist eine gute Wärmeleitfähigkeit über das Gehäuse gegeben, und Wärme, welche am elektrisch vom Gehäuse isolierten Bauteil entsteht, z. B. an den elektrischen Verbindungen und/oder Verbindungsflächen mit Anschlusselementen und/oder Kontaktierungselemen-ten sowie im Bauteil selbst, im stromdurchflossenen Zustand, kann gut über das Gehäuse, und insbesondere gut über eine große Fläche des Gehäuses, an die Umwelt abgegeben werden.

Das wenigstens eine keramische Abstandselement kann aus einer Aluminiumoxid-, Siliziumkarbid-, Bornitrid- oder Aluminium-nitrid-Keramik sein und/oder eine Aluminiumoxid-,

Siliziumkarbid-, Bornitrid- oder Aluminiumnitrid-Keramik umfassen. Diese weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, insbesondere größer 30 bzw. größer 100 W / (m x K) , und eine geringe elektrische Leitfähigkeit bzw. einen hohen spezifischen Widerstand, insbesondere größer 1012 Ohm-Meter bzw. größer 1010 Ohm-Meter bei 20°C. Dadurch ist eine gute elektrische Isolation zwischen dem Gehäuse und dem elektrisch vom Gehäuse isolierten Bauteil gegeben, mit guter Wärmeleitfähigkeit bzw. Ableitung von Überschusswärme über das keramische Abstandselement .

Eine erfindungsgemäße Verwendung des zuvor beschriebenen Hochspannungsgeräts umfasst, dass Wärme, welche an Anschluss elementen des wenigstens einen elektrisch vom Gehäuse isolierten Bauteils, insbesondere zum Anschließen von elektrischen Leitungen und/oder Stromschienen, entsteht, vom Bautei über das wenigstens eine keramische Abstandselement auf das Gehäuse übertragen wird, und vom Gehäuse an die Umwelt abgegeben wird.

Ein elektrischer Kontakt zwischen dem wenigstens einen elektrisch vom Gehäuse isoliertem Bauteil und Elementen im Gehäuse, insbesondere Transformatorteilen, kann über wenigstens ein elektrisches Kontaktierungselement , insbesondere über wenigstens eine Schraube, erfolgen, insbesondere mit einer Stromtragfähigkeit im Bereich von einigen tausend Ampere.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung des Hochspannungsgeräts gemäß Anspruch 12 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Hochspannungsgeräts gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in der einzigen Figur dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Dabei zeigt die

Figur schematisch in Schrägansicht einen Teil eines Gehäuses 2 eines erfindungsgemäßen Hochspannungsgerätes 1, mit einem elektrisch vom Gehäuse 2 isoliertem, vom Gehäuse 2 über keramische Abstandselemente beabstandeten Bauteil 3.

In der einzigen Figur ist in Schrägansicht ein Teil eines Gehäuses 2 eines erfindungsgemäßen Hochspannungsgerätes 1 dargestellt, mit einem vom Gehäuse 2 beabstandeten Bauteil 3. Das Bauteil 3 dient als Anschluss bzw. Anschlusselement des Hochspannungsgerätes 1, an welchem z. B. elektrische Leitungen, Stromschienen und/oder Einrichtungen, wie z. B. elektrische Verbraucher und/oder Stromerzeuger, angeschlossen werden. Diese können z. B. an das Bauteil 3 angeschraubt, angelötet, angeschweißt und/oder angeklemmt werden. Das Bauteil 3 weist die Form einer Platte auf, insbesondere einer abgewinkelten Platte. Ein Winkel von 90 Grad wird von zwei Teilen der Platten eingeschlossen, wobei jeder Teil quaderförmig ausgebildet ist. Der abgewinkelte Teil der Platte weist vom Gehäuse 2 weg, insbesondere senkrecht von der benachbarten Gehäuseoberfläche weg, wobei der andere Teil der Platte parallel zur benachbarten Gehäuseoberfläche angeordnet ist.

Das vom Gehäuse 2 beabstandete Bauteil 3 ist z. B. aus Stahl, Kupfer und/oder beschichtet mit Nickel. Aus Kostengründen können auch billigere Materialien wie z. B. Aluminium

und/oder Gusseisen verwendet werden. Das Gehäuse 2 ist aus einem Metall, z. B. Stahl, Gusseisen, Kupfer und/oder Aluminium. Das Gehäuse 2 und das Bauteil 3 sind jeweils elektrisch gut leitend sowie gut wärmeleitend ausgebildet. Durch die ge-ringe Oberfläche des Bauteils 3 wird vom Bauteil 3 wenig Wärme direkt an die Umwelt, z. B. die Umgebungsluft abgegeben. Das Gehäuse 2 ist durch seine große Oberfläche in der Lage, große Mengen an Wärmeengerie an die Umgebung bzw. Umwelt abzugeben, und kann somit als Kühlfläche dienen.

