Title:
Feldsteuervorrichtung und Hochspannungsanlage mit Feldsteuervorrichtung
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Feldsteuervorrichtung (1) für eine Hochspannungsanlage (10) mit einem Abschirmelement (2, 3) zur Feldsteuerung, das mit einem elektrischen Leiter der Hochspannungsanlage elektrisch leitend verbindbar ist und bei Verbindung mit dem Leiter einen elektrisch feldschwachen Raumbereich zumindest teilweise begrenzt. Die Erfindung zeichnet sich durch einen mit dem elektrischen Leiter wärmeleitend verbindbaren Kühlkörper (7) aus, der innerhalb des feldschwachen Raumbereiches angeordnet und dessen Außenoberfläche größer als eine Außenoberfläche des Abschirmelements (2, 3) ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochspannungsanlage mit der Feldsteuervorrichtung.




Inventors:
Hofstetter, Michael (81371, München, DE)
Schäfer, Dirk (91301, Forchheim, DE)
Philipp, Andreas (90610, Winkelhaid, DE)
Application Number:
DE102015223947A
Publication Date:
06/01/2017
Filing Date:
12/01/2015
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE905156BN/A
DE1465293A1N/A1969-04-03



Foreign References:
201002945622010-11-25
201101802922011-07-28
201202050742012-08-16
EP27119392014-12-31
Claims:
1. Feldsteuervorrichtung (1) für eine Hochspannungsanlage (10) mit einem Abschirmelement (2) zur Feldsteuerung, das mit einem elektrischen Leiter der Hochspannungsanlage (10) elektrisch leitend verbindbar ist und bei Verbindung mit dem Leiter einen elektrisch feldschwachen Raumbereich zumindest teilweise begrenzt, gekennzeichnet durch einen mit dem elektrischen Leiter wärmeleitend verbindbaren Kühlkörper (7), der innerhalb des feldschwachen Raumbereiches angeordnet und dessen Außenoberfläche größer als eine Außenoberfläche des Abschirmelements (2) ist.

2. Feldsteuervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (7) eine außenflächenvergrößernde Rippenstruktur aufweist.

3. Feldsteuervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (7) ein passiver Kühlkörper ist.

4. Feldsteuervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (7) eine spiegelnde Außenoberfläche aufweist.

5. Feldsteuervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Feldsteuervorrichtung (1) ferner wenigstens ein Heatpipe-Element umfasst, das wärmeleitend mit dem Abschirmelement (2) verbunden und wärmeleitend mit dem elektrischen Leiter verbindbar ist.

6. Feldsteuervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Abschirmelement wenigstens einen Koronaring umfasst, der einen Abschirmring und Stützelemente (4, 5) zum Verbinden des Abschirmringes mit der Hochspannungsanlage (10) aufweist.

7. Feldsteuervorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei wenigstens ein Stützelement (4, 5) ein Heatpipe-Element umfasst.

8. Hochspannungsanlage (10) mit einer Feldsteuervorrichtung (1) mit einem Abschirmelement (2) zur Feldsteuerung, das mit einem elektrischen Leiter der Hochspannungsanlage elektrisch leitend verbindbar ist und bei Verbindung mit dem Leiter einen elektrisch feldschwachen Raumbereich zumindest teilweise begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsteuervorrichtung (1) einen mit dem elektrischen Leiter wärmeleitend verbindbaren Kühlkörper (7) umfasst, der innerhalb des feldschwachen Raumbereiches angeordnet und dessen Außenoberfläche größer als eine Außenoberfläche des Abschirmelements (2) ist.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Feldsteuervorrichtung für eine Hochspannungsanlage mit einem Abschirmelement zur Feldsteuerung, das mit einem elektrischen Leiter der Hochspannungsanlage elektrisch leitend verbindbar ist und bei Verbindung mit dem Leiter einen elektrisch feldschwachen Raumbereich zumindest teilweise begrenzt.

Feldsteuervorrichtungen dieser Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden meist dazu verwendet, eine günstige Verteilung eines elektrischen Feldes in der Nähe des elektrischen Leiters zu erwirken und/oder das Risiko von Koronaentladungen zu minimieren.

