Hochspannungstechnik

Transkript

1 Hochspannungstechnik Von Dr.-Ing. Arnold Roth Technischer Direktor der Ateliers de ConstructioJlll Electriques de Delle in Villeurbanne (Rhöne}, früher Leiter der Apparaten- u. Transfonnatoren-Ve<snchsabteilung von Brown, Boveri & Cie. in Baden Mit 437 Abbildungen im Text und auf 3 Tafeln sowie 75 Tabellen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1927

2 Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1927 Ursprünglich erschienen bei Julius Springer in Berlin 1927 Softcoverreprint of the hardcover 1st edition 1927 Additional material to this book can be downloaded from ISBN DOI / ISBN (ebook)

3 Vorwort. Die Entwicklung der Grundlagen der Hochspannungstechnik ist in den letzten zehn Jahren von Grund auf beeinflußt worden, einerseits durch die Verbreitung und Vertiefung der physikalischen Erkenntnisse, welche den elektrischen Vorgängen in den Baustoffen zugrunde liegen, andererseits durch die bessere Erfassung der Natur und der Bedeutung der Überspannungsvorgänge im praktisch~n Betriebe. Jedem, der sich mit der Hochspannungstechnik eingehender beschäftigt, ist wohl der Unterschied aufgefallen zwischen den altgewohnten einfachen Berechnungsweisen und der Bemessung der Konstruktionen. Die Erbauer von Hochspannungsmaschinen und -apparaten sind durch ihre Erfahrung auf ganz andere Abmessungen geführt worden, als sie die einfache Theorie ergeben hat. Sie kamen dazu auf dem vielleicht unwissenschaftlichen Wege, die Isolation so lange zu verstärken, bis sie die betriebsmäßigen Beanspruchungen aushielt. Der Theorie bleibt nichts anderes übrig, als ihnen auf dies&lm Weg Schritt um Schritt zu folgen und die Erklärung zu finden, warum die Erbauer gerade diese Abmessungen als die notwendigen und wirtschaftlichen gefunden haben. Als Beispiel seien erwähnt die Bemessung der Nutenisolation der Generatoren, wo mit der früher üblichen Rechnung mit bestimmten zulässigen Feldstärken als Materialkonstanten - welche zudem unabhängig von der Elektrodenform angenommen wurden - nicht durchzukommen ist, ferner die Berechnung der Luftabstände von Leitern, wo die Rechnung mit theoretisch glatten Oberflächen zu ganz falschen Ergebnissen führt. Diese Beispiele ließen sich beliebig vermehren. Es ist zu hoffen, daß es der Wissenschaft gelingt, aus einer bloßen Erklärerio eine Führerin zu werden. Unzweifelhaft weisen auch unsere heutigen Erkenntnisse über die elektrische Materialbeanspruchung noch große Lücken auf, an deren Beseitigung gerade in den letzten Jahren außerordentlich gearbeitet worden ist. Ich habe mich deshalb gefragt, ob der heutige Augenblick der richtige sei, eine zusammenfassende Darstellung der Hochspannungstechnik zu schreiben, insbesondere denke ich dabei an die Erkenntnis der Bedeutung der Ionentheorie für den Luftdurchschlag und diejenige der dielektrischen Erwärmung für den Durchschlag der festen Stoffe.

