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Isolierstützer für Rohrgaskabel Die Erfindung Betrifft Isolierstützer
für Rohrgaskabel mit Gasisolierung zur isolierenden Abstützung das Irnenleiters
gegen den rohrförmigen Außenleiter.
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Die Erfindung bezweckt die Verbesserung von Isolierstützern in Rohrgaskabeln,
um sie einer mechanisch und elektrisch gleichmäßigen Serienfertigung zugänglich
zu machen.
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Rohrgaskabel dienen zur Übertragung hoher elektrischer Leistungen
bei hohen Sparnrngen. Sie sind ausgebaut aus einem zentralen, den Übertragungsstrom
unter hoher Spannung führenden 7nnenleiter, der zentrisch in einem druckfesten und
auf Erdpotential befindlichen rohrförmigen Außenleiter angeordnet ist und der in
seiner zentralen Lage durch in regelmäßigen Abständen angebrachte Isolierstützer,
auch als Abstandshalter bezeichnet, gehalten wird. Das Rohr ist mit einem Isoliergas
unter Druck gefüllt. Im allgemeinen wird hierzu das elektronegative Gas, insbesondere
Schwefelhexafluorid (5E6) verwendet.
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Die Isolierstützer haben verschiedene Aufgaben, einmal müssen sie
den mehr oder weniger schweren Innenleiter tragen und ihn in der Mitte des Außenrohres
halten und zwar so fest, daß auch bei Kurzschlüssen, bei denen hohe Anziehungs-
Xder Abstoßungskräfte zwischen den Leitern auftreten können, keine schädlichen Verlagerungen
stattfinden. Zum anderen
haben sie aie Aufgabe, den auf Hochspannung
befindlichen Imlenleiter von dem auf Brdpotential liegenden Außenrohr elektrisch
zu isolierend Es bestehen dabei am btützer zwei Isolierungsarten nebeneinander,
eine gasförmige Isolierung, gebildet durch das isolierende Füllgas und eine feste
Isolierung durch den Isolierstützer. Beide berühren sich in der Oberfläche des Isolierstützers
und da dessen radiale Abmessung gleich dem lichten A-bstand zwischen Innenleiter
und Rohr ist, ist die elektrische Beanspruchung der Stutzeroberfläche verhältnismäßig
hoch.
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Wesentlich für den Betrieb des Kabels ist, daß an der Grenzfläche
des Isolierkörpers keine elektrischen Entladungen, insbesondere keine Oberflächengleitentladungen
auftreten, da damit immer mehr oder weniger starke Beschädigungen des Isolierstoffes
verbunden sind und sie außerdem Anlaß zu eLnem Durchzünden des Gases zwischen den
Leitern, d.h.
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Anlaß zu einem Kurzschluß geben können.
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Weiterhin ist zu beachten, daß bei solchen kompakten Isolierstützern
oder Abstandshaltern aus Porzellan, Glas oder Kunststoff, wie insbesondere Gießharz,
in der Oberfläche der Isolierkörper keine Risse oder Spalten und in ihrem Innern
keine gasgefüllten oder gasfreien Hohlräume vorhanden sind wie sie bei der Herstellung
durch Gasabg-abe-oder Schrumpfung des Materials entstehen können. In solchen Hohlräumen
würde es im Betrieb des Kabels bei genügend hoher Feldstärke zum Glimmen und in
absehbarer Zeit zum Durchschlag kommen. Das Vorhandensein von Lunkern oder inneren
Rissen im Isolierkörper ist sehr unerwunschtt da sie im allgemeinen von außen nicht
sichtbar oder erkennbar sind und auch wegen -ihrer Feinheit oder Form mit anderen
Prüfmethoden wie Ultraschall-oder Röntgendurchstrahlung oder Ionisierungsmessungen
oft nicht nachweisbar sind.
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Bei der Herstellung- solcher Isolierkörper dürfen auch keine leitfähigen
oder nichtleitfähigen Fremdkörper mit anderer Dielektrizitätskonstante eingeschlossen
werden, noch dürfen Inhomogenitäten des Materials infolge ungenügender Durchmischung
von Komponenten vorhanden sein, da sonst Verzerrungen des elektrischen Feldes bewirkt
werden, die zu schädlichen Feldentladungen Anlaß geben können. Das Isoliermaterial
darf auch bei den durch Strombelastung erhöhten Leiter und Rohrtemperaturen keine
nachteiligen Änderüngen seiner Eigenschaften erleiden.
