Schirmisolator, insbesondere für Freilufthochspannungsanlagen Stab- und rohrförmige Isolatoren werden bekannt- lieh mit Schirmen versehen, um bei möglichst kurzer oder gegebener Sehlagweite eine hohe Sicherheit ge gen Regen- und Fremdschichtüberschläge zu erhalten. Die Bemessung der Schirme und deren Anordnungen erfolgte bisher nach Erfahrungen, die bei der grossen Zahl der möglichen Kombinationen nur schwer die wirklich günstigen Kombinationen finden lassen.
Erfindungsgemäss ist ein rotationssymmetrischer Schirmisolator, insbesondere für Freilufthochspan- nungsanlagen, so ausgebildet, dass die Masse der Schirmteilungen der Massverhältnisgleichung
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genügen,
wobei
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<B><I>Di <SEP> =</I></B> <SEP> Strunkdurchmesser <SEP> am <SEP> Schirm
<tb> <I>t <SEP> <B>=</B></I> <SEP> Länge <SEP> der <SEP> Schirmteilung
<tb> <B><I>b <SEP> =</I></B> <SEP> Strunklänge <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> Schirmen
<tb> <I>a=t-b <SEP> <B>=</B></I> <SEP> Schirmwarzeldicke <SEP> einschliesslich <SEP> <B>Ab-</B>
<tb> rundungen
<tb> <B>1 <SEP> =</B> <SEP> Kriechweglänge <SEP> an <SEP> der <SEP> Oberfläche <SEP> des
<tb> Schirmes
<tb> <B><I>dl <SEP> =</I></B> <SEP> Differential <SEP> der <SEP> Kriechweglänge
<tb> <B><I>ffl <SEP> =</I></B> <SEP> Schirmdurchmesser <SEP> als <SEP> Funktion <SEP> der
<tb> Kriechweglänge ist.
Der Isolator nach der Erfindung hat den Vorteil, dass die Schirme die Teilentladungen, die vor einem Fremdschichtüberschlag auftreten, wirksam stabilisie ren können und optimale Bedingungen zum Löschen der Teilentladungen bieten. Die Schmutzschicht der Schirme kann dabei als Schichtwiderstand angesehen werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Teilentladungen an der Oberfläche eines schirmlosen verschmutzten Zylinders nur bis zur halben Länge des Zylinders stabil sein können, wobei der ent ladungsfreie, freradschichtbehaftete Teil des Zylin- de,rs als stabilisierender Schichtwiderstand wirkt., Dieser Teil kann durch einen Schirm ersetzt werden, der bei gleicher Verschmutzung den gleichen Widerstand besitzt. Durch diesen Ersatz wird der Isolator entsprechend verkürzt.
Bringt man einen solchen Schirm an, dann werden sich die Teilentladungen wegen der durch den geringeren Durchmesser bedingten grösseren Stromdichte am Strunk tatsächlich auf den schirmlosen Strunkab- schnitt konzentrieren, womit die praktischen Voraus setzungen zur Betrachtung des verschmutzten Schir mes als stabilisierender Schichtwiderstand ausreichend erfüllt sind. Für den Schichtwiderstand des rotations symmetrischen Schirmes gilt
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wobei %F, der spezifische Schichtleitwert, von der Grösse und Art der Verschmutzung abhängt.
Für den Schichtwiderstand eines schirmlosen zy lindrischen Isolators mit der Länge<B>b</B> gilt
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wobei die Strunklänge <B>b</B> zwischen zwei Schirmen die grösste Länge stabiler Vorentladungen sein soll. Er- #etzt man einen zylindrischen Schichtwiderstand dieser Länge durch den Schichtwiderstand des Schirmes, dann ergibt sich die charakteristische Widerstandsglei chung
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aus der die Massverhältnisgleichung der Schirmteilung
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folgt, die unabhängig von der Grösse des Isolators und unabhängig von der Grösse und Form der Schirme gilt.
Der Wert<B>1</B> der Massverhältnisgleichung gilt für den Fall, dass die Schirme völlig entladungsfrei sind und mit ihrer gesamten Kriechweglänge als stabflisie- render Widerstand dienen. Zur Berücksichtigung der Teilentladungen auf den Schirmen hat man für<B>1</B> einen Faktor<B>k</B> mit dem äusseren Toleranzbereich <B>1</B> :## <B><I>k < </I> 1,5</B> eingesetzt. Für technisch günstige Schirme, wie sie im folgenden noch näher beschrieben werden, kann man den Korrekturfaktor<B>k</B> in dem Be reich 1,2<B> < <I>k < </I> 1,35</B> wählen. Für schwach konische Isolatoren kann man mit dem mittleren Durchmesser zwischen zwei Schirmen rechnen.
Das Integral
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kann am einfachsten graphisch bestimmt werden, in dem man den reziproken Durchmesser über der Kriechweglänge <B>1</B> aufträgt und die Fläche
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unter der Kurve
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zwischen den Grenzen<B>1 = 0</B> und<B>1</B> an der Stelle (t<B><I>-</I> b)</B> durch Messung bestimmt.
Man kann die Schirme auch so ausbilden, dass das Verhältnis von Schirmaussendurchmesser D., zum Strunkdurchmesser D,
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ist, wenn dem nicht andere Gesichtspunkte entgegen stehen. Man erreicht dadurch, dass das Strömungs feld auf der Oberfläche noch nicht zu inhomogen wird. Für dünne Freiluftisolatoren würden damit die Schirme und die Schirmteilung in bezug auf den Trop- fenüberschlag beim Regen zu klein.
Für Freiluftisola toren gilt zweckmässig als untere Grenze der Schirm ausladung
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Es hat sich ferner ergeben, dass es nicht zweck mässig ist, unsymmetrische Schirme zu verwenden. Im Gegensatz zu den bisher bei Freiluftisolatoren üblicher weise nach unten geneigten Schirmen werden die Schirme vorteilhaft symmetrisch ausgeführt. Bei Re gen wird dann also auch die Unterseite der Schirme von herabrinnendem Wasser benetzt und gereinigt. Auf Grund der neuen Ausbildung des Isolators treten dadurch keine besonderen Nachteile auf. Um die Ge fahr eines Tropfenüberschlages zu vermeiden, ist lediglich zu beachten, dass die Schirmausladung bei Freiluftisolatoren, wie oben gesagt, ein Mindestmass von etwa<B>5</B> cm nicht unterschreitet.
Ferner macht man die Schirme mit Vorteil so dünn wie möglich. Man erreicht dadurch die grösst mögliche Verkürzung des Isolators. Die Grenzen sind hierbei etwa durch die Fertigungsmöglichkeiten oder durch die Grenze der Durchschlagsfestigkeit des Schir mes gegeben. Man wird mit Vorteil die Schirmwurzel- dicke (t<B><I>-</I> b)</B> kleiner als 1,4/ der Kriechweglänge des Schirmes bemessen.
Den übergang zwischen dem Schirm und dem Strunk des Isolators rundet man vorteilhaft mit mög lichst geringen Radien, und zwar kleiner als<B>1/5</B> der Schirmwurzeldicke (t-b), ab. Man erhält dadurch eine grössere Strunklänge, die für Entladungen zur Verfügung steht und verbessert damit die Schirmwir kung. Man kann den übergang auch noch mit einer leitenden Glasur versehen, wodurch das übergreifen der Entladungen auf den Schirm behindert wird.
Be sonders vorteilhaft sind Glasuren mit einer Oberflä chenleitfähigkeit von<B>3</B> bis<B>15</B> liS. Diese Schichtleit fähigkeit entspricht der Leitfähigkeit einer Wasserhaut von etwa<B>1 .</B> 102 bis<B>5<I>-</I> 102</B> li, Dicke bei einem spe zifischen Leitwert von<B>300</B> liS/cm. Die Breite der leit fähigen Glasurstreifen soll zweckmässig auf dem Schirm etwa<B>1/1</B> ()
der Schirmausladung und am Strunk- abschnitt etwa 1/2. der Strunkabschnittslänge <B>b</B> bzw. eine Gesamtbreite von etwa<B>8</B> cm nicht überschreiten.
Die Isolatorenden werden zweckmässig bis auf den Schirmaussendurchmesser verstärkt. Damit enden die Elektroden in einem Bereich geringer Oberflä- chenstromdichte am verschmutzten Isolatorkörper, und es wird weitgehend eine Konzentration der dem Fremdschichtüberschlag vorausgehenden Teilentla dungen vermieden. Diese Verbesserung der Randbe dingungen ermöglicht nicht nur eine volle Ausnutzung der äusseren Schirmteilungen, sondern verbessert auch durch Stromverteilung die Stabilisierungsmöglichkeit der Teilentladungen in angrenzenden, verschmutzten Schirmteilungen.
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt. Es handelt sich um einen aus Por zellan hergestellten Freiluftisolator. Von dem Isolator ist in Fig. <B>1</B> der an den Befestigungsflansch<B>1</B> angren zende Teil 2 etwa von der Länge einer Schirmteilung und ein zwischen den Enden liegender Teil<B>3</B> dar gestellt. Die Befestigung der Armatur am oberen Ende des Isolators erfolgt in der gleichen Weise wie bei dem dargestellten unteren Ende. Der Isolator endet an der Befestigungsstelle mit einem Durchmesser, der gleich dem Schirmdurchmesser D" <B>280</B> mm ist, während der Strunkdurchmesser Di <B>180</B> mm be trägt. Die Schlagweite s zwischen den leitenden Teilen beträgt 1200 mm.
Dazwischen sind dreizehn Schirme 4 angeordnet. Der Abstand der Schirme beträgt bei den zwischen den Enden liegenden normalen Schirm teilungen t # 84 mm. Die Schirmteilung an den En den ist mit t, # <B>96</B> mm um 12 mm grösser. Dies er gibt sich aus dem wesentlich grösseren übergangsra- dius ri' vom Strunk auf die schirmähnliche Erwei- tung <B>5</B> an den Enden des Isolators. Der Radius r,' beträgt<B>10</B> mm gegenüber dem nur<B>1</B> mm betragenden Radius ri der Schirme 4.
Ausserdem ist die etwa dem halben Schirm entsprechende Erweiterung des Isola tors an den Enden mit einem grösseren Neigungswin kel als die der anderen Schirme ausgeführt, um eine mechanisch festere Ausführung zu erhalten. Das Mass <I>t</I> der anderen Schirmteilungen setzt sich zusammen aus Schirmwurzeldicke a = <B>16,6</B> mm (einschliesslich Abrundungsradien r,) und Strunklänge zwischen den Schirmen<B>b =</B> 67,4 mm. Die Schirme sind an ihrem Aussenrand mit einem Radius r" <B>=</B> 4 mm abgerundet.
Der Isolator kann nach folgender Rechnung kon struiert werden.
Ausgehend von den gegebenen Grössen, der Schlag weite<I>s<B>=</B></I> 1200 mm und dem Strunkdurchmesser Di <B>= 180</B> mm, die aus konstruktiven Gründen vor gesehen sind, wird der Schirmaussendurchmesser zu nächst als
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bestimmt. Die Schirmausladung
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beträgt dann aber nur <B>37,5</B> mm. Dieser Wert ist für Freiluftisolatoren im Hinblick auf die Gefahr eines Tropfenüberschlages bei Regen zu gering. Um einen derartigen überschlag zu vermeiden, soll die Schirmausladung von Freiluftiso latoren mindestens<B>50</B> mm betragen.
Gewählt wird in erster Näherung eine Schirmausladung von<B>55</B> mm, so dass sich ein Schirmaussendurchmesser Da<B><I>=</I></B> Di <B><I>+</I></B> 2<B>-<I>55</I></B> = <B>290</B> mm ergibt. Nunmehr wird das Schirm profil entworfen. Gewählt wird ein symmetrischer Schirm, dessen Schirmwurzeldicke kleiner als 1/4 der Kriechweglänge des Schirmes, also angenähert <B>, -</B> (Da<B><I>-</I> D)</B> aus Gründen mechanischer und <I>a<B> < </B></I><B> 1/</B> elektrischer Festigkeit auf etwa<B>17</B> mm festgelegt wird.
Aus dem gleichen Grunde wird der Abrun- dungsradius r", in den die beiden Flanken des Schir mes am Schirmaussenrand übergehen, zu 4 mm fest gelegt.
Das Schirmprofil wird dann, wie Fig. 2 zeigt, in vergrössertem Massstab aufgezeichnet, um das Integral
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graphisch zu ermitteln. Es genügt bei dem verwende ten symmetrischen Profil, die eine Hälfte des Schir mes aufzutragen. Aus den aus der Zeichnung abzu greifenden Massen wird die Kurve in Abhängig keit von der Kriechweglänge <B>1</B> dargestellt.
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(Fig. <B>3)</B> und die Fläche unter der Kurve
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bestimmt. Die zu dem gewählten Schirmprofil ge- hörende Strunklänge
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ergibt sich dann bei einem Korrekturfaktor<B>k</B> = 1,2 zu<B>b</B> = <B>70</B> mm.
Die Schirmteilung t<B><I>=</I></B><I> a<B>+ b</B></I> ist damit<B>87</B> mm. Daraus ergibt sich die Zahl n der Schirmteilungen<B>zu</B>
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etwa gleich 14. Um aber bei der gegebenen Schlag weite s eine grössere mechanische Festigkeit an den Enden zu erreichen, werden die vorher angegebenen Abmessungen gewählt. Schirmwurzeldicke, Schirm ausladung und Strunkabschnittslänge werden also etwas verringert, um den an den Enden in der Befesti gungsstelle einmündenden halben Schirm mechanisch günstiger ausführen zu können. Eine nochmalige Kon trolle der Masse der neuen Schirmteilung entsprechend der in Fig. 2 dargestellten graphischen Integration er gibt einen Korrekturfaktor<B>k =</B> 1,24.
Die Berechnung der Schirme und der Schirmtei lung nach Massverhältnissen gilt für Hochspannungs isolatoren jeder Art (Stützer, Langstäbe, Isolatoren für Schalter, Wandler, überspannungsableiter usf.), sofern der Abstand zwischen den Schirmen von einem Isolierstoffstrunk gebildet wird. Werden die Schirme von Metallteilen gehalten, dann gilt diese Rechnung nicht; sie gilt also z. B. nicht für sogenannte Ketten isolatoren.
Die Massverhältnisgleichung beschreibt für Isolatoren mit Isolierstoffstrunk die günstigste Schirm anordnung, wenn die Potentialverteilung am Isolator von dem Strömungsfeld in der leitenden Fremdschicht und den von der Fremdschicht stabilisierten Gasent ladungen bestimmt wird. Damit gilt die Massverhält- nisrechnung immer für den im Betrieb verschmutzten Isolator zur optimalen Heraufsetzung der Fremd schicht- und Regenüberschlagsspannung.