DE505462C - Elektrischer Isolierkoerper - Google Patents

Description

Nach den herrschenden Anschauungen soll ein elektrisch beanspruchter Isolierkörper durchschlagen, sobald die höchste elektrische Feldstärke einen gewissen Grenzwert, die sogenannte Durchschlagsfeldstärke erreicht hat. Entsprechend dieser Anschauung hat man bisher elektrische Isolierkörper so bemessen, daß der räumliche und zeitliche Höchstwert der elektrischen Feldstärke unterhalb der erwähnten Grenze bleibt. Sofern es sich um einen einheitlichen Körper handelt und das elektrische Feld gleichförmig ist oder von der Gleichförmigkeit nicht allzusehr abweicht, führt die genannte Regel erfahrungsgemäß v\\ einer zweckmäßigen Bemessung des Isolierkörpers. Es ist ferner bekannt, daß in nicht homogenen Feldern die Beanspruchung manchmal höher werden kann als die im homogenen Felde ermittelte Durchschlags-

ao feldstärke, bevor ein Durchschlag eintritt. Gelegentliche Beobachtungen dieser Art haben jedoch nicht zit praktischen Folgerungen führen können, weil die Bedingungen, unter denen der Durchschlag tatsächlich erfolgt, bisher nicht bekannt waren.

Die vorliegende Erfindung geht von einer neuen Vorstellung über das Wesen des Dui ehschlagsvorganges aus, die auf Grund eingehender Versuche entstanden ist, die zur Erforschung der Durchschlagserscheinung ausgeführt worden sind. Nach dieser Vorstellung ist die Grenze für die elektrische Beanspruchbarkeit eines Isolierkörpers dann erreicht, wenn das thermisch-elektrische Gleichgewicht in dem Isolierstoff labil wird. Der elektrisch beanspruchte Isolierstoff wird durch die Strombelastung und gegebenenfalls durch dielektrische Verluste erwärmt. Mit der Erwärmung steigt die Leitfähigkeit, und hiermit wachsen die Verluste weiter. Bei niedriger Beanspruchung wird ebensoviel Wärme nach der Umgebung weggeführt, als auf elektrischem Wege erzeugt wird; es herrscht thermisch-elektrisches Gleichgewicht. Bei einer gewissen Beanspruchung wird dieses Gleichgewicht labil, d. h. die elektrisch erzeugte Wärme wächst bei steigender Temperatur schneller als die zur Umgebung abgeführte Wärme. Der Stoff verkohlt und wird gut leitend, der Isolierkörper ist »durchgeschlagen«.

Die geschilderten Verhältnisse lassen sich an Hand der in Abb. 1 gezeichneten Stromspannungskennlinie des Isolierkörpers ohne weiteres übersehen. Als Abszisse ist die am Isolierkörper wirkende Spannung U, als Ordinate der den Körper durchfließende (Isolations-) Strom / aufgetragen. Bei kleinen Spannungen fällt die Kennlinie mit ihrer Nullpunktstangente OT zusammen, d. h. der Isolationsstrom befolgt des Ohmsche Gesetz. Bei höherer Spannung erwärmt sich der Isolierstoff und wird besser leitend, die Kennlinie biegt nach oben ab. Ihr Umkehrpunkt A bestimmt die Durchschlagsspannung U_1n. Jenseits A ist der Zustand labil; der Strom wächst von selbst weiter.

Der labile Teil der Kennlinie wird im allgemeinen außerordentlich rasch durchlaufen, was sich durch das plötzliche Eintreten des

Durchschlags kundgibt, ,sobald der Punkt .-ί auf der ßenttlihie'-'riath^Abb. ι erreicht ist. Man ist infolgedessen genötigt, die Betriebsspannung weit unterhalb des Durchschlagswertes U_1n festzusetzen, damit der Isolierkörper auch bei vorübergehender Spannungserhöhung, z. B. durch Überspannungen, nicht durchschlägt.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ίο Isolierkörper, bei welchem die Labilität im Durchschlagspunkte der Kennlinie und oberhalb dieses Punktes aufgehoben ist. Ein derartiger Isolierkörper kann beispielsweise aus zwei elektrisch hintereinandergeschalteten Teilen gebildet werden, von denen der eine bei der Gebrauchsspannung den größten Teil der elektrischen Beanspruchung aufnimmt, während der andere Teil im wesentlichen wie ein Ohmscher Widerstand wirkt und das Anwachsen des Stromes verhindert, wenn die Beanspruchung bis zur Durchschlagsspannung des ersten Teiles anwächst. Die Erfordernisse, denen beide Teile zu genügen haben, gehen aus der Abb. 2 hervor. Die Kurve I sei die Stromspannungskennlinie des Teiles, der die Beanspruchung hauptsächlich tragen soll. Die Kennlinie II des zweiten Teiles soll bis zu Strombelastungen jenseits des Durchschlagspunktes der Kennlinie I des ersten Teiles wachsende Spannung bei zunehmendem "Strom ergeben. Der durch die elektrische Reihenschaltung beider Teile entstehende Gesamtkörper hat die Kennlinie III, die sich durch Addition der zu demselben Strom gehörenden Spannungen der Teile I und II ergibt. Man sieht, daß die Durchschlagsspannung des Gesamtkörpers weit hinaufgerückt ist. Benutzt man diesen etwa bei der Spannung U₀, so entfällt der größte Teil U₁ dieser Spannung auf den Teil I, während Teil II betriebsmäßig nur die kleine Spannung U₂ zu tragen hat. Wird jetzt infolge einer Überspannung die Gesamtspannung beträchtlich erhöht, etwa bis zum Wert U₅ (Punkt B auf III), so nimmt Teil II den größten Teil der Überspannung auf, während Teil I zwar bis über den Durchschlagspunkt beansprucht wird (Punkt B₁), aber nicht durchschlägt, weil der Strom nicht über den durch die Punkte B und B₁ gegebenen Wert anschwellen kann.

