PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004007912B4 19.04.2007
Titel Durchführung mit Leistungshalbleiterbauelement
Anmelder HSP Hochspannungsgeräte Porz GmbH, 51145 Köln, DE
Erfinder Koch, Norbert, Dr., 51147 Köln, DE
Vertreter Berg, P., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 80339 München
DE-Anmeldedatum 13.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004007912
Offenlegungstag 08.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse H01B 17/26(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01B 17/32(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H02H 3/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen einer Hochspannungsleitung durch eine Wandung mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden Isolator, einem sich längs durch den Isolator erstreckenden Hochspannungsleiter, einem endseitig an dem Isolator angeordneten Anschluss zum Verbinden mit einer Anschlussleitung, die sich auf Hochspannungspotential befindet, wobei der Hochspannungsleiter mit wenigstens einem über eine Steuerungsleitung ansprechbaren Leistungshalbleiterbauelement verbunden ist, das zum Unterbrechen des Stromflusses durch den Hochspannungsleiter eingerichtet ist.

Eine solche Vorrichtung ist aus der US 6,657,128 B2 bereits bekannt. Dort ist eine Vorrichtung mit einem Aktivteil aus Leistungshalbleiterelementen beschrieben. Das Aktivteil ist innerhalb eines hohlzylindrischen Isolatorkörpers angeordnet, an dem zur Verlängerung des Kriechweges Außenrippen angeformt sind. Bei den stapelförmig angeordneten Leistungshalbleitern handelt es sich beispielsweise um Thyristoren, wobei ein solcher Thyristor durch die Anordnung innerhalb des Isolierkörpers für einen Einsatz im Freien eingerichtet ist.

Aus der DE 100 05 164 A1 ist eine Vorrichtung mit einem Isolator bekannt, der aus einem mit Öl gefüllten Isolatorgehäuse besteht. Durch den Isolator erstreckt sich in einer Längs richtung ein Leiterbolzen, der mit Hochspannungspotential beaufschlagbar ist. Die Vorrichtung weist endseitig ein Kopfteil zum Anschluss einer Hochspannungsleitung auf, wobei ein Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Gehäuses an einer Öffnung einer Wandung vorgesehen ist, die sich auf Erdpotential befindet.

Die EP 1 391 740 A2 offenbart ein modulares System zum Anschluss eines Hochspannungskabels, beispielsweise an einer Schaltanlage. Das Anschlusssystem weist einen Strombegrenzer sowie eine Spannungsbegrenzung auf, die innerhalb der Kabeldurchführung integriert sind.

Die DE 29 01 872 A1 offenbart einen Hochspannungsisolator, der sich zwischen einer Messwerterfassungseinrichtung auf einem Hochspannungspotenzial und einer Messwerterfassungseinrichtung auf Niederspannungspotenzial erstreckt. Die beiden Messwerterfassungseinrichtungen sind über einen Lichtwellenleiter miteinander verbunden, der sich durch den Hochspannungsisolator erstreckt.

Weitere gattungsgemäße Durchführungen sind beispielsweise in der WO 99/45550 beschrieben.

Der vorbekannten gattungsgemäßen Durchführung haftet der Nachteil an, dass diese aufwändig zu befestigen und die Leistungshalbleiterbauelemente umständlich mit Energie versorgt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Durchführung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die einfach befestigt und einfach mit Energie versorgt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass ein Befestigungsabschnitt zur Befestigung der Vorrichtung an der Wandung vorgesehen ist, wobei jedes Leistungshalbleiterbauelement mittels des Befestigungsabschnitts an der Wandung abgestützt ist und wobei ein primärseitig mit dem Hochspannungsleiter wechselwirkender Versorgungswandler sekundärseitig mit den Leistungshalbleiterbauelementen verbunden ist.