Beispielsweise ist in der EP 2 711 939 B1 eine Feldsteuervorrichtung in Form eines Steuerringes beschrieben, der an einem auf Hochspannungspotenzial liegenden Ende eines Leitungsableiters einer Hochspannungsanlage angeordnet ist. Der Steuerring dient hierbei der Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung über die Baulänge des Leitungsableiters. Darüber hinaus zeigt die EP 2 711 939 B1 eine weitere Feldsteuervorrichtung in Form eines Koronaringes, der an einem erdseitigen Ende des Leitungsableiters angeordnet ist. Der Koronaring dient hierbei zur elektrischen Abschirmung von scharfkantigen Befestigungselementen des Leitungsableiters. Auf diese Weise kann mittels der bekannten Feldsteuervorrichtungen die Zuverlässigkeit der Hochspannungsanlage erhöht werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die artgemäße Feldsteuervorrichtung für eine Hochspannungsanlage dahingehend zu verbessern, dass die Zuverlässigkeit der Hochspannungsanlage weiter erhöht werden kann.

Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Feldsteuervorrichtung durch einen mit dem elektrischen Leiter wärmeleitend verbindbaren Kühlkörper gelöst, der innerhalb des feldschwachen Raumbereiches angeordnet und dessen Außenoberfläche größer als eine Außenoberfläche des Abschirmelements ist. Als ein elektrischer Leiter wird in diesem Zusammenhang jede stromtragende Komponente der Hochspannungsanlage verstanden.

Die erfindungsgemäße Feldsteuervorrichtung kann mit dem zusätzlichen Kühlkörper mit dem zusätzlichen Kühlkörper vorteilhaft eine weitere Funktion für die Hochspannungsanlage, nämlich die Kühlfunktion, erfüllen. Beim Betrieb der Hochspannungsanlage mit hohen Strömen, beispielsweise im Nennbereich, treten betriebsbedingt relevante Erwärmungen auf. Diese Erwärmungen können bis zu mehreren zehn Kelvin betragen. Sie treten sowohl an elektrischen Leitern, insbesondere an Sammelschienen, als auch an angebundenen Komponenten, beispielsweise an Messwiderständen und dergleichen auf. Vor allem in Verbindung mit höheren Umgebungstemperaturen können dadurch erhebliche Temperaturen an den Komponenten entstehen. Diese können, beispielsweise wenn es um präzise Messwerte am Messwiderstand geht, zu Auslegungsschwierigkeiten der Komponenten führen. Dies mindert im Endeffekt die Zuverlässigkeit der gesamten Hochspannungsanlage. Eine effektive Wärmeabfuhr über das Abschirmelement bzw. den elektrischen Leiter selbst ist aufgrund einer nicht ausreichenden Außenoberfläche nicht möglich. Zugleich erfolgt die Befestigung des Abschirmelements am elektrischen Leiter meist mittels relativ dünner Befestigungsstangen, die ausschließlich der mechanischen Stabilität dienen und zur effektiven Wärmeabfuhr ebenfalls nicht geeignet sind. Mittels des zusätzlichen Kühlkörpers kann demgegenüber eine günstige Wärmeabfuhr erreicht werden. Diese ist aufgrund der relativ großen Außenfläche effektiver als diejenige Wärmeabfuhr, die allein durch das Abschirmelement und/oder den elektrischen Leiter selbst erfolgt.

Zugleich ändern sich die Feldeigenschaften in der Umgebung der erfindungsgemäßen Feldsteuervorrichtung nicht, weil der Kühlkörper sich in dem feldschwachen Raumbereich befindet. In dem feldschwachen Raumbereich ist das elektrische Feld mindestens um einen Faktor 100 kleiner als außerhalb des feldschwachen Raumbereiches. Das Risiko von Teilentladungen ist somit vorteilhaft minimiert. Der zusätzliche Kühlkörper ist geeigneterweise aus einem gut Wärme leitenden Material, beispielsweise aus einem Metall hergestellt. Die räumliche Ausdehnung des feldschwachen Raumbereichs ist im Wesentlichen durch die Geometrie der ihn begrenzenden elektrisch leitenden Elemente, i.e. des Abschirmelements, bestimmt.

