DE316990C - - Google Patents

Description

Wenn man an die Enden eines beispielsweise zylinderförmigen Stabes aus Isolationsmaterial (Porzellan usw.) die Spannung einer Stromquelle legt und die Spannung allmählich steigert, so tritt bei einer gewissen Spannung, der sogenannten Anfangsspannung, zunächst an den Enden des Stabes Glimmentladung auf. Beim weitern Steigern der Spannung breitet sich diese über den ganzen Mantel des

ίο Isolators aus und leitet schließlich den Überschlag ein.

Daß sich die Glimmentladung zuerst an den Enden des Stabes ausbildet, deutet darauf hin, daß dort die elektrische Feldstärke einen bedeutend höheren Betrag besitzt als z. B. in der Mitte des Stabes; die angelegte Spannung verbreitet sich also nicht gleichmäßig über die ganze Länge des Isolators.

Ähnliche Erscheinungen treten auch bei den in der Technik verwendeten Isolatoren auf. Da das Isoliermaterial durch die Glimmentladung stark angegriffen wird, ist ein Isolator im Betrieb nur für Spannungen zu gebrauchen, die unterhalb der Anfangsspannung liegen. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es deshalb erwünscht, Einrichtungen an Isolatoren zu treffen, durch welche die Werte für die Anfangsspannung in die Höhe gerückt werden,· oder durch welche die Glimmentladung vollständig unterdrückt wird; denn dadurch kann ein und derselbe Isolator für höhere Spannungen verwendet werden. Nach dem eben Dargelegten ist dies dadurch möglich, daß man die Spannungsverteilung längs des Isolators in der geeigneten Weise beeinflußt.

Eine Anordnung, die diesen Zweck erfüllt, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Sie betrifft die Verwendung; von geeigneten Metallflächen, die an oder zwischen den Isolierkörpern derart angebracht und bemessen sind, daß durch die von ihnen bewirkte Konfiguration des elektrischen Feldes die Spannungsverteilung an den Isolatorkörpern die gewünschte wird.

Die Bedingungen, denen die Kapazitätsflächen zu diesem Zweck genügen müssen, ergeben sich aus folgenden theoretischen Grundlagen: Für ein System von η in irgendeinem Dielektrikum angeordneten elektrischen Leitern (Metallflächen), die das Potential F₁, F₂, F₃ . . .V_n besitzen und an denen die Lade-,ströme /,, J₂, J₃ . . . J_n mit der Periodenzahl.

— von außerhalb des Systems eintreten, gelten „

die folgenden Beziehungen zwischen Strömen j und Spannungen (vgl! H. Haus rath, die Untersuchung elektrischer Systeme ■ auf Grundlage der Superpositionsprinzipien, Springer 1907):

._ Λ

Ii= C₁(V₁ —. V_n) + C_V2(V₂— Vn)+ : ■ ■ +C₁ (η-D-(F_n-Ji-F_n); = C₁₂(F₁ -r V_n) + C₂ (F₂ — V_n) + :·'··+ £,(»_,)(F_n-!- F_B);

^-^x = C_{1 (B} _ D (F₁ — V_n) -f C_{2 (B}._ j, (F₃ — F_n) +·.·.+ C_(B _-_;) (F^₁ — V_n)

Dabei können noch die Koeffizienten C₃ nach der Beziehung

C/ = — ^ C₁Vc; (k = i)

ic=Ί

durch die —- Koeffizienten C^ ersetzt

werden. Diese, sind identisch mit den Kapazitäten des Vollständigen Ersatzschemas, die in diesem Schema zwischen den Punkten i und k liegen. Durch diese Koeffizienten ist unter gegebenen Betriebsbedingungen die Verteilung der Spannungen bestimmt.

Man kann nun die Metallflächen derart dimensionieren und gegeneinander anordnen, daß die Koeffizienten Werte erhalten, die eine gewünschte Verteilung der Spannungen auf .den Metallflächen und hiermit auch auf und in. dem Isolator bedingen.

Sind z. B. die Metallflächen in der Reihenfolge ι bis. η hintereinander angeordnet, so ergeben sich die Bedingungen für die beispielsweise auf diesen gleichmäßig verteilte Spannung, indem man setzt: .

V₁-V_n = H-V; V₂-V_n = I)-F; usw.

Wird ferner angenommen, daß an der Leiteroberfläche ι das Potential einer Hochspcnnungsleitung, an η das der Erde liegt und daß an keiner weiteren Fläche eine Strömung von außen in das System eintritt, so ergibt sich, wenn man zugleich die C; eliminiert und c für u>C schreibt:

/1 = [cn -H 2C₁₃ + 3C₁₄ -(-..._(-(«_ 2)cj ₍„ _!) + (» — I)C_1n] · F; O = [—c₁₂ + C₂₃ + C₂₄ -f ■ ■ · -f (n — 3)c₂₍„___l) -f (« — 2)c_2ll] ■ F;

(2)

O = [—(» — 2) C₁(B^₁)

Für η =4 ergibt sich z. B.

