Hochspannungstechnik

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

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 http://extras.springer.com. ISBN 978-3-662-35746-0 DOI 10.1007/978-3-662-36576-2 ISBN 978-3-662-36576-2 (ebook)

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.

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 1927. 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.

Inhaltsverzeichnis. Seite I. Das elektrische Feld...... I l. Elektrischer Fluß und Feldstärke I 2. Äquipotentialflächim...... 7 3. Kapazität, Energieinhalt und Ladestrom 9 4. Platten ohne und. mit Rändern I3 5. Parallele Drähte (Zylinder).. I5 6. Parallele Prismen mit Kanten. 22 7. Sich umhüllende Zylinder. 24 8. Kugeln........ 29 9. Spitzen.......... 30 10. Geschichtete Isolierstaffe bei Gleich- und Wechselstrom. 31 11. Ungleichartig zusammengesetzte Isolierstaffe....... 37 12. Kraftwirkungen im elektrischen Feld........... 43 13. Zusammenstellung der hauptsächlichsten Formeln zur Berechnung der Größen des elektrischen Feldes............ 46 II. Die festen dielektrischen Baustoffe der Hochspannungstechnik....... 52 14. Keramische Baustoffe 52 15. Faserstoffe 59 16. Glimmerprodukte 72 17. Ausgußmassen.. 75 18. Die Dielektrizitätskonstanten der festen Baustoffe. 76 19. Die dielektrische Erwärmung der festen Baustoffe. 77 20. Der Wärmedurchschlag............. 94 21. Der "rein elektrische" Durchschlag der festen Baustoffe. 99 22. Das Wachstumsgesetz der Isolation für verschiedene Betriebsspannungen....................... 105 23. Die Bemessung der fest!ln Baustoffe auf Durchschlag..... 107 24. Der Einfluß der Wärmeeigenschaften der Isolierstaffe auf Abmessung und Preise der Maschinen und Transformatoren 109 25. Die Bedeutung der Lufteinschlüsse 110 26. Die Bedeutung der Feuchtigkeit. 115 27. Die Prüfung der festen Baustoffe. 117 III. Das Öl als Baustoff....... 122 28. Chemische und physikalische Eigenschaften der in der Hochspannungstechnik verwendeten Öle.. 122 29. Theorie über den Durchschlag des Öles. 127 30. Glimmen in Öl............ 130 31. Die dielektrische Festigkeit des Öles.. 131 32. Einfluß der Elektrodenverkleidung auf die dielektrische Festigkeit des Öles..................... 140

VI Inhaltsverzeichnis. Seite 33. Einfluß von isolierenden Zwischenwänden auf die elektrische Festigkeit des Öles (Barrieren)......... 140 34. Dielektrizitätskonstante und spezifische Verluste des Öles 141 35. Die Bedeutung der Feuchtigkeit im Öl. 143 36. Entfeuchtung und Reinigung des Öles 145 37. Die technische Untersuchung des Öles 148 IV. Die Luft im elektrischen Feld.. 153 38. Aufbau der Luft...................... 153 39. Unselbständige elektrische Entladung und Übergang in die selbständige Entladung............ 159 40. Glimmen in Luft............. 171 41. Anfangsspannung typischer Elektrodenformen. 181 42. Die Glimmverluste von Freileitungen 187 43. Chemische, mechanische und Wärmewirkungen des Glimmens. 191 44. Die Büschelentladung... 195 45. Der Übergang in die Funkenentladung und die Funkenentladung selbst........................ 199 46. Einfluß von äußeren Umständen auf die Funkenentladung. 205 47. Die Bemessung der Luftabstände in der Praxis...... 211 48. Die Bedeckung der Elektroden in Luft mit Isoliermaterial. 212 V. Öl im Zusammenbau mit festen Baustoffen...... 212 49. Berechnung des "rein elektrischen" und des Wärmedurchschlags 212 50. Das Glimmen an festen Baustoffen unter Öl......... 215 51. Die Oberflächenentladung unter Öl.............. 216 52. Einfluß der Temperatur auf die Festigkeit der zusammengesetzten Anordnung..................... 217 VI. Luft im Zusammenbau mit festen Baustoffen..... 217 53. Luft und feste Stoffe parallel zu den Feldlinien geschichtet 217 54. Luft und feste Baustoffe quer zu den Feldlinien geschichtet 219 55. Die allgemeine Anordnung und ihre charakteristischen Entladungsformen... 223 56. 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 237 57. o 0 0 58. Die Berechnung der Durchführung......... o 240 59. Die Durchführung als KonstruktiQhselement im Maschinen- und Apparatebau................. 246 Die elektrische Bemessung des Freileitungsisolators 247 60. o 0 0 61. Die Freiluftdurchführung................ 249 VII. Elektromagnetische Schwingungs- und Stoßvorgänge. 250 62. Eigenschwingungen in Kreisen mit konzentrierten Konstanten 251 63. Eigenschwingungen von Leitungen und Kabeln {verteilte Konstanten).............. o o 259 64. Eigenschwingungen von Wicklungen............. 278 65. Erzwungene Schwingungen erregt durch konstante wechselelektromotorische Kräfte.................... 284 66. Erzwungene Schwingungen mit eisenhaltiger Induktivität... 290 67. Oberwellen in Wechselstromnetzen als Erreger von erzwungenen Schwingungen...................... 2!15

Inhaltsverzeichnis. VII Seite 68. Erzwungene Schwingungen erregt durch abklingende elektromotorlache Kräfte............... 302 69. Einschalten von Stromkreisen mit Induktivität........ 306 70. Ausschalten von Stromkreisen mit Induktivität........ 308 VIII. Wirkliche Anforderungen an die dielektrische Festigkeit im praktischen Betrieb und Prüfvorschriften 312 71. Dielektrische Anforderungen im normalen Betrieb. 312 72. Beanspruchung bei Erdschlüssen......... 314 73. Beanspruchung bei atmosphärischen Störungen.. 320 74. Beanspruchung bei Schaltvorgängen......... 330 75. Beanspruchung bei sonstigen Überspannungsvorgängen. 336 76. Die Anforderungen des praktischen Betriebes an die dielektrische Festigkeit in ihrer Gesamtheit... 340 77. Die Nachbildung der praktischen Anforderungen durch die Prüfvorschriften.................. 342 78. Verschiedene Ländervorschriften.......... 345 LX. Einrichtungen für den Hochspannungsprüfraum 348 79. Der Prüftransformator... :. 348 80, Die Spannungsmessung bei der Prüfung... 351 81: Die Strommessung bei der Spannungsprüfung 359 82. Die Messung der dielektrischen Verluste 360 83. Die Regeneinrichtung.......... 365 84. Die Stoßprüfung von Isolatoren..... 366 85. Die Sprungwellenprüfung von Wicklungen 368 X. Der Lichtbogen in Luft und unter Öl 372 86. Die Vorgänge im Lichtbogen..... 372 87. Der Lichtbogen im Gleichstromschalter 376 88. Der Lichtbogen im Wechselstromschalter. 384 89. Probleme des Ölschalters........ 388 XI. Hochstromprobleme in Hochspannungsanlagen 392 90. Der Kurzschlußstrom und seine Folgen im praktischen Betriebe 392 91. Das Abschalten von Gleichstrom... 396 92. Das Abschalten von Wechselstrom.............. 398 93. Berechnung des Kurzschlußstromes und der Abschaltspannung in Netzen... 400 94. Die Kraftwirkung der Kurzschlußströme........... 411 95. Berechnungder Kräftewirkungvon Kurzschlußströmen bei typischen Anordnungen............. 416 96. Die Wärmewirkung der Kurzschlußströme...... 420 Xll. Hochspannungsanlagen für Wechselstrom..... 421 97. Hochspannungsaufgaben an Generatoren und Motoren 421 98. Hochspannungsaufgaben an Transformatoren 423 99. Allgemeine Anordnung der Schaltanlage 428 100. Die Erdung der Anlageteile...... 437 101. Die Stütz- und Durchführungsisolatoren 441 102. Die Schalter......... 446 103. Die Trennschalter...... 452 104. Die Hochspannungssicherungen 454 105. Die Maßeinrichtungen 456

VIII Inhaltsverzeichnis. Seite 106. Die Freileitung 459 107. Die Freileitungsisolatoren 465 108. Hochspannungskabel............... 470 109. Der Überspannungsschutz von Wechselstromanlagen 472 llo. Der Überstromschutz von Wechselstromanlagen.. 487 lll. Beeinflussung von Fernmeldeeinrichtungen durch Wechselstromanlagen............... 495 XIII. Hochspannungsanlagen für Gleichstrom 500 ll2. Schaltanlage und Leitung....... 502 113. Die Gleichstromschalter............ 502 114. Der Überspannungsschutz der Gleichstromanlage. 506 ll5. Der Überstromschutz der Gleichstromanlage... 507 ll6. Beeinflussung von Fernmeldeeinrichtungen durch Gleichstromanlagen... 507 Nachwort..... 509 Literaturverzeichnis. Sachverzeichnis... 510 525