Hochspannungstechnik VDI VERLAS. Grundlagen - Technologie - Anwendungen. Prof. Dr.-Ing. Andreas Küchler

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1 Hochspannungstechnik Grundlagen - Technologie - Anwendungen Prof. Dr.-Ing. Andreas Küchler VDI VERLAS

2 VII Inhalt Symbole und Abkürzungen xiv 1 Einführung l 1.1 Aufgabe der Hochspannungstechnik Anwendungen der Hochspannungstechnik Perspektiven der Hochspannungstechnik Übersicht 2 2 Elektrische Beanspruchungen Grundlagen des elektrischen Feldes Feldgrößen Potential, Spannung und Kapazität Die Maxwellschen Feldgleichungen Die Maxwellschen Hauptgleichungen (Feldgleichungen) Die Maxwellschen Nebengleichungen (Kontinuitätsgleichungen) Die Stoffgleichungen Einteilung der Felder Statische Felder Stationäre Felder Langsam veränderliche Felder in Leitern (Induktive Felder) Langsam veränderliche Felder in Isolierstoffen (Kapazitive Felder) Schnell veränderliche Felder Technische Beanspruchungen Beanspruchung mit Gleichspannung Beanspruchung mit Wechselspannung Beanspruchung mit Schaltstoßspannung ("Innere Überspannungen") Beanspruchung mit Blitzstoßspannung ("Äußere Überspannungen") Beanspruchung mit sehr schnell ansteigenden Impulsen ("Fast Transients") Gemischte Beanspruchungen Statische, stationäre und quasistationäre Felder in homogenen Dielektrika Analytische Auswertung der Kontinuitätsgleichung Grundsätzlicher Berechnungsweg Kugelsymmetrische Felder Zylindersymmetrische Felder Homogene Felder Feldverzerrungen durch Raumladungen Analytische Auswertung der Potentialgleichung Graphische Feldermittlung (für ebene Felder) Methode der konformen Abbildung (für ebene Felder) Ersatzladungsverfahren Leitende Kugeln Feld zwischen zwei leitenden Kugeln (Kugelfunkenstrecke) Parallele Linienladungen 57

3 VIII Inhalt Felder in der Umgebung zylindrischer Leiter (Beispiele) Ähnlichkeitsbeziehungen, Homogenitätsgrad, Ausnutzungsfaktor Ausmessung stationärer Strömungsfelder Analogie zwischen dielektr. Verschiebungsfeld u. stationärem Strömungsfeld Messungen auf halbleitendem Papier ("Widerstandspapier") Messungen in halbleitenden Flüssigkeiten ("Elektrolytischer Trog") Statische, stationäre und quasistationäre Felder in inhomogenen Dielektrika Leitfähigkeit und Polarisation Leitfähigkeit Polarisation Geschichtete Dielektrika Grenzflächen Quer geschichtetes Dielektrikum ("Feldverdrängung") Längs geschichtetes Dielektrikum (Tangentiale Grenzfläche, "Interface") Schräg geschichtetes Dielektrikum ("Brechungsgesetze") Analytische Berechnung geschichteter Dielektrika Ebene, zylindersymmetrische und kugelsymmetrische Schichtungen Spalte und Risse Zwickel ("Tripel-Punkte") Hohlräume und dielektrische Kugeln Gleichspannung und Übergangsvorgänge Analogien zum dielektrischen Verschiebungsfeld Typische Gleichspannungsfelder (Beispiele) Übergangsvorgänge (Beispiele) Numerische Feldberechnung Übersicht Ersatzladungsverfahren Differenzenverfahren Methode der Finiten Elemente Schnell veränderliche Felder und Wanderwellen Leitungsgebundene TEM-Welle Reflexionsvorgänge Grundlagen Wellenersatzbild Mehrfachreflexionen Beispiele Gasisolierte Schaltanlage ("Fast Transients") Schutzbereich von Überspannungsableitern Leitungsgeneratoren Elektrische Festigkeit Statistische Grundlagen Statistischer Charakter von Entladungsvorgängen Beschreibung von Entladungsvorgängen mit theoretischen Verteilungsfunktionen Vergleich empirischer Verteilungen mit theoretischen Verteilungen Die Gaußsche Normalverteilung 141