• · · C(„ _ ₂) (H _ j

/1 = (Ca₂ + 2C₁₃+ 3C₁₄) · F; O = (—c₁₂ + C₂₃ + 2C₂₄) · V;

O = (-2C₁₈-C₂₃ + C₃₄) · F.

(3)

Nimmt man / und F als gegeben an, sq

kann man, da nur (n — 1) Bedingungen durch

.55 die Gleichungen gestellt sind, noch über

nln — ι) π τ r ■ r-

—^!—^ η + ι Bedingungen frei verfugen.

. In der E. T. Z. 1914, S. 4141st vorgeschlagen, die bei Hängeisolatorenketten auftretende ungleichmäßige Spannungsverteilung auf die einzelnen Glieder durch je einen Metallschirm zwischen je zwei Isolatorglieder zu beseitigen (Verwendung geschirmter Isolatoren). Dabei wird über die noch freien Bedingungen in folgender Weise verfügt: 1. die Teilkapazitäten Cj(J-+!) sollen gegen die übrigen groß sein. Setzt man diese Bedingung in das allgemeine Gleichungssystem (2) ein, so ergibt sich:

A = C₁₂-F;

O = (— C₁₂+ C₂₃). F;

O = [—C_{n _

Hieraus ergibt sich, daß bei Verwendung

ίο geschirmter Isolatoren die Spannungsverteilung nur dann gleichmäßig ist, wenn 2. alle a (J₊₁) einander gleichgemacht werden, was auch dort vorausgesetzt wird. Das wesentliche Merkmal der dortigen Anordnung zur gleicL-mäßigen Verteilung der Spannung auf die einzelnen Glieder . von Hängeisolatoren besteht also darin, daß jedes Glied eines Hängeisolators mit einem Metallschirm versehen wird, und daß die Metallschirme unter sich gleich groß und voneinander gleich weit entfernt sind. Um die notwendige Bedingung zu eriüllen, daß die Teilkapazitäten c,- (;₊₁) groß gegen die übrigen sind, müssen dabei die Metallschirme eine im Vergleich zum Umfang sehr große Oberfläche besitzen. Dies bringt gewisse Nachteile mit sich: Abgesehen von den großen Kosten für die Schirme und die längeren notwendig werdenden Mastausleger besieht die Gefahr, daß die Ränder der Schirme in zu große Nähe zueinander kommen, wenn die Isolatorenkette nicht vollständig gestreckt ist oder pendelt; dadurch wird leicht ein Überschlag eingeleitet. Ferner hat man es nicht mehr in der Hand, den Kapazitätsstrom inncrhalb gewisser Grenzen zu halten, die anderweitige Rücksichten fordern (Ladestrom des ganzen Leitungsnetzes).' Des weiteren haben Versuche gezeigt,, daß ein zwischen zwei Schirmen entstehender Lichtbogen um so weniger nach außen gegen die Ränder der Schirme zu getrieben wird, je größer die Schirme gemacht werden; es besteht also die Gefahr, daß das Isoliermaterial vom Lichtbogen getroffen, erhitzt und zerstört wird.

Endlich muß man die Porzellankörper der Isolatoren den Metallschirmen anpassen, wenn man unter den Schirmen eine zweckmäßige Feldverteilung erreichen will.

In den Fig. 1 bis 8 sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angegeben, welche sowohl bei Hängeisolatoren wie auch bei Stützisolatoren und Durchführungen anwendbar sind. In Fig. ι bedeutet α einen beispielsweise zylinderförmigen Isolator, auf den Metallscheiben b aufgeschoben oder in Rillen eingelassen sind. Die Scheiben sind kreisförmig gezeichnet, sie können aber auch eine andere, z. B. eine ovale Form haben. Sind die Scheiben untereinander gleich groß und von gleicher Form, so müssen sie in verschiedener Ent(n-i,n]--'V. r

fernung voneinander angeordnet werden (Fig. 2), sind sie dagegen verschieden groß oder von verschiedener Form, so können sie in gleicher oder verschiedener Entfernung voneinander angeordnet werden. Der Isolator selbst braucht keine zylindrische Form zu haben; zwischen den Platten können auch Rillen sein, der Isolator kann auch glockenförmig ausgebildet sein oder irgendeine in der Technik gebräuchliche Form haben. Die Metallscheiben werden dann auf die Mäntel aufgesetzt. ' Bei solchen Isolatoren mit komplizierten Formen sind unter Umständen Metallscheiben verschiedener Form nötig, z. B. glockenförmige Scheiben (Fig. 4), oder Scheiben mit konischem Querschnitt (Fig. 5 und 6). Bei hohen Spannungen empfiehlt.es sich zur Vermeidung der Strahlung die Scheiben. an den Rändern abzurunden oder zu verdicken (Fig. 4/5 und 6). Ferner kann es zur Erhöhung der Wärmeabfuhr erwünscht sein, den Scheiben eine möglichst große Oberfläche zu geben (Fig. 7).

Bei. Isolatoren für sehr hohe Spannungen kann es erwünscht sein, den Isolator nicht aus einem Stück auszuführen, sondern aus mehreren kleineren Isolatoren α zusammenzusetzen (Fig. 8). Die Metallscheiben dienen dann zugleich als Befestigungsmittel für die Isolatoren, und zwar können die Isolatoren mit. den Metallplatten fest verschraubt sein. Wendet man den Erfindungsgedanken auf die bis jetzt gebräuchlichen Hängeisolatoren an, so muß man 1. die Metallschirme der einzelnen Isolatoren verschieden groß machen, und zwar wird die Abstufung gewöhnlich derart sein,. daß der kleinste Schirm am Aufhängepunkt, der größte am' Leitungsträger sich befindet. Je nach der Höhe und Form des Porzellankörpers eines Gliedes können 2. auch noch auf den Porzellankörpern eine oder mehr Scheiben angeordnet werden, so daß auf je ein Glied des Hängeisolators mehrere Metallschirme treffen. ■

Vergleicht man die theoretischen Grundlagen der vorliegenden Erfindung mit denen der Anordnung in der E. T.Z., so erkennt man folgendes: Es gilt auch hier das Gleichungssystem (2), über die noch freien Bedingungen ist hier jedoch anders verfügt. Es sind also hier weder die Teilkapazitäten c ^ ₊^₂- groß gegen die übrigen, noch unter sich gleich gemacht. Aus Fig. ι ist z. B. ersichtlich, daß

die Teilkapazitäten c,(, _{+ 1}) zum Teil kleiner als die übrigen sind (mittlere Scheiben), zum Teil größer (Endscheiben), zum Teil gleich groß, oder von der gleichen Größenordnung. Auf diese Weise ergeben sich eine Reihe von Vorteilen für die vorliegende Erfindung. So hat man z. B. vollständig freie Hand in der Wahl der Absolutwerte der Koeffizienten : Mit Rücksicht auf die zulässigen Dimensionen der

ίο Metallflächen und die Größe des Ladestromes der ganzen Leitungsanordnung wird man die Koeffizienten möglichst klein hallen; man darf jedoch nicht unter ein gewisses Maß gehen, damit nicht die Oberflächenleitfähigkeit des Isolierkörpers die Spannungsverteilung zu sehr beeinflußt. Durch die kleineren Abmessungen werden natürlich alle Nachteile der oben angegebenen Anordnung vermieden, d. h. die Kosten der Metallscheiben und der Ausleger werden billiger, die Ränder können • einander nicht zu nahe kommen, der Lichtbogen entsteht an den Rändern, das Isoliermaterial ist also nicht gefährdet. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ferner der, daß sich die ganze Anordnung ohne weiteres auch auf Tragisolatoren und Durchführungen anwenden läßt. Dadurch, daß man über die Koeffizienten frei verfügen kann, kann die Anordnung jeder Form von Isolatoren angepaßt werden, man braucht also nicht den Isolierkörper mit Rücksicht auf die Metallscheiben zu formen, sondern kann ihn mit Rücksicht auf andere Forderungen (mechanitche Festigkeit usw.) ausbilden. Endlich hat man es wegen der größeren Anzahl von Scheiben und der freien Wahl der Abstufung nach Abstand, Größe und Form in der Hand, die Feldverteilung feiner und günstiger einzuregulieren.

Bei so komplizierten Formen -der Isolierkörper und Metallischen ist allerdings eine exakte Berechnung mit Hilfe des Gleichungssytems nicht mehr ausführbar, aber auch nicht erforderlich, da man durch experimentelle Untersuchungen leicht die Anordnung herausfinden kann, welche die gewünschte Spannungsverteilung bewirkt. Im allgemeinen ist die Wirkung der Metallflächen um so besser, je mehr sich ihre Flächen von denen entfernen, die ohne Metallflächen Äquipotentialflächen waren.

Claims (2)

Patent-Ansprüche :

1. Anordnung zur Vermeidung von Vorentladungen bei Isolatoren, gekennzeichnet durch im wesentlichen senkrecht zur Isolatoroberfläche sich erstreckende Metallflächen, die bei gleicher Form und Größe in verschiedenen Abständen, bei verschiedener Form oder Größe in gleichen oder verschiedenen Abständen voneinander angeordnet sind, so daß die Spannung auf dem Isolator gleichmäßig verteilt wird.

2. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist, deren Zusammenhang mit den Metallscheiben fest oder gelenkig sein kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.