Hochspannungstechnik: Grundlagen - Technologie - Anwendungen

630 Pages·2009·6.44 MB·German

by  Andreas Küchler (auth.)

Hochspannungstechnik
Andreas Küchler
Hochspannungstechnik
Grundlagen - Technologie - Anwendungen
3., neu bearbeitete Auflage
1 3
“This page left intentionally blank.”
Prof. Dr.-Ing. Andreas Küchler
FH Würzburg - Schweinfurt
Ignaz-Schön-Str. 11
97421 Schweinfurt
Deutschland
[email protected]
ISBN 978-3-540-78412-8 e-ISBN 978-3-540-78413-5
DOI 10.1007/978-3-540-78413-5
Springer Dordrecht Heidelberg London New York
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Vorwort zur dritten Auflage

Die zweite Auflage hat eine erfreulich große Resonanz in der Leserschaft gefunden, so dass jetzt die
Zeit für eine Neuauflage gekommen ist. Konzept und Inhaltsauswahl des Buches haben sich gut
bewährt und sind noch immer aktuell, so dass hier kein grundsätzlicher Änderungsbedarf besteht.
Das Buch soll weiterhin einen verständlichen, anschaulichen und aktuellen Zugang zur Hochspan-
nungstechnik bieten und gleichzeitig dem Anwender ein zuverlässiges und umfassendes Fachbuch
sein. Die dritte Auflage greift neue, innovative Themen auf und setzt die zahlreichen Hinweise um,
für die sich Autor und Verlag recht herzlich bei der aufmerksamen Leserschaft bedanken. Den
wichtigsten Ratschlag verdanke ich dabei meinem Kollegen Jürgen Weith: „So eine Sache wird
eigentlich nie fertig, man muss sie für fertig erklären, wenn man nach Zeit und Umständen das
Möglichste getan hat [480]."

Kapitel 2 erhält einen Abschnitt über Feldsteuerung an Grenzflächen. In Kap. 3 hat der Abschnitt
über den Durchschlag in Isolieröl eine völlige Neubearbeitung erfahren, weil einerseits Öl eine
überragende Rolle in der Isoliertechnik spielt und andererseits tiefer gehende physikalische Vor-
stellungen entwickelt wurden. Teilentladungen bei Gleichspannung werden angesprochen und der
Abschnitt über den Vakuumdurchschlag wurde um Anwendungen ergänzt. Kapitel 5 geht auf die
neuen, vor der Anwendung stehenden nanostrukturierten Dielektrika ein, die ganz neue Eigen-
schaftsprofile versprechen. Außerdem wird den Elastomeren und den Leitfähigkeiten von Isolier-
stoffen eine größere Aufmerksamkeit geschenkt. Kapitel 6 ist durch Bildmaterial zu den Prüfanla-
gen für neuen Höchstspannungsanwendungen ergänzt worden. In der Diagnostik werden neue und
innovative Verfahren zur Bestimmung dielektrischer Systemantworten und zur synchronen Mehr-
kanal-Teilentladungsanalyse behandelt. Auch Kap. 7 hat durch neues Bildmaterial an Anschaulich-
keit gewonnen. Dabei ist v.a. zu erwähnen, dass in der Hochspannungstechnik eine ganz neue Dy-
namik entstanden ist, die große Herausforderungen mit sich bringt, u.a. mit der Drehstromübertra-
gung mit 1000 kV UHV AC und der Hochspannungsgleichstromübertragung mit 800 kV UHV DC.