Die Leistungshalbleiterbauelemente sind erfindungsgemäß über die Steuerungsleitung mit Steuerungssignalen versorgbar, die Übergänge jedes Leistungshalbleiterbauelements zwischen einer Sperrstellung, in der ein Stromfluss über das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement unterbrochen ist, und einer Durchlassstellung bewirken, in der ein Stromfluss durch das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement ermöglicht ist. Wird das Leistungshalbleiterbauelement beispielsweise durch das Steuerungssignal gezündet, wird das Leistungshalbleiterbauelement in seine Durchlassstellung überführt. Beim aktiven Löschen des Leistungshalbleiterbauelementes hingegen wird dieses durch das Steuerungssignal in seine Sperrstellung überführt. Das Löschen des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementes kann erfindungsgemäß jedoch auch passiv also durch Auslassen einer Zündung erfolgen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Leistungshalbleiterbauelement ohne Steuerungssignal in seine Sperrstellung überführbar ist, wie beispielsweise bei einem Thyristor. Durch die elektrische Eingliederung der Leistungshalbleiterbauelemente in den Hochspannungsleiter ist daher eine aktive oder passive Unterbrechung des Stromflusses durch die Vorrichtung ermöglicht. Ein gesondert und mechanisch getrennt aufgestellter Schalter oder Schaltungselement ist erfindungsgemäß überflüssig geworden. Die Leistungshalbleiterbauelemente bilden mit den übrigen Bestandteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine bauliche Einheit. Insbesondere entfällt die Notwendigkeit der gesonderten isolierten Aufstellung der Leistungshalbleiterbauelemente, die sich aufgrund der zumindest elektrischen Verbindung mit dem Hochspannungsleiter im Betriebszustand auf einem Hochspannungspotential befinden. Die Isolierung gegenüber der Wandung, die sich beispielsweise auf einem Erdpotential befindet, erfolgt mittels des Isolators der Vorrichtung. Das Abstützen des Leistungshalbleiterbauelements durch den Befestigungsabschnitt kann selbstverständlich auch indirekt, also unter Zwischenschaltung weiterer Bestandteile der Vorrichtung, erfolgen.

Jedes Leistungshalbleiterbauelement ist vorteilhafterweise in einem Gehäuse der Vorrichtung untergebracht. Das gemeinsame Gehäuse ist als separates Bauteil des Isolators oder aber als dessen Außenseite realisiert.

Abweichend davon ist jedes Leistungshalbleiterbauelement in einem vom Isolator getrennten Kopfteil angeordnet. In jedem Falle ist jedes Leistungshalbleiterbauelement fest mit dem Befestigungsabschnitt verbunden und so an der Wandung abgestützt.

Als Isolator eignet sich beispielsweise ein mit Öl befülltes Gehäuse, in dem leitende Einlagen konzentrisch um den Hochspannungsleiter gewickelt sind. Dabei können die Einlagen voneinander beabstandet sein. Der beispielsweise als Flanschabschnitt realisierte Befestigungsabschnitt ist bei dieser Weiterentwicklung fest mit dem Gehäuse verbunden. Das Gehäuse besteht beispielsweise aus einer zweckmäßigen Keramik.

Bei einer diesbezüglich vorteilhaften Weiterentwicklung umfasst das Gehäuse eine Kunststoffhülle, beispielsweise aus einem Elastomer wie Silikonkautschuk, die ausladende Schirme zum Erhöhen der Kriechstromfestigkeit aufweist. Selbstverständlich können die Schirme auch an dem Keramikgehäuse angeformt sein, so dass eine zusätzliche Kunststoffhülle überflüssig ist.

Erfindungsgemäß ist ein primärseitig mit dem Hochspannungsleiter wechselwirkender Versorgungswandler vorgesehen, der sekundärseitig mit dem oder den Leistungshalbleiterelementen verbunden ist. Auf diese Weise wird die zum Betrieb der Leistungshalbleiterbauelemente notwendige Energieversorgung über den durch den Hochspannungsleiter fließenden Wechselstrom bereitgestellt, wobei der Wechselstrom in Wicklungen des Versorgungswandlers eine Spannung induziert. Der Versorgungswandler ist beispielsweise als konzentrisch um den Hochspannungsleiter angeordnete Spule realisiert, die keinen galvanischen Kontakt mit dem Hochspannungsleiter aufweist. Abweichend hiervon ist für jedes Leistungshalbleiterbauelement ein Versorgungswandler vorgesehen.

Zweckmäßigerweise ist die Steuerungsleitung eine Glasfaserleitung und das Leistungshalbleiterbauelement ein optisch steuerbares Leistungshalbleiterbauelement. Durch die Glasfaserleitung oder mit anderen Worten den Lichtwellenleiter ist eine nicht leitende Steuerungsleitung bereitgestellt, so dass elektrische Isolationsprobleme vermieden sind. Zum Zünden des Leistungshalbleiterbauelementes dient beispielsweise ein Faserlaser, dessen aktives Medium aus einem Abschnitt der Glasfaser selbst besteht, der mit optisch aktiven Teilchen dotiert ist. Als Pumplaser dienen beispielsweise Halbleiterlaser. Abweichend hiervon wird der Laserstrahl des Halbleiterlasers auf übliche Weise in den Lichtwellenleiter eingekoppelt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung ist jedes Leistungshalbleiterbauelement ein Thyristor. Der oder die Thyristoren sind beispielsweise optisch zündbar.

