Lehrbuch der elektrischen Festigkeit der Isoliermaterialien

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1 Lehrbuch der elektrischen Festigkeit der Isoliermaterialien Von Dr.-ing. A. Schwaiger a. o. Professor an der Technischen Hochschule Karl1ruhe Mit 94 Textabbildungen Springer-Verlag Berlin B eideiberg GmbH 1919

2 Alle Rechte, insbesondere dss der Obersetzung in fremde Spr8.Qhen, vorbehalten. Copyright 1919 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg Softcover repnnt ofthe hardcover 1st edlhon 1919 ISBN DOI / ISBN (ebook)

3 Vorwort. Für die Entwicklung der elektrischen Energieübertragung war und ist das Prinzip der Wirtschaftlichkeit maßgebend; dieses hat bekanntlich zur Zusammenfassung (Zentralisation) der Energieerzeugung in großen Kraftwerken (Überlandwerken) und zur Übertragung der Energie auf große Entfernungen und damit zur Anwendung hoher Übertragungsspannungen geführt. Die Wahl hoher Übertragungsspannungen hat die Elektrotechnik vor viele neue und schwierige Aufgaben gestellt, deren Lösung durch eingehende theoretische und experimentelle Untersuchungen vielfach gelungen ist. Die Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Hochspa.nnungstechnik - so nennt man dieses neue Gebiet :- sind in mehreren literarischen Werken niedergelegt, von denen das bekannteste wohl das Buch "Hochspannungstechnik" von Petersen ist. Unter dem Begriff "Hochspannungstechnik" faßt man gewöhnlich die Teilgebiete zusammen: elektrische Festigkeitslehre, elektromagnetische Ausgleichsvorgänge und Bau von Hochspannungsanlagen. Das vorliegende Buch befaßt sich lediglich mit dem ersten der genannten drei Teilgebiete, mit der elektrischen Festig kei tslehre. Unter "elektrischer Festigkeit" versteht man den Widerstand der Isoliermaterialien gegen Durchschlag. Der Ausdruck "Festigkeit" ist nicht glücklich gewählt, da es beim Durchschlag des Isoliermaterials nicht darauf ankommt, wie "fest" es ist. Nachdem sich aber dieser Ausdruck einmal eingebürgert hat, soll E!t' auch im vorliegenden Buch beibehalten werden. Zum erstenmal scheint er von J. C. Maxwell gebraucht worden zu sein. Es ist eine bemerkenswerte Tatsache, daß unsere Kenntnisse über die elektrische Festigkeit der Isoüermaterialien noch nicht so weit fortgeschritten sind, als man in Anbetracht der Wichtigkeit dieses Gebietes erwarten sollte. Wenn trotzdem die Technik es wagen konnte, zur Anwendung immer höherer Spannungen zu schreiten - Übertragungsspannungen von Volt sind bereits überschritten -, und wenn es tatsächliol.! gelungen ist, die mit so hohen Spannungen verbundenen Erscheinungen und Schwierigkeiten zu beherrschen, so mag das hauptsächlich seinen Grund darin haben, daß der Konstrukteur bei der Dimensionierung der Konstruktionen mit einem sehr großen Sicherheitsfaktor rechnet. In der Annahme, daß dieses Gebiet in der Elektrotechnik mit der Zeit eine ähnliche Bedeutung erlangen wird wie die Festigkeitslehre im I