Für das Bildmaterial möchte ich mich bedanken bei der HIGHVOLT Prüftechnik Dresden GmbH,
der HSP Hochspannungsgeräte GmbH, dem Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspan-
nungstechnik (Univ. Karlsruhe), der OMICRON electronics GmbH, der Siemens AG, der Tyco
Electronics Raychem GmbH und der Weidmann Electrical Technology AG. Ein besonderer per-
sönlicher Dank gilt den Herren Dr. R. Badent, Prof. Dr. F. Berger, M. Borlein, R. Fritsche, Dr. W.
Hauschild, B. Heinrich, Prof. Dr. D. Kind, Ch. Krause, Dr. R. Krump, A. Langens, Dr. C. Leu, T.
Müller, Dr. R. Plath, Dr. K. Rethmeier, Prof. Dr. W.-D. Schuppe, Dr. Ch. Sumereder und J. Titze für
vielfältige Unterstützung in unterschiedlicher Form, v.a. durch fachliche Zusammenarbeit, wert-
volle Hinweise und Korrekturen von Texten. Dank gebührt auch meinen ehemaligen und gegenwär-
tigen Mitarbeitern K. Böhm, F. Hüllmandel, F. Klauer, M. Liebschner und A. Reumann, die mich
immer in vorbildlicher Weise unterstützt haben.

Die Neuauflage wäre nicht möglich gewesen ohne das Verständnis und ohne die Unterstützung
meines beruflichen und meines familiären Umfeldes. Insbesondere meiner Frau Christiane möchte
ich an dieser Stelle für ihre Geduld und Nachsicht danken.

Wiederum bitte ich alle Leser, mir ihre Kommentare unter [email protected] zukommen
zu lassen.

Schweinfurt und Hammelburg, im April 2009

Andreas Küchler
VI Vorwort

Vorwort zur ersten Auflage

Zentrale Aufgabe der Hochspannungstechnik ist die Beherrschung hoher elektrischer Feldstärken
und Spannungen. Dabei geht es weniger um die Gefahren der Naturgewalten, für die ehedem höch-
ste Autoritäten wie Zeus, Jupiter oder Wotan zuständig waren. An der Schwelle zum 21. Jahrhun-
dert sind die Ingenieure der Hochspannungstechnik weder Götter noch Helden. Sie haben allerdings
ein faszinierendes, herausforderndes und vielseitiges Aufgabengebiet: Hochspannungstechnik ist
heute eine Schlüsseltechnologie für ein weites Spektrum technischer Anwendungen, die aus unse-
rem Leben kaum noch fortzudenken sind.

Hohe Spannungen ermöglichen die Übertragung großer elektrischer Leistungen mit verhältnismä-
ßig geringen Strömen und Verlusten. Hochspannungstechnik ist deshalb Voraussetzung für die si-
chere, wirtschaftliche und umweltfreundliche Energieversorgung. Die Minimierung der Verluste
schont die Ressourcen und verringert die Emissionen. Außerdem können abgelegene Wasserkräfte
und das schwankende Windenergieangebot optimal in den elektrischen Energieverbund einbezogen
werden. Hoch- und Höchstspannungsnetze sind Voraussetzung für einen überregionalen Energie-
markt.

Darüber hinaus lässt sich eine große Vielfalt hochspannungstechnischer Anwendungen in allen Be-
reichen der Technik nennen: Beispielsweise werden Röntgengeräte, Nierensteinzertrümmerer, La-
ser, Hochleistungslichtquellen, Stoßwellengeneratoren, Senderöhren, Kopiergeräte, Elektrofilter
oder Beschichtungs- und Lackieranlagen unter Einsatz hoher Spannungen betrieben. Probleme der
Hochspannungstechnik sind auch auf dem Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit, in der
physikalischen und technologischen Forschung oder beim Einsatz der Hochtemperatur-Supraleitung
zu bewältigen.

Allen Anwendungen ist gemeinsam, dass man einerseits versucht, elektrische Feldstärken so hoch
wie möglich zu wählen, um Abmessungen, Gewicht, Materialeinsatz, Kosten, Verluste und Um-
weltbelastungen so gering wie möglich zu halten. Andererseits müssen die Feldstärken so niedrig
gehalten werden, dass ein zerstörender Durchschlag mit immensen Folgeschäden sicher
ausgeschlossen werden kann. In diesem Spannungsfeld besteht die Aufgabe der Ingenieure meist
darin, wirtschaftlich und technisch optimale Systemlösungen zu verwirklichen. Dabei müssen die
modernsten technischen Mittel aus vielen verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt werden.
Beispiele aus dem weiten Spektrum der Aufgabengebiete sind numerische Feldberechnung und
Simulation, Isolationsbemessung und Werkstoffkunde, physikalische und chemische Untersuchun-
gen, mechanische und thermische Auslegungen, Prüftechnik, Messtechnik und Diagnostik, Signal-
verarbeitung, EMV und Informationstechnik, oder auch Leistungselektronik und Prozessautomati-
sierung. Viele Fachleute aus diesen Gebieten werden auch mit hochspannungstechnischen Proble-
men konfrontiert. Der Hochspannungstechniker selbst sollte in erster Linie vielseitig und praxisori-
entiert sein und einen theoretisch gut fundierten Überblick besitzen.

