DE258802C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Jeder Isolator hat zwei Aufgaben zu erfüllen, einmal muß er die entgegengesetzten Pole elektrisch trennen, und zweitens muß er genügende mechanische Festigkeit besitzen, um die an den Polen befestigten .Konstruktionsteile zu tragen. Er muß demnach den Gesetzen der mechanischen und elektrischen Festigkeit genügen, welche jede für sich Maßnahmen verlangen, die sich, besonders in der

ίο Hochfrequenztechnik, vielfach widersprechen. Um die hierbei auftretenden Schwierigkeiten genauer zu kennzeichnen, seien zunächst die elektrischen Bedingungen, die die Hochfrequenztechnik an einen Isolator stellt, zusammengestellt.

An allen scharfen Kanten und Spitzen bilden sich selbst bei ganz kleinem kapazitiven Schluß große Felddichten aus, die an diesen Stellen ein Glimmen des Isolationsmaterials zur Folge -haben. Betrachten wir Luft als Isolator, so wird hierdurch die Ionisation der nächstgelegenen Luftteilchen bewirkt, die Luft wird dort leitend, und es fließen in ihr jetzt wirkliche Ströme (Ladeströme und Wattströme). Die Ladeströme sind aber bei Hochfrequenz viel größer (proportional der Periodenzahl) als bei Niederfrequenz, daher muß auch die an den genannten Stellen durch die Ladeströme hervorgerufene Joulesehe Wärme viel größer (proportional dem Quadrate der Periodenzahl) sein als bei Niederfrequenz. Durch diese große Erwärmung werden nun auch die angrenzenden Luftteile erhitzt und büßen ihre Isolationsfähigkeit stark ein, wodurch die Ionisation der Luft sich weiter ausdehnt. Während also das an Kanten und Spitzen auftretende Glimmen bei Niederfrequenz ganz unschädlich bleiben kann, führt es bei Hochfrequenz zu gefährlichen Beanspruchungen des Isolators. In der Hochfrequenztechnik können die Glimmlichtverluste, wie sich aus obigen Ausführungen ergibt, eine solche Größe erreichen, daß sie den Wirkungsgrad einer Hochfrequenzanlage sehr verschlechtern, ja den Schwingungsvorgang direkt unmöglich machen.

In der gleichen Weise, wie der Vorgang bei Luft geschildert wurde, spielt er sich auch bei den anderen Isolationsmaterialien ab.

In allen Isolationsmaterialien, welche von elektrostatischen Kraftlinien durchzogen werden, treten dielektrische Verluste auf. Diese Verluste lassen sich mathematisch darstellen durch

A = Konst. · ν B^x Volumen, ·

worin B = Dichte der elektrostatischen Kraftlinien pro qc'rn, χ = i,6 bis 2, ν = Periodenzahl.

Diese Gleichung kann empirisch in bekannter Weise an Hand von Versuchen aufgestellt werden.

Da in der Hochfrequenztechnik Periodenzahlen von 30 000 bis 2 000 000 und mehr verwendet werden, die etwa 600 bis 130 000 mal größer sind als bei Niederfrequenz (υ = ΐζ

bis 50), so müssen hier diese dielektrischen Verluste ganz andere Größenanordnungen annehmen. Tatsächlich werden diese Verluste häufig so groß, daß sie zur Vernichtung des Isolators führen.

Um die Spitzen- und Kantenwirkung zu vermeiden, rundet man bekanntlich die Spitzen und Kanten soweit wie möglich ab. Abgesehen davon, daß dies nicht überall möglich ist, bietet auch diese Maßregel keinen völligen Schutz, wie die folgende Betrachtung zeigen soll.

Es seien in Fig. 1 A und B die beiden Metallelektroden, e die abgerundeten Kanten der einen Elektrode, G sei das (feste) Isolationsmaterial, welches A und B trennt. Es sei G Porzellan von einer Dielektrizitätskonstanten ε — 5, dann wird die Kraftliniendichte zwischen A und B fast fünfmal größer, als wenn Luft als Isolationsmaterial verwendet wurde. Dementsprechend wird auch in dem kleinen Luftraum e die Kraftliniendichte fünfmal größer. Würde der Abstand d sogar so groß gewählt, daß das Porzellan die fünffache Sicherheit gegen Durchschlag böte, so wäre die Luft in e an ihrer Durchschlagsgrenze beansprucht, und der Leiter A beginnt dort zu glimmen, was, wie schon erwähnt, bei der Hochfrequenz sofort ganz andere Ausdehnungen wie bei Niederfrequenz annimmt.

Bei dieser Betrachtung wurde angenommen, daß die Kraftliniendichte bei e angenähert dieselbe ist wie in der Mitte zwischen A und B. Dies gilt natürlich nur- dann, wenn e genügend abgerundet ist. Anderenfalls würde hier die Dichte noch viel größer sein. Die Abrundung hat hier schon viel genutzt.

Es liegt auf der Hand, daß also unter sonst gleichen Eigenschaften dasjenige Isolationsmaterial in Hinsicht auf das Glimmen bei e am besten wäre, welches die kleinste Dielektrizitätskonstante besitzen würde. Da aber alle in der Hochfrequenztechnik brauchbaren, bruchfesten Isolationsmaterialien eine große Dielektrizitätskonstante besitzen, so bietet die in Fig. 2 dargestellte Konstruktion ein geeignetes Mittel, um das Glimmen bei e zu verhindern. Der »Hauptisolator« P sei z. B. Luft oder ein anderes Gas (ev. unter Druck) oder ein anderer Isolator mit möglichst kleiner Dielektrizitätskonstanten. Der »Tragisolator« Q sei aus druckfestem Isolationsmaterial, z. B. aus Porzellan, hergestellt. Nehme*n wir vorerst an, der Kraftlinienweg in Q längs b wäre so groß gegenüber d, daß längs b praktisch keine Kraftlinien verlaufen. Dann ist für den in Fig. ι dargestellten Fail die Kraftliniendichte

Ea

proportional —}- > wobei Eq = Dielektrizitätskonstante oder dielektrische Leitfähigkeit und d — Weglänge = Abstand der Pole ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung stimmt im Prinzip mit den bekannten hohlen Stützisolatoren (vgl. E. T. Z. 1910, S. 89, Abb. 19) überein und ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Für den in Fig. 2 dargestellten Fall ist die Kraftliniendichte proportional

Ep -d 4- Eq-b Ep Eq

wobei b = Weglänge der Kraftlinien im Isolationskörper ist.

Aus den beiden Ausdrücken ergibt sich, daß mit wachsendem b die Kraftliniendichte kleiner wird, ebenso wie mit wachsendem d.

Als Beispiel für eine Ausführungsform nach vorliegender Erfindung, bei welcher das Glimmen vermieden und die Verluste durch Verwendung von Haupt- und Tragisolator wesentlieh verringert werden, kann der »Isolator« dienen, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Der Kraftlinien weg b muß groß genug sein, damit das Glimmen in e unterdrückt wird. Auch für die Verluste ist es vorteilhaft, daß der Weg 5 groß gewählt wird, damit die Kraftliniendichte im verlustreichen Tragisolator klein wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Verluste schon deshalb kleiner werden, weil durch die Konstruktion das Volumen des verlustreichen Tragisolators kleiner ist, als wenn der ganze Isolator voll wäre. Selbstverständlich kann der Isolator auch aus zwei oder mehreren Körpern bestehen, die zweckmäßig symmetrisch zueinander und parallel angeordnet sein können.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch :

   Isolator für die Zwecke der Hochfrequenztechnik, welcher entsprechend seinen beiden Aufgaben, die mechanische und elektrische Festigkeit zwischen zwei oder mehreren Hochspannungspolen zu gewährleisten, aus einem Haupt- und Tragisolator besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vergrößerung des Kraftlinienweges unter gleichzeitiger Verkleinerung der räumlichen Ausdehnung die gleichmäßig starke Wandung des Isolatorkörpers eine wellenförmige (sinusartig, Fig. 3) Gestaltung erhält.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.