DE1078655B

DE1078655B - Rotationssymmetrischer Hochspannungsschirmisolator, insbesondere fuer Freiluftanlagen

Info

Publication number: DE1078655B
Application number: DES59143A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Horst Naecke
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-07-23
Filing date: 1958-07-23
Publication date: 1960-03-31
Also published as: CH372719A

Description

Stab- und rohrförmige Isolatoren werden bekanntlich mit Schinnen versehen, um bei möglichst kurzer, gegebener Schlagweite eine hohe Sicherheit gegen Regen- und Fremdschichtüberschläge zu erhalten. Die Bemessung der Schirme und deren Anordnung erfolgte bisher nach Erfahrungen, die bei der großen Zahl der möglichen Kombinationen nur schwer die wirklich günstigen Kombinationen finden lassen.

Erfindungsgemäß werden rotationssymmetrische Hochspannungsschirmisolatoren, insbesondere für Freiluftanlagen, so ausgebildet, daß die Schirmteilung der Maßverhältnisgleichung

rut-J i=o

D(I)

~ K_F ''"ä J _l

D(I)

genügt, wobei k der Korrekturfaktor (abhängig von der Entladungsverteilung auf Schirm und Strunk; k zwischen den Grenzen 1,2 und 1,5), a = (t — δ) die Schirmwurzeldicke einschließlich Abrundungen, t die Schirmteilung, δ die Strunklänge zwischen den Schirmansatzpunkten, I die Kriechweglänge an der Oberfläche des Schirmes, dl das Differential der Kriechweglänge und D(I) der Schirmdurchmesser als Funktion der Kriechweglänge ist.

Der Isolator nach der Erfindung hat den Vorteil, daß die Schirme die Teilentladungen, die vor einem Fremdschichtüberschlag auftreten, wirksam stabilisieren 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 entladungsfreie, fremdschichtbehaftete Teil des Zylinders 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 Strunkabschnitt konzentrieren, womit die praktischen Voraussetzungen zur Betrachtung des verschmutzten Schirmes als stabilisierender Schichtwiderstand ausreichend erfüllt sind. Für den Schichtwiderstand des rotationssymmetrischen Schirmes gilt

"¹P-⁶* dl

wobei Kp, der spezifische Schichtleitwert, von der Größe und Art der Verschmutzung abhängt.

Rotationssymmetrischer

Hochspannungsschirmisolator,

insbesondere für Freiluftanlagen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Horst Näcke, Berlin-Spandau,
ist als Erfinder genannt worden

Für den Schichtwiderstand eines schirmlosen zylindrischen Isolators mit der Länge δ gilt

1 f,

A₂=-

TuD₁

wobei die Strunklänge b zwischen zwei Schirmen die größte Länge stabiler Vorentladungen sein soll. Ersetzt man einen zylindrischen Schichtwiderstand dieser Länge durch den Schichtwiderstand des Schirmes, dann ergibt sich die charakteristische Widerstandsgleichung

ν-*» dl

= O D(I)

aus der die Maßverhältnisgleichung der Schirmteilung

D₁

/~Ζ(ί-J 1 = 0

-») dl

D(I)

folgt, die unabhängig von der Größe des Isolators und unabhängig von der Größe und Form der Schirme gilt. Der Wert 1 der Maßverhältnisgleichung gilt für den Fall, daß die Schirme völlig entladungsfrei sind und mit ihrer gesamten Kriechweglänge als stabilisierender Widerstand dienen. Zur Berücksichtigung der Teilentladungen auf den Schirmen setzt man für 1 einen Faktor k mit dem äußeren Toleranzbereich 1,2 <jj k <| 1,5 ein. Für technisch günstige Schirme, wie sie im folgenden noch näher beschrieben werden, wählt man den Korrekturfaktor h in dem Bereich 1,2 ^ k ^ 1,35. Für schwach konische Isolatoren kann man mit dem mittleren Durchmesser zwischen zwei Schirmen rechnen.

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3 4

Das Integral Schirmteile, sondern verbessert auch durch Stromver-

teilung die Stabilisierungsmöglichkeit der Teilentladungen in angrenzenden, verschmutzten Schirmteilen.

f\/J\ ■*-*■*· **A A^ J. WIZjUIUV.!!, V \sL Olsllill U. \.Li LCJ. ± »JOJ.111J.1X UClJLCIl-

^{2 = 0} ^' In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erkann am einfachsten graphisch bestimmt werden, indem 5 findung dargestellt. Es handelt sich um einen aus j , _ , .... . ι , , _Tr . , Porzellan hergestellten Freiluftisolator. Von dem Isolator man den reziproken Durchmesser -^ über der Kriechweg- _ist ^_{1 Fig} _t _{der an den} Befestigungsflansch 1 angrenzende

, - . -.. _ , , ι Teil 2, etwa von der Länge einer Schirmteilung, und ein

länge Z aufträgt und die Fläche unter der Kurve ^ _zwischen den Enden Hegender Teil 3 dargestellt. Die

zwischen den Grenzen I = O und I an der Stelle (t ■— ö) ¹⁰ Befestigung der Armatur am oberen Ende des Isolators durch Messung bestimmt. ' erfolgt in der gleichen Weise wie bei dem dargestellten Gemäß der weiteren Erfindung bildet man die Schirme unteren Ende. Der Isolator endet an der Befestigungsso aus, daß das VerhältnisvoöSchirmaußendurchmesserZ)« stelle mit einem Durchmesser, der gleich dem Schirm-„ , , „ , D_n „ r- . durchmesser D_a = 280 mm ist, während der Strunkzum Strunkdurchmesser D₁, also -^- £ ]fl ist, wenn _{15 durchrnesser} _Di _{β 180 mm betr}ägt. Die Schlagweites

dem nicht andere Gesichtspunkte entgegenstehen. Man zwischen den leitenden Teilen beträgt 1200 mm. Daerreicht dadurch, daß das Strömungsfeld auf der Ober- zwischen sind dreizehn Schirme 4 angeordnet. Der Abflache noch nicht zu inhomogen wird. Für dünne Freiluft- stand der Schirme beträgt bei den zwischen den Enden isolatoren würden damit die Schirme und die Schirm- liegenden normalen Schirmteilungen t — 84 mm. Die teilung in bezug auf den Tropfenüberschlag beim Regen ²⁰ Schirmteilung an den Enden ist mit t_e = 96 mm um zu klein. Für Freiluftisolatoren gilt als untere Grenze 12 mm größer. Dies ergibt sich aus dem wesentlich

η D₁ größeren ÜbergangsradiusT₁'vom Strunk auf die schirm-

der Schirmausladung —j-- = S cm. ähnliche Erweiterung 5 an den Enden des Isolators.

Es hat sich ferner ergeben, daß es nicht zweckmäßig Der Radius T₁ beträgt 10 mm gegenüber dem nur 1 mm ist, bezüglich Schirmober-und-Unterseite unsymmetrische ²5 betragenden Radius T₁ der Schirme 4 an der Schirm-Schirme zu verwenden. Im Gegensatz zu den bisher bei wurzel. Außerdem ist die etwa dem halben Schirm ent-Freiluftisolatoren übHcherweise nach unten geneigten sprechende Erweiterung des Isolators an den Enden mit Schirmen werden die Schirme symmetrisch ausgeführt. einem größeren Neigungswinkel als die der anderen Bei Regen wird dann also auch die Unterseite der Schirme Schirme ausgeführt, um eine mechanisch festere Ausvon herabrinnendem Wasser benetzt und gereinigt. 3<> führung zu erhalten. Das Maß t der anderen Schirm-Auf Grund der neuen Ausbildung des Isolators treten teilungen setzt sich zusammen aus Schirmwurzeldicke dadurch keine besonderen Nachteile auf. Um die Gefahr « = 16,6 mm (einschließlich Abrundungsradien ^₁) und eines Tropfenüberschlages zu vermeiden, ist ledigHch zu Strunklänge zwischen den Schirmen b = 67,4 mm. Die beachten, daß die Schirmausladung bei Freiluftisolatoren, Schirme sind an ihrem Außenrand mit einem Radius wie oben gesagt, ein Mindestmaß von etwa 5 cm nicht 35 ^₂ = 4 mm abgerundet,
unterschreitet. ~: Der Isolator kann nach folgender Rechnung konstru-

Ferner macht man die Schirme mit Vorteil so dünn iert werden: Ausgehend von den gegebenen Größen,

wie möglich. Man erreicht dadurch die größtmögHche der Schlagweite s = 1200 mm und dem Strunkdurch-

Verkürzung des Isolators. Die Grenzen sind hierbei etwa messer D₁ = 180 mm, die aus konstruktiven Gründen

durch die Fertigungsmöglichkeiten oder durch die Grenze 4o so bestimmt sind, wird der Schirmaußendurchmesser

der Durchschlagsfestigkeit des Schirmes gegeben. Man zunächst als D_a = ]/ä" · D₁ = 225 mm bestimmt. Die

wird die Schirmwurzeldicke (t- b) kleiner als ein Viertel Schirmausladung beträgt dann aber nur 37,5mm. der Kriechweglänge des Schirmes bemessen. ° 2

Die Übergangsstrecke zwischen dem Schirm und dem Dieser Wert ist für Freiluftisolatoren im Hinbh'ck auf Strunk des Isolators rundet man in an sich bekannter 45 die Gefahr eines Tropfenüberschlages bei Regen zu Weise mit möglichst geringen.Radien, und zwar kleiner gering. Um einen derartigen Überschlag zu vermeiden, als ein Fünftel der Schirmwurzeldicke (t — δ), ab. Man soll die Schirmausladung von Freiluftisolatoren mindeerhält dadurch eine größere Strunklänge, die für Ent- stens 50 mm betragen. Gewählt wird in erster Näherung ladungen zur Verfügung steht, und verbessert damit die eine Schirmausladung von 55 mm, so daß sich ein Schirmwirkung. Man kann die Übergangsstrecke vom 5o Schirmaußendurchmesser D_a = D₁ +2- 55 = 290 mm Schirm zum Strunk auch noch mit einer leitenden Glasur ergibt. Nunmehr wird das Schirmprofil entworfen, versehen, wodurch das Übergreifen der Entladungen Gewählt wird ein symmetrischer Schirm, dessen Schirmauf den Schirm behindert wird. Besonders vorteilhaft wurzeldicke kleiner als ein Viertel der Kriechweglänge sind Glasuren mit einer Oberflächenleitfähigkeit von 3 des Schirmes, also angenähert a< ¹^" Ψ a — D₁), aus bis 15 [J.S. Diese Schichtleitfähigkeit entspricht der 55 Gründen mechanischer und elektrischer Festigkeit auf Leitfähigkeit einer Wasserhaut von etwa 1 · 1Ό² bis etwa 17 mm festgelegt wird. Aus dem gleichen Grunde 5 · ΙΟ² μ. Dicke bei einem spezifischen Leitwert von wird der Abrundungsradius r_z, in den die beiden Flanken 300 [xS/cm. Die Breite der leitfähigen Glasurstreifen soll des Schirmes am Schirmaußenrand übergehen, zu 4 mm auf dem Schirm etwa ein Zehntel der Schirmausladung festgelegt,
und am Strunkabschnitt etwa ein Zwanzigstel der 6o Das Schirmprofil wird dann, wie Fig. 2 zeigt, in ver-

Strunkabschnittslänge δ sein bzw. eine Gesamtbreite von _großertemMaß_st_ab aufgezeichnet, um das Integral [JL etwa 8 mm nicht überschreiten. ° ° J-Dl') Die Isolatorenden werden, zweckmäßig bis auf den graphisch zu ermitteln. Es genügt, bei dem verwendeten Schirmaußendurchmesser verstärkt. Damit enden die symmetrischen Profil die eine Hälfte des Schirmes aufElektroden in einem Bereich geringer Oberflächen- 65 zutragen. Nach den aus der Zeichnung abzugreifenden

stromdichte am verschmutzten Isolatorkörper, und es ,, _o ■ j -,· _rr 1 · a-u-u·· · ι ·+ a^

. , ., , , . _T, , ,. , 1 τ, , Maßen wird die Kurve -=-jr- m Abhängigkeit von der wird weitgehend eine Konzentration der dem Fremd- D[I) ° °

schichtüberschlag vorausgehenden Teilentladungen ver- Kriechweglänge / gezeichnet (s. Fig. 3) und die Fläche

mieden. Diese Verbesserung der Randbedingungen er- ^ Γ dl , , _Tr 1 , ,. , -r-.. ·, „

..,.,,.,, . 2 . . , j « ο - F ~ / -=r-^- unter der Kurve -=-^r- bestimmt. Diezudem

moglicnt nicht nur eine volle Ausnutzung der äußeren 7° J D[I) D[I)

gewählten Schirmprofil gehörende Strunldänge zwischen den Schirmansatzpunkten, also b — D₁- -^-, ergibt

sich dann bei einem Korrekturfaktor k = 1,2: b = 70 mm. Die Schirmteilung t = a + b ist damit 87 mm. Daraus

•ergibt sich die Zahl η der Schirmteilungen zu — etwa

gleich 14. Um aber bei der gegebenen Schlagweite s eine größere mechanische Festigkeit an den Enden zu erreichen, werden die vorher angegebenen Abmessungen gewählt. Schirmwurzeldicke, Schirmausladung und Strunkabschnittslänge werden also etwas verringert, um den an den Enden in der Befestigungsstelle einmündenden halben Schirm mechanisch günstiger ausführen zu können. Eine nochmalige Kontrolle der Maße der neuen Schirmteilung entsprechend der in Fig. 2 dargestellten graphischen Integration ergibt einen Korrekturfaktor k = 1,24.

Die Berechnung der Schirme und der Schirmteilung nach Maßverhältnissen gilt für Hochspannungsisolatoren 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 Kettenisolatoren. Die Anwendung der Maßverhältnisgleichung ergibt für Isolatoren mit Isolierstoffstrunk die günstigste Schirmanordnung, wenn die Potentialverteilung am Isolator von dem Strömungsfeld in der leitenden Fremdschicht und den von der Fremdschicht stabilisierten Gasentladungen bestimmt wird. Damit gilt die Maßverhältnisrechnung immer für den im Betrieb verschmutzten Isolator zur optimalen Heraufsetzung der Fremdschicht- und Regenüberschlagsspannung.

Claims

Patentansprüche:

1. Rotationssymmetrischer Hochspannungsschirmisolator, insbesondere für Freiluftanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmteilung der Maß- |o Verhältnisgleichung

D₁ _ k

b ~ Γ Ht-V)

D(I)

45 die Schirmwurzeldicke einschließlich Abrundungen, t die Schirmteilung, b die Strunklänge zwischen den Schirmansatzpunkten, I die Kriechweglänge an der Oberfläche des Schirmes, dl das Differential der Kriechweglänge und D(I) der Schirmdurchmesser als Funktion der Kriechweglänge ist.

2. Hochspannungsschirmisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Schirmdurchmesser (D_a) zu Strunkdurchmesser (D₁),

also -rr⁵- <Ξ λίζ ist, wobei für Freiluftisolatoren aber U₁ >

eine Schirmausladung von mindestens 5 cm einzuhalten ist.

3. Hochspannungsschirmisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schirmprofil in an sich bekannter Weise nach beiden Oberflächenseiten hin symmetrisch ist.

4. Hochspannungsschirmisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isoherkörper an den Stellen der metallischen Armaturen etwa einen Durchmesser besitzt, der dem Schirmaußendurchmesser entspricht.

5. Hochspannungsschirmisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmwurzeldicke (t — b) kleiner als ein Viertel der Kriechweglänge des Schirmes ist.

6. Hochspannungsschirmisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsstrecke zwischen dem Schirm und dem Strunk des Isolators mit einem Radius abgerundet ist, der kleiner als ein Fünftel der Schirmwurzeldicke (t — δ) ist.

7. Hochspannungsschirmisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsstrecke zwischen dem Schirm und dem Strunk des Isolators insbesondere durch eine leitende Glasur in an sich bekannter Weise elektrisch leitend ausgebildet ist.

8. Hochspannungsschirmisolator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Übergangsstrecke als um den Isolator laufender geschlossener Streifen von höchstens 8 mm Breite ausgebildet ist.

9. Hochspannungsschirmisolator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenleitfähigkeit der leitend ausgebildeten Übergangsstrecke 3 bis 15 ^S beträgt.

genügt, wobei k der Korrekturfaktor (abhängig von der Entladungsverteilung auf Schirm und Strunk; k zwischen den Grenzen 1,2 und 1,5), a = (t—-δ) In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 724903;
deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1754047;
schweizerische Patentschrift Nr. 204983.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

M» 768/313 3.60