DE583977C - Gekapselte elektrische Hochspannungs-Verteilungsanlage - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Hochspannungs - Verteilungsanlage. Dabei wird bezweckt, solche Anlagen unter geringem Raum- und Materialaufwand zu bauen, ihnen in allen Teilen trotzdem einen bisher nicht erreichten Sicherheitsgrad zu geben und dazu die bekannte Kapselung zu verbessern und für_höhexe^jind^ höchste Spannungen anzuwenden. '" ^ ο In Hoch- und Höchstspannungs-Verteilungsanlagen dient heutzutage hauptsächlich Luft zur Isolation. Die Luft steht unter normalem, gewissen Schwankungen unterworfenemDruck bei geringer Durchschlagfestigkeit. Hochspannungs-Verteilungsanlagen besitzen daher in der jetzigen Bauart große räumliche Abmessungen, welche durch die notwendigen Abstände der spannungführenden Leiter gegeneinander und gegen Erde bedingt sind. Auch bei den heutigen, unter normalem Luftdruck stehenden gekapselten Verteilungsanlagen mußten gewisse Mindestabstände innegehalten werden, was dazu geführt hat, daß solche Anlagen nicht für alle Spannungen in Betracht kommen.

In Bergwerken und ähnlichen Betrieben ist es bekannt, die elektrischen Strom führenden, auch mit fester und flüssiger Isolation umgebenen Anj_;ageiiteüe_gasdicht_t zu kapseln und unter Druck zu setzen, um die Entzündung von die Kapselung umgebenden Gasen zu verhindern. Seit langem kennt man auch die dielektrischen Eigenschaften der Gase in Abhängigkeit vom Drucke. Bei Kabeln und in für sich abgeschlossenen Teilen einer Verteilungsanlage macht man davon gewissen Gebrauch. Die preßgasisolierten Hochspannungskabel bestehen dabei aus einem kreiszylindriscEen^r*isorreFten Leiterstrang in einem druckfesten, undurchlässigen Rohr. Ferner wird zur Erzielung hoher Abschaltleistungen bei Schaltern Druckgas verwendet. Auch beim Herstellen von genauen elektrischen Kondensatoren ist Preßgas als Isoliermittel bekannt. Soweit sich zwei gleichgeformte Elektroden der bekannten preßgasisolierten Einrichtungen gegenüberstehen, handelt es sich dabei um die kreiszylindrische Form.

Ein wichtiger Bestandteil der bekannten Verteilungsanlagen sind die Knotenpunkte der^Leiterj welche z. B. die Verbindung zwischen Sammelschienen und Abzweigen herstellen. Die bekannte Anordnung zylindrischer Leiter in Anlagen und druckerfüllten Hohlkörpern mit gerader Achse verfolgt dabei die Absicht, auf kürzestem Wege eine Entfernung zu überbrücken, was aber für den Aufbau einer gekapselten Hochspannungs-Verteilungsanlage nicht genügt, weil diese sich aus den verschiedensten Formen zusammensetzen· muß.

Es kommt nun bei der Verteilungsanlage nach der Erfindung u. a. darauf an, den Knoten-, Knick-, Übergangs-, ^Kreuzungs- und Endpunkten der Leiter, ferner den mit gerader und gekrümmter Achse ausgeführten Leitern

und den diese Punkte bzw. Leiter umgebenden festen und unter Druck stehenden Isolationsschichten und Hohlkörpern geeignete Formen mit minimalen Abmessungen zu geben. Beim Formen eines Leiterteiles ist auch besonders aujf^die^.andersgestalteten ISTa^hbarteile^ücksicht.zu nehmen. Es müssen sich die verschiedenen Formen in möglichst einfachen Figuren durchdringen. Durch Formgebung ist vor ίο allem das elektrische Feld so zu gestalten, daß sich die Beanspruchung der Isolationsschichten auch beim Übergang verschiedener Formen ineinander und beim Wechsel der Isolationsart übersehen läßt und infolgedessen • 5 die elektrische Sicherheit trotz geringster lichter Weite der Hohlkörperteile gewährleistet ist.

Die Erfindung löst die vorstehende Aufgabe zunächst dadurch, daß an den für. eineJVerteilungsanlage charakteristischen Knoten-, Knick-, Übergangs-, Kreuzungs- und Endpunkten sowohl die Leiterteile/ was an,.und fur" sich bereits bekannt ist, als auch die umgebenden festen Isolationsschichten und leitenden Hohlkörper annähernd konzentrisch kugelförmig ausgebildet werden.

Für die gewöhnlich im letzten Stück geradlinig zum Knotenpunkt hinführenden Leiter, für deren umgebende Schichten und Hohlkörper ist die bekannte Form konzentrischer Kreiszylinder geeignet. Der kugelförmige Knotenpunkt der von verschiedenen Richtungen ankommenden Leiter einschließlich der Isolationsschichten usw. besitzt dabei erfindungsgemäß wegen der ungünstigeren Ausnutzung des Isolierungsmaterials gewöhnlich einen größeren Durchmesser als die zylinderförmigen Leiter- einschließlich der umgebenden Schicht- und Hohlkörperteile. Dann durchdringen sich Zylinder und Kugel in einer ebenen Figur, und zwar in einem Kreise, Die Teile der Leiter, der Hohlkörper und meist auch der Schichten sind gleichgeformt, z. B. kugelförmig, und zum mindesten axial konzentrisch, auch wo eine Änderung in der Art der Isolation stattfindet. Es gehört daher der Kreis sowohl der Äquipotentialfläche des Zylinders für sich betrachtet als auch der Kugel an. Die Vorteile der einfachen ebenen Durchdringungsfigur für die Feldgestaltung liegen auf der Hand, wenn man sich dagegen z. B. die räumliche Durchdringungsfigur zweier Zylinder vorstellt. An der Durchdringungsstelle braucht nur eine an sich übliche Abrundung scharfer Kanten bzw. Hohlknicke angewendet zu werden, um das Feldbild der einen Form zwanglos in das der anderen überzuleiten.

