DE2513218A1

DE2513218A1 - Anordnung zum verhindern von glimmentladungen an den elektroden elektrischer hochspannungseinrichtungen

Info

Publication number: DE2513218A1
Application number: DE19752513218
Authority: DE
Inventors: Heribert Dipl Ing Dr Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-29
Filing date: 1975-03-25
Publication date: 1975-10-09
Also published as: FR2266268A1; SE7503458L; AT326747B; SE414093B; FR2266268B3; ATA259974A; CH578778A5; IT1034706B; US3980804A; GB1463471A; DE2513218C2

Description

pipl.Ing.Dr. Heribert SCHNEIDER in Wien

"Anordnung zum Verhindern von Glimmentladungen an den Elektroden elektrischer Hoohspannungseinriohtungen"

Die· Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Verhindern von Glimmentladungen an den Elektroden elektrischer Hochspannungseinrichtungen, insbesondere an den Enden oder Verbindungsstellen von Hochspannungskabeln, wobei wenigstens zwei Elektroden unter Zwischenschaltung eines Dielektrikums im Abstand voneinander angeordnet sind.

An elektrischen Hochspannungselektroden, vor allem an Kanten von Kabelenden, treten bekanntlich stark inhomogene elektrische Felder auf, die Glimmentladungen verursachen. Dieser sogenannte Randeffekt führt zu Energieverlusten und zu starken Erwärmungen an den betroffenen Stellen, wodurch die Isolation angegriffen und nach verhältnismäßig kurzer Zeit sogar zerstört wird. Darüber hinaus verhindern diese Glimmentladungen an den Elektroden und Kabelenden die Durchführung von sogenannten Teilentladungsmessungen zur Feststellung und Prüfung des Glimmverhaltens von Hochspannungsgeräten bei hohen Spannungen. Dies hat zur Folge, daß Hochspannungsgeräte und Hochspannungskabel, ζ. B. mit einer Spannung in der Größenordnung von 100 kV, im Betrieb öfter versagen.

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Durch Verwendung abgerundeter Elektroden können die Glimmentladungen verringert werden. Beispielsweise sind Kugelelektroden weitgehend gliminfrei. Auch die Homogenität des die Elektrode umgebenden Dielektrikums beeinflußt die Glimmentladungen. Gasbläschen bzw. dünne Gasschichten in flüssigen und festen Dielektrikas fördern das Entstehen von Glimmentladungen. Lediglich bei in Isolieröl angeordneten Elektroden können mäßige Glimmentladungen zugelassen werden, weil durch die Erwärmung des Öles an den Glimmstellen immer wieder frisches öl zugeführt und so eine Kühlung erreicht wird. Die Anwendung von Kugelelektroden und von ölkabeln ist jedoch sowohl aus technischen als auch aus wirtschaftlichen Gründen nur beschränkt möglich. Die im Kabelbau immer mehr zur Isolierung herangezogenen modernen Kunststoffe können auf Grund ihrer Empfindlichkeit gegen Glimmentladungen nur beschränkt angewendet werden, etwa bis zu Betriebsspannungen von 30 kV.

Auch bei Verwendung von mit öl gefüllten Isoliergefäßen als Kabelabschluß' ist eine Prüfung der Kabel im Hochspannungslaboratorium nicht möglich, weil auch unter öl bei Erreichen der Glimmeinsatzfeldstärke Glimmen einsetzt. Solche Kabelenden können bis zu einer Spannung von höchstens 40 kV angewendet werden. Um die Prüf spannung erhöhen zu können, wurde deshalb versucht, das Glimmen am Ende des leitenden Schutzmantels eines koaxialen Hochspannungskabels durch einen sich erweiternden Metalltrichter zu verringern i der unter Vermeidung von Zwischenräumen mit großer

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.Sorgfalt am Schutzmantel des Kabels angesetzt wurde. Die Herstellung eines solchen Kabelendverschlußes ist jedoch zeitraubend, so daß dieser höchstens in Laboratorien angewendet werden kann. Außerdem erfordert eine solche Anordnung ein entsprechend großes ölgefäß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Verhindern von Glimmentladungen zu schaffen, die sowohl in Hochspannungslaboratorien als auch im Betrieb an den Elektroden elektrischer Hochspannungseinrichtungen angewendet werden kann, vor allem als Kabelendverschluß. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in dem zum Glimmen neigenden Bereich der einen Elektrode, insbesondere in deren Randbereich, auf der der anderen Elektrode abgewendeten Seite wenigstens eine Hilfselek- · trode im Abstand angeordnet ist, die an einer Hilfsspannung mit einem der Spannung der anderen Elektrode entgegengerichteten Potential liegt. Durch diese Anordnung von einer oder mehreren Hilfselektroden und die an diese angelegte Hilfsspannung wird der Randeffekt der Hauptelektrode kompensiert, so daß das Auftreten von Glimmentladungen sicher vermieden wird, Auf einfache Weise können daher Kabelenden auch für sehr hohe Spannungen sowohl für eine betriebliche Anwendung als auch für das Laboratorium hergestellt werden. Außerdem wird die Lebensdauer der Kabel durch die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung erreichte Glimmfreiheit