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Die Gestalt der Isolierstützer ist im einfachsten Fall scheibenförmig
mit parallelen Flächen und einer zentralen Bohrung, durch die der Innenleiter geführt
ist. Es werden auch Scheiben verwendet, deren Dicke vom Außenrand zum zentralen
Teil, wo sie auf dem Leiter sitzen, zunimmt, wodurch ihre mechanische Festigkeit
und zum Teil auch ihre elektrische Festigkeit erhöht ist (DT-OS 1 934 812).
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Einer solchen vorteilhaften dickeren Ausführung des Isclierw stützers
sind aber Grenzen gesetzt, weil beispielsweise bei der größeren Gießharzmasse die
Gefahr der Lunkerbildung stark ansteigt.
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Für höhere Übertragungsspannungen, die einen längeren Überschlagsweg
erfordern, gelangen daher auch dünnwandigere, konische, hohlkegelförmige oder glockenförmige
Isolierkörper zur Anwendung (DBGM 7 036 895).
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Diese haben zwar den Vorteil, daß die Beanspruchung durch das elektrische
Feld nicht mehr vorwiegend parallel zur Isolatoroberfläche, sondern mehr senkrecht
dazu erfolgt.
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Nachteilig~1st bei diesen dünnwandigen Isolierstützern aus den angegebenen
Materialien ihre geringere mechanische Festigkeit und ihre Sprödigkeit und die damit
verbundene Bruchgefahr.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die ervhntei Nachteile
zu überwinden und vor allem einen Isolierstützer zu finden, bei dem das Entstehen-von
Gleitentladungen bzw.
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Glimmentladungen verhindert ist, d-r ferner ein besonders gutes mechanisches
Verhalten aufweist und sich für die Serienfertigung eignet.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Isolierstützer aus dünnen
isolierenden Folien oder Bändern als Wickelkörper ausgebildet ist und in diesem
Wickelkörper zur Steuerung des elektrischen Feldes leitende oder halbleitende konzentrische
Kondensatoreinlagen angeordnet sind.
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Gemäß der Erfindung werden die Isolierkörper aus dünnen Isolierstoffolien
von beispielsweise 0,1 mm Dicke gewickelt, wobei die zur Steuerung des Feldes in
bestimmten Abstanden erforderlichen koaxialen Kondensatoreinlagen mit eingewickelt
werden. Durch den Aufbau aus aufeinander gewickelten Folien können verständlicherweise
keine Hohlräume undefinierter Größe entstehen. Ein zufällig in einer Folie enthaltenes
Loch erglbt einen Hohlraum, der nicht -dicker ist als die Folie selbst und dadurch
ist er ungefährlich. Die gasgefüllten Zwischenräume zwischen aufeinanderfolgenden
Lagen der fest aufgewickelten Folie sind ebenfalls zu dünn, als daß es darin zum
Glimmen kommen könnte. Sie stehen außerdem an ihren Rändern in Verbindung mit dem
äußeren Gasraum, so daß das Druckgas eindringen und sich der gleiche Überdruck einstellen
kann, wodurch die Isolierfähigkeit erhöht wird.
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Die Herstelluiig eines solchen Wickelkörpers kann durch vorzugsweise
maschinelles Aufwickeln des Bandes unter gleicllH zcitiger Prüfung seiner Qualität
erfolgen.
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Gemäß einet weiteren Ausgestaltullg der Erfindung nimmt mii zunehmendem
A1)stand der Kondensatoreinlagen vom Inneni Ci t(-die in Achsrichtung des Rohrgaskabels
gemessene Breite drr
Kondensatoreinlagen ab.
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In gleiche Weise nimmt auch die Dicke des Isolierkörpers mit zunehmendem
Abstand vom Innenlelte ab.
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Bei einer solchen besonderen Formgebung des Isolierkörpers ist die
Potentialverteilung in seinem Innern auch ohne Kondensatoreinlagen verbessert und
di e die Gleitüberschlagsfestigkeit erhöht, sie wird aber bei einsetzenden Sprühentladungen
oder Aufladungen ungünstig beeinflußt. Demgegenüber bleibt die Potentialverteilung
im gesteuerten Isolierkörper dank der festen Kapazitätsverhältnisse fest.
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Die besondere Formgebung des Wickelkörpers kann bei seiner Herstellung
entweder dadurch erfolgen, daß das Band vor dem Aufwickeln zunehmend schmäler geschnitten
wird oder es wird mit unverändert breit bleibendem Band gewickelt und dann der Wickelkörper
zur gewünschten Form abgedreht.