Für die gleichmäßige Krümmung der Leiterachse in bogenförmigen Teilen der Anlage eignet sich nach der Erfindung die Ellipsenform für den Leiterquerschnitt am besten. Denkt man sich einen mit der' Achse in der Papierebene liegenden und vorher geraden zylindrischen Leiter in der Papierebene gekrümmt, so wächst die Beanspruchung des umgebenden Dielektrikums durch die Krümmung. Die Erfindung macht durch die elliptische Ausbildung des Leiters, der Isolationsschichten und des Hohlkörpers diese zusatz- liehe Beanspruchung zum Teil rückgängig.

Beim Nutzbarmachen höherer Spannungen erfordert die Abstützung des Leiters im druckerfüllten Hohlkörper besondere Aufmerksamkeit. Hier werden gewöhnlich feste I solationsmaterialien hintereinandergeschichtet, die einerseits den* Leiter und andererseits den äußeren Hohlkörper berühren müssen. Wenn nicht besondere Maßnahmen, z. B. Umpressen eines Leiters mit Papier, angewendet werden, ist wegen unvermeidlicher Formabweichungen nicht damit zu rechnen, daß die Berührung fester Isolierstoffe untereinander oder mit Leitern eine in elektrischer Beziehung vollständige ist. Es verbleiben vielmehr Hohlräume, die meist mit Gas unter nicht bestimmtem Druck, d. h. vielleicht geringer Durchschlagfestigkeit, angefüllt sind. Solche Stellen können bekanntlich leicht zum Ausgangspunkt von Stoßionisationsvorgängen und thermischen Durchschlägen der festen Isoliermaterialien werden. Selbst wenn die Berührung zunächst einwandfrei hergestellt worden ist, kann sich dieser Zustand infolge von verschiedener Ausdehnung der Leiter und Schichten bei Temperaturschwankungen leicht ändern. Zur Vermeidung dieser Übelstände ist bereits vorgeschlagen worden, Berührungsflächen mit leitenden Belägen großer Feinheit zu Vef sehen, "so daß etwa zwischen den leitenden Belägen oder zwischen Leitern und Belägen vorhandene Gasteilchen durch das elektrische Feld nicht beansprucht werden. Eine solche Metallisierung von Berührungsflächen der Isolierschichten zum Vermeiden' von Glimmverlusten besitzt aber außer dem Umtand, daß sie ein besonderes Verfahren erfordern, noch gewisse Nachteile. Z. B. läßt sich die Metallisierung bei dem Übergang einer Isolier- und Schichtart in eine andere nicht ohne weiteres abbrechen.

Die Erfindung löst die geschilderte Aufgabe der Abstützung dadurch, daß an Berührungsflächen zwischen einer festerr"Schicht und einem Leiter bzw. zwischen zwei festen Schichten gasförmige isolierende Füllschichteri unter Druck vorhanden sind. Dfe Füllschichten befinden sich also dort, wo eine innige Berührung der festen Schichten nicht eintritt, und besitzen daher praktisch nur eine

anz geringe Schichtdicke. In der Rechnung werden sie als unendlich dünn behandelt, so

daß kein nennenswertes Spannungsgefälle an der Füllschicht auftritt. Die spezifische Beanspruchung ist jedoch höchstens die vorausgesetzte.

Bei der an sich bekannten Verlegung von Leitern in druckerfüllten Hohlkörpern erweist es sich erfindungsgemäß zweckmäßig, sobald Schichtung eines Preßgases mit festen Isoliermitteln angewendet wird, eine von den Konto stanten (nämlich von der Durchschlagfestigkeit und der Dielektrizitätskonstanten) der festen Schichten und der Dielektrizitätskonstanten des Preßgases bestimmte Durchschlagfestigkeit des Gases vermittels des Druckes herzustellen. Infolgedessen werden bei den Hohlkörperteilen minimale, der Durchschlagspannung der ganzen Anordnung proportionale und durch die Konstanten der festen Schichten festliegende Abmessungen erzielt, was besonders bezüglich des Außendurchmessers der vom Leiter entferntesten Schicht gilt, der gleichbedeutend mit dem Innendurchmesser des umgebenden und schützenden Hohlkörpers ist. Weiterhin erhalten die Stücke der Leiter und Schichten, welche den Teilen der Hohlkörper entsprechen und gleiche Formen wie diese besitzen, im Verhältnis zu den minimalen Maßen der Hohlkörperteile von Faktoren (z. B. beim Zylinder e = 2,718 und bei der Kugel 2) oder auch von den Konstanten der festen Schichten und diesen Faktoren bedingte radiale Abmessungen. Auf diese Weise ist ein Optimum der Leiteranordnung zu erzielen. Die niedrige und vom Druck praktisch unabhängige Dielektrizitätskonstante der Gase kommt bei der Schichtung und Druckanwendung besonders vorteilhaft zur Geltung. Die Beanspruchung der Dielektriken unter der Betriebsspannung wird dabei zweckmäßig bis zu einem bestimmten Prozentsatz ihrer Durchschlagfestigkeit getrieben, d. h. der gewünschte Sicherheitsfaktor eingesetzt. Die Durchschlagfestigkeit nicht nur der gasförmigen, sondern auch der mit den Preßgasen in Berührung kommenden festen Dielektriken kann dabei zweckmäßig durch an sich bekannte Mittel, z. B. durch Trocknung und Filtrieren des Gases, gleichbleibend erhalten oder gesteigert werden. Als Gas kommen Luft, Kohlensäure, Stickstoff und Wasserstoff in Frage. Die leitenden Teile erhalten unter sich übereinstimmende Formen, insbesondere solche der bekannten konzentrischen bzw. konaxialen Fundamentalanordnungen zweier Elektroden, so daß das elektrische Feld berechnet werden kann und sich möglichst geringe Abmessungen ergeben. Da,-

aus leitenden oder nichtleitenden, magnetisehen oder unmagnetischen Stoffen bestehen.

Das elektrische Feld braucht nicht den ganzen Abstand zwischen dem Leiter und dem leitenden Hohlkörper zu beanspruchen. Beide Elektroden können in bekannter Weise durch leitende Beläge oder Äquipotentialflächen ab- 6g geschirmt sein, die nach der Erfindung z. B. an Knotenpunkten Kugelform haben.

