An der Grenze zwischen Hochspannungstechnik und Physik [Reprint 2021 ed.] 9783112495728, 9783112495711

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SITZUNGSBERICHTE DER SÄCHSISCHEN

AKADEMIE

D E R W I S S E N S C H A F T E N ZU L E I P Z I G Mathematisch-naturwissenschaftliche Band

FRITZ

Klasse

105 • Heft 1

OBENAUS

AN DER GRENZE ZWISCHEN HOCHSPANNUNGSTECHNIK UND PHYSIK

AKADEMIE-VERLAG•BERLIN 1961

BERICHTE ÜBER DIE VERHANDLUNGEN DER SÄCHSISCHEN AKADEMIE DER WISSENSCHAFTEN ZU LEIPZIG MATHEMATISCH-NATURWISSENSCHAFTLICHE KLASSE

Band 97 Heft 1 Prof. Dr. ERICH STRACK / Beobachtungen über den endogenen Anteil des KotStickstoffs 24 Seiten - 8" - 1949 - DM 2,60 (vergriffen) Heft 2 Prof. Dr. ERNST HÖLDER / Über die Variationsprinzipe der Mechanik der Kontinua 13 Seiten — 8° — 1950 — DM 2,75 (vergriffen) Heft 3 Dr. H. GERSTNER / Dr. H. BAARK / Dr. H. GRAUL / Der Wechselstromwiderstand der Froschhaut 25 Seiten — 8° - 1950 - DM 2,75 (vergriffen) Heft 4 Prof. Dr. HERBERT BECKERT / Existenz- und Eindeutigkeitsbeweise für das Differenzenverfahren zur Lösung des Anfangswertproblems, des gemischten AnfangsRandwert- und des charakteristischen Problems einer hyperbolischen Differentialgleichung zweiter Ordnung mit zwei unabhängigen Variablen 42 Seiten — 8° - 1950 — DM 9 , - (vergriffen) Heft 5 Prof. Dr. HERBERT BECKERT / Über quasilineare hyperbolische Systeme partieller Differentialgleichungen erster Ordnung mit zwei unabhängigen Variablen. Das Anfangswertproblem, die gemischte Anfangs-Randwertaufgabe, das charakteristische Problem 68 Seiten - 8° - 1950 - DM 14,50 (vergriffen) Heft 6 Prof. Dr.-Ing. ENNO HEIDEBROEK / Das Verhalten von zähen Flüssigkeiten, insbesondere Schmierflüssigkeiten, in engen Spalten Nachdruck — 40 Seiten — 24 Abbildungen — 8° - 1952 — DM 5,80 (vergriffen) Heft 7 Prof. Dr. HANS SCHUBERT / Über eine lineare Integrodifferentialgleichung mit Zusatzkern 52 Seiten - 8° - 1950 - DM 9,25 (vergriffen) Heft 8 Dipl.-Phys. HERMAR KRUPP / Bestimmung der allgemeinen Lösung der SchrödingerGleichung für Coulomb-Potential 28 Seiten — 8° — 1950 - DM 5,50 (vergriffen)

Band 98 Heft 1 Prof. Dr. WALTER SCHNEE / Über magische Quadrate und lineare Gitterpunktprobleme 48 Seiten — 8° — 1951 — DM 4,65 (vergriffen) Heft 2 Prof. Dr.-Ing. ENNO HEIDEBROEK / Über die Beziehungen zwischen Schmierung und Verschleiß bei geschmierter Gleitreibung Nachdruck — 36 Seiten - 5 Abbildungen — 8° — 1954 - DM 2,75 Heft 3 Prof. Dr.-Ing. e. h. KARL KEGEL / Der Salzstock Mirowo bei Provadia in Bulgarien 26 Selten — 9 Abbildungen — 8° - 1951 — DM 3 , - (vergriffen) Heft 4 Prof. Dr. HERBERT BECKERT / Prof. Dr. HANS SALlfi / Bemerkungen über die Verbiegung hyperbolisch gekrümmter Flächenstücke / Über Abels Verallgemeinerung der binomischen Formel 22 Seiten - 2 Abbildungen - 8° - 1951 - DM 2,25 (vergriffen) Heft 5 Prof. Dr. ERICH STRACK / Die Dauerinfusion als Verfahren zur Erforschung des Kohlenhydratstoffwechsels des Tierkörpers 20 Seiten — 8° - 1952 — DM 2,— (vergriffen)

Band 99 Heft 1 Prof. Dr. HEINRICH BRANDT / Über das quadratische Reziprozitätsgesetz 18 Seiten - 8° - 1951 - DM 1,90 (vergriffen) Heft 2 Prof. Dr. GEORG SPACKELER / Der Gebirgsdruck und seine Beherrschung durch den Bergmann 36 Seiten — 12 Abbildungen — 8° - 1951 — DM 1,65 (vergriffen)

SITZUNGSBERICHTE DER SÄCHSISCHEN DER WISSENSCHAFTEN

ZU

Matliematisch-nallirwissenscilaftlichc Band

105

F R I T Z

• Heft

AKADEMIE

LEIPZIG Klasse

1

O B E N A U S

AN DER GRENZE ZWISCHEN H O C H S P A N N U N G S T E C H N I K UND PHYSIK Mit

10

Abbildungen

A K A D E M I E - V E R L A G • B E R L I N 19 6 1

Vorgetragen in der Sitzung vom 23. Januar 1961 Manuskript eingeliefert am 9. März 1961 Druckfertig erklärt am 3. 11. 1961

E r s c h i e n e n im A k a d e m i e - V e r l a g G m b H , Berlin WH, Leipziger S t r a ß e 3 — t C o p y r i g h t 1961 b y A k a d e m i e - V e r l a g G m b H , Berlin L i z e n z - N r . 202 . 100/735/61 Gesamtherstellung: V E B Druckhaus „Maxim Gorki", Altenburg P r i n t e d in G e r m a n y B e s t e l l n u m m e r : 2027/105/1 • E S 20 K 4 / 18 B 6 • P r e i s : DM 2,40

Hochspannungstechnik ist zu einem großen Teil elektrische Isoliertechnik. Ein gasförmiger, flüssiger oder fester Isolierstoff — ein Dielektrikum — steht unter dem Zwang eines elektrischen Feldes u n d m u ß hohe Feldstärke aushalten, ohne durchzubrechen. Die Grundlage f ü r die Weiterentwicklung auf diesem Gebiet bilden zu einem großen Teil die Erkenntnisse der Physik (Physik des Durchschlages, Gasentladungsphysik, Festkörperphysik usw.). I m m e r wieder k o m m t es aber vor, d a ß gewisse physikalische Spezialaufgaben der Hochspannungstechnik so vordringlich werden, daß versucht werden muß, sie selbst zu lösen. E n t w e d e r gilt es, mit schädlichen, aber unvermeidbaren Erscheinungen — wie z. B. mit der Blitzentladung — fertig zu werden oder aber nützliche Stoffe oder Prozesse — z. B. sehr hohe Übertragungsspannungen (400 kV u n d mehr) — möglichst rasch anzuwenden. Über einige solche Probleme an der Grenze zwischen Hochspannungstechnik u n d Physik soll berichtet werden, u m dabei Proben der Gedankengänge bei solcher Arbeit zu geben. Es werden dazu einige Beispiele verwendet, die alle mit dem extrem inhomogenen Feld in Beziehung stehen. 1 ) 1

) Über diese Themen wurde in letzter Zeit am Institut für Hochspannungstechnik in Dissertationen ( W O B O D I T S C H , S C H M I D T ) und in Diplomarbeiten ( M A R C I X K O W S K I , M Ü L L E R ) gearbeitet.

1*

Durchschlagspannung im Spitzenfeld

F ü r die Bemessung v o n Isolierungen ist die S p a n n u n g v o n B e d e u t u n g , bei der das Dielektrikum seine Isolierfähigkeit verliert, d. h. bei der der Durchschlag erfolgt — in F o r m v o n F u n k e n in Gasen u n d Flüssigkeiten oder in F o r m v o n F u n k e n m i t bleib e n d e n Zerstörungen in Feststoffen. Sofern das elektrische F e l d homogen oder nahezu homogen ist, läßt sich diese Durchschlags p a n n u n g mit Hilfe der Potentialtheorie f ü r das r a u m l a d u n g s freie Feld ausrechnen. Bei den s t a r k inhomogenen Feldern aber — bei Feldern zwischen Spitzen, wie sie in der Technik z. B. bei Luftisolierungen von Anlagen im Freien vorliegen — ist dies nicht m e h r möglich. An den Stellen höchster F e l d s t ä r k e im inhomogenen Feld wird die L u f t bereits lange vor dem Durchschlag stoßionisiert. Die dabei erzeugten L a d u n g s t r ä g e r bilden vor den u r s p r ü n g lichen E l e k t r o d e n aus Metall R a u m l a d u n g s w o l k e n u n d d a m i t gewissermaßen neue E l e k t r o d e n : „ R a u m l a d u n g s e l e k t r o d e n . " Das ursprüngliche Feld wird umgebildet. E s b e s t e h t eine reichhaltige physikalische L i t e r a t u r über diese komplizierten, in L u f t meist sichtbaren V o r e n t l a d u n g e n . E s sind dies Glimme n t l a d u n g e n , K o r o n a e n t l a d u n g e n , Büschelentladungen usw. Wertvolle physikalische Theorien — e t w a die von T O W N S E N D über die L a w i n e n b i l d u n g oder die von R A E T H E R ü b e r die K a n a l bildung — geben einen tiefen Einblick in die Vorgänge. Sie reichen aber nicht dazu aus, die D u r c h s c h l a g s p a n n u n g einer solchen s t a r k inhomogenen A n o r d n u n g e t w a einer Spitzenf u n k e n s t r e c k e aus ihren geometrischen Abmessungen u n d den Werkstoffeigenschaften zu errechnen. Die H o c h s p a n n u n g s -

A n der Grenze zwischen H o c h s p a n n u n g s t e c h n i k u n d

Physik

5

technik muß sich deshalb selbst handliche Berechnungsunterlagen schaffen. Es sind dies die sog. „Schlagweite-SpannungsK u r v e n " . Sie werden aus Messungen über die Abhängigkeit der Durchschlagspannung Ud von dem Elektrodenabstand gewonnen, also von der Schlagweite s des Funkens beim Durchbruch oder Durchschlag (s-i/^-Kurve).

Schlagweite-Spannungs-Kurve bis 3 m F ü r das extrem inhomogene Feld Spitze-Platte mit einer Schlagweite von einigen 1 0 cm gibt es seit W E I C K E R 2 ) eine solche K u r v e f ü r die Durchschlagwechselspannung (Abb. 1). Sie enthält eine Unstetigkeitsstelle im Kurvenverlauf und außerdem eine große Streuung im Schlagweitenbereich um 10 cm herum,

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W . , Z u r K e n n t n i s d e r F u n k e n s p a n n u n g bei t e c h n i s c h e m W e c h -

s e l s t r o m . E l e k t r o t e c h n . Z. (1911) H . 18, S. 4 3 6 .

A n der Grenze zwischen H o c h s p a n n u n g s t e c h n i k u n d

Physik

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technik muß sich deshalb selbst handliche Berechnungsunterlagen schaffen. Es sind dies die sog. „Schlagweite-SpannungsK u r v e n " . Sie werden aus Messungen über die Abhängigkeit der Durchschlagspannung Ud von dem Elektrodenabstand gewonnen, also von der Schlagweite s des Funkens beim Durchbruch oder Durchschlag (s-i/^-Kurve).

Schlagweite-Spannungs-Kurve bis 3 m F ü r das extrem inhomogene Feld Spitze-Platte mit einer Schlagweite von einigen 1 0 cm gibt es seit W E I C K E R 2 ) eine solche K u r v e f ü r die Durchschlagwechselspannung (Abb. 1). Sie enthält eine Unstetigkeitsstelle im Kurvenverlauf und außerdem eine große Streuung im Schlagweitenbereich um 10 cm herum,

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WOBODITSCH

; Zentralwerte des tiefsten Teilkollektivs

tung der Frage löste eine Diskussion darüber aus. ob es angängig ist, die Häufigkeitskurven in Teilkollektive mit GAUSSscher Verteilung zu zerlegen, da für den Durchschlagprozeß die Differenz (Ud — U0) zwischen Ud und einer konstanten Anfangsspannung U 0 ausschlaggebend ist. Dessen ungeachtet ist aus den U n t e r suchungen schon j e t z t abzulesen, daß es technisch sinnvoll ist, nicht erst ab 15 cm, sondern schon ab 6 cm mit der Geraden zu rechnen.

Bemessung von sehr langen Luftisolierstrecken (über 3 m) Noch viel wichtiger ist die s-f/ r f -Kurve für die Bemessung der Isolationen für sehr hohe Betriebsspannungen mit ihren Schlagweiten von 2 m für 220 kV, von etwa 4 m für 400 k V und für noch größere Strecken für die beabsichtigten Betriebsspannungen von 500, 600 oder 750 k V . Während — wie wir eben sahen — die s-i/ r f -Kurve oberhalb (i cm eine Gerade ist (Abb. 4 a ) , die übrigens theoretisch auch gedeutet werden kann, ergeben sich oberhalb 3 m (Abb. 4 b ) 2

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) T e c h o d e j e w u n d T u s c h x o w , Entladungsspannungen von Luftstrecken bei Wechselspannung. Elcktritschestwo 3 (1958) 37 — 39.

An der Grenze zwischen Hochspannungstechnik und Physik

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kräftige Abweichungen vom geradlinigen Teil nach tiefen Werten hin. An Stelle der Neigung 5 kV/cm werden n u r noch Anstiege von etwa 1 kV/cm gemessen. Zum Durchschlag einer Luftstrecke von 16,5 m genügten reichlich 2 MV s t a t t 8 MV, wie sich bei der P r ü f u n g eines großen Transformators ergab (Abb. ö) 6 ). Daß dies f ü r die Hochspannungstechnik recht nachteilig ist, ist leicht einzusehen. Es k o m m t jetzt darauf an, auch diese Unstetigkeitsstelle der •s'-f/,,-Kurve näher zu erforschen. Drei Feststellungen f ü h r e n weiter: 1. Die Beobachtung der Vorgänge vor dem Durchschlag läßt erkennen, daß bei sehr großen Schlagweiten eine neue A r t der Vorentladung, der ,,Vorfunken", a u f t r i t t . D a m i t ist eine

Abb. 5. Wechselspannungs-Durch schlag 6

= 2270 kV, s = 16.5 m

) Die Versuche wurden im Transformatoren- und Röntgenwerk Dresden durchgeführt.

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FRITZ OBEXAVS

Änderung des Charakters der s-C/,¿-Kurve in ähnlicher Weise zu erwarten, wie in dem schon behandelten Schlagweitengebiet in der Nähe von etwa 10 cm. 2. Weiter fällt auf, daß die hell leuchtenden, funkenartigen Stiele denjenigen der in der Hochspannungstechnik wohlbekannten Gleitfunken ähneln. Die letzteren werden an sog. Gleitanordnungen beobachtet. Schon frühzeitig wies T O E P L E R d a r a u f h i n , daß Blitze — also Durchschläge von km-langen L u f t strecken — und Gleitfunkenüberschläge vergleichbare Vorgänge sind. 3. D a die s-[/^-Kurven der langen Luftstrecken in ihrem Verlauf denen der Gleitanordnungen stark ähneln, besteht Aussicht, aus den bekannten Gesetzen f ü r den Gleitfunken f ü r die Technik brauchbare Hilfsvorstellungen f ü r den Durchschlag langer Luftstrecken zu gewinnen.

Kondensatorkette, Gleitsystem, Vielfachfunkenstrecke Was läßt sich nun aus dem Vergleich mit der Gleitanordnung ableiten? Das elektrische Ersatzschaltbild f ü r ein Gleitsystem ist die „ K o n d e n s a t o r k e t t e " (Abb. 6) mit Längs- und Querkapazitäten (Ct und C ) u n d ihrer ungleichmäßig nach der sinh-Funktion verlaufenden Spannungsverteilung. J e größer die Querkapazitäten C sind, um so größer ist das Spannungsgefälle über der K a p a z i t ä t Cln am Gleitpol, also die Beanspruchung der L u f t an dieser Stelle. Der Durchbruch wird von dem Durchschlag dieses Längskondensators Chl eingeleitet. Dabei wird der Querkondensator CqH_1 auf die volle Spannung aufgeladen und das große Spannungsgefälle nach der anderen Elektrode hin verschoben. Dieser Vorgang wiederholt sich nacheinander bei allen Kettengliedern, ohne daß die Spannung UH wesentlich gesteigert werden muß. E r ist also die Ursache f ü r den wenig

