Hochspannungstechnik: Grundlagen - Technologie - Anwendungen (VDI-Buch) (German Edition)

564 Pages·2005·8.63 MB·English

by  Andreas Küchler

Andreas Ku¨chler
Hochspannungstechnik
Andreas Ku¨chler
Hochspannungstechnik
Grundlagen { Technologie { Anwendungen
2., vollsta¨ndig bearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 405 Abbildungen
Prof. Dr.-Ing. Andreas Ku¨chler
FachhochschuleWu¨rzburg-Schweinfurt
Ignaz-Scho¨n-Str. 11
97421Schweinfurt
[email protected]
BibliografischeInformationDerDeutschenBibliothek
DieDeutscheBibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;
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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
VI Vorwort

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
Vorwort zur zweiten Auflage

Hochspannungstechnik ist, wie viele breit gestreute Anwendungen zeigen, eine Querschnittstech-
nologie der modernen Gesellschaft. Allerdings spiegelt sich heute die Bedeutung von Schlüssel-
technologien nicht überall im erforderlichen Maß in den Curricula der Ingenieursausbildung wieder.
Damit droht die volkswirtschaftlich wichtige technologische Breite und Tiefe an den Hochschulen
verloren zu gehen. Fachbücher müssen deshalb in Zukunft, gewissermaßen als „virtuelles Lehran-
gebot“, eine größer werdende Lücke zwischen Bildungsqualität und den Anforderungen der Praxis
schließen.

Bereits in der ersten Auflage des vorliegenden Buches wurde ein starkes Gewicht auf breite hoch-
spannungstechnische Grundlagen und auf den Brückenschlag zu Technologien und Anwendungen
gelegt. Das Buch hat deshalb gleichermaßen bei Studierenden und Anwendern eine erfreulich posi-
tive Aufnahme gefunden. Mit der nun vorliegenden zweiten Auflage soll dieses bewährte Konzept
erhalten und durch Verstärkung des Anwendungsbezuges ausgebaut werden:

Die grundlegenden Kap. 2, 3 und 5 über elektrische Beanspruchungen, elektrische Festigkeit und
Isolierstoffe wurden teilweise ergänzt, wie z.B. in den Abschnitten zum Öl- bzw. Vakuumdurch-
schlag, zu Polyäthylen, verflüssigten Gasen, Mineral- und Pflanzenölen oder Ölpapier. Kap. 4 über
dielektrische Eigenschaften hat eine umfangreichere Überarbeitung erfahren, im Hinblick auf die
Bedeutung, die dielektrische Systemeigenschaften bei der dielektrischen Diagnose gewinnen.

Die anwendungsorientierten Kap. 6 (Prüfen, Messen, Diagnose) und 7 (Anwendungen) wurden
stark erweitert:

Kap. 6 erhielt neue Abschnitte zur Isolationskoordination, zu Überspannungsableitern, zur Vor-Ort-
Prüftechnik, zu klassischen und elektrooptischen Messverfahren sowie zu Strom- und Spannungs-
wandlern. Diagnose und Online-Monitoring haben in den zurückliegenden Jahren sehr an Bedeu-
tung gewonnen, sie sind deshalb Gegenstand eines eigenen Kapitels 6.4. Die Darstellung der klassi-
schen Verfahren wurde erweitert und um neue Verfahren der Teilentladungsanalyse und der dielek-
trischen Diagnose ergänzt. Zum Online-Monitoring werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt,
die sich für unterschiedliche Betriebsmittel ergeben.

Die Beschreibung von Isolationssystemen in Kap. 7 war erheblich zu erweitern, wie z.B. in den
Abschnitten über Kabel, Transformatoren, Maschinen, Leistungsschalter sowie Gleich- und Impuls-
spannungsisolationen. Darüber hinaus waren neue „exotische“ Anwendungen und Herausforderun-
gen zu berücksichtigen, u.a. in der Motorentechnik für Hochleistungszündkerzen, in der Medizin-
technik für neue Therapieansätze, in der Tieftemperaturtechnik für die Isolation supraleitender Be-
triebsmittel oder in der Hochleistungsimpulstechnik für die Herstellung nanokristalliner Werkstoffe,
für elektrodynamische Material-Fragmentierung oder für die Elektroporation biologischer Zellen.