Als Hochspannung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Spannung von mehr als 1 kV verstanden.

Zweckmäßigerweise ist die Außenoberfläche des Kühlkörpers möglichst groß zu wählen, um den Wärmetransport effektiv zu gestalten. Als Außenoberfläche wird hierbei diejenige Oberfläche des Kühlkörpers bzw. anderer Bauteile verstanden, die im direkten Kontakt zu der die Hochspannungsanlage umgebenden Luft steht. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, wenn die Außenoberfläche des Kühlkörpers mindestens das Zweifache, besonders vorteilhaft das Fünffache der Außenoberfläche des Abschirmelements aufweist. Es ist selbstverständlich möglich, auch mehrere Teilkühlkörper vorzusehen, um die Außenoberfläche weiter zu vergrößern.

Bevorzugt weist der Kühlkörper eine außenflächenvergrößernde Rippenstruktur auf. Dazu kann der Kühlkörper beispielsweise parallel angeordnete Platten. Diese können ebenenartig bzw. lamellenartig oder gewellt sein, so dass die Außenoberfläche weiter vergrößert wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der der Kühlkörper ein passiver Kühlkörper. Der Kühlkörper umfasst demnach keine Komponenten, die aktiv für den Wärmetransport sorgen, wie beispielsweise Lüfter oder Pumpen. Auf diese Weise ist ein besonders einfacher und kostengünstiger Kühlkörper bereitgestellt.

Vorzugsweise ist die Feldsteuervorrichtung einteilig ausgebildet. Sie kann beispielsweise mittels Strangpressen oder in einem 3d-Drucker hergestellt sein. Eine solche Feldsteuervorrichtung weist besonders gute mechanische Stabilitätseigenschaften. Alternativ ist es denkbar, den Kühlkörper mit den übrigen Bauteilen der Feldsteuervorrichtung mittels Schweißen zu verbinden, so dass die Feldsteuervorrichtung zwei- oder mehrteilig ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlkörper eine spiegelnde Außenoberfläche auf. Durch die spiegelnde Außenoberfläche, beispielsweise durch entsprechendes Polieren, kann eine Erwärmung des Kühlkörpers durch Sonneneinstrahlung minimiert werden. Weitere Maßnahmen, wie Abschirmung des Kühlkörpers gegen die Sonne mittels Überdachungen und Ähnlichem, sind ebenfalls denkbar.

Bevorzugt umfasst die Feldsteuervorrichtung ferner wenigstens ein Heatpipe-Element, das wärmeleitend mit dem Kühlkörper bzw. dem Abschirmelement verbunden und wärmeleitend mit dem elektrischen Leiter verbindbar ist. Heatpipe-Elemente sind dem Fachmann bekannt. Sie sind kommerziell verfügbar und verwenden als Kühlprinzip eine verdampfende Flüssigkeit im Inneren eines dazu geeigneten, meist länglichen Behälters. Das Heatpipe-Element kann als ein zusätzliches Bauteil oder auch integriert in eines der bereits bestehenden Bauteile, beispielsweise eine der mechanische Stützen, den Kühlkörper oder sogar den elektrischen Leiter selbst, realisiert sein. Auf diese Weise kann die Wärmeableitung weiter verbessert werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Abschirmelement einen Koronaring, der einen Abschirmring und Stützelemente zum Verbinden des Abschirmringes mit der Hochspannungsanlage aufweist. Insbesondere im Rahmen dieser Ausführungsform ist die Feldsteuervorrichtung in Verbindung mit bereits verwendeten Komponenten der Hochspannungsanlage realisierbar, womit eine besonders kostengünstige Realisierung ermöglicht.

Es kann von Vorteil sein, wenn wenigstens ein Stützelement ein Heatpipe-Element umfasst. Das Stützelement kann insbesondere durch ein geeignet geformtes Heatpipe-Element ersetzt sein.