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FRITZ OBEXAVS

Änderung des Charakters der s-C/,¿-Kurve in ähnlicher Weise zu erwarten, wie in dem schon behandelten Schlagweitengebiet in der Nähe von etwa 10 cm. 2. Weiter fällt auf, daß die hell leuchtenden, funkenartigen Stiele denjenigen der in der Hochspannungstechnik wohlbekannten Gleitfunken ähneln. Die letzteren werden an sog. Gleitanordnungen beobachtet. Schon frühzeitig wies T O E P L E R d a r a u f h i n , daß Blitze — also Durchschläge von km-langen L u f t strecken — und Gleitfunkenüberschläge vergleichbare Vorgänge sind. 3. D a die s-[/^-Kurven der langen Luftstrecken in ihrem Verlauf denen der Gleitanordnungen stark ähneln, besteht Aussicht, aus den bekannten Gesetzen f ü r den Gleitfunken f ü r die Technik brauchbare Hilfsvorstellungen f ü r den Durchschlag langer Luftstrecken zu gewinnen.

Kondensatorkette, Gleitsystem, Vielfachfunkenstrecke Was läßt sich nun aus dem Vergleich mit der Gleitanordnung ableiten? Das elektrische Ersatzschaltbild f ü r ein Gleitsystem ist die „ K o n d e n s a t o r k e t t e " (Abb. 6) mit Längs- und Querkapazitäten (Ct und C ) u n d ihrer ungleichmäßig nach der sinh-Funktion verlaufenden Spannungsverteilung. J e größer die Querkapazitäten C sind, um so größer ist das Spannungsgefälle über der K a p a z i t ä t Cln am Gleitpol, also die Beanspruchung der L u f t an dieser Stelle. Der Durchbruch wird von dem Durchschlag dieses Längskondensators Chl eingeleitet. Dabei wird der Querkondensator CqH_1 auf die volle Spannung aufgeladen und das große Spannungsgefälle nach der anderen Elektrode hin verschoben. Dieser Vorgang wiederholt sich nacheinander bei allen Kettengliedern, ohne daß die Spannung UH wesentlich gesteigert werden muß. E r ist also die Ursache f ü r den wenig

An der Grenze zw ischen Hochspannungstechnik u n d Physik

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Abb. 6. Kondensatorkette

geneigten A n s t i e g der s-£7 r f -Kurven, also d a f ü r , d a ß Schlagw e i t e n v e r g r ö ß e r u n g e n keinen r e c h t e n Gewinn a n U d m e h r b r i n g e n . Gegen die G l e i t a n o r d n u n g als Modell der l a n g e n L u f t s t r e c k e k a n n e i n g e w e n d e t werden, d a ß die L u f t s t r e c k e k e i n e n z w e i t e n Isolierstoff m i t einer als Gleitfläche w i r k e n d e n O b e r f l ä c h e h a t . A b e r a u c h a n K o n d e n s a t o r k e t t e n ohne Gleitflächen wird der gleiche C h a r a k t e r der s-Ud-Kurve e r m i t t e l t (Abb. 7). W i r ben u t z t e n z. B. V i e l f a c h f u n k e n s t r e c k e n (Abb. 8 a u n d b). Die Q u e r k a p a z i t ä t e n C bilden hier — wo n u r ein Isolierstoff vorh a n d e n ist — metallische Z w i s c h e n a r m a t u r e n . MARCINKOWSKI"), der diese Versuche d u r c h f ü h r t e , f o t o g r a fierte d e n D u r c h s c h l a g auf r a s c h b e w e g t e m F i l m u n d k o n n t e ') MARCINKOWSKI, H., Anfangs- u n d Durchschlagspannung von Vielfachfunkenstrecken. Wiss. Z. TH-Dresden 9 (1959/60) H . 3, S. 717.

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Fritz Ohkxats

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