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wesentlich erhöht.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann auf verschiedene Weise weiter ausgestaltet und besonderen Gegebenheiten angepaßt werden. Wenn periodische Wechselspannungen oder Stoßspannungen an der Hauptelektrode, liegen, wird die Hilfsspannung erfindungsgemäß die gleiche Frequenz wie die Hauptspannung jedoch wenigstens annähernd eine dieser entgegengesetzte Phasenlage aufweisen, so daß das von der Hauptspannung hervorgerufene elektrische Feld ausreichend kompensiert wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist sowohl in Hochspannungslaboratorien als auch bei Hochspannungsleitungen in Betriebsnetzen mit Vorteil anwendbar. Für Kabel mit einem leitenden Mantel als Abschirmung wird vorzugsweise eine Anordnung verwendet, bei der die Hilfselektrode den Kabelmantel am Kabelende konzentrisch umgibt und so einen Kabelendverschluß bildet. Außerdem kann die Hilfselektrode gemeinsam mit den Hauptelektroden in einem mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Dielektrikum gefüllten Isoliergefäß angeordnet sein. Nach einer weiteren, einfach herstellbaren Ausführungsform der Erfindung besteht die Hilfselektrode aus einer Spritzmetall- oder Leitlackschicht, die auf ein festes Dielektrikum aufgebracht ist.

Die Hilfsspannung für die Hilfselektrode kann auf verschiedene Weise erhalten werden. Beispielsweise kann sie von einer eigenen Spannungsquelle geliefert werden, Einfacher

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ist es hingegen, nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Hilfselektrode an die Sekundärseite eines eigenen Transformators zu legen, dessen Primärwicklung zwischen die beiden Hauptelektroden und dessen Sekundärwicklung zwischen die Hilfselektrode und eine der Hauptelektroden geschaltet ist. Dadurch entfallen besondere Vorkehrungen zur Erzielung der richtigen Phasenlage der Hilfsspannung. Für konzentrisch angeordnete Elektroden, insbesondere für koaxiale Kabel, kann diese Anordnung noch weiter dadurch vereinfacht werden, daß die Hilfselektrode die Hauptelektroden konzentrisch umgibt und zugleich die Wicklungen des Transformators trägt.

Schließlich sieht die Erfindung für stromdurchflossene Elektroden eine vorteilhafte Möglichkeit zur Erzielung der Hilfsspannung vor, welche darin besteht, daß die Hilfselektrode an der Sekundärwicklung, eines Einleitertransformators liegt, dessen Mantel- oder Ringkern mit der Sekundärwicklung die stromführende Elektrode umgibt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. In dieser zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung im axialen Längsschnitt und Fig. 2 den Potentialverlauf an den Elektroden des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung im Längsschnitt schematisch dargestellt und die Fig. 4,5 und 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele im Längs-

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schnitt mit Vorkehrungen zur Erzeugung der Hilfsspannung.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Anordnung an einem Zylinderkondensator erläutert. Dieser besteht aus zwei Hochspannungselektroden 1 und 2, die gegen einander durch ein Dielektrikum 3 isoliert sind, das eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweisen muß und fest, flüssig oder gasförmig sein kann. Im Randbereich 4 der Elektrode ist konzentrisch um diese herum unter Zwischenschaltung eines Dielektrikums 5 eine Hilfselektrode 6 angeordnet. Auch in diesem Fall kann ein festes, flüssiges oder gasförmiges Dielektrikum ausreichender Spannungsfestigkeit verwendet werden.