Die Erfindung möge nachstehend in ihren Einzelheiten näher erklärt werden. Der Berechnung am besten zugänglich ist die annähernd konzentrische Verlegung eines kreiszylindrischen Leiters in einem ebensolchen Rohre oder eines kugelförmigen Leiters in einer Hohlkugel aus leitendem Stoff. Die Induktionslinien verlaufen dann im Querschnittsbild der Abb. 1 in beiden Fällen radial, während die Äquipotentiallinien konzentrische Kreise sind. Für diese Anordnungen lassen sich die für die Zylinderfunkenstrecke bzw. für parallele Zylinder oder konzentrische Kugelanordnungen bekannten Beziehungen zwischen der Durchschlagspannung, den Leiterkonstanten und den dielektrischen Größen sinngemäß erweitern. Z. B. ist für konzentrische Zylinder und für ein einschichtiges Dielektrikum bekannt, daß die Durchschlagspannung £ dann am größten ist, wenn sich der Außenradius T₁ des Innenleiters 5 zum Außenradius r_a der Schicht, der gleich dem Innenradius des Außenleiters 4 ist, wie ι zu e verhält, wobei e die Basis der natürlichen Logarithmen ist. Bei diesen Abmessungen der zylindrischen Leiter gilt für die Durchschlagfestigkeit d des Isoliermaterials, wie üblich, d = E: r_±.

In Abb. ι ist eine konzentrische zylindrische (bzw. kugelförmige) Anordnung mit zwei dielektrischen Schichten 1 und 3, welche den Leiter 5 umgeben, dargestellt. Die Dielektrizitätskonstante bzw. die Durchschlagfestigkeit der Innenschicht 1 soll mit k_x bzw. mit Cl₁, die der Außenschicht 3 mit k_a bzw. d_a bezeichnet werden. Da auch hier die zylindrische bzw. kugelförmige Grenzschicht mit dem Radius r₂ zwischen den Dielektriken 1 tos und 3 eine Äquipotentialfläche darstellt, so· ist die Anordnung bekanntermaßen als Reihenschaltung zweier konzentrischer Anordnungen einfacher Art aufzufassen. Bei der Berechnung ist in Richtung der Erfindung auf eine bestimmte, besonders eine gleiche Höchstbeanspruchung der Dielektriken 1 und 3 in bezug auf ihre Durchschlagfestigkeit Ii₁ bzw. d_a auszugehen. Es läßt sich weiterhin nachweisen, daß die Leiteranordnung besonders günstig gestaltet werden kann, wenn die Dielektrizitätskonstanten k und die Durchschlagfestigkeiten d der Schichten 1 und 3 in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Wenn die Schichten 1 und 3 aus festem Material be- iao ständen, könnte dieses Verhältnis praktisch nicht innegehalten werden. Bei Gasschichten 3

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bzw. ι jedoch wird nach der Erfindung das Mittel angewandt, die Durchschlagfestigkeiten d_a bzw. (I₁ durch die Wahl des Druckes zu beeinflussen, ohne die Dielektrizitätskonstanten k_a bzw. k_t wesentlich zu ändern. Der Wert der Durchschlagfestigkeit d_a bzw. d_t zur Erzielung der günstigen Abmessungen von r_a kann durch Rechnung ermittelt werden. Diese Bestimmung der Durchschlagfestigkeit d_a ίο bzw. d_t besitzt hauptsächlich Bedeutung für die Anwendung beim Abstützen des Leiters 5, weil der Aufwand an Isolations- und Leitermaterial der Kreisfläche bzw. dem Kugelinhalt, der durch den inneren Schichtradius r_a bestimmt ist, gleichzusetzen ist und daher im Quadrate bzw. im Kubus der Abmessung r_a wächst.

In Abb. ι möge die Innenschicht ι eine feste und die Schicht 3 eine preßgasförmige sein. Eine solche zweischichtige Anordnung kann nur streckenweise, z. B. in Rohren 4, aber nicht für sich allein bestehen, da der Leiter S zusammen mit dem festen Isoliermaterial 1 keinen Halt gegenüber dem Hohlkörper 4 findet. Im Schnitt der Abb. 2 wird daher beispielsweise und erfindungsgemäß zum Zwecke der Abstützung des Leiters 5 und des festen Isoliermaterials 1 gegenüber dem Hohlkörper 4 die gasförmige Schicht 3 zur Füllschicht in einer zylindrischen bzw. kugelförmigen Anordnung. Die feste Schicht 1 und der Hohlkörper 4 besitzen im Abstande der Radien r₂ und r_a von der Leitermitte Berührungsflächen. Wo Hohlräume zwischen diesen Flächen verbleiben, ist erfindungsgemäß die Füllschicht 3 vorhanden. Die Anordnung nach Abb. 2 ist daher noch immer als zweischichtige anzusehen. In der Rechnung ist der Innenradius r_a des Hohlkörpers 4 gleich dem Außenradius r₂ der festen Schicht 1 zu setzen. Demzufolge werden auch die Anordnung nach Abb. 2 oder entsprechende Anordnungen mit Füllschichten hinfort mit Grenzanordnungen bezeichnet. Im Vergleich mit Abb. 1 ist in Abb. 2 die Außenschicht 3 auf eine sehr dünne, rechnerisch unendlich dünne Schicht zusammengeschrumpft. Der Leiter 5 kann dabei voll oder auch hohl sein. Die Schicht 1 wird sich praktisch nur auf einer Seite, z. B. unten, gegen den Hohlkörper 4 stützen. Dies ist in Abb. 2 und in den folgenden Darstellungen, die Grenzanordnungen betreffen, durch eine geringfügige exzentrische Lage des Leiters 5 und der Schicht ι zum Hohlkörper 4 veranschaulicht. Für die zylindrische Grenzanordnung nach Abb. 2 ist ein Längsschnitt in Abb. 3 gezeichnet.

Die Grenzanordnung bzw. die Anwendung

von Füllschichten erlaubt auch einen sehr leichten Zusammenbau. Z. B. brauchen zwei mit geringem Spiel ineinandergeschobene Zylinder nicht längs teilbar sein, und es ist nicht notwendig, daß sie sich mit der ganzen, gegenseitig zugekehrten Zylinderfläche berühren. Wo kein vollständiges Anpassen bzw. Abstützen stattfindet, ist eine dünne gasförmige Schicht dazwischen, die spezifisch nicht mehr als die anderen beansprucht ist.