4 IV Vorwort. Ich sagte mir aber, daß gerade durch eine Verbreitung der bis heute nur einem kleinen Kreise bekannten Anschauungen die Entwicklung der Erkenntnis gefördert wird; andererseits beginnen diese noch mangelhaften Kenntnisse doch schon ihren Einfluß auf die Gestaltung der Konstruktionen auszuüben. Der Hochspannungsingenieur muß sich darum mit ihnen beschäftigen. Die wachsende Erkenntnis des Wesens der Überspannungen und insbesondere ihrer möglichen Höhe unter den Verhältnissen des praktischen Betriebes hat die Hochspannungstechnik von ihrer Überschätzung befreit. Sie zeigt, daß nur ein Bruchteil der Störungen in Anlagen wirklich auf Überspannungsvorgänge zurückzuführen ist, der größere Teil aber viel einfachere und natürliche Erklärungen findet. Die Entfernung unnötiger Schutzapparate aus den Netzen und die Aufstellung der Bedingungen, welche solche Apparate, da wo sie notwendig sind, erfüllen müssen, sind die Folge. EsistmireineangenehmePflicht,derFirma Brown, Boveri & Co. in Baden bestens zu danken; sie stellte mir in großzügig~r Weise die Ergebnisse der unter meiner Leitung durchgeführten Forschungen zur Verfügung und hat so erst das Werk in der vorliegenden Form ermöglicht. Ebenso danke ich denjenigen Herren, welche mich mit Überlegungen und Studien unterstützt haben, so den Herren Schießer, Kühler, Berger, Brühlmann, Clerc, Lienhard, Rump, Schalcher, Staeger. Ferner möchte ich den Firmen danken, welche mir Bildermaterial zur Verfügung stellten. Lyon und Baden, im April Arnold Roth. Anmerkung. DieFußnoten im Text verweisen auf das Literaturverzeichnis S. 510, und zwar bezeichnet die römische Ziffer vor dem Verfassernamen den Abschnitt des Literaturverzeichnisses, während die dahinterstehende arabische Ziffer die Ordnungszahl der bei dem zitierten Verfasser aufgeführten Werke ist.

5 Inhaltsverzeichnis. Seite I. Das elektrische Feld I l. Elektrischer Fluß und Feldstärke I 2. Äquipotentialflächim Kapazität, Energieinhalt und Ladestrom 9 4. Platten ohne und. mit Rändern I3 5. Parallele Drähte (Zylinder).. I5 6. Parallele Prismen mit Kanten Sich umhüllende Zylinder Kugeln Spitzen Geschichtete Isolierstaffe bei Gleich- und Wechselstrom Ungleichartig zusammengesetzte Isolierstaffe Kraftwirkungen im elektrischen Feld Zusammenstellung der hauptsächlichsten Formeln zur Berechnung der Größen des elektrischen Feldes II. Die festen dielektrischen Baustoffe der Hochspannungstechnik Keramische Baustoffe Faserstoffe Glimmerprodukte Ausgußmassen Die Dielektrizitätskonstanten der festen Baustoffe Die dielektrische Erwärmung der festen Baustoffe Der Wärmedurchschlag Der "rein elektrische" Durchschlag der festen Baustoffe Das Wachstumsgesetz der Isolation für verschiedene Betriebsspannungen Die Bemessung der fest!ln Baustoffe auf Durchschlag Der Einfluß der Wärmeeigenschaften der Isolierstaffe auf Abmessung und Preise der Maschinen und Transformatoren Die Bedeutung der Lufteinschlüsse Die Bedeutung der Feuchtigkeit Die Prüfung der festen Baustoffe. 117 III. Das Öl als Baustoff Chemische und physikalische Eigenschaften der in der Hochspannungstechnik verwendeten Öle Theorie über den Durchschlag des Öles Glimmen in Öl Die dielektrische Festigkeit des Öles Einfluß der Elektrodenverkleidung auf die dielektrische Festigkeit des Öles

6 VI Inhaltsverzeichnis. Seite 33. Einfluß von isolierenden Zwischenwänden auf die elektrische Festigkeit des Öles (Barrieren) Dielektrizitätskonstante und spezifische Verluste des Öles Die Bedeutung der Feuchtigkeit im Öl Entfeuchtung und Reinigung des Öles Die technische Untersuchung des Öles 148 IV. Die Luft im elektrischen Feld Aufbau der Luft Unselbständige elektrische Entladung und Übergang in die selbständige Entladung Glimmen in Luft Anfangsspannung typischer Elektrodenformen Die Glimmverluste von Freileitungen Chemische, mechanische und Wärmewirkungen des Glimmens Die Büschelentladung Der Übergang in die Funkenentladung und die Funkenentladung selbst Einfluß von äußeren Umständen auf die Funkenentladung Die Bemessung der Luftabstände in der Praxis Die Bedeckung der Elektroden in Luft mit Isoliermaterial. 212 V. Öl im Zusammenbau mit festen Baustoffen Berechnung des "rein elektrischen" und des Wärmedurchschlags Das Glimmen an festen Baustoffen unter Öl Die Oberflächenentladung unter Öl Einfluß der Temperatur auf die Festigkeit der zusammengesetzten Anordnung VI. Luft im Zusammenbau mit festen Baustoffen Luft und feste Stoffe parallel zu den Feldlinien geschichtet Luft und feste Baustoffe quer zu den Feldlinien geschichtet Die allgemeine Anordnung und ihre charakteristischen Entladungsformen Einfluß des zeitlichen Spannungsverlaufes und äußerer Umstände auf die charakteristischen Entladungsformen der verschiedenen Anordnungen, Luft zusammen mit festen Baustoffen 230 Die Berechnung des Stützers... o o o o o Die Berechnung der Durchführung o Die Durchführung als KonstruktiQhselement im Maschinen- und Apparatebau Die elektrische Bemessung des Freileitungsisolators o Die Freiluftdurchführung VII. Elektromagnetische Schwingungs- und Stoßvorgänge Eigenschwingungen in Kreisen mit konzentrierten Konstanten Eigenschwingungen von Leitungen und Kabeln {verteilte Konstanten) o o Eigenschwingungen von Wicklungen Erzwungene Schwingungen erregt durch konstante wechselelektromotorische Kräfte Erzwungene Schwingungen mit eisenhaltiger Induktivität Oberwellen in Wechselstromnetzen als Erreger von erzwungenen Schwingungen !15

7 Inhaltsverzeichnis. VII Seite 68. Erzwungene Schwingungen erregt durch abklingende elektromotorlache Kräfte Einschalten von Stromkreisen mit Induktivität Ausschalten von Stromkreisen mit Induktivität VIII. Wirkliche Anforderungen an die dielektrische Festigkeit im praktischen Betrieb und Prüfvorschriften Dielektrische Anforderungen im normalen Betrieb Beanspruchung bei Erdschlüssen Beanspruchung bei atmosphärischen Störungen Beanspruchung bei Schaltvorgängen Beanspruchung bei sonstigen Überspannungsvorgängen Die Anforderungen des praktischen Betriebes an die dielektrische Festigkeit in ihrer Gesamtheit Die Nachbildung der praktischen Anforderungen durch die Prüfvorschriften Verschiedene Ländervorschriften LX. Einrichtungen für den Hochspannungsprüfraum Der Prüftransformator... : , Die Spannungsmessung bei der Prüfung : Die Strommessung bei der Spannungsprüfung Die Messung der dielektrischen Verluste Die Regeneinrichtung Die Stoßprüfung von Isolatoren Die Sprungwellenprüfung von Wicklungen 368 X. Der Lichtbogen in Luft und unter Öl Die Vorgänge im Lichtbogen Der Lichtbogen im Gleichstromschalter Der Lichtbogen im Wechselstromschalter Probleme des Ölschalters XI. Hochstromprobleme in Hochspannungsanlagen Der Kurzschlußstrom und seine Folgen im praktischen Betriebe Das Abschalten von Gleichstrom Das Abschalten von Wechselstrom Berechnung des Kurzschlußstromes und der Abschaltspannung in Netzen Die Kraftwirkung der Kurzschlußströme Berechnungder Kräftewirkungvon Kurzschlußströmen bei typischen Anordnungen Die Wärmewirkung der Kurzschlußströme Xll. Hochspannungsanlagen für Wechselstrom Hochspannungsaufgaben an Generatoren und Motoren Hochspannungsaufgaben an Transformatoren Allgemeine Anordnung der Schaltanlage Die Erdung der Anlageteile Die Stütz- und Durchführungsisolatoren Die Schalter Die Trennschalter Die Hochspannungssicherungen Die Maßeinrichtungen 456

8 VIII Inhaltsverzeichnis. Seite 106. Die Freileitung Die Freileitungsisolatoren Hochspannungskabel Der Überspannungsschutz von Wechselstromanlagen 472 llo. Der Überstromschutz von Wechselstromanlagen lll. Beeinflussung von Fernmeldeeinrichtungen durch Wechselstromanlagen XIII. Hochspannungsanlagen für Gleichstrom 500 ll2. Schaltanlage und Leitung Die Gleichstromschalter Der Überspannungsschutz der Gleichstromanlage. 506 ll5. Der Überstromschutz der Gleichstromanlage ll6. Beeinflussung von Fernmeldeeinrichtungen durch Gleichstromanlagen Nachwort Literaturverzeichnis. Sachverzeichnis