Wenn zwischen den Elektroden 1 und 2 eine Potentialdifferenz vorhanden ist, entsteht im Randbereich 4 der Elektrode 2 ein inhomogenes Feld zur Elektrode 1, welches schon bei verhältnismäßig kleinen Spannungswerten gegenüber der Durchschlags spannung des Dielektrikums 3 Glimmentladungen hervorruft. Zur Vermeidung der Glimmentladungen ist die Hilfselektrode 6 vorgesehen, an die eine Hilfsspannung mit einem der Spannung der Elektrode 2 entgegengerichteten Potential angelegt wird. Die Größe der Hilfsspannung hängt von der Stärke des Dielektrikums 5, also vom Abstand zwischen der Elektrode 2 und der Hilfselektrode 6, sowie vom Material des Dielektrikums 5 ab. Bei richtiger Wahl der Hilfsspannung wird das inhomogene Feld des Randbereiches 4 der Elektrode vollständig kompensiert, so daß zwischen den Elektroden 1 u.2

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Spannungen bis nahe der Durchschlagsspannung des Dielektrikums 3 bestehen können, ohne daß Glimmentladungen auftreten. Diese werden auch bei nur teilweiser Kompensation des inhomogenen Feldes bereits weitgehend vermieden. Wenn die Hauptspannung zwischen den Elektroden 1 und 2 eine periodische Wechselspannung oder eine Stoßspannung ist, muß auch die an der Hilfselektrode 6 liegende Hilfsspannung die gleiche Frequenz wie die Hauptspannung, Jedoch wenigstens annähernd eine dieser entgegengesetzte Phasenlage aufweisen.

In Fig. 2 ist beispielsweise der Potentialverlauf einer periodischen Wechselspannung 7 als Hauptspannung und einer geeigneten Hilfsspannung 8 gezeigt. Die Amplitude der Hilfsspannung 8 muß jedoch nicht unbedingt mit der Amplitude der Hauptspannung 7 übereinstimmen. Da es Aufgabe der Hilfsspannung 8 ist, das inhomogene Glimmfeld der Elektrode im Randbereich 4 zu kompensieren, kann auch bei anderer Amplitude der Hilfsspannung 8 durch entsprechende Wahl des Abstandes der Hilfselektrode 6 von der Elektrode 2 und des Materials des Dielektrikums 5 im Randbereich 4 ein Gegenfeld mit der notwendigen Feldstärke erhalten werden, um das Glimmfeld vollständig zu kompensieren.

Fig. 3 zeigt den Abschluß eines Hochspannungskabels mit einem gemäß der erfindungsgemäßen Anordnung ausgebildeten Kabelendverschluß. Die Kabelseele des koaxialen Hochspannungskabels 9 stellt die eine Elektrode 1 und der Metallmantel die zweite Elektrode 2 dar.Das Dielektrikum

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zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 wird von der Kunststoff isolierung des Kabels gebildet. Im Randbereich 4 der Elektrode 2 ist unter Zwischenschaltung eines Dielektrikums 5 eine Hilfselektrode 6 angeordnet und das ganze Ende des Kabels ist von einem Gefäß 10 aus Isoliermaterial umschlossen, in welchem die Hilfselektrode 6 zur Gänze im Dielektrikum 5 eingebettet ist. Die als Elektrode 1 dienende Kabelseele ist an ihrem Ende durch eine Kugelelektrode abgeschlossen, die teilweise aus dem Gefäß 10 herausragt. Wenn an die Hilfselektrode 6 eine Hilfsspannung angelegt wird, die der Spannung der Elektrode 1 entgegengerichtet ist, dann entsteht ein Gesamtfeld aller Elektroden 1,2 und 6, welches im Randbereich 4 der Elektrode 2 kein inhomogenes Feld entstehen läßt. Dadurch wird das Auftreten von Glimmentladungen verhindert. Allfällige Luftblasen und Zwischenräume im Dielektrikum 5 bleiben ohne Einfluß.

In den Fig. 4, 5 und 6 sind Möglichkeiten zur Erzielung der richtigen Hilfsspannung gezeigt, In allen drei Ausführungsbeispielen ist wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ein koaxiales Hochspannungskabel 9> dessen Kabelseele die eine Elektrode 1 und dessen Metallmantel die andere Elektrode 2 bildet, an seinem Ende von einem Gefäß 10 aus Isoliermaterial umgeben, in dem eine Hilfselektrode 6 mittels eine Dielektrikums 5 vergossen ist. Das Dielektrikum 3 zwischen den Elektroden 1 und 2 wird von der Kunststoffisolierung des Kabels gebildet. Ferner ist eine Kugelelektrode 11 am Ende der Kabelseele vorgesehen.