Die Abb. 4 zeigt die Abhängigkeit der Größen r_a und T₁ für die zweischichtige Grenzanordnung nach Abb. 3 von der Durchschlagfestigkeit d_a des Preßgases 3, wofür Kohlensäure mit k_a = ι angenommen ist. Den Kurven mit dem Index b liegen folgende Werte für Papier zugrunde: E = 300000 V, ki = 2,4 und ^₁ = 180 000 V/cm. Mit zum Teil anderen Konstanten, nämlich ^₁ = 3,7 und ^₁ =· 200 000 V/cm, für Hartpapier sind die beiden Kurven mit dem Kennzeichen c aufgestellt. Bei einem Sicherheitsfaktor /=3 könnten die durch die vorstehenden Schaulinien bestimmten Leiterführungen für eine

Betriebsspannung P=-^-= 100 kV dienen.

Für r_a ergibt sich dann in beiden Fällen dieses Beispieles ein Minimum mit dem Werte

e-E r_a = —j— ^Dei einer Durchschlagfestigkeit von

d · k d_a = — 159 000 V/cm bzw. 272 000 V/cm,

was bei Kohlensäure einem Gasdruck von 10,3 bzw. 24,2 Atm. (in der Abszissenachse von Abb. 4 eingetragen) nach bekannten Versuchen entspricht. Die dem minimalen r_a entsprechende Abmessung von r_x ist dann durch die Beziehung r_t: r_a = 1: e zu bestimmen.

Für die kugelförmige Anordnung nach Abb. 2 würde nach entsprechender Berechnung der minimale Radius r_a = -^j— sein.

U^

Entsprechend wäre i_a = und r, — — . ^y 4-ka ¹ 2

Nach der Erfindung bestimmen also bei der zweischichtigen Grenzanordnung nach Abb. 2 und 3 nur Konstanten der für die Leiterbefestigung gewählten Isolierstoffe die Durchschlagfestigkeit d_a des Gases und damit dessen Druck, der ein Minimum der äußeren, der Spannung E proportionalen und durch die Konstante d_t der festen Schicht 1 festliegenden Abmessung r_a des Hohlkörpers 4 erzielen läßt. Ferner ist bei zweischichtigen Isolationsanordnungen zu erkennen, daß die den Teilen der Hohlkörper 4 entsprechenden gleichgeformten Stücke der Leiter 5 und der festen Schichtteile 1 im Verhältnis zu den minimalen Maßen r_a der Hohlkörperteile 4 von Faktoren e bzw. 2 bedingte Abmessungen T₁ erhalten.

Setzt man für die zylinder- und kugelförmige Grenzanordnung nach Abb. 2 gleiche Durchschlagspannung E und gleiches Isolier-

material I, d. h. gleiche Durchschlagfestigkeit d_u voraus und stellt man sich noch vor, daß die beiden Leiteranordnungen benachbarte Teile einer Verteilungsanlage darstellen, deren Formen ineinander übergehen, so liegt hier die Durchdringung von im Durchmesser größeren Kugeln und kleineren Zylindern vor. Die Durchschlagfestigkeiten d_a und demzufolge die Gasdrücke wären verschieden, und

ίο zwar bei der Kugel geringer als bei dem Zylinder. Wollte man die minimalen Abmessungen r_a an beiden verschieden geformten Teilen bei den entsprechenden Durchschlagfestigkeiten bzw. Drücken ausführen, so wären die Hohlzylinder von den Hohlkugeln an der Durchdringungsstelle gasdicht zu trennen. Dies würde ein Erschweren der Ausführbarkeit darstellen. Der dem geringsten Radius r_a entsprechende Druck ist daher erfindungsgemäß nur als minimaler Druck aufzufassen, und die Verteilungsanlage nach der Erfindung nimmt in Hinblick auf Abb. 2 und 3 eine derartige Ausführungsform an, daß unter Beibehaltung der Abmessungen r_a und T₁ der Teile der Hohlkörper 4, Schicht 1 und Leiter S die Durchschlagfestigkeit d_a des Preßgases 3 vermittels des Druckes erhöht wird, so daß in verschieden geformten, nicht gegeneinander abgedichteten, jedoch ineinander übergehenden Teilen der Hohlkörper 4 mindestens die für einen dieser Teile erforderliche höchste Durchschlagfestigkeit d_a des Preßgases 3 angewendet wird. Der dem* geringsten Radius r_a entsprechende Mindestdruck kann also überschritten werden, ohne daß sich an den Abmessungen r_a und r_x etwas ändert. Dies ist in Abb. 4 und in späteren ähnlichen Darstellungen bei den Kurven für r_a und den entsprechenden Kurven für T₁ dadurch angedeutet, daß nach Durchgang der Kurve r_a durch das Minimum die zusammengehörigen Kurven gestrichelt gezeichnet sind. Es körinen also auch höhere Drücke, als sie dem Minimum von r_a entsprechen, gewählt werden. Die ausgezogenen Kurven für r_a und T₁ muß man sich daher für die praktische Ausführung bei höheren Drücken, als für den minimalen Radius r_a notwendig, parallel zur Abszissenachse in dem dem Minimum von r_a entsprechenden Abstand weiterlaufend vorstellen.

Nach dem vorher Gesagten ist bereits zu erwarten, daß eine Grenzanordnung mit noch mehr Schichten, z. B. eine dreischichtige, zu noch günstigeren Ergebnissen führen kann. In Abb. 5 ist der Querschnitt durch ein Rohr 4 bzw. der Mittelschnitt durch eine Hohlkugel 4, die den vollen Leiter S, zwei, feste Schichten 1 und 2 und eine sehr dünne gasförmige 3 umschließt, dargestellt. Neu hinzugekommen ist die mittlere Schicht 2, welche durch die Kreise mit den Radien r₂ und r₃ eingegrenzt wird. Deren Dielektrizitätskonstante wird mit k₂ und deren Durchschlagfestigkeit mit d₂ bezeichnet.

