DE2513218C2

DE2513218C2 - Anordnung zum Verhindern von Glimmentladungen an den Elektroden elektrischer Hochspannungseinrichtungen

Info

Publication number: DE2513218C2
Application number: DE2513218A
Authority: DE
Inventors: Heribert Dipl.-Ing. Dr.techn. 1190 Wien Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-29
Filing date: 1975-03-25
Publication date: 1984-07-05
Also published as: AT326747B; FR2266268A1; DE2513218A1; CH578778A5; IT1034706B; GB1463471A; SE7503458L; FR2266268B3; ATA259974A; SE414093B; US3980804A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung /um Verhindern von Glimmentladungen an den Elektroden elektrischer Hochspann ungseinrich tu ngcn, 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 Encrgicverlusten und zu starken Erwärmungen an

to 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, z. B. mit einer Spannung in der Größenordnung von 100 kV. im Betrieb öfter versagen.

Durch Verwendung abgerundeter Elektroden können die Glimmentladungen verringert werden. Beispielsweise sind Kugelelektroden weitgehend glimmfrei. 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 Glimtnstcllen immer wieder frisches Öl zugeführt und so eine Kühlung erreicht wird. Die Anwendung von Kugclelektroden 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 Prüfspannung erhöhen zu können, wurde deshalb versucht, das Glimmen am Ende des leitenden Schutzmantels eines koaxialen Hochspannungskabels durch einen sieh erweiternden Metalltrichter zu verringern, der unter Vermeidung von Zwischenräumen mit

5(i großer 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 großesölgefäß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Verhindern von Glimmentladungen zu schaffen, die sowohl in Hochspannungslaboratoricn als auch im Betrieb an den Elektroden elektrischer Hoch-

bo Spannungseinrichtungen 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 Randbcrcich, auf der der

h^ri anderen Elektrode abgewendeien Seile wenigstens eine Hilfselektrode im Abstund angeordnet ist. die an einer Hilfsspannung mit einem der Spannung der anderen Elektrode cnlgcgengeriehteten Potential liegt. Durch

diese Anordnung von einer oder mehreren Hilfselekiroien 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 Kabelcndcn mich für sehr hohe Spannungen sowohl für eine betriebliche Anwendung als auch für das Laboratorium hergestellt werden. Außerdem wird die Lebensdauer tier Kabel durch die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung erreichte Glimmfreiheit 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 Haupispannung hervorgerufene elektrische Feld ausreichend kompensiert wird.

Die erfindungsgemäßc 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 umgib! 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 Spritzmctall- 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 ist es hingegen, nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Hilfselektrode an die Sekundärseite eines eigenen Transformators zu legen, dessen Primärwicklung zwischen die beiden Haupielektroden und dessen Sekundärwicklung zwischen die Hilfselektrode und eine der Hauptelcktroden 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 Erläuterungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. In dieser zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung im axiivlcn Längsschnitt und

F i g. 2 den Potentialverlauf an den Elektroden des Ausführungsbeispiels nach F ig. 1. In

F i g. 3 ist eine weitere Ausführungsform tier erfindungsgemüßcn Anordnung im Längsschnitt schemalisch dargestellt und die

Fig. 4. 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele im Längsschnitt mit Vorkehrungen zur Erzeugung der Hilfsspannung.

^r> In F ig. 1 ist die erfindungsgemäße Anordnung an einem Zylinderkondcnsator erliiuieri. Dieser besteht aus zwei Hochspannungsclektroden ! und 2. die gegen einander durch ein Dielektrikum 3 isoliert sind, das eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweisen muß und

ίο fest, flüssig oder gasförmig sein kann. Im Randbereich 4 der Elektrode 2 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 Spar.nungsfestigkeil verwendet werden.