Erweiterte Sachwort- und Literaturverzeichnisse sollen dem Anwender den Zugriff auf spezielle
Fragen und auf weiterführende Quellen erleichtern. An vielen Stellen wird außerdem auf Normen
und Standards Bezug genommen, um einen Einstieg in den Dschungel der vielfach verschlungenen
Vorschriften zu finden. Dies ist allerdings nur auszugsweise, beispielhaft und nach dem heutigen
aber vergänglichen Stand des Normenwesens möglich. Der Anwender muss letztlich selbst die je-
weils gültigen und aktuellen Normen zu Rate ziehen.

Wiederum möchte ich dankbar bekennen, dass die Neugestaltung des Buches nur durch die Unter-
stützung von vielen Seiten möglich war:

An erster Stelle sind das Verständnis meiner Familie und die Unterstützung meiner Frau zu nennen.
VIII Vorwort
Wichtig waren aber auch die Anregungen, die ich von den Lesern der ersten Auflage und durch die
Zusammenarbeit mit zahlreichen hoch geschätzten Fachkollegen erhalten habe. Stellvertretend für
viele sei vor allem den Herren Dr. J.J. Alff, Dr. R. Badent, Prof. Dr. H. Bluhm, Prof. Dr. H. Borsi,
Ing. grad. B. Breitenbauch, Dr. P. Deister, Dr. W. Hauschild, Dr. V. Der Houhanessian, Dr. J.
Hoppe, Dr. A. Kachler, Dr. T. Kaiser, Prof. Dr. D. Kind, Dipl.-Ing. H.J. Kirch (†), Dr. N. Koch,
Dipl.-Ing. C. Krause, Prof. Dr. W. Kühn, Prof. Dr. T. Leibfried, Prof. Dr. A.M. Miri, Prof. Dr. M.
Muhr, Prof. Dr. C. Neumann, Dr. U. Piovan, Prof. Dr. R. Porzel (†), Prof. Dr. M. Rossner, Prof. Dr.
T. Saha, Prof. E. Schneider (†), Prof. Dr. A.J. Schwab und Prof. Dr. W.S. Zaengl herzlich gedankt.
Mein ganz besonderer Dank gilt aber meinen Kollegen Prof. Dr. M. Hartje und Prof. Dr. M. Hoof
aus Bremen und aus Kaiserslautern sowie Herrn Dipl.-Ing. (FH) M. Borlein, die die Mühen des
Korrekturlesens auf sich genommen haben und denen ich viele wertvolle Hinweise verdanke. Den
Herren Dipl.-Ing. (FH) F. Hüllmandel, Dipl.-Ing. (FH) K. Böhm undF. Klauer möchte ich für ihre
Unterstützung bei allen technischen Problemen recht herzlich danken.
Mein Dank gilt auch den Firmen Alstom, HSP Hochspannungsgeräte Porz GmbH, Robert Bosch
GmbH, Siemens AG und Weidmann Transformerboard Systems AG sowie der FH Würzburg-
Schweinfurt für die Überlassung von Bildmaterial.
Die in dieser Auflage verarbeitete Erfahrung hätte nicht entstehen können, wenn nicht der Freistaat
Bayern, die Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt mit ihrem Präsidenten Prof. Dr. H. Weber, der
Fachbereich Elektrotechnik mit seinem Dekan Prof. Dr. F. Vilsmeier sowie öffentliche und private
Drittmittelgeber für gute Rahmenbedingungen in Forschung und Lehre gesorgt hätten. Auch hierfür
sei in Zeiten hochschulpolitischer Turbulenzen ausdrücklich gedankt.
Einen besonderen Dank möchte ich an den Springer-Verlag und an seine Lektorin Frau Sigrid
Cuneus für die Neuauflage des Buches und für die gute, verständnisvolle Zusammenarbeit richten.
Dank gebührt abschließend noch einmal allen Lesern, die mir Anregungen und Hinweise zukom-
men ließen. Damit möchte ich die Bitte verbinden, dies auch in Zukunft zu tun und mich unter
[email protected] zu kontaktieren.
Schweinfurt und Hammelburg, im Oktober 2004
Andreas Küchler
Inhalt
1 Einführung...........................................................................................................................1
1.1 Aufgabe der Hochspannungstechnik......................................................................................1
1.2 Anwendungen der Hochspannungstechnik...........................................................................1
1.3 Perspektiven der Hochspannungstechnik..............................................................................2
1.4 Übersicht...................................................................................................................................2
2 Elektrische Beanspruchungen............................................................................................5
2.1 Grundlagen des elektrischen Feldes.......................................................................................5
2.1.1 Feldgrößen........................................................................................................................6
2.1.2 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
2.3.5.3 Parallele Linienladungen 57
2.3.5.4 Felder in der Umgebung zylindrischer Leiter 59
2.3.6 Ähnlichkeitsbeziehungen, Homogenitätsgrad („Schwaigerscher Ausnutzungsfaktor“) 69
2.3.7 Ausmessung stationärer Strömungsfelder.......................................................................72
2.3.7.1 Analogie zwischen dielektrischem Verschiebungsfeld und stationärem Strömungsfeld 73
2.3.7.2 Messungen auf halbleitendem Papier („Widerstandspapier“) 73
2.3.7.3 Messungen in halbleitenden Flüssigkeiten („Elektrolytischer Trog“) 74
X Inhalt

2.4 Statische, stationäre und quasistationäre Felder in inhomogenen Dielektrika................74
2.4.1 Leitfähigkeit und Polarisation.........................................................................................75
2.4.1.1 Leitfähigkeit 75
2.4.1.2 Polarisation 76
2.4.2 Geschichtete Dielektrika.................................................................................................79
2.4.2.1 Grenzflächen 79
2.4.2.2 Quer geschichtetes Dielektrikum („Feldverdrängung“) 80
2.4.2.3 Längs geschichtetes Dielektrikum (Tangentiale Grenzfläche, „Interface“) 82
2.4.2.4 Schräg geschichtetes Dielektrikum („Brechungsgesetze“) 82
2.4.3 Analytische Berechnung geschichteter Dielektrika........................................................84
2.4.3.1 Ebene, zylindersymmetrische und kugelsymmetrische Schichtungen 84
2.4.3.2 Spalte und Risse 89
2.4.3.3 Zwickel (Tripel-Punkte) 91
2.4.3.4 Hohlräume und dielektrische Kugeln 94
2.4.4 Gleichspannung und Übergangsvorgänge......................................................................96
2.4.4.1 Analogien zum dielektrischen Verschiebungsfeld 96
2.4.4.2 Typische Gleichspannungsfelder 99
2.4.4.3 Übergangsvorgänge 102
2.5 Numerische Feldberechnung...............................................................................................108
2.5.1 Übersicht.......................................................................................................................108
2.5.2 Ersatzladungsverfahren.................................................................................................109
2.5.3 Finite-Differenzen-Verfahren.......................................................................................111
2.5.4 Methode der Finiten Elemente......................................................................................113
2.6 Schnell veränderliche Felder und Wanderwellen.............................................................119
2.6.1 Leitungsgebundene TEM-Welle...................................................................................119
2.6.2 Reflexionsvorgänge......................................................................................................123
2.6.2.1 Grundlagen 123
2.6.2.2 Wellenersatzbild 125
2.6.2.3 Mehrfachreflexionen 126
2.6.3 Beispiele........................................................................................................................129
2.6.3.1 Gasisolierte Schaltanlage („Fast Transients“) 129
2.6.3.2 Schutzbereich von Überspannungsableitern 131
2.6.3.3 Leitungsgeneratoren 132
3 Elektrische Festigkeit......................................................................................................135
3.1 Statistische Grundlagen.......................................................................................................135
3.1.1 Statistische Beschreibung von Entladungsvorgängen...................................................135
3.1.1.1 Zufallsgrößen 135
3.1.1.2 Verteilungsfunktionen 136
3.1.1.3 Parameterschätzung 138
3.1.1.4 Beispiel einer Messreihe 139
3.1.2 Beschreibung von Entladungsvorgängen mit theoretischen Verteilungsfunktionen....140
3.1.2.1 Vergleich empirischer Verteilungen mit theoretischen Verteilungen 141
3.1.2.2 Die Gaußsche Normalverteilung 142
3.1.2.3 Die Weibull-Verteilung 143
3.1.2.4 Parameterschätzung 145
3.1.3 Vergrößerungsgesetze...................................................................................................147
3.1.4 Korrelation und Regression, Lebensdauergesetz..........................................................150
3.2 Gasentladungen....................................................................................................................152
3.2.1 Gasentladungskennlinien..............................................................................................153
3.2.1.1 Unselbständige und selbständige Entladung 153
3.2.1.2 Gasentladungskennlinie, Einstellung von Arbeitspunkten 153
3.2.1.3 Erscheinungsformen von Gasentladungen 156