4 Inhalt IX DieWeibull-Verteilung Vergrößerungsgesetze Korrelation und Regression, Lebensdauergesetz Gasentladungen Gasentladungskennlinien Unselbständige und selbständige Entladung Gasentladungskennlinie, Einstellung von Arbeitspunkten Erscheinungsformen von Gasentladungen Raumladungsfreie Entladungen im homogenen Feld (Townsend, Paschen) Zündbedingung nach Townsend (Generationenmechanismus) Ionisierung und Anlagerung Gesetz von Paschen Raumladungsbeschwerte Entladung (Kanalentladung, Streamer-Mechanismus) Entladeverzug, Stoßkennlinien und Hochfrequenzdurchsclilag Zünd- und Entladeverzug Stoßkennlinien Hochfrequenzdurchschlag Entladungen im inhomogenen Feld Vorentladungen und Durchschlag Polaritätseffekt Koronaeinsatz und Vorentladungen Durchschlagspannungen Einfluß verschiedener Parameter Oberflächenentladungen Anordnungen mit Oberflächen Zündung von Gleitentladungen Entwicklung von Gleitentladungen Fremdschichtüberschlag Funken-, Bogen- und Blitzentladung Funkenentladung Bogenentladung Blitzentladungen Entladungen in flüssigen und festen Dielektrika Entladungen in Flüssigkeiten Entladungsmechanismen in Mineralöl Wichtige Einflußgrößen beim Durchschlag in Mineralöl Teilentladungen (ТЕ) in Mineralöl Andere Isolierflüssigkeiten Entladungen jn festen Stoffen Elektrischer Durchschlag Wärmedurchschlag Alterung, Erosionsdurchschlag und Lebensdauer Teilentladungen (ТЕ) Ursachen für Teilentladungen Koronaentladungen Innere Teilentladungen Oberflächenentladungen Teilentladungsquellen TE-Quellen in Gasen TE-Quellen in Flüssigkeiten 225

5 Inhalt TE-Quellen in festen Stoffen TE-Interpretation bei Wechselspannung Klassische TE-Interpretation Neue Ansätze der TE-Interpretation Nicht-elektrische Methoden der TE-Diagnose Dielektrische Eigenschaften Allgemeine Eigenschaften von Isolierstoffen Dielektrische Eigenschaften Dielektrizitätszahl e r Polarisationsmechanismen Frequenzabhängigkeit (Dispersion) Temperaturabhängigkeit Feldstärkeabhängigkeit Mischdielektrika Leitfähigkeit к Verlustfaktor tan Komplexe Dielektrizitätszahl Beschreibung von Dielektrika mit Ersatzschaltbildern Parallel-und Reihenersatzschaltbild Ersatzschaltbilder höherer Ordnung Maxwellsches Zweischichtenmodell Erweitertes Polarisationsersatzbild Isolierstoffe Gase Luft Schwefelhexafluorid (SF 6 ) Anorganische feste Isolierstoffe Porzellan und Keramik Glas Glimmerprodukte Hochpolymere Kunststoffe Bildungsreaktionen und Vernetzung Thermoplastische Isolierkunststoffe Polyäthylen (PE) Polyvinylchlorid (PVC) Polypropylen (PP) Hochtemperaturbeständige Thermoplaste Polyamide (PA) und Aramide Polytetrafluoräthylen (PTFE) Polymethylmethacrylat (PMMA) Duroplaste und Elastomere Epoxidharze 259