Abweichend davon ist das Leistungshalbleiterbauelement ein IGBT oder GTO. Diese beiden Varianten eines Leistungshalbleiterbauelements werden durch ein aktives Steuerungssignal oder mit anderen Worten ein Löschsignal von der Durchlassstellung in ihr Sperrstellung überführt, so dass die Steuerung des Leistungshalbleiterbauelements erleichtert ist. IGBTs und GTOs sind als solche bekannt, so dass auf deren Funktionsweise hier nicht näher eingegangen wird.

Zweckmäßigerweise sind eine Steuerungseinheit und ein mit der Steuerungseinheit verbundener Stromsensor vorgesehen, der zum Messen des Stromes durch den Hochspannungsleiter eingerichtet ist, wobei die Steuerungseinheit Messwerte des Stromsensors auf Unterbrechungsbedingungen hin überprüft und die Leistungshalbleiterbauelemente bei Vorliegen von Unterbrechungsbedingungen aktiv oder passiv in deren Sperrstellungen überführt. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist eine Steuerungseinheit vorgesehen, die beispielsweise ebenfalls mittels des Befestigungsabschnitts an der Wandung abgestützt ist, so dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein kompaktes Bauteil bereitgestellt ist. Ein ebenfalls mit dem Befestigungsabschnitt verbundener Stromsensor misst die durch den Hochspannungsleiter hindurchtretenden Wechselströme.

Hierzu eignen sich handelsübliche Stromwandler. Die Signale des Stromsensors werden zur Steuerungseinheit geleitet, welche die Signale anhand einer in dieser implementierten Logik auf Unterbrechungsbedingungen hin überprüft und beim Vorliegen einer Unterbrechungsbedingung beispielsweise Unterbrechersignale für das oder die Leistungshalbleiterbauelemente erzeugt, so dass der Stromfluss durch die Vorrichtung unterbrochen ist. Die Steuerungseinheit übernimmt ferner das Zünden jedes Leistungshalbleiterbauelementes, um dieses im Bedarfsfall in dessen Durchlassstellung zu überführen. Auf diese Weise wird im Nennbetrieb die Stromleitfähigkeit der Vorrichtung sichergestellt. In diesem Fall unterlässt die Steuerungseinheit das Zünden, wenn Unterbrechungsbedingungen festgestellt sind.

Vorteilhafterweise ist jedes Leistungshalbleiterbauelement in einem Kopfteil angeordnet, das an einem freien Ende des Isolators vorgesehen ist. Bei einer zweckmäßigen Weiterentwicklung befinden sich die Steuerungseinheit und der Stromsensor auf Erdpotential und sind im Bereich des Befestigungsabschnitts angeordnet. Die in dem Kopfteil angeordneten Bauteile sind leicht zugänglich und können auf einfache Art und Weise gewartet oder gegebenenfalls ausgetauscht werden.

Vorteilhafterweise weist der Isolator einen Harzabschnitt auf, der von einem Gehäuse aus Keramik umgeben ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung sind in dem Harzabschnitt konzentrisch um den Hochspannungsleiter angeordnete leitende Einlagen eingebettet. Als Einlagen sind beispielsweise metallische Folien, wie Aluminiumfolien geeignet. Aber auch mit Graphit beschichtete Kunststofffolien sind hier zweckmäßig. Der Befestigungsabschnitt ist beispielsweise durch Klemmsitz fest mit dem Gehäuse verbunden.

Selbstverständlich sind auch Schraub- oder Klebverbindungen zwischen Isolator und Befestigungsabschnitt möglich.