4 IV Vorwort. Maschinenbau, hat es der Verfasser unternommen, dasselbe vom allgemeinen Gebiet der Hochspannungstechnik loszutrennen und sozusagen auf eigene Füße zu stellen. Er hofft dadurch, das Interesse hierfür zu fördern und eine Anregung zu geben, daß in den Hochspannungsprüfund -versuchsfeldern besonders der experimentellen Erforschung der elektrischen Festigkeit der Isoliermaterialien mehr Augenmerk geschenkt wird, als es bisher der Fall war. Sollten diese Anregungen auf fruchtbaren Boden fallen, so wäre ein Hauptzweck des Buches erfüllt. Gegenüber den bereits vorhandenen bzw. dem Verfasser bekannten Veröffentlichungen auf diesem Gebiet sind im vorliegenden Buch hauptsächlich die Berechnungsmethoden der "zusammengesetzten Anordnungen", sowie die Darlegungen über die experimentelle Ermittlung der elektrischen Festigkeit neu. Die letzteren stützen sich auf die umfangreichen Untersuchungen, die der Verfasser in seinem Hochspannungslaboratorium (Technische Hochschule Karlsruhe) angestellt hat. Das vorliegende Buch wurde im Felde geschrieben, und die~er Umstand erklärt auch, warum die vorhandene Literatur und die in der Praxis üblichen Ausführungsformen so wenig Erwähnung finden konnten. Wie der Verfasser jedoch nach Rückkehr aus dem Felde feststellen konnte, sind Neuerscheinungen in der Literatur, deren Nichtbeachtung das vorliegende Buch wertlos machen würde, in den letzten Jahren nicht zu verzeichnen gewesen. Den Mangel des Buches an Beispielen aus der Praxis glaubt der Verfasser dadurch aufgewogen zu haben, daß er die Theorie der einzelnen Gruppen technisch wichtiger Anordnungen so eingehend behandelt hat, daß es für den auf diesem Gebiet arbeitenden Ingenieur nicht schwer sein dürfte, die auf einen gegebenen Fall anzuwendenden Rechnungsmethoden ausfindig machen und verwerten zu können. Der Hauptzweck des Buches als Lehrbuch wäre aber erfüllt, wenn es dem J.jeser beim Einarbeiten in das Gebiet der elektrischen Festigkeit nützlich sein könnte. Mein Freund und Kriegskamerad, Herr Vzfw. Mei xner (Lehrer in München), hat mich bei der Berechnung der Kurven, beim Nachprüfen der Formeln, sowie beim Übertragen des Stenogrammes in Maschinenschrift sehr unterstützt; mir werden die schönen Stunden, die wir in den Vogesen bei gemeinsamer Arbeit verlebt haben, in steter Erinnerung bleiben. Die Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft Berlin, die Porzellanfabrik Hermsdorf, sowie Herr Dr.-Ing. Weicker haben dem Verfasser in zuvorkommender Weise einige Bildstöcke zur Verfügung gestellt. Endlich hat der Herr Verleger keine Mühe gescheut, den Druck des Buches zu beschleunigen. All den Genannten, die so zum Erscheinen des Buches beigetragen haben, spricht der Verfasser seinen aufrichtigen Dank aus. Karlsruhe, Neujahr Der Verfasser.

5 Inhaltsverzeichnis. Vorwort Einleitung I. Theoretische Grundlagen der elektrischen Festig keitslehre A. Grundlegende V ersuche Das elektrische F'eld einer geladenen Kugel 2. Das elektrische Feld eines geladenen Kreiszylinders 3. Das elektrische Feld einer geladenen Ebene.-... B. Das elektrische Feld Die elektrische Feldstärke a) Berechnung der Feldstärke in der Umgebung einer geladenen Kugel b) Berechnung der Feldstärke in der Umgebung eines geladenen Zylinders..... c) Berechnung der Feldstärke in der Umgebung einer geladenen Ebene 2. Das Potential Die Kapazität C. Die Beanspruchung der IsoHermaterialien im elektrischen Feld 1. Gasförmige IsoHermaterialien Feste und flüssige Isoliermaterialien Statische und Wechselfelder Berechnung der elektrischen Beanspruchung von Iso Hermaterialien bei technisch wichtigen Anordnungen A. Einfache Anordnungen (Zwei-Elektrodenanordnungen) 1. Fundamental-Anordnungen a) Zwei konzentrische Kugeln. b) Zwei konzentrische Zylinder Das Hochspannungskabel Die Luftdurchführung c) Zwei parallele Ebenen. 2. Elektrische Bilder a) Zwei parallele Zylinder in kleiner Entfernung von einander b) Zylinder parallel zu einer Ebene c) Zwei exzentrische Zylinder Kombinierte Anordnungen B. Zusammengesetzte Anordnungen (Mehr-Elektrodenanordnungen) 1. Kondensatorreihen a) Plattenförmige Anordnungen. b) Zylinderförmige Anordnungen c) Kombinierte Anordnungen.. Seite m

6 VI Inhaltsverzeichnis. Seite 2. Kondensatorketten a) Kettenisolatoren b) Überspannungsschutzapparate 72 c) Mehrfachverkettung Kondensatorketten mit Ohmsehen Widerständen 76. a) Kettenisolatoren mit Ohmsehen Widerständen 76 b) tjberspannungsschutzapparate mit Ohmsehen Widerständen. 77 c) Durchführungen C. Beliebig gestaltete Anordnungen Parallelebene Felder Meridianebene Felder 9l 3. Kontrolle der Genauigkeit der Linienbilder 93 lll. Experimentelle Ermittlung und Prüfung der elektrischen Festigkeit von Isolierstoffen u. Konstruktionen 96 A. Ermittlung der elektrischen Festigkeit der Isotierstoffe Gasförmige Isotierstoffe Flüssige IsoHerstoffe Feste Isotierstoffe a) Allgemeine Versuchsbedingungen b) Nichthygroskopische Isotiermaterialien 109 c) Hygroskopische Isoliermaterialien B. Prüfung der elektrischen Festigkeit von fertigen Konstruktionen Kabelprüfung Prüfung der Hochspannungsisolatoren Prüfung von Maschinen und Transformatoren 135 C. Einrichtungen eines Hochspannungsversuchsfeldes Transformatoren und Maschinen Apparate Meßinstrumente 139 Anhang Namen- und Sachverzeichnis 14!