Das erfindungsgemäße Hochspannungsgerät 1 ist z. B. ein Instrument Transformer, insbesondere ein Current Transformer zum Messen von Strömen in Hochspannungsleitungen. Auf einem Isolator, z. B. einem gerippten, säulenförmigen Keramik-und/oder Silikon-Isolator, welcher als Träger dient und der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist, ist ein Gehäuse 2 angeordnet. Das Gehäuse 2 ist z. B. kugelförmig oder topfförmig, mit einem im Wesentlichen kreisrunden oder viereckigen Boden. An gegenüberliegenden Seiten ist jeweils ein vom Gehäuse 2 beabstandetes Bauteil 3 angeordnet, z. B. mit einer angeschlossenen Oberlandleitung. Das erfindungsge-mäße Hochspannungsgerät 1 ist z. B. elektrisch zwischen die Hochspannungsleitung geschaltet, um den Strom über die Hochspannungsleitung zu messen. Dabei können Spannungen von bis zu 1200 kV und Ströme von einigen tausend Ampere am erfindungsgemäßen Hochspannungsgerät 1 anliegen bzw. über das er-findungsgemäße Hochspannungsgerät 1 fließen.

Zum Messen von insbesondere hohen Strömen sind z. B. im Gehäuse 2 Spulen um einen Leiter angeordnet, über welche der Strom in der Leitung insbesondere induktiv gemessen werden kann. Der Leiter im Gehäuse 2, welcher der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist, ist über elektrische Kontaktierungselemente 7 mit dem Bauteil 3 elektrisch verbunden. Z. B. können Schrauben und/oder Bolzen, z. B. aus Kupfer und/oder Stahl, und/oder insbesondere Schweißverbindungen, elektrisch isoliert vom Gehäuse 2, durch das Gehäuse 2 von innen nach außen geführt sein, und den Leiter mit dem Bauteil 3 elektrisch verbinden. In der Figur sind beispielhaft sechs Schrauben als elektrische Kontaktierungselemente 7 in dem parallel zum Gehäuse 2 angeordneten, plattenförmigen Teil des Bauteils 3 angeordnet, d. h. durch die Platte geschraubt und/oder geführt, und elektrisch vom Gehäuse isoliert, durch das Gehäuse 2 von außen nach innen geführt, und mit dem Leiter im Gehäuse 2 elektrisch verbunden.

Das vom Gehäuse 2 elektrisch isolierte Bauteil 3 ist über Befestigungsmittel 5 mechanisch stabil mit dem Gehäuse 2 verbunden, d. h. z. B. an dem Gehäuse 2 angeschraubt. Im Ausführungsbeispiel der Figur sind am Gehäuse 2 Buchsen 4 mit z. B. Innengewinden vorgesehen, in welchen die Schrauben 5 zum Be-festigen des Bauteils 3 eingeschraubt sind. Vier Schrauben 5, zwei auf der linken Seite des Bauteils 3 und zwei auf der rechten Seite des Bauteils 3, dienen der mechanischen Befes- tigung des Bauteils 3 am Gehäuse 2. Um einen elektrischen Kontakt zwischen den Schrauben 5 und dem Bauteil 3 zu verhindern, d. h. für eine elektrische Isolation des Bauteils 3 vom Gehäuse 2, sind z. B. zwischen den Schraubenköpfen am Bauteil 3 und dem Bauteil 3 Isolierungen 8 angeordnet, insbesondere in Form von Plastikunterlegscheiben.