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Für die Steuerung des elektrischen Feldes im Isolierkörper und an
seiner Oberfläche wird von der prizipiell bekannten kapazitiven Steuerungsmöglichkeit
durch Reihenschaltung einer Anzahl von Kondensatoren Gebrauch gemacht. Die Spannungsabfälle
an den einzelnen Kondensatoren sind dabei umgekehrt proportional zu'ihrer Kapazität.
Durch die in die Isolierkörperwi-cklung eingebauten Kondensatoreinlagen, die aus
Matallfolien oder metallisierten oder sonstwie leitend oder halbleitend gemachten
Isolierfolien bestehen, wird also eine Anzahl koaxialer Zylinderkondensatoren gebildet,
durch die die erstrebte Spannungsverteilung, bzw. Feldverteilung herbeigeführt wird.
Bei einem Koaxialkabel, wie es das Rohrgaskabel darstellt, ist bekanntlich die Feldstärke
an der Oberfläche des Innenleiters am größten und sie nimmt im Gasraum zum Mantel
hin im umgekehrten Verhältnis zum Radius ab. Praktisch die gleiche natu'riiche Feldstärkenverteilung
besteht im Innern eines kompakten scheibenförmigen
Isolierstiitzers
mit parallc-len Seitenflächen. Sie änderi sich auch nicht, wenn in diesen mehr oder
weniger Konden satoreinlagen eingebaut werden, da das natürliche Kapawzitätsverteilungsverhältnis
bekann lich dadurch nicht beeinflusst wird.
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Nach der Erfindung soll die Steuerung demgegenüber aber so erfolgen,
daß die hohe Feldstärke am Innenleiter zur Verminderung der Gefahr von Glimmentladungen
auf einen kleineren Wert herabgesetzt und dafür die niedrigere Feldstärke am Außenrohr
etwas erhöht wird. Die Stärke der Abnahme der Feldstärke in radialer Richtung zum
Außenrohr wird dadurch ebenfalls abgeschwächt, d. h. die Feldstärkenverteilung wird
gleichmäßiger gestaltet. Zu diesem Zweck sind die Kapazitäten zwischen den Kondensatoreinlagen
in Richtung vom Innenleiter zum Rohr gegenüber der oben erwähnten natürlichen Kapazitätaverteilung
zunehmend zu verkleinern, so daß besonders außen die jeweiligen Spannungsabfälle
an ihnen größer werden. Nach der Erfindung geschieht dies wie schon erwähnt -dadurch,
daß die Breite der Einlagen, d. h.
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ihre Ausdehnung in Achsenrichtung des Kabels, vom Leiter zum Rohr
hin zunehmend verringert wird und in gleicher Weise auch die Dicke des Isolierkörpers
in radialer Richtung zunehmend verringert wird.
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Die Anstrebung der gleichmäßigen Feldverteilung ist nach einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung dadurch unterstützt, daß zum Aufbau des Wickelkörpers
Folien aus verschiedenem Material mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante
(D.K.) verwendet sind, derart, daß im Bereich des Innenleiters, vorzugsweise im
ersten Drittel des Abstandes zwischen Innen- und Außenleiter, das Material mit der
größeren Dielektrizitätskonstante verwendet ist.
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Man erreicht dies, indem man beispielsweise Folien aus Polyäthylenterephthalat
(DK 3,2) im ersten Drittel verwendet und im übrigen Teil des Wickelkörpers Folien
mit kleinerer
D . K. zur Erzielung kleinerer Kapazi ½%ten, beispielsweise
Polypropylen (DKE 2,3).
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Gemaß -einerr weiteren Merkmal der Erfindung erhalten die Folien oder
Bänder des Wickelkörpers einseitig oder beidseitig Aufrauhungen oder unregelmäßige
oder regelmäßige Prägungen, vorzugsweise eine Rillung schräg zur Achse.
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Eine solche Gestaltung der Folie oder Bänder hat den Vorteil, daß
der Gaseintritt in die Folien bzw. den Isolierstützer erleichtert wird. Die dünnen
gasgefüllten Schichten zwischen den Folien haben mit dem Gasraum Verbindung und
stehen unter dem gleichen Gasüberdruck.
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Durch diese Gestaltung wird ferner ein Verschieben der Folien aufeinander
verhindert, was zur mechanischen Festigkeit beiträgt.
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Eine weitere Aufbaumöglichkeit zur Erreichung des gleichen Zweckes
besteht darin, als Zwischenlagen poröse, vliesförmige Folien zu benutzen, die aus
Kunststoff oder Glasfaser bestehen.