Ferner betrifft die Erfindung eine Hochspannungsanlage mit einer Feldsteuervorrichtung mit einem Abschirmelement zur Feldsteuerung, das mit einem elektrischen Leiter der Hochspannungsanlage elektrisch leitend verbindbar ist und bei Verbindung mit dem Leiter einen elektrisch feldschwachen Raumbereich zumindest teilweise begrenzt.

Wie bereits zuvor erörtert, ist eine solche Hochspannungsanlage beispielsweise aus der EP 2 711 939 B1 bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine artgemäße Hochspannungsanlage vorzuschlagen, die möglichst zuverlässig ist.

Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Hochspannungsanlage dadurch gelöst, dass die Feldsteuervorrichtung einen mit dem elektrischen Leiter wärmeleitend verbindbaren Kühlkörper umfasst, der innerhalb des feldschwachen Raumbereiches angeordnet und dessen Außenoberfläche größer als eine Außenoberfläche des Abschirmelements ist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Hochspannungsanlage ergeben sich aus den zuvor beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Feldsteuervorrichtung.

Alle beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Feldsteuervorrichtung können insbesondere auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Hochspannungsanlage eingesetzt werden.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand von in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Feldsteuervorrichtung in schematischer Darstellung;

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hochspannungsanlage in schematischer Darstellung.

Im Einzelnen ist in 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Feldsteuervorrichtung 1 dargestellt. Die Feldsteuervorrichtung 1 umfasst ein erstes Abschirmelement 2 in Form eines Koronaringes sowie ein zweites Abschirmelement 3, das ebenfalls die Form eines Koronaringes aufweist. Das erste Abschirmelement 2 ist mittels Streben 4, 5 mit einem Befestigungselement 6 zur Befestigung an eine Sammelschiene einer Hochspannungsanlage mechanisch und elektrisch leitend verbunden. Somit befindet sich das erste Abschirmelement 2 bei Verbindung mit der Sammelschiene auf deren elektrischem Potenzial. Gleiches gilt auch für das zweite Abschirmelement 3, wobei hier die Streben in der Darstellung der 1 nicht sichtbar sind.

Das erste und das zweite Abschirmelement 2, 3 begrenzen einen Raumbereich, der im Wesentlichen frei vom elektrischen Feld ist. In diesem feldfreien bzw. feldschwachen Raumbereich ist ein Kühlkörper 7 angeordnet, wobei der Kühlkörper 7 elektrisch und wärmeleitend mit der Sammelschiene verbunden ist.

Der Kühlkörper 7 umfasst parallel zueinander angeordnete und miteinander verbundene Rippen 8, die in Form von ebenen Platten den feldschwachen Raumbereich nahezu ausfüllen.

2 zeigt eine Hochspannungsanlage 10, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Hochspannungsschaltanlage ist. Die Hochspannungsanlage 10 umfasst eine erste Trennereinheit 11 und eine zweite Trennereinheit 12, die mittels zwei Stützisolatoren 13 bzw. 14 gegenüber dem Erdpotenzial isoliert sind.

Die Hochspannungsanlage 10 umfasst ferner eine Feldsteuervorrichtung 15, die zwei Koronaringe 15a und 15b umfasst. Die beiden Koronaringe 15a und 15b begrenzen eine feldschwachen Raumbereich, in dem ein zusätzlicher Kühlkörper 16 angeordnet ist. Der Kühlkörper 16 ist mit Kühlrippen ausgestattet, so dass dessen Außenoberfläche gegenüber der Außenoberfläche der Koronaringe 15a, 15b stark vergrößert ist. Dies ermöglicht eine verbesserte Wärmeabfuhr einer im Betrieb der Hochspannungsanlage 10 erzeugten Wärme.

Der Kühlkörper 16 ist in 2 lediglich schematisch dargestellt. Dessen Aufbau kann beispielsweise dem Aufbau des Kühlkörpers 7 der Feldsteuervorrichtung 1 der 1 entsprechen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • EP 2711939 B1 [0003, 0003, 0018]