In Abb. S möge die Innenschicht 1 aus Hartpapier mit den Konstanten ^₁ = 200 000 V/cm und Ji₁ = 3,7 bestehen. Die mittlere Schicht 2 sei nur aus Papier mit <2₂= 180 000 V/cm und k^= 2,4. Es soll 200 kV sein. Die Schicht 2 ist nach Voraussetzung fest um die Schicht 1 herumgepreßt, so daß eine zweite Füllschicht aus Gas, die nach der Erfindung auch zwischen den isolierenden Schichten 1 und 2 denkbar ist, nicht vorhanden sein soll. Dann zeigt Abb. 6 in den Kurven mit dem Index b die Abhängigkeit des Rohrradius r_a und der Radien T₁ und r₂ von der Durchschlagfestigkeit d_a des Gases 3. Die Durchschlagfestigkeit für eine dreischichtige Grenzanordnung muß dann zweckmäßig und sinngemäß nach entsprechender Berechnung den Wert

e · k_a

■ L·

= etwa 230 kV/cm erreichen, was dann wieder ein Minimum von r_a ergibt und nach Versuchen einem Druck von etwa 17,5 Atm. bei Kohlensäure entspricht. Der minimale Wert von r_a ist hierbei durch die Beziehung

festgelegt. Die entsprechenden Abmessungen r_x und r₂ errechnen sich nach den Formeln:

E-k E

T₁ = -j—Λ- und y„ = -j- für den ZyHnder.

1 * 1 2

Zum Vergleich sind in Abb.- 6 über den ioo Kurven mit dem Buchstaben b solche mit dem Zeichen c einer zweischichtigen Grenzanordnung eingetragen, wobei Papier als einzige feste Schicht und mit denselben Eigenschaften wie die Mittelschicht 2 bei der Anordnung nach Abb. 5 verwendet ist.

Auch bei der dreischichtigen Grenzanordnung sind also nach der Erfindung die radialen Abmessungen in grundsätzlich gleicher Weise festgelegt wie bei der zweischichtigen. Im Verhältnis zu r_a besitzen T₁ und r₂ von den Konstanten d_±, d₂, k± und k₂ und von Faktoren e (für Zylinder) bzw. 2 (bei Kugeln) bedingte Abmessungen. Gleiches gilt auch für Leiteranordnungen mit noch mehr Schichten.

Um für beliebige andere Spannungen E sofort die erreichbaren minimalen Abmessungen r_a bestimmter Schichtungen angeben und die aufgeführten Beispiele zusammen betrachten zu können_s wird in Abb. 7 eine Übersicht geboten. 'Die Linien g und h stellen r_a für die beiden zweischichtigen und die Gerade /

für die dreischichtige zylindrische Grenzanordnung dar. Die zugehörigen Drücke für Kohlensäure sind an den Geraden g, h und I verzeichnet. Die mehrfache Schichtung ist ganz allgemein der einfachen überlegen, auch hinsichtlich der erforderlichen geringeren Druckhöhe.

Aus Abb. 3 ist als ein Zweck der Grenzanordnung allgemein zu erkennen, daß der ι» zylindrische Leiter 5 zusammen mit der festen Schicht ι auf der ganzen Lange des zylindrischen Hohlkörpers 4 abgestützt ist. Die Abstützung des Leiters 5 unabhängig von seiner Form in Berührungsflächen, die sich über die ganze Form erstrecken, z. B. nach den Abb. 2, 3 und S, kann, aber braucht nicht vorhanden zu sein. Weitere Materialersparnis läßt sich durch einen Wechsel in der Art der 1 solation, z. B. durch eine Ausführungsfofm der Grenzanordnung nach Abb. 8, erzielen. Hier ist nur an einer in der Länge beschränkten Abstützstelle 6 im Druckrohre 4 die Grenzanordnung mit Gasfüllschichten, dagegen in den übrigen Abschnitten eine geringere Zahl von Schichten, darunter Gas, als Isoliermittel angewendet. Es tritt zunächst die Dreischichtung an dem Stützer 2 im Längsschnitt der Abb. 8 in Erscheinung, während der Leiter 5 daneben nur von der festen Schicht 1 und dann gleich von Gas 3 umgeben ist. Der Gasdruck und der minimale Radius r_a und audh r_t sind also an der Abstützstelle 6 wie bei der dreischichtigen Anordnung der Abb. 5 bestimmt. Diese Abmessungen bleiben zweckmäßig auch im zylindrischen Teil von Abb. 8 bestehen, der rechts und links vom Stützer 2 liegt und im Schnitt A-B besonders hervortritt. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Schicht 1 im ganzen zylindrischen Teil am Leiter 5 gleichmäßig zu beanspruchen. Durch diese Annahmen liegt auch die notwendige Durchschlagfestigkeit d_a des Gases an der Schnittstelle A-B fest. An dieser zweischichtigen Stelle mit den Werten gerechnet, die in Abb. 6 zur Aufstellung der Kurven und des Minimums mit dem Index b führten, ergibt sich dann nach entsprechender Berechnung und Umformung d_a zu etwa 257 kV/cm. Dies entspricht bei Kohlensäure etwa einem Druck von 21 Atm. Da also der notwendige Druck an der zweischichtigen Schnittstelle A-B höher liegt, was nach obigem auch vorauszusehen war, als an der dreischichtigen Abstützstelle 6, , wo nur 17,5 Atm. erforderlich wären, ist natürlich der höhere Druck zu wählen oder zu überschreiten. Dagegen werden aber die im einzelnen errechneten Abmessungien, z. B. r_x und r_a, beibehalten.