Ein Beispiel möge das vorher Ausgeführte näher erläutern: In Abb. 3 stellt Kurve I die Kennlinie einer 0,1 mm starken 4 cm² großen Guttaperchaschicht dar. A ist der Durchschlagspunkt; er entspricht einer Belastung von etwa 1,1 Mikroampere bei 4,5 kV. Bei 3,5 kV Gebrauchsspannung wäre die Sicherheit gegen Durchschlag kaum 30 °/₀, also praktisch vollkommen unzureichend. Kurve II zeigt die Kennlinie einer ebenso großen 0,05 mm dicken Cellonschicht. Für die beiden elektrisch hintereinandergeschalteten Schichten gilt die Kennlinie III. Wählt man nun wiederum als Gebrauchsspannung 3,5 kV, entsprechend Punkt C der Kennlinie, so entfällt hiervon auf die Guttapercha 3,1 kV, auf die Cellonschicht 0,4 kV. Die Guttaperchaschicht trägt also den größten Teil der Gesamtspannung, und zwar ist sie mit fast 70 % ihrer Durchschlagsfestigkeit belastet. Dabei ist aber die Durchschlagssicherheit bedeutend gewachsen, und zwar auf über 120 °/₀; der Durchschlag tritt erst bei etwa 7,8 kV ein. Die Durchschlagsspannung ist im vorliegenden Falle sogar höher als wenn man die gesamte Isolierstoffdicke (ο, 15 mm) aus Guttapercha hergestellt hätte, was etwa 6,7 kV Durchschlagsspannung entspräche.

Die Anwendung der Erfindung ist selbstverständlich, nicht auf die angegebenen Stoffe und insbesondere nicht auf die in dem Beispiel angenommenen kleinen Wandstärken beschränkt. Auch brauchen die Teile des Isolierkörpers nicht die Form ebener Schichten zu haben, sondern können beliebige Gestalt besitzen, sofern nur die Schichtung der angewandten Isolierstoffe nach den ihnen eigentümlichen Kennlinien erfolgt.

Die vorstehenden Überlegungen lassen sich sinngemäß ohne weiteres auf Isolierkörper übertragen, die aus mehr als zwei elektrisch hintereinandergeschalteten Teilen bestehen. Das Wesentliche ist, daß die Kennlinie des Gesamtkörpers in dem Bereich der vorkommenden Spannungen keinen Umkehrpunkt besitzt. Eine Zusammensetzung des Isolierkörpers aus mehr als zwei Teilen kann sich z. B. aus mechanischen, baulichen oder anderen Rücksichten ergeben.

Die vorhergehenden Betrachtungen beziehen sich auf zeitlich gleichmäßige elektrische Felder (Gleichspannung). Im elektrischen Wechselfelde ist der Ladestrom zu beachten. In diesem Falle wird man die Formgebung und die Dielektrizitätskonstanten der Teile zweckmäßig so wählen, daß sich die Spannungsverteilung bei der Betriebsspannung entsprechend dem Kennlinienbild in Abb. 2 einstellt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrischer Isolierkörper aus zwei verschiedenartigen Gruppen von elektrisch hintereinandergeschalteten, aus festen Isolierstoffen bestehenden Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß die für die einzelnen Gruppen verwendeten Isolierstoffe so beschaffen sind, daß gemäß ihrer Kennlinien bei der Belastung des Isolierkörpers mit

   der Betriebsspannung die eine Gruppe dem Stromdurchgang einen erheblich größeren Widerstand entgegensetzt als die andere Gruppe und daher die Betriebsspannung größtenteils trägt, während die Teile der anderen Gruppe bei Belastung des Isolierkörpers bis über die Durchschlagsspannung der ersten Gruppe hinaus bei wachsendem Strom zunehmende Spannung tragen, und zwar in solchem Ausmaße, daß die Durchschlagsspannung des Isolierkörpers wesentlich höher liegt als die Durchschlagsspannung der ersten Gruppe seiner Bestandteile.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen