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Hochspannungskondensator für Meßzwecke Von einem Meßkondensator für
Hochspannung wird verlangt, daß sein Kapazitätsbetrag eindeutig festgelegt und unabhängig
von der Höhe der Spannung ist; ferner soll sein Verlustfaktor konstant und möglichst
auch vernachlässigbar klein sein. Es sind Preßgaskondensatoren bekanntgeworden,
welche diese Forderungen mehr oder weniger erfüllen und außerdem den Vorteil kleiner
Abmessungen aufweisen. Der eine bekannte Preßgaskondensator ist so aufgebaut, daß
die Hochspannungselektrode und die von ihr umschlossene Niederspannungselektrode
frei stehend in einem Isoliergehäuse untergebracht sind. Bei einem anderen bekannten
Preßgaskondensator liegt das elektrische System oberhalb eines mit Preßgas gefüllten
Hartpapierrohres, welches als Stützer für das Elektrodensystem dient und gleichzeitig
die Aufgabe hat, die Niederspannung aus dem Kondensator herauszuführen. Weiterhin
ist ein Preßgaskondensator vorgeschlagen worden, bei dem die Niederspannungselektrode
bzw. -elektroden in einem Stahlbehälter untergebracht sind, der zugleich Hochspannungselektrode
und Preßgasgefäß darstellt. Bei diesem Kondensator wird die Spannung der Niederspannungselektrode
durch eine Kondensatordurchführung
aus dem auf Hochspannungspotential
befindlichen Stahlbehälter herausgeführt.
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Bekanntlich beabsichtigt man, die Betriebsspannung der Hochspannungsfernleitungen,
wenn möglich, auf 4oo kV zu erhöhen. Die Prüfspannung für an derartige Leitungen
anzuschließende elektrische Apparate beträgt etwa iooo kV. Man benötigt daher 'leßkondensatoren
für diese hohe Spannung. Die einleitend erwähnten bekannten Preßgaskondensatoren
sind bisher nur für Nennspannungen bis 5oo kV gebaut worden. Wollte man in derselben
Weise wie bisher Kondensatoren für iooo kV oder noch höhere Spannungen bauen, so
müßte die Baulänge der Hartpapierrohre, die bei den bekannten Konstruktionen das
Elektrodensy stem enthalten oder tragen, mindestens 5 m und ihr Durchmesser schätzungsweise
mindestens o,5 m betragen. Die Herstellung derartig großer Hartpapierrohre in preßgasdichter
Ausführung stößt aber auf erhebliche Schwierigkeiten. Die Erfahrung hat gezeigt,
daß der ständige Preßgasdruck die Lagen derartig großer Hartpapierrohre mit der
Zeit gegeneinander verschiebt und daß in die zwischen den Lagen so entstandenen
Zwischenräume allmählich Preßgas eindringt, welches die Hartpapierschichten durch
Aufblähen zerstört. so daß die Hartpapierrohre schließlich undicht werden. Dies
wird der Grund dafür sein, daß es bisher nicht gelungen ist, Preßgaskondensatoren
für Spannungen über 5oo kV zu bauen.
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Bei dem einleitend erwähnten vorgeschlagenen Preßgaskondensator sind
Hartpapierrohre vermieden ; vielmehr wird hier ein aus festen Isolierstoffen, z.
B. Ölpapier, aufgebauter massiver Durchführungsisolator verwendet. Da die Feldverteilung
in diesem festen Dielektrikum in einfacher Weise durch Kondensatoreinlagen gesteuert
werden kann, kommt man mit geringen überschlagslängen aus. Ferner kann man bei diesem
vorgeschlagenen Kondensator in einfacher Weise, z. B. durch einen Preßstoffüberwurf
über den Preßgasteil der Durchführung, das geschichtete Dielektrikum vollkommen
vom Preßgasdruck entlasten. Die Herstellung solcher Kondensatordurchführungen für
sehr hohe Spannungen ist heute zwar technisch möglich, jedoch wächst ihr Preis von
:Nennspannungen über 350 k- ab außerordentlich stark an, so daß ein in dieser
Weise aufgebauter Preßgaskondensator für Spannungen über 5oo kV viel zu teuer würde.
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Diese Nachteile sind bei einem bekannten Hochspannungskondensator
dadurch vermieden, daß die Hochspannungselektrode und die vöri dieser umschlossene
Niederspannungselektrode in einen aus Metall bestehenden Mantel (Zwischenelektrode)
hineinragen, dessen Potential auf einem Wert zwischen dem Potential der Hochspannungselektrode
und dem der Niederspannungselektrode liegt und der zugleich als Behälter für das
hochwertige, insbesondere aus Preßgas bestehende Dielektrikum dient. Es ergibt sich
dabei der Vorteil, daß die Spannung auf zwei Durchführungen verteilt wird, die für
entsprechend niedrige Spannungen bemessen werden können. Bei diesem bekannten Hochspannungskondensator
wird die Zwischenelektrode entweder durch Verbindung mit einer Anzapfung eines Transformators
oder durch kapazitive Steuerung von den Kapazitäten zwischen der Zwischenelektrode
und den beiden anderen Elektroden aus auf einem mittleren Potential gehalten. Die
Potentialsteuerung der Zwischenelektrode von einer Transformatoranzapfung aus ist
jedoch nur bei stationären Wechselspannungsv orgängen zuverlässig. Treten am Prüfling
oder in einem anderen Bauteil 'fber- oder Durchschläge ein, so wird die Spannung
im Prüfkreis durch eine steile hntladewelle abgebaut. Da der Prüftransformator einen
kompliziertenGitterleiter darstellt, ist zu befürchten, daß bei stoßartigen Spannungsänderungen
im Prüfkreis die Spannungsaufteilung im lIeßkondensator gestört wird, so daß sich
die Zwischenelektrode dann nicht mehr auf einem mittleren Potential befindet und
unter Umständen Durchschläge am Kondensator erfolgen können. Bei der kapazitiv en
Potentialsteuerung der Zwischenelektrode ist eine derartige Änderung der Spannungsaufteilung
am 'leßkondensator nicht zu befürchten; jedoch bereitet es erhebliche Schwierigkeiten,
den zur Steuerung dienenden Kapazitäten die dazu erforderlichen Kapazitätswerte
zu geben. und eine Angabe. wie dies in geeigneter Weise geschehen kann, ist dem
bekannten -Vorschlag nicht zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft einen Hochspannungskondensator für Meßzwecke
mit einer die Niederspannungselektrode oder -elektroden umschließenden Hochspannungselektrode
und einer zugleich als Behälter für das hochwertige Dielektrikum, insbesondere Preßgas,
dienenden, aus einem 'Mantel, vorzugsweise einem Metallmantel, bestehenden Zwischenelektrode,
in welche die von Isolatoren teilweise umgebenen und von diesen getragenen Elektroden
hineinragen und welche auf einem Potential zwischen dem Potential der Hochspannungselektrode
und dem der Niederspannungselektrode gehalten wird. indem ihr Kapazitätswert gegenüber
den Zuleitungen der Elektroden abgestimmt wird. Erfindungsgemäß sind die die Elektroden
teilweise umgebenden und sie tragenden. aus einem Isolierstoff
hoher
Dielektrizitätskonstante bestehenden Durchführungskondensatoren mit kapazitiven
Einlagen versehen. Auf diese Weise, also durch die Verwendung von kapazitiven Einlagen
in den Durchführungsisolatoren zur Potentialsteuerung der Zwischenelektrode ist
es in einfacher Weise und mit geringen Mitteln möglich, den Steuerkapazitäten die
für die richtige Potentialsteuerung erforderliche Größe zugeben. Zweckmäßig werden
der Kopf des Hochspannungseinführungsbolzens und der Flansch seiner Durchführung
bzw. die Zwischenelektrode mit Metallwulsten versehen, um die Kapazität zwischen
dem Einführungsbolzen und der Zwischenelektrode entsprechend zu steuern.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen Hochspannungskondensator gemäß der
Erfindung ist in der Abb. i dargestellt. Mit i i ist der Hochspannungsanschluß des
Meßkondensators bezeichnet. Er ist elektrisch leitend mit dem Bolzen 12 einer mit
kapazitiven Einlagen versehenen Hochspannungsdurchführung 13 verbunden. Der Durchführungsbolzen
12 trägt die Hochspannungselektrode 16, welche die kolbenförmige Niederspannungsmeßelektrode
17 und einen auf Erdpotential befindlichen Schutzring 18 umschließt. Die Hochspannungselektrode
und die Niederspannungselektrode befinden sich in einem Metallmantel 19, der als
Behälter für das hochwertige, insbesondere aus Preßgas bestehende Dielektrikum dient.
Die Hochspannungsdurchführung 13 ist an dem oberen Ende des Metallmantels 19 mittels
eines Flansches 14 befestigt, an dem zur Verbesserung - der Spannungsverteilung
ein Metallwulst 15 angebracht ist. An dem unteren Ende des Metallmantels 19 ist
mittels eines Flansches 2o eine weitere mit kapazitiven Einlagen versehene Hochspannungsdurchführung
22 befestigt, deren Durchführungsleiter von einem Stahlrohr 21 gebildet wird, welches
die Niederspannungselektrode 17 und den geerdeten Schutzring 18 trägt. Das Stahlrohr
21, welches an seinem oberen Ende Öffnungen aufweist, dient gleichzeitig zur Einfüllung
des Preßgases. Außerdem befindet sich in dem Hohlraum des Stahlrohres 21 ein abgeschirmtes
kapazitätsarmes Kabel, welches als Meßleitung mit der Niederspannungselektrode 17
verbunden ist, die im Betrieb höchstens eine Spannung von o,5 bis 3 V gegen Erde
führt und infolgedessen nur schwach gegenüber dem Schutzring 18 und dem geerdeten
Stahlrohr 21 isoliert zu werden braucht. Die Durchführung 22, die gleichzeitig als
Träger oder Stützer des Hochspannungskondensators dient, ist auf einem Fahrgestell
23 befestigt. Das Stahlrohr 21 endet in einer Kammer 24, die mit einem Zuführungsrohr
25 für das Preßgas verbunden ist. In dieser Rohrleitung befindet sich ein Absperrhahn
26 und ein Druckmesser 27, der beispielsweise schräg in einer Öffnung des im übrigen
vollständig umkleideten Fahrgestelles so angeordnet ist, daß er bequem abgelesen
werden kann. Das Fahrgestell kann, wie in der Abb. i angedeutet ist, auch zur Aufnahme
einer Preßgasvorratsflasche 28 dienen, die mit dem Einfüllrohr 25 für das Preßgas
leicht lösbar verbunden ist.
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Wird an den Hochspannungsbolzen 12 der oberen Durchführung die Hochspannung
U gegen Erde gelegt, so stellt sich das Metallgefäß 19, das als Zwischenelektrode
bezeichnet wird, auf ein Zwischenpotential ein, dessen Wert durch das Verhältnis
der Teilkapazitäten der einzelnen Elektroden gegeneinander gegeben ist. Im Ersatzschema,
das in der Abb.2 gezeichnet ist, sind die wichtigsten Teilkapazitäten eingetragen.
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K1 sei die Kapazität des Hochspannungsbolzens i2 der oberen Kondensatordurchführung
13 gegen ihren Flansch 14 und gegen die Zwischenelektrode 1g.
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K2 sei die Kapazität des Stahlrohres 21 der unteren Durchführung 22
gegen ihren Flansch Bo und gegen die Zwischenelektrode 19.
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K3 sei die Kapazität der Hochspannungselektrode 16 gegen die Zwischenelektrode
19. Da von der Zwischenelektrode 1g nach allen Seiten Feldlinien zu geerdeten Gegenständen
verlaufen, besitzt sie eine Erdkapazität c2. Ferner besitzt sie gegen den Hochspannungsschirmwulst
i i des Bolzens 12 die Kapazität cl.
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Um die Spannungsbeanspruchung auf beide Kondensatordurchführungen
gleichmäßig zu verteilen, sollte das Potential der Zwischenelektrode 1g sich möglichst
dem Werte U/2 nähern. Für diesen Idealfall besteht die Kapazitätsgleichung K2 -I--
c2 = K1 ; K3 -I- c1.
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Ist c, verhältnismäßig groß, so dürfte es zweckmäßig sein, die Kapazität
K1 der oberen Kondensatordurchführung um einen passenden Betrag größer als die Kapazität
K, der unteren Ducrhführung zu wählen, damit die vorstehende Gleichung erfüllt wird.
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Ferner kann die Spannung gleichmäßig auf beide Kondensatordurchführungen
durch Anbringung von Metallwulsten, z. B. i i bzw. 15 in Abb. i, verteilt werden,
welche die Kapazität c1 zwischen der Hochspannungsklemme und dem Metallgefäß 19
(Zwischenelektrode) vergrößern.
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Der Mantel 19 kann auch aus Isoliermaterial, z. B. Hartpapier, mit
einem leitenden oder halbleitenden, gegebenenfalls aufgespritzten oder eingewickelten
Belag bestehen, der mit den Flanschen 15 und 2o in
leitender Verbindung
steht. Gegebenenfalls kann man auch auf den Belag verzichten; jedoch muß auch in
diesem Fall eine leitende Verbindung zwischen den dann die Zwischenelektrode darstellenden
Flanschen 14 und 15 hergestellt werden.