In der Lehre und im einführenden Schrifttum muss oft eine Beschränkung auf grundlegende
Themen der Hochspannungstechnik erfolgen. Die Übertragung auf praktische Anwendungen bleibt
dann der eigenen Erfahrung und der selbständigen Vertiefung vorbehalten. Das vorliegende Buch
versucht deshalb die an sich zusammengehörenden Themenkreise

Grundlagen, Technologien und Anwendungen

geschlossen zu behandeln. Diese Konzeption bedingt, dass schon in den grundlegenden Kapiteln
praktische Beispiele, Anwendungen, Anmerkungen und Aufgaben enthalten sind. Durch entspre-
chende Kennzeichnung der "Abschweifungen" soll dem Leser die Wiederaufnahme des roten Fa-
dens erleichtert werden. Bei der Beschreibung von Technologien und Anwendungen wird auf die
Vorwort VII

dazugehörenden Grundlagen zurückverwiesen. Das Buch ist deshalb sowohl für die grundlegende
Erarbeitung der Hochspannungstechnik als auch für die erste Orientierung über spezielle Teilge-
biete gedacht. Es soll den Leser im Studium, im Praktikum und im Beruf als Arbeitsbuch begleiten
und den Einstieg in die speziellere Fachliteratur erleichtern.

Nachfolgend wird die Hochspannungstechnik in fünf übergeordnete Themenbereiche gegliedert,

• Elektrische Beanspruchungen durch Felder und Wellen (Kapitel 2),

• Elektrische Festigkeiten von Gasen, Flüssigkeiten und festen Stoffen (Kapitel 3),

• Dielektrische Eigenschaften von Isolierstoffen (Kapitel 4),

• Spezielle Isolierstoffe und ihre Technologie (Kapitel 5) und

• Prüfen, Messen, Diagnose (Kapitel 6).

Anschließend erfolgt die exemplarische Betrachtung von Anwendungen auf

• typische Isolationssysteme für Wechsel-, Gleich- und Stoßspannungsbeanspruchungen,

• sowie weitere Einsatzgebiete (Kapitel 7).

Besonderer Wert wird dabei auf die Darstellung von Zusammenhängen sowie auf Anschaulichkeit
in Wort und Bild gelegt. Dem Leser sei aber trotz allem die alte Methode empfohlen, "mit einem
Stift zu lesen", d.h. Beispiele, Aufgaben und Feldbilder durch eigene Rechnung nachzuvollziehen
und interessierende Themen durch schriftliche Auszüge zu vertiefen. Nützliche Begleiter sind dabei
sicher auch eine mathematische Formelsammlung, eine Darstellung der Experimentalphysik und ein
elektrotechnisches Grundlagenwerk. Weiterführende Literatur ist im Literaturverzeichnis zusam-
mengestellt.

Natürlich erfordert der begrenzte Umfang des Buches eine starke Verkürzung vieler Inhalte und ei-
nen sehr subjektiven Kompromiss zwischen Vollständigkeit und Tiefgang. Ich bitte deshalb alle
Fachleute um Nachsicht, die ihr Spezialgebiet nur unvollkommen behandelt finden. Mit der Bitte
um Kritik und Anregungen übergebe ich das Buch dem Leser.

Die Verwirklichung des Buches verdanke ich in erster Linie dem Verständnis, der Unterstützung,
und der Geduld meiner Frau Christiane und meiner ganzen Familie.