Zweckmäßigerweise ist die Steuerungseinheit als separates Bauteil realisiert. Dabei liegt die Steuerungseinheit beispielsweise auf Erdpotential, so dass eine aufwändige Isolierung entfällt.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei die

Figur eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die nachfolgend als Durchführung 1 bezeichnet wird, in einer geschnittenen Seitenansicht. Die Durchführung 1 erstreckt sich im Wesentlichen in einer Längsrichtung und umfasst einen Isolator 2, der sich aus einem inneren Harzabschnitt 3 sowie einem aus Keramik gefertigten Gehäuse 4 zusammensetzt. Das Gehäuse 4 ist fest mit einem Flanschabschnitt 5 als Befestigungsabschnitt verbunden, mit dem die Durchführung 1 an einer sich auf Erdpotential befindlichen Wandung befestigbar ist. Zur Befestigung dienen beispielsweise umfänglich um den Flansch verteilte Schraubverbindungen. An dem Gehäuse 4 sind ausladende Schirme 6 angeformt, so dass der Weg eines Kriechstromes bei gleich bleibender Gesamtlänge der Durchführung 1 vergrößert ist. Der Isolator 2 umfasst neben dem Gehäuse 4 aus Keramik und dem Harzabschnitt 3 ein Ölbad 7, so dass Lufteinschlüsse in dem Isolator 2 vermieden sind.

An dem dem Flanschabschnitt 5 gegenüberliegenden freien Ende des Isolators 2 ist ein Kopfteil 8 angeordnet, das mit einem Anschluss 9 versehen ist, der zur Befestigung einer figürlich nicht dargestellten Hochspannungsfreileitung vorgesehen ist. Durch den Harzabschnitt 3 erstreckt sich ein zentraler Hochspannungsleiter 10, der an einem Ende leitend mit dem Kopfabschnitt 8 verbunden ist und sich somit nach Anschluss der Hochspannungsfreileitung auf einem Hochspannungspotential befindet. An dem dem Kopfteil 8 gegenüberliegenden Ende des Hochspannungsleiters 10 sind weitere figürlich nicht dargestellte elektrische Anschlussmittel vorgesehen. Die gezeigte Durchführung 1 dient somit zum Durchführen eines Hochspannungspotentials durch eine Wandung, die sich auf Erdpotential befindet.

Zur Steuerung des elektrischen Feldes innerhalb des Harzabschnitts 3 sind in diesem elektrisch leitende Einlagen eingebettet, die kreisförmig um den Hochspannungsleiter 10 herum verlaufen, wobei die Einlagen konzentrisch zu dem Hochspannungsleiter 10 angeordnet sind. Der Bereich, in dem die Einlagen angeordnet sind, ist in der Figur mit einer durchgezogenen Linie angedeutet.

Der Hochspannungsleiter 10 ist elektrisch mit einem Leistungshalbleiterbauelement verbunden, das hier ein Thyristor 11 ist. Durch die elektrische Verbindung ist der Thyristor 11 zum Anschluss 9 in Reihe geschaltet, so dass der gesamte Strom der Durchführung 1 über den Thyristor 11 fließt. Der über eine Steuerungsleitung 12 steuerbare Thyristor 11 ist ein optisch zündbarer Thyristor, so dass als Steuerungsleitung ein Lichtwellenleiter 12 eingesetzt ist. Der Lichtwellenleiter 12 ist am Flanschabschnitt 5 aus dem Gehäuse 4 geführt. Zur Energieversorgung des Thyristors 11 ist ein Versorgungswandler 13 eingerichtet, der aus einer konzentrisch zum Leiter angeordneten Spule besteht. Durch die elektromagnetische Kopplung mit dem Hochspannungsleiter 10 wird eine Spannung in dem Versorgungswandler 13 induziert, die zur Energieversorgung des Thyristors 11 dient, der hierzu über eine nicht dargestellte Energieversorgungsleitung mit dem Versorgungswandler 13 verbunden ist.

Das Leistungshalbleiterbauelement 11 ist hier nicht in dem Harzabschnitt 3 des Isolators 2 eingegossen, sondern im Kopfabschnitt 8 angeordnet. Dies gilt entsprechend für den Versorgungswandler 13. Dabei ist der Thyristor 11 starr am Kopfteil 8 befestigt. Sowohl der Thyristor 11 als auch Vesorgungswandler 13 ragen zumindest teilweise in das Ölbad 7 hinein, so dass auch hier Lufteinschlüsse vermieden sind.