Für den Aufbau der Verteilungsanlage nach der Erfindung ist noch grundsätzlich die Zusammensetzung von Hohlkörperteilen 4 und von Schichtabschnitten 1 bzw. Leiterstücken S bei verschiedenen Formen zu zeigen. Der bereits teilweise beschriebene Sammelschienenendpunkt nach Abb. 8 vereinigt die beiden erwähnten Fundamentalanordnungen. Der Hohlkörper 4 lehnt sich im linken Teil des Längsschnitts an die Zylinderform an, im rechten Teil ist er kugelförmig. Außerdem weist er eine Längsteilung auf. Die beiden Hälften besitzen Flanschen 8, die durch Schrauben 9 zusammengehalten werden. Zwischen den Flanschen 8 ist Dichtungsmaterial io, z. B. Blei, eingelegt. Auch für den Kugelteil wurde nur eine feste Schicht 1 und eine gasförmige 3 mit einer Durchschlagfestigkeit d_a gleich der notwendigen an der Schnittstelle A-B gewählt. Der entsprechende Druck ist, da der Zylinder von der Hohlkugel nicht durch eine isolierende Wand gasdicht getrennt sein soll, in beiden Teilen mindestens innezuhalten, d. h. keinesfalls zu 'unterschreiten. Die Übergänge vom Zylinder zur axial konzentrischen Kugel sind bei dem Hohlkörper 4, dem Leiter 5 und der Schicht 1 allmählich und abgerundet. Das Kraftlinienfeld wird dadurch nicht wesentlich verändert.

Auch in Abb. 9 ist eine Ausführung der Erfindung durch Zusammensetzen verschiedener 9" Formen unter den Voraussetzungen der Abb. 5 gewonnen. Die Abb. 9 stellt einen Übergangspunkt zu einem Apparat, z.B. einem Schalter, dar. Apparate erfordern gewöhnlich größere Abmessungen, als allein mit Rücksicht auf den elektrischen Sicherheitsgrad geboten wäre. Auch ist es vorteilhaft, beim Übergang die Art der Isolation zu ändern und ohne feste Schichten auszukommen. Durch das Zwischenglied nach Abb. 9 wird der Leiter 5 in seinem rechten zylindrischen Teil 11 auf einen Außendurchmesser gebracht, der gleich dem des kugelförmigen Teiles ist. Die beiden zylindrischen Teile besitzen dieselbe Achse, welche die Mitte der Halbkugel mit dem Radius T₁ durchläuft. Eine Hohlkehle 12 leitet vom linken zylindrischen Teil her in den kugelförmigen über. Der Hohlkörper 4 weist eine entsprechende Abrundung 13 auf, an der eine gewisse Verdichtung der Kraftlinien ein- no tritt. In der Hohlkehle 12, wo sonst die Beanspruchung am Leiter 5 am größten ist, wird hierbei durch das Auseinandergezogenwerden der Kraftlinien infolge der Formgebung und Anordnung des Leiters und des Hohlkörpers zueinander dagegen die Isolation entlastet. Die Isolationsschichten 1 und 2 enden daher auch in der Hohlkehle 12. Die Verzerrung der Kraftlinien beim Wechsel der Isolationsart und beim Übergang von der einen Form zur anderen wird dann unwesentlich. In dem hohlkugelförmigen und in dem zylindrischen .

Teil des Hohlkörpers 4, der nach dem Schalter führt, isoliert nur Preßgas 3, und die Durchschlagfestigkeit d_a desselben ist dann gleich der im, linken zylindrischen Teil, also in der Anlage, gewählten. Dementsprechend liegen die Kugelabmessungen fest.

An diesem Beispiel ist auch ein weiterer Vorteil der Grenzanordnung zu erkennen. Das im linken Teil die Füllschicht bildende Gas 3 verbreitert sich im kugelförmigen und rechten Teil allmählich und ohne Schwierigkeiten zur wirklich isolierenden Schicht größerer Stärke, wo keine Abstützung mehr nötig ist. Eine Durchführung der üblichen Art ist bei dem Übergang zu dem Schalter nicht nötig, was für die Sicherheit der Verteilungsanlage nach der Erfindung von Bedeutung ist. Abb. 10 zeigt den Auf- und Grundriß eines Knotenpunktes mit vier Abzweigen 14 bis 17.

Für den Knotenpunkt ist die Kugel- und für die Abzweige die Zylinderform angewendet. Die Mittelachsen der Abzweige 14, 15, 16 und 17 schneiden sich zweckmäßig unter einem Winkel von 120⁰ im Knotenmittelpunkt. Die zylindrischen Abzweige 14 bis 17 sind nach Abb. 8 ausgeführt. Im Knotenpunkt isoliert nach Voraussetzung nur Gas 3. Den Übergang von der zylindrischen zur kugelförmigen Gestalt des Leiters 5 bzw. des Hohlkörpers 4 bilden wieder Hohlkehlen 12 bzw. Abrundungen 13, Eine etwa notwendige Zerlegbarkeit des Hohlkörpers 4 zum Zwecke des Aufbaus und der Nachprüfung ist nicht gezeigt, um die elektrisch günstigen Formen deutlicher hervortreten zu lassen. Ebenso ist die Zusammensetzung des Leiters 5, die auch keine Schwierigkeiten bietet, nicht angedeutet. Wenn es sich um Knotenpunkte mit nur drei Abzweigen handelt, sind zweckmäßig die Abzweige in eine Ebene, auch mit um 120⁰ gegeneinander versetzten Achsen, zu legen.

Im folgenden Beispiel wird gezeigt, wie die Berechnung der günstigsten Formen und die Sicherheit sich nicht auf die ganze Oberfläche des Leiters, der Schichten oder der Hohlkörper zu erstrecken braucht, sondern nur auf eine Stelle, und zwar die- gefährdetste, bzw. auf eine solche Linie. Abb. 11 zeigt einen Rohrkrümmer im Auf- und Seitenriß, der wiederum als zweischichtige Grenzanordnung ausgebildet ist und dessen äußere Füllschicht 3 aus Preßgas besteht. Unterhalb der Hohlkehle 12 ist die Achse des Leiters S grade, während sie sich oberhalb um den Punkt 18 halbkreisförmig krümmt. Die Querschnitte des Leiters 5, der festen Schicht 1 und des Hohlkörpers 4 sind im graden Teil der Achse kreisförmig und in der Krümmung nach der Erfindung elliptisch. Die Krümmung des Leiters 5 um den Punkt 18 bringt gegenüber der geraden Führung links und rechts hiervon eine Erhöhung der Beanspruchung auf der Linie 19 mit sich. Dagegen liegt die Linie 19 in der kleinen Achse der Ellipse, wo also die Krümmung der elliptischen Oberfläche am schwächsten und der Krümmungsradius der Querschnittsellipse am größten ist. Die elliptische Anordnung im gekrümmten Teil ist deswegen der kreisförmigen vorzuziehen. In der Rechnung geht man sicher, wenn die Beanspruchung auf der Linie 19 so eingesetzt wird, als wenn sie auf der Oberfläche einer Kugel läge, deren Krümmungsradius gleich dem großen Krümmungsradius der Ellipse ist. Die Beanspruchung auf den Linien 20 wird dagegen durch die Krümmung des Leiters 5 um den Punkt 18 nicht beeinflußt. Daher sind in der großen Achse der Ellipse alle elektrischen Festigkeitsrechnungen wie bei Zylindern durchzuführen. Die Radien der Zylinder in der Rechnung sind die kleinen Krümmungsradien der Ellipsen, die praktisch aus bekannten Näherungskonstruktionen ermittelt werden. Es genügt also· die Berechnung der Beanspruchung auf den Linien 19 und 20 der Leiteroberfläche.