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Im Gegensatz zu diesen Verhältnissen bei gewickelten Isolierkörpern
sind Lunker in kompakten Gießharzkörpern nicht für das Druckgas zugänglich, sie
behalten Unterdruck und sind dadurch besonders gefährlich, ihre Form und Ausdehnung
sind außerdem nicht eingrenzbar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist im inneren Durchmesser
des Wickelkörpers ein metallisches oder ein isolierendes Rohrstück mit innerer Netalli
sielng angeordnet und/oder am äußeren Durchmesser des Wickelkörpers ein metallischer
oder isolierender Ring mit äußerer Netalli sierung angeordnet.
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Zweckmäßigerweise wird bei der Herstellung des W1ckeSkörpers die Folie
direkt auf das innere nohrstuck aufgewickelt. so daß ein fester Sitz ohne Spalten
gewährleistet ist. Bei einem isolierenden Rohrstück wird die Innenfläche, die an
den Leiter grenzt, metallisiert, damit dort keine elektrisch beanspruchten Gasspalten
bestehen bleiben. Aus dem gleichen Grund wird bei einem isolierenden Außenringdessen
Außen~ seite -metallisiert, die Kontakt mit dem Außenrohr hat.
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Durch das innere Rohrstück und den äußeren Ring ist ein Festlegen
des Wickelkörpers an einer bestimmten Rohrstelle erleichtert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind auf dem äußeren
Ring und/oder im inneren Rohrstück des Wickelkörpers kleine Laufrollen oder Kugellager-
eingesetztS Bei isolierendem Rohrstück oder Ring wird dazu zweckmäßig erst eine
Metallhülse eingebettet, um ein leichteres Gleiten des Stützers vorseiner Festlegung
zu ermöglichen. Ein Isolierstützer kann entweder in den Rohrabschnitt fest eingebaut
werden oder er kann, wie erwähnt,, mit Rollen ader Kugellagern ausgerüstet sein,
so daß der Leiter mit den aufgesetzten Isolierstützern in das Außenrohr leicht eingezogen
werden kann, beispielsweise erst nach dessen Verlegung.
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Gemäß der Erfindung werden als Folie oder Band hochisolierende Kunststoffe
aus beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen, Polykarbonat, Polytetrafluoräthylen,
Polysulfonsäure, Silikonkautschu1 oder Polyäthylenterephthalat verwendet.
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Diese Bänder können auch in Vliesform vorliegen und als gasdurchlässige
Zwischenlagen dienen, ebenso beispielsweise Giasfaserband, das als anorganisches
Material wenig glimmempfindlich ist.
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Für die Auswahl von Isolierfolien sind hauptsächlich die
folgenden
Eigenschaften maßgebend: gute ärmebeständigkeit und gute Flärmeleitfähigkeit wegen
der hohen Leitertemperatur, gute mechanische und elektrische Festigkeit, hoher Isolationswiderstand,
niederer Verlustfaktor und im allgemeinen niedere Dielektrizitätskonstante. Beispielsweise
eignen sich dafür die oben genannten Kunststoffe. Als Isoliergas komirit hauptsächlich,
wie schon früher erwähnt, das elektronegative Gas Schwefelhexafluorid (SF6) unter
Druck in Betracht.
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Die gemäß der Erfindung aus einer Folienwicklung mit Steuereinlagen
aufgebauten Isolierstützer weisen gegenüber den bekannten Ausführungsformen Verbes.serungen
in folgenden Eigenschaften auf: a) hohe mechanische Festigkeit verbunden mit Elastizität;-keine
Sprödigkeit und keine Bruchgefahr b) keine Hohlräume und Inhomogenitäten undefinierter
Größe oder Risse im Innern, daher auch keine inneren Entladungen; die maximale Dicke
eines evtl. vorhandenen HolAraumes ist gleich der Foliendicke und da das Druckgas
in die vorhandenen Hohlräume einfließen kann1 wird die Isolatizonsfähigkeit nicht
herabgesetzt c) erhöhte Spannungsfestigkeit durch Spannungssteuerung im Innern und
an der Oberfläche, Verhinderung von Oberflächenentladungen d) die dünnen gas gefüllten
Schichten zwischen den Folienlagen haben mit dem Gasraum Verbindung und stehen unter
dem gleichen Gasüberdruck e) höhere Betriebstemperaturen als bei Gießharz bei Ve
-wendung von Folien höherer Temperaturbeständigkeit
f) eine mechanisch
und elektrisch gleichmäßige Serienfertigung ist erst durch diese Konstruktion gewährleis4lst*
Die Erfindung wird an Hand der Figilren näher und beispiels weise erläutert.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisoh im Schnitt durch die Achse
des Kabels Isolierstützer gemäß der Erfindung in' zwei verschiedenen Ausführungsformen.