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.Gemäß Fig. 4 wird die Hilfselektrode 6 durch einen eigenen Transformator 12 oder Spannungswandler versorgt. Die Primärwicklung 13 des Transformators 12 ist zwischen die beiden Elektroden 1 und 2 des Hochspannungskabels 9 geschaltet und die Sekundärwicklung 14 liegt an der Elektrode 2 und ist mit der Hilfselektrode 6 verbunden, so daß diese an der richtigen Hilfsspannung liegt. Ähnlich ist die Anordnung nach Fig. 5. Dort ist jedoch kein eigener Transformator vorgesehen sondern sind die Wicklungen 13 und 14 des Transformators unmittelbar auf der Hilfselektrode 6 angeordnet und gemeinsam mit dieser im Inneren des Gefäßes im Dielektrikum 5 eingebettet. Die Primärwicklung 13 ist auch dort zwischen die Elektroden 1 und 2 geschaltet, wogegen die Hilfselektrode 6 an der Sekundärwicklung 14 liegt. Dadurch wird erreicht, daß z.B. bei einer periodischen Wechselspannung die in der Sekundärwicklung 14 erzeugte Hilfsspannung ungefähr in Gegenphase zur Spannung zwischen den Elektroden 1 und 2 des Kabels 9 liegt. Zweckmäßig wird der Transformator so ausgelegt, daß sein Eisenkern schon bei geringen Kabelströmen gesättigt ist, um einen Einfluß größerer Kabelströme auf die Größe der Sekundärspannung zu vermeiden. In Drehstromnetzen kann eine Hilfsspannung in Gegenphase mittels an sich bekannter Kunstschaltungen gewonnen werden.

Im AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 6 wird die Hilfsspannung vom Kabelstrom hergeleitet. Dort ist ein Einleitertransformator 15 mit einem Mantel- oder Ringkern vorgesehen,

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der die Sekundärwicklung trägt und konzentrisch um die stromführende Elektrode 1 des Kabels 9 herum angeordnet ist. Die Sekundärwicklung des Einleitertransformators 15 ist zwischen den die Elektrode 2 bildenden Metallmantel des Kabels 9 und die Hilfselektrode 6: geschaltet, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Die Sekundärwicklung und der Eisenkern des Einleitertransformators 15 sind vorteilhaft so gewählt, daß bei geringen Kabelstromstärken einerseits die nötige Hilfsspannung an der Hilfselektrode 6 vorhanden ist, anderseits aber durch Sättigung des Eisenkernes eine Überkompensation des die Glimmentladungen hervorrufenden Feldes im Randbereich 4 der Elektrode 2 vermieden wird.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche ;

1j Anordnung zum Verhindern von Glimmentladungen an den Elektroden elektrischer Hochspannungseinrichtungen, insbesondere an den Enden oder Verbindungsstellen von Hochspannungskabeln, wobei wenigstens zwei Elektroden unter Zwischenschaltung eines Dielektrikums im Abstand voneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zum Glimmen neigenden Bereich der einen Elektrode (2), insbesondere in deren Randbereich (4)i auf der der anderen Elektrode (1) .abgewendeten Seite wenigstens eine Hilfselektrode (6) im Abstand angeordnet ist, die an einer Hilfsspannung mit einem der Spannung der anderen Elektrode (1) entgegengerichteten Potential liegt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei periodischen Wechselspannungen (7) oder Stoßspannungen die Hilfsspannung (8) die gleiche Frequenz wie die Hauptspannung (7) Jedoch wenigstens annähernd eine dieser entgegengesetzte Phasenlage aufweist (Fig. 2),
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere für Kabel mit einem leitenden Mantel als Abschirmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (6) den Kabelmantel (2) am Kabelende konzentrisch umgibt und so einen Kabelendverschluß bildet (Fig. 3).
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeich net, daß die Hilfselektrode (6) gemeinsam mit den Haupt-

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elektroden (1,2) in einem mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Dielektrikum (5) gefüllten Isoliergefäß (10) angeordnet ist (Fig. 3).
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge-· kennzeichnet, daß die Hilfselektrode (6) aus einer Spritzmetall- oder Leitlackschicht besteht, die auf ein festes Dielektrikum (5) aufgebracht ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (6) an der Sekundärwicklung (14) eines eigenen Transformators (12) liegt, dessen Primärwicklung (13) zwischen die beiden Hauptelektroden (1,2) und dessen Sekundärwicklung (14) zwischen die Hilfselektrode (6) und eine der Hauptelektroden (2) geschaltet ist (Fig. 4).
7. Anordnung nach Anspruch 6, für konzentrisch angeordnete Elektroden, insbesondere für koaxiale Kabel, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (6) die Hauptelsktroden (1,2) konzentrisch umgibt und zugleich die Wicklungen (13,14) des Transformators trägt (Fig. 5).
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 5, für stromdurchflossene Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (6) an der Sekundärwicklung eines Einleitertransformators (15) liegt, dessen Mantel- oder Ringkern mit der Sekundärwicklung die stromführende Elektrode (1) umgibt (Fig. 6). .

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