6 XI Polyurethane (PU) Phenolharze (PF) und Hartpapier Silikonharze und -elastomere (SIR) Isolierflüssigkeiten Technologie der Isolierflüssigkeiten Mineralöl Synthetische Isolierflüssigkeiten Polychlorierte Biphenyle (PCB) Silikonflüssigkeiten ("Silikonöle") Andere organische Flüssigkeiten Pflanzliche Öle Wasser Verflüssigte Gase Faserstoffe Papier und Preßspan Elektrische Festigkeit Dielektrische Eigenschaften, Feuchtigkeit und Alterung Herstellung und Verarbeitung Synthetische Faserstoffe Prüfen, Messen, Diagnose Qualitätssicherung Qualitätssicherungssysteme Zertifizierung und Akkreditierung Kalibrierung Hochspannungsprüfungen und Isolationskoordination Erzeugung hoher Spannungen Erzeugung von Wechselspannungen Erzeugungsprinzipien Prüftransformatoren Kaskadenschaltung Kapazitive Spannungsüberhöhung und Resonanz Erzeugung von Gleichspannungen Hochspannungsgleichrichter Gleichrichterschaltungen Schaltnetzteile Elektrostatische Generatoren Erzeugung von Stoßspannungen Stoßspannungsformen Einstufige Stoßspannungsgeneratoren Mehrstufige Stoßspannungsgeneratoren Stoßstromgeneratoren Kombinierte Prüfschaltungen Spezielle Impulsgeneratoren 312

7 XII Inhalt 6.3 Hochspannungsmeßtechnik Meßfunkenstrecken Kugelfunkenstrecke Stab-Stab-Funkenstrecke Elektrostatische Voltmeter Feldsensoren Räumlich konzentrierte Sensoren Räumlich ausgedehnte Sensoren Potentialfreie Sonden Generatorische Sensoren Spannungsteiler Übertragungsverhalten Teilerbauarten Ankopplungsschaltungen Wandler Effektiv-, Scheitelwert- und Oberschwingungsmessungen Strommessung Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Diagnose Dielektrische Messungen Verlustfaktor und Kapazität Isolationswiderstand Dielektrische Diagnostik Teilentladungsmessungen TE-Meßkreis Scheinbare Ladung, Kalibrierung Signalverarbeitung und -bewertung Bestimmung von Systemeigenschaften Stoßstrommessungen Transferfunktionen Frequenzgangmessungen Reflektometrie Chemische Analysen Bestimmung des Wassergehalts Gas-in-Öl-Analyse Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) Bestimmung des Polymerisationsgrades von Zellulose Optische und akustische Diagnoseverfahren Isolierstoffprüfungen Dielektrische Messungen Durchschlagsmessungen Kriechstromfestigkeit Lichtbogenfestigkeit Anwendungen Typische Isolationssysteme für Wechselspannungen Kabel und Garnituren Papierisolierte Kabel Kunststoffkabel 350

8 Inhalt XIII Kabelgarnituren Durchführungen Feldsteuerung Bauformen Transformatoren Wicklungsaufbau Aufbau der Isolation Fertigung, Prüfung, Diagnose Kondensatoren Aufbau des Dielektrikums Imprägnierung Kondensatorbauarten Meßkondensatoren Leistungsschalter Entwicklung der Schaltgeräte SF 6 -Druckgasschalter Vakuumschalter Elektrische Maschinen Typische Isolationssysteme für Gleichspannungen Beanspruchung und Festigkeit Gleichspannungskondensatoren Barrierensysteme, Spalte und Durchführungen für die HGÜ Äußere Isolation Typische Isolationssysteme für Impulsspannungen Beanspruchung und Festigkeit Energiespeicherung Impulskondensatoren (Energiespeicher-, Stoßkondensatoren) Aufbau des Kondensators Die sogenannte "Kondensatorinduktivität" Dielektrikum und Lebensdauer Impulsstromkreise (vgl. auch Kap ) Weitere Anwendungen Blitzschutz Stoßwellenerzeugung Licht- und Lasertechnik Röntgentechnik Partikelabscheidung Supraleitung Literatur Sachwortverzeichnis 389