Zum Ansprechen des Thyristors 11 ist eine außerhalb des Gehäuses 4, also separat aufgestellte Steuerungseinheit 13 vorgesehen. Die Steuerungseinheit 13 befindet sich auf Erdpotential, so dass deren aufwändige Isolierung entfällt. Der Anschluss der Steuerungseinheit 13 an den sich auf Hochspannungspotential befindlichen Thyristor 11 erfolgt über den elektrisch nicht leitenden Lichtwellenleiter 12. Innerhalb der Steuerungseinheit 13 ist ein nicht dargestellter Laser vorgesehen, dessen Laserpulse den Thyristor 11 steuern. Die Steuerungseinheit 16 ist ferner mit einem am Befestigungsabschnitt 5 angeordneten Stromwandler 15 verbunden, der hier als Stromsensor eingesetzt ist. Die sekundärseitig vom Stromsensor 15erzeugten, dem Strom im Hochspannungsleiter 10 proportionalen Stromsignale werden der Steuerungseinheit 16 zugeleitet, von dieser abgetastet, digitalisiert und mittels einer in ihr implementierten Logik mit Unterbrechungsbedingungen verglichen. Hierbei kann es sich in einem einfachsten Fall um den Vergleich der aus Stromsignalen abgeleiteten Stromwerte mit einem Schwellenwert handeln. Werden keine Unterbrechungsbedingungen festgestellt zündet die Steuerungseinheit 13 den bei jedem Stromnulldurchgang des Wechselstromes in seine Sperrstellung überführten Tyristor 11 bei einem erneuten Anstieg des Stromes von neuem. Übersteigen die Stromwerte des Hochspannungsleiters 10 jedoch den besagten Schwellenwert, unterlässt die Steuerungseinheit 16 das Zünden des Thyristors 11, so dass dieser in seiner Sperrstellung verbleibt und ein Stromfluss durch die Durchführung 1 unterbrochen ist. Der Tyristor 11 wird also passiv gelöscht.

Bei einem hiervon abweichenden Ausführungsbeispiel ist das Leistungshalbleiterbauelement ein IGBT, der im Störfall aktiv, also durch Abfallenlassen der Spannung an dessen so genanntem „Gate" in seine Sperrstellung überführt wird.


Anspruch[de]
Vorrichtung (1) zum Durchführen einer Hochspannungsleitung durch eine Wandung mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden Isolator (2), einem sich längs durch den Isolator (2) erstreckenden Hochspannungsleiter (10) und einem endseitig an dem Isolator (2) angeordneten Anschluss (9) zum Verbinden mit einer Anschlussleitung, die sich auf Hochspannungspotential befindet, wobei der Hochspannungsleiter (10) mit wenigstens einem über eine Steuerungsleitung (12) ansprechbaren Leistungshalbleiterbauelement (11) verbunden ist, das zum Unterbrechen des Stromflusses durch den Hochspannungsleiter (10) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Befestigungsabschnitt (5) zur Befestigung der Vorrichtung (1) an der Wandung vorgesehen ist, wobei jedes Leistungshalbleiterbauelement (11) mittels des Befestigungsabschnitts (5) an der Wandung (6) abgestützt ist und wobei ein primärseitig mit dem Hochspannungsleiter (10) wechselwirkender Versorgungswandler (13) sekundärseitig mit den Leistungshalbleiterbauelementen (11) verbunden ist. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsleitung eine Glasfaserleitung (12) und das Leistungshalbleiterbauelement (11) ein optisch ansteuerbares Leistungshalbleiterbauelement (11) ist. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (11) ein Thyristor, IGBT oder ein GTO ist. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinheit (16) und einen mit der Steuerungseinheit (16) verbundenen Stromsensor (14), der zum Messen des Stromes durch den Hochspannungsleiter (10) eingerichtet ist, wobei die Steuerungseinheit (16) Messwerte des Stromsensors (14) auf Unterbrechungsbedingungen hin überprüft und die Leistungshalbleiterbauelemente (11) bei Vorliegen von Unterbrechungsbedingungen aktiv oder passiv in deren Sperrstellung überführt. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiterbauelemente (11) in einem Kopfteil (8) angeordnet ist, das an einem freien Ende des Isolators (2) vorgesehen ist. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (2) einen Harzabschnitt (3) aufweist, das von einem Gehäuse (4) aus Keramik und/oder Silikon umgeben ist. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Harzabschnitt (3) konzentrisch um den Hochspannungsleiter (10) voneinander beabstandete leitende Einlagen eingebettet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (16) als separates Bauteil realisiert ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com