Zur elektrischen Isolation sind zwischen dem Gehäuse 2 und dem Bauteil 3 keramische Abstandselemente 6 angeordnet. Die Abstandselemente 6 können ebenfalls in Form von kreisrunden Unterlegscheiben ausgebildet sein, oder in Form von hohlzy-linderförmigen Hülsen ausgebildet sein. Insbesondere kreisrunde, durchgehende Öffnungen entlang der Mittelachse der Abstandselemente 6 ermöglichen ein Durchführen der Schrauben 5 durch die Abstandselemente 6, d. h. die Schrauben 5 sind durch die Abstandselemente 6 hindurchgeführt und die Abstandselemente 6 umfassen räumlich einen Bereich der Schrauben 5. Die Dicke bzw. Höhe der Abstandselemente 6 und der Buchsen 4 bestimmen zusammen den Abstand des Bauteils 3 vom Gehäuse 2. Auf der Seite des Bauteils 3 zum Gehäuse 2 hin isolieren die Abstandselemente 6 elektrisch das Bauteil 3 vom Gehäuse 2. Auf der Seite des Bauteils 3 vom Gehäuse 2 weg isoliert die Isolierung 8, insbesondere in Form von Plastikunterlegscheiben, elektrisch das Bauteil 3 vom Gehäuse 2 bzw. die Schauben 5 vom Bauteil 3.

Für eine elektrische Isolierung der Schrauben 5 im Bereich der Durchführung durch das Bauteil 3 vom Bauteil 3, können die Schrauben 5 isolierend beschichtet sein, z. B. mit Tef-Ion, und/oder die Durchführung weist einen erheblich größeren Durchmesser als der Schraubenschaft auf und die Schrauben 5 sind mittig durch die Durchführung geführt, und/oder die Durchführung ist isolierend beschichtet, z. B. lackiert, und/oder die keramischen Abstandselemente 6 weisen wenigstens zwei Durchmesser auf, einen größeren und einen kleineren

Durchmesser als die Durchführung, wobei die Abstandselemente 6 mit dem kleineren Durchmesser bzw. im verjüngten Bereich in bzw. durch die Durchführung hindurch ragen. Dadurch ist eine gute elektrische Isolation zwischen dem Bauteil 3 und dem Gehäuse 2 über die keramischen Abstandselemente 6 möglich.

Über die Kontaktfläche, insbesondere die Auflagefläche des

Bauteils 3 auf den Abstandselementen 6, und über die Kontaktfläche, insbesondere die Auflagefläche der Abstandselemente 6 auf dem Gehäuse 2 bzw. den Buchsen 4 des Gehäuses 2, erfolgt eine gute Wärmeleitung. Wärme, welche am oder im Bauteil 3 z. B. durch große Ströme im Bereich von einigen tausend Ampere und den Kontaktwiderständen und/oder dem Leitungswiderstand des Bauteils 3 entsteht, wird über die gut wärmeleitenden keramischen Abstandselemente 6 auf das Gehäuse 2 übertragen. Über die große Außenfläche des Gehäuses 2 wird die Wärme gut an die Umwelt abgegeben. Dadurch sind bei sehr großen

Stromstärken Normwerte der maximalen Temperatur der Anschlüsse 3 des Hochspannungsgeräts 1 erfüllbar.

Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können unterei-nander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der

Technik kombiniert werden. So kann genau ein keramisches Abstandselement 6 oder es können mehrere keramische Abstandselemente 6 vorgesehen sein. Die keramischen Abstandselemente 6 sind z. B. aus einer Aluminiumoxid-, Siliziumkarbid-, Bor-nitrid- oder Aluminiumnitrid-Keramik. Es können auch andere Keramiken verwendet werden, insbesondere mit großem spezifischen elektrischen Widerstand und hoher Wärmeleitfähigkeit. Die Isolierungen 8 können aus Plastikunterlegscheiben oder ebenfalls aus elektrisch isolierender Keramik bestehen und analog den keramischen Abstandselementen 6 wirken. Es können Buchsen 4 vorgesehen sein oder Befestigungsmittel 5, insbesondere Schrauben, können direkt in die Gehäusewandung eingebracht bzw. eingeschraubt werden. Das Bauteil 3 kann winkelförmig sein, oder z. B. flach plattenförmig ohne Winkel, ins-besondere mit einer Grundfläche rechteckig, rund oder elliptisch. Hochspannungsgeräte 1 können z. B. Stromwandler, Spannungswandler, Kombiwandler, Messwandler für gasisolierte Schaltanlagen, optische Wandler und/oder Hochspannungsschalter sein.

Bezugs zeichenliste

1 Hochspannungsgerät, insbesondere Messwandler

2 Gehäuse

3 elektrisch isoliertes Bauteil

4 Buchse

5 Befestigungsmittel, insbesondere Schraube

6 keramisches Abstandselement, insbesondere Keramikscheibe

7 elektrisches Kontaktierungselement ins Gehäuse, insbesondere Schraube

8 Isolierung, insbesondere Plastikunterlegscheiben