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Figuren 3 und 4 zeigen die Anordnung von Kugellagern der Innenseite
der Rohrstücke.
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Fig. 5 zeigt Kurven des Feldstärkeverlaufs.
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Nach Figg. 1 und 2 wird der Innenleiter 1 des Kabels durch den Isolierstützer
zentral im Außenrohr 2 des Kabels gehalten.
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Der Isolierstützer besteht aus dem metallischen oder isolierenden
Rohrstück 3, dem darauf aus Folien oder Bändern gewickelten Isolierkörper 4, in
den'zur-Steuerng des elektrischen Feldes in Abständen metallische oder halbleitende
Kondensatoreinlagen 5 eingewickelt sind, und dem äußeren metallischen oder isolierenden
Fassungsring 6. Als Kondensatoreinlagen 5 werden beispielsweise Aluminiumfolien
solcher Breite verwendet, daß ihr Abstand von der Oberfläche des Isolierkörpers
wenige Millimeter beträgt; sie können, aber auch bis an die Oberfläche reichen.
Der radiale Abstand der Einlagen untereinander beträgt ebenfalls einige Millimeter.
Die Dicke des Isolierkörpers nach der Fig. 1 nimmt von innen nach außen gleichmaßig,
nach der Fig. 2 ungleichmäßig ab. Der Isolierstützer sitst mit dem Rohrstück 3 auf
dem Innenleiter und kann, falls das Rohrstück metallisch ist, dort in gängiger Weise,
z. B. durch versenkte Schrauben festgelegt werden.. -Zur Erleichterungz der Montage
auf dem Innenleiter können gemäß Fig. 3- auf der Innenseite des Rohrstücks 3 kleine
Kugellager 7 angeordnet
sein. Besteht das Rohrstück gemäß Fig.
4 aus Isolierstoff 8, wird das Kugellager 10 zweckmäßig in einer im Rohrstück eingebetteten
Metallhülse 9. ange,ordnet.. In analoger Weise können in dem metallischen oder isolierenden
äußeren Fassungsring Kugellager angeordnet sein, falls der Leiter mit aufmontierten
Isolierstützern in das, Außenrohr eingezogen werden soll.
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In Fig. 5 sind Kurven des Feldstärkeverlaufs schematisch wiedergegeben,
Bei einem Koaxialkabel, wie es das Rohrgaskabel darstellt,-. findet der Feldstärkeabfall
in der gasförmigen Isolierung vom Leiter zum Außenrohr bekanntlich nach der Funktion
statt.
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Darin bedeuten E = Feldstärke in kV/mm im Punkt x r1= Radius des Innenleiters
r2= Radius des Außenrohres Radius an einem Punkt x zwischen r1 und r2.
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Die Feldstärke ist an der Leiteroberfläche (rx = r1) am größten und
sie nimmt zum Mantel hin (rx = r2) im umgekehrten Verhältnis zum Radius ab. Gemäß
Kurve 1 -ist sie bei spielsweise bei einem Radienverhältnis von 1 : 3 am Mantel
ein Drittel so groß wie am Leiter. Diese' natürliche Feldstärkeverteilung nach der
angegebenen Formel gilt, wie schon beschrieben, auch im Innern eines breiten kompakten
scheibenförmigen Isolierstützers mit parallelen Seitenflächen. Sie ändert sich auch
nicht we nn mehr oder -weniger Kondensatoreinlagen, sofern sie, alle die gleiche
Brei.te haben, eingebaut-sind. Gemäß der Erfindung wird die Breite der Eir agen
und die Dicke des, I-solierkörpers in radialer Richtung von innen nach außen gleichmäßig
nach Fig.1 oder ungleichmäßig
nach i?ig. 2 verringert. Dadurch
kann der Feldstärkeverlauf etwa in den schraffierten Bereich 2 verschoben werden,
d. h. die Feldstärke bei r1 an der Leiteroberfläche wird wesentlich verringert und
in den äußeren Teilen wird sie angehoben. Die elektrische Beanspruchung des Isolierkörpers,
die ohne diese Maßnahmen sehr ungleichmäßig innen und außen war, wird, wie aus dem
Kurvenverlauf ersichtlich, gleichmäßiger.
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Patentansprüche