Wenn zwischen den Elektroden 1 und 2 eine Potentialdifftrenz vorhanden ist, entsteht im Randbereich 4 der Elektrode 2 ein inhomogenes Feld zur Elektrode 1, welches schon bei verhältnismäßig kleinen Spannungswerten gegenüber der Durchschlagsspannung 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

jo Randbereiches 4 der Elektrode 2 vollständig kompensiert, so daß zwischen den Elektroden 1 und 2 Spannungen bis nahe der Durchschlagsspannung des Dielektrikums 3 bestehen können, ohne daß Glimmentladungen auftreten. Diese werden auch bei nur teilweiser Kompcnsation 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 F i g. 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 2 im Randbereich 4

w zu kompensieren, kann auch bei anderer Amplitude der Hilfsspannung 8 durch entsprechende Wahl des Abstandcs der Hilfselektrode 6 von der Elektrode 2 und des Materials des Dielektrikums 5 im Randbercich 4 ein Gegenfeld mit der notwendigen Feldstärke erhalten werden, um das Glimmfeld vollständig „zu kompensieren.

Fig. 3 zeigt den Abschluß eines Hochspannungskabels 9 mit einem gemäß der erfindungsgemäßen Anordnung ausgebildeten Kabelendverschluß. Die Kabelseele

Mi des koaxialen Hochspannungskabels 9 stellt die eine Elektrode 1 und der Metallmantel die zweite Elektrode 2 dar. Das Dielektrikum 3 zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 wird von der Kunststoffisolierung des Kabelgebildet. Im Randbereich 4 der Elektrode 2 ist unter

h5 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 Dielektri-

kum 5 eingebettet ist. Die als Elektrode 1 dienende Kabelseele ist an ihrem Ende durch eine Kugelelektrode 11 abgeschlossen, die teilweise aus dem Gcfiiß 10 herausragt. Wenn an die Hilfselektrode 6 eine Hilfsspannung angelegt wird, die der Spannung der Elektrode 1 entge- ^ri gengerichtet ist, dann entsteht ein Gesamtfeld aller Elektroden I₁ 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 ι ο Dielektrikum 5 bleiben ohne Einfluß.

In den F i g. 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 eines 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.

Gemäß F i g. 4 wird die Hilfselektrode 6 durch einen eigenen Transformator 12 oder Spannungswandler ver- 2^r> sorgt. 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 jo liegt. Ähnlich ist die Anordnung nach F i g. 5. Dort ist jedoch kein eigener Transformator vorgesehen sondern die Wicklungen 13 und 14 des Transformators unmittelbar auf der Hilfselektrode 6 angeordnet und gemeinsam mit dieser im Inneren des Gefäßes 10 im Dielektrikum 5 i*> eingebettet. Die Primärwicklung 13 ist auch dort zwischen die Elektroden 1 und 2 geschaltet, wogegen die Hilfselektrocien 6 an der Sekundärwicklung 14 liegt. Dadurch wird erreicht, daß /.. B. bei einer periodischen Wechselspannung die in der Sekundärwicklung 14 er- 40 zeugte Hilfsspannung ungefähr in Gegenphasc 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 Kabelströ- 45 me auf die Größe der Sekundärspannung zu vermeiden, in Drehstromnetzen kann eine Hilfsspannung in Gegenphase mittels an sich bekannter Kunstschaltungen gewonnen werden.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 wird die Hilfs- ^r>o spannung vom Kabelstrom hergeleitet. Dort ist ein Einleitertransformator 15 mit einem Mantel- oder Ringkern vorgesehen, 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 t><> 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 b5 wird.

Hier/u 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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), 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, für Kabel mit einem leitenden Mantel als Abschirmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (6) den die eine Elektrode (2) darstellenden Kabelmantel am Kabelende konzentrisch umgibt und so einen Kabelendverschluß bildet (Fig. 3).

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (6) gemeinsam mit den Hauplelektroden (1, 2) in einem mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Dielektrikum (5) gefüllten Isoliergefäß (10) angeordnet ist (F ig. 3).

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, 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 Hauplelektroden (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 Hauptelektroden (1, 2) konzentrisch umgibt und zugleich die Wicklungen (13, 14) des Transformators trägt (F i g. 5).

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 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 (F ig. 6).