Es ist denkbar, daß die Achse eines Leiters nicht, wie gezeigt, in einer Ebene, sondern zur Herstellung von Spulen schraubenförmig gekrümmt ist.

Drehstromverteilungsanlagen nach der Erfindung werden ein Sammelschienensystem wie in den Rissen der Abb. 12 besitzen. Hier ist hauptsächlich nur- die äußere Ansicht der gewöhnlich geerdeten Kapselung bzw. des leitenden Hohlkörpers 4 zu sehen, der sich z. B., entspfechend Abb." 10 wieder aus kugeligen und zylindrischen Teilen zusammensetzt. Von den Sammelschienen 21, 22 und 23 gehen vier Drehstromabzweige 24, 25, 26 und 27 nach unten ab. In den Knickpunkten 28 ändert der Leiter 5, der hier auch vorwiegend Sammelschiene genannt werden kann, nur seine Richtung um 6o°. Er verzweigt sich dagegen nach vier Richtungen in den Knotenpunkten 29.

An die Stelle eines Knickpunktes 28 mit den ansetzenden zylindrischen Teilen kann auch ein elliptischer Rohrkrümmer nach no Abb. 11 treten, der den Leiter S nur um 6o° krümmt. Zweckmäßig läuft die gekrümmte Achse wie in Abb. 11 zunächst in geradlinige Stücke aus, ehe sie in kugelförmigen Knotenpunkten mündet.

Nach bisherigen Erfahrungen in der Hochspannungstechnik muß es auch zweckmäßig sein, im druckerfüllten Hohlkörper 4 nicht nur, wie gezeigt, an den Durchdringungsstellen verschiedener Formen, sondern auch an Stellen, z. B. in Abb. 8 an dem Stützer 2, Abrundungen 7 vorzunehmen, wenn die nicht

genau feststellbare Feldverteilung dadurch günstiger wird.

Den Abstand von solchen Stützern wird man zweckmäßig so wählen, daß der Leiter 5 der dynamischen Beanspruchung standhält, die er bei Kurzschlüssen durch den oder die stromdurchflossenen Nachbarleiter erfahren kann, falls die _ Hohlkörper 4 kein gut leitendes_GebiIde _für Ausgleich|tröme. sind. Manchmal, z. B. bei Stützern nach Abb. 8, kommt es darauf an, daß die Schicht 2 eine dem Gas 3 ähnliche Dielektrizitätskonstante nahe eins besitzt, d. h. praktisch ist eine möglichst niedrige Dielektrizitätskonstante zu erstreben. Um dies zu erreichen, kann die stützende Schicht 2 in Abb. 8 aus einem festen Isoliermittel bestehen, das Poren mit Preßgas gefüllt enthält und das durch bekannte Verfahren auf die Schicht 1 aufgebracht ist. Der poröse Stoff besitzt je nach dem Grade der Durchsetzung mit Preßgas eine Dielektrizitätskonstante, die zwischen der für Gas und der für den zusammengepreßten Stoff ohne Poren liegt.

Bisher war beim Gestaltendes Leiters 5 in Verteilungsanlagen nach der Erfindung von einer Abmessung, nämlich dessen Außenradius T₁, die Rede, der damit festliegt. Beim Leiter5 muß nun auch auf die Strombelastung und auf die notwendige Kühlung Rücksicht genommen, d. h. ein Mindestquerschnitt darf nicht unterschritten werden. Der Leiter 5 ist auch vielleicht wie in Abb. 2 und 3 hohl zu gestalten, um einem Kühlmittel Durchfluß zu gewähren. Schon durch die Wahl geeigneten Materials läßt sich der notwendige Querschnitt des Leiters 5 weitgehend beeinflussen. Ferner kann der Leiter 5 aus mehreren parallelen vollen oder hohlen Querschnitten bestehen, die in bezug auf den oder die umgebenden Hohlkörper 4 günstigste Abmessungen T₁ besitzen. Es ist auch im Rahmen der Erfindung denkbar, den Leiter 5 durch eine Rückkühlung des umlaufenden Preßgases 3 oder eines Kühlmittels im Leiter 5 selbst auf einer derart niedrigen Temperatur zu halten, wie sie für die eine Erwärmung verursachenden Verluste im Leiter 5 durch den Belastungsstrom günstig ist. Es bleibt also immer die Möglichkeit bestehen, Bedingungen, wie sie angegeben sind und deren Befolgung nach der Erfindung ein Optimum der Leiteranordnung ermöglicht, gleichzeitig mit anderen innezuhalten.

Bei der Verlegung der Hohlkörper sind nicht nur elektrotechnische Erfahrungen zu beachten, sondern auch noch solche des Maschinenbaus. Z. B. kann es zweckmäßig sein, in Hinsicht auf die Abb. 1, 2 und 5 statt die geringsten Abmessungen von r_a den günstigsten Außenradius/? zu ermitteln unter Anwendung aus der Festigkeitslehre bekannter Beziehungen für die Berechnung der Wandstärke der Hohlkörper.