Mein Dank gilt insbesondere auch meinen akademischen Lehrern Prof. Dr.-Ing. H. Lau (†), Prof.
Dr.-Ing. A.J. Schwab, Prof. Dr.-Ing. A.M. Miri und Dr.-Ing. F. Hammer, sowie allen Fachkollegen
aus Industrie und Hochschulen, die direkt oder indirekt zum Gelingen des Buches beigetragen ha-
ben. Herzlich danken möchte ich meinen Emdener und Coburger Kollegen Prof. Dr.-Ing. Thomas
Dunz und Prof. Dr.-Ing. Michael Rossner für die Korrektur des Manuskripts und für ihre wertvollen
Anregungen. Wichtige Unterstützung wurde mir auch durch die Herrn Dipl.-Ing. (FH) Th. Göpfert
und D. Knorz, sowie durch die Herren F. Klauer, G. Schwab und R. Volk zuteil. Nicht zuletzt gilt
mein Dank dem VDI-Verlag und seinem Cheflektor Dr.-Ing. W. Borchert für die gute und vertrau-
ensvolle Zusammenarbeit.

Schweinfurt und Hammelburg, im August 1996

Andreas Küchler
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Inhalt

Symbole und Abkürzungen.............................................................................................XIX

1 Einführung...........................................................................................................................1
1.1 Aufgabe der Hochspannungstechnik......................................................................................1
1.2 Anwendungen der Hochspannungstechnik...........................................................................1
1.3 Perspektiven der Hochspannungstechnik..............................................................................2
1.4 Übersicht...................................................................................................................................3
2 Elektrische Beanspruchungen............................................................................................5
2.1 Grundlagen des elektrischen Feldes.......................................................................................5
2.1.1 Feldgrößen........................................................................................................................6
2.1.2 Äquipotentialfläche, Potential, Spannung und Kapazität.................................................7
2.1.3 Die Maxwellschen Feldgleichungen.................................................................................9
2.1.3.1 Die Maxwellschen Hauptgleichungen (Feldgleichungen) 10
2.1.3.2 Die Maxwellschen Nebengleichungen (Kontinuitätsgleichungen) 10
2.1.3.3 Die Stoffgleichungen 12
2.1.4 Einteilung der Felder.......................................................................................................13
2.1.4.1 Statische und stationäre Felder 13
2.1.4.2 Quasistationäre (induktive) Felder in Leitern 15
2.1.4.3 Quasistationäre (kapazitive) Felder in Isolierstoffen 16
2.1.4.4 Nichtstationäre Felder (elektromagnetische Wellen) 20
2.2 Technische Beanspruchungen...............................................................................................21
2.2.1 Beanspruchung mit Gleichspannung..............................................................................22
2.2.2 Beanspruchung mit Wechselspannung...........................................................................23
2.2.3 Beanspruchung mit Schaltstoßspannung („Innere Überspannungen“)..........................24
2.2.4 Beanspruchung mit Blitzstoßspannung („Äußere Überspannungen“)............................25
2.2.5 Beanspruchung mit sehr schnell ansteigenden Impulsen („Fast Transients“)...............25
2.2.6 Mischfeldbeanspruchungen............................................................................................28
2.3 Statische, stationäre und quasistationäre Felder in homogenen Dielektrika...................28
2.3.1 Analytische Auswertung der Kontinuitätsgleichung......................................................29
2.3.1.1 Grundsätzlicher Berechnungsweg 29
2.3.1.2 Kugelsymmetrische Felder 30
2.3.1.3 Zylindersymmetrische Felder 33
2.3.1.4 Homogene Felder 36
2.3.1.5 Feldverzerrungen durch Raumladungen 37
2.3.2 Analytische Auswertung der Potentialgleichung............................................................38
2.3.3 Graphische Feldermittlung (für ebene Felder)................................................................39
2.3.4 Methode der konformen Abbildung (für ebene Felder)..................................................43
2.3.5 Ersatzladungsverfahren...................................................................................................47
2.3.5.1 Leitende Kugeln (Punktladungen) 47
2.3.5.2 Feld zwischen zwei leitenden Kugeln (Kugelfunkenstrecke) 53