Die bisher gezeigten Betrachtungen behandelten höchstens dreischichtige kreiszylindrische Anordnungen in druckfesten Rohren bzw. zweischichtige Kugelanordnungen. Sinngemäß kann die Erfindung sich auch auf vielschichtige Ausführungen und andere Formen erstrecken. Sehr wohl ist es auch möglich, mehrere Leiter verschiedenen Potentials und verschiedener Phase in einem abgeschirmten Hohlkörper unterzubringen, wobei besonders die Leiteranordnung für eine Drehstromverteilungsanlage praktische Bedeutung haben dürfte. Die Abb. 13 zeigt einen Schnitt für eine solche. 5 sind zylindrische oder kugelförmige Leiter der verschiedenen Phasen. 4 bedeutet einen Hohlkörper, der hier nur mechanischen Druck auszuhalten hat und aus Metall sein soll. Jeder Phasenleiter 5 ist annähernd konzentrisch von Schichten und von einem zylindrischen oder kugelförmigen Mantel 30 zum Herstellen einer Äquipotentialfläche umgeben. Dieser Mantel 30 kann aus leitendem oder halbleitendem Stoff bestehen. Auch Nichtleiter können hierfür angewandt werden, welche aber innen in an sich bekannter Weise mit einem leitenden Belag von gro- go ßer Feinheit versehen sind. Die Mantel 30 aus leitendem Material oder die Beläge stehen in leitender Verbindung mit dem geerdeten Hohlkörper 4. Dieser ist also in Abb. 13 durch die Mantel 30 oder deren Beläge gegenüber den Leitern 5 und in bezug auf die elektrischen Felder abgeschirmt. Die Leiter 5 selbst können in den Mänteln 30 so abgestützt sein, wie es vorher beschrieben ist. In Abb. 13 ist das Abstützen der Leiter 5 entsprechend dem Seitenriß der Abb. 8 ausgeführt. Inner- und außerhalb der Mantel 30 ist im Hohlkörper 4 Preßgas 3 vorhanden.

Bei den Leiteranordnungen in Verteilungsanlagen gemäß der Erfindung kommen auch konaxiale Kegel, z. B. für den Übergang in Kabel, und Rotationskörper aller Art in Frage, die besonders bei gleicher Rotationsachse wieder ebene Durchdringungen liefern. An die Stelle von Gasen können Gasgemische no treten. Flüssigkeiten zeigen ähnlich wie Gase Veränderungen der Durchschlagfestigkeit in Abhängigkeit vom Druck. In Verteilungsanlagen nach der Erfindung können daher auch isolierende Flüssigkeiten statt Gase erscheinen. Zwischen festen Schichten sind flüssige denkbar, die mit gasförmigen eine mehrfache Schichtung ergeben. Schließlich ist es möglich, z. B. Füllschichten aus einer Flüssigkeit und Gas, etwa Öl mit Preßgasblasen durchsetzt, bestehen zu lassen.

Durch die Erfindung ist es praktisch mög-

Hch gemacht, gekapselte Verteilungsanlagen mit Gasisolation für Hochspannung, wo die Aufgabe der Isolation in den Vordergrund tritt, vorteilhaft ausführbar zu machen.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Gekapselte elektrische Hochspannungs-Verteilungsanlage, bei welcher die Leiter mit preßgasförmigen oder flüssigen und festen Isolationsschichten umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Berührungsflächen zwischen einer festen Schicht (2) und dem Hohlkörper (4) bzw. zwischen zwei festen Schichten (1 und 2) bzw. zwischen dem Leiter (5) und einer festen Schicht (1), welche zur gegenseitigen Abstützung der festen Körper (1, 2, 4 und 5) dienen, gasförmige oder flüssige isolierende Füllschichten (3) unter Druck vorhanden sind und daß durch Herstellen einer von den Konstanten {d, k) der festen Schichten (1, 2) und der Dielektrizitätskonstanten (k) der Füllschicht (3) bestimmten Durchschlagfestigkeit (d) der Füllschicht (3) vermittels des Druckes derselben die Hohlkörperteile (4) minimale, der Spannung (JS) proportionale und durch die Konstanten (d und k) der festen Schichten (1, 2) festliegende Abmessungen (r_a) besitzen.
2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweischichtigen Isolationsanordnungen die den Teilen der Hohlkörper (4) entsprechenden gleichgeformten Stücke der Leiter (5) im Verhältnis zu den minimalen Maßen (V₀) der Hohlkörperteile (4) von den Faktoren (e — 2,718, Basis der natürlicher! Logarithmen, bzw. 2) bedingte Abmessungen (^₁) haben (Abb. 2).
3. 3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei drei- und mehrschichtigen Isolationsanordnungen die den Teilen der Hohlkörper (4) entsprechenden gleichgeformten Stücke der Leiter (5) und der festen Schichtteile (1, 2) im Verhältnis zu den minimalen Maßen (r_ß) der Hohlkörperteile (4) von den Faktoren (2,718 bzw. 2) und von den Konstanten (d und k) der festen Schichten (1, 2) bedingte Abmessungen (r_1; r₂) haben (Abb. S)-
4. 4. Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter Beibehaltung der Abmessungen (r_a, T₁ bzw. T₁ und r₂) der Teile der Hohlkörper (4), der Schichten (1 bzw. 1 und 2) und der Leiter (s) die Durchschlagfestigkeit (d) des Preßgases (3) vermittels des Druckes erhöht wird, so daß in verschieden geformten, nicht gegeneinander abgedichteten, jedoch ineinander übergehenden Teilen der Hohlkörper (4) mindestens die für eine dieser Teile erforderliche höchste Durchschlagfestigkeit (d) des Preßgases

   (3) angewendet wird.
5. 5. Anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Knoten-, Knick-, Übergangs-, Kreuzungs- und Endpunkten sowohl die Leiterteile (5) als auch die umgebenden festen Isolationsschichten (1, 2) und leitenden Hohlkörper

   (4) annähernd konzentrisch kugelförmig ausgebildet sind.
6. 6. Anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die darin mit gekrümmter Achse ausgeführten Leiter (S), Isolationsschichten (1) und leitenden Hohlkörper (4) oder etwaige Schirmflächen dieser Leiter (5) und Hohlkörper (4) im Querschnitt senkrecht zur Achse elliptisch ausgebildet sind.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen