N - Fachgebiet Hochspannungstechnik

Maßnahmen zur Feld- und Potentialsteuerung 

Enge Luftspalte 

Fachgebiet 

Hochspannungstechnik 

Hochspannungstechnik / Kapitel 8 - 1 -


Tripelpunkte 





Tripelpunkte 





Tripelpunkte 





Vermeidung tangentialer Feldstärkebeanspruchung 

Vorgeschobene Elektrode 





Durchführungen 















Ausleitungen 





Ausleitungen 

Kabelende 

? 

Kabelverbindung 

? 





Ausleitungen 





Ausleitungen 





Gleitanordnungen 

• Feldlinien mit starker Normal- und Tangentialkomponente an der Oberfläche 

• starke kapazitive Kopplung Oberflächenladungen - Gegenelektrode 

• Kein Durchschlag wegen der hohen elektrischen Festigkeit des Isolators 

• ggf. Überschlag entlang der Oberfläche 

• Nach TE-Einsatz: Entwicklung von Gleitbüscheln, gespeist durch 

kapazitive Ströme 





"Toeplersche Gleitanordnung" 

Glasplatte 

Knopfelektrode 

Geerdete Metallfolie 

auf der Rückseite 






bei scharfkantigen Elektroden 

bei gewölbten Elektroden 

Spannungsbedarf des 

Leaders (Stiel) sinkt mit 

wachsender Länge 






Wichtigste Maßnahme überhaupt bei Gleitanordnungen: 

TE-Einsatz vermeiden! 

Kritischste Stelle: Tripelpunkt "Erdelektrode - fester Isolierstoff - Luft" 




Durchführungen und Ausleitungen 

Einschränkung 

In dieser Vorlesung nur Behandlung von Wechselspannungsanordnungen 

Bei Gleichspannung: andere Probleme und andere Lösungswege 

Beispiel: 

• Gleitentladungen unproblematisch, 

da Kapazitäten unwirksam bei Gleichspannung 

• kapazitive Steuerung nicht möglich 





Ungesteuerte Durchführungen 

Porzellandurchführung für U m = 7,2 kV 

("Unterer Mittelspannungsbereich") 

1 Durchgesteckter Bolzen 

2 Innerer Leitbelag 

3 Isolierkörper 

4 Äußerer Leitbelag 

5 Flansch 






Gießharzdurchführung für U m = 7,2 kV 

("Unterer Mittelspannungsbereich") 

1 Eingegossener Bolzen 

2 Isolierkörper 

3 Eingegossene vorgeschobene Erdelektrode 

4 Flansch 






Porzellandurchführung für U m



Freiluft-Gas-Durchführung für U m



Äquipotentiallinien 

Feldstärken 





Gesteuerte Durchführungen 

Einsatz in Hoch- und Höchstspannungsebenen 

Prinzip: 

• leitfähige Beläge 

(kapazitive Steuerung) 

• eingewickelt --> Papier! 

• vorgeschobene 

Erdelektrode 











Regel 1: Vermeiden von Teilentladungen im Dielektrikum 







⎛ s ⎞ 

= ⋅ ⎜ ⎟ 

⎝ ⎠ 

Ue 

K ε 

r 

U e in kV, s in cm 

05 , 

Anordnung 

K 

Metallrand 

in Luft 8 

in SF 6 21 

Metall- oder Grafitrand in Öl 30 

Grafitrand in Luft 12 







⎛ s ⎞ 

= ⋅ ⎜ ⎟ 

⎝ ⎠ 

Ue 

K ε 

r 

U e in kV, s in cm 

05 , 

Zahlenbeispiel: Für eine Metallfolie in Ölpapierdielektrikum 

(ε r 

= 4; K = 30) 

Einsetzspannung von 7,5 kV bei Schichtdicke 2,5 mm. 

Doppelte Schichtdicke ( 5 mm): Einsetzspannung 10,6 kV. 

Anordnung 

K 

Metallrand 

in Luft 8 

in SF 6 21 

Metall- oder Grafitrand in Öl 30 

Grafitrand in Luft 12 






Regel 2: gleiche Teilspannungen zwischen benachbarten Belägen 

ΔU 

= 

U 

N 

U ... Gesamtspannung 

N ... Anzahl der Beläge 





Zweiseitige Kondensatorsteuerung 

Belag n 

Belag n-1 

r n-1 

r 0 

b ln 

a n 

b rn 

s n 

r n 

Innenleiter 

Achtung: linker und rechter Rand im allgemeinen Fall unterschiedlich! 






Belag n 

Belag n-1 

r n-1 

b ln a n b rn s n 

r 0 

r n 

Innenleiter 

Hauptkapazität (schraffierter Bereich): 

C 

n 

2π ⋅ε 

⋅ε 

r⋅a 

rn 

ln r 

= 

0 

n−1 

n 

Wegen s n 



Belag n 

Belag n-1 

C 

n 

2π 

⋅r 

⋅ε ⋅ε 

r⋅a 

s 

n 0 

≈ 

n 

n 

r n-1 


r 0 

r n 

Innenleiter 

Forderung ΔU = const. ⇒ 

C n 

= const. = C 

2 Möglichkeiten 

1) radiale Steuerung: 

2) axiale Steuerung: 

E 

E 

r 

a 

ΔU 

= = const. 

sn 

ΔU 

= = const. 

b 

n 






1) radiale Steuerung 

Belag n 

Belag n-1 

E 

r 

ΔU 

= = const. wird erreicht durch s n 

= const. = s 

s 

n 

r n-1 


r 0 

r n 

Innenleiter 

Dann kann 

C n 

= const. = C 

nur noch über die Belaglänge eingestellt werden: 

C n+1 

= C n 

π 

+ 1 

ε0 ε 

r + 1 

π ε0 

ε 

r 

r 

a ≈ a ⋅ r 

2 ⋅rn ⋅ ⋅ ⋅an 2 ⋅rn⋅ ⋅ ⋅a 

n 

n 

≈ 

n+ 

1 n 

s 

s 

n+ 

1 

Abnahme der Belaglänge proportional 1/r 







Hyperbolische Randkontur 

= 

Merkmal radialer Steuerung 

≈ 

n 

an+ 

1 

an 

r 

n+ 

1 

Abnahme der Belaglänge proportional 1/r 

⋅ 

r 







Radiale Feldstärkebeanspruchung aber nicht 

so kritisch (hohe Festigkeit des Dielektrikums) 

wie Feldstärke auf der Oberfläche. 

Die ist nicht optimal! 






2) axiale Steuerung 

Belag n 

Belag n-1 

E 

a 

ΔU 

b 

= = const. wird erreicht durch b ln 

= const. = b l 

und b rn 

= const. = b r 

n 

r n-1 


r 0 

r n 

Innenleiter 

Damit liegt die Länge jedes Belages fest: a n+1 

= a n 

-b l 

- b r 

Dann kann 

C n 

= const. = C 

nur noch über die Belagabstände eingestellt werden: 

C n+1 

= C n 

π 

+ 1 

ε0 ε 

r + 1 

π ε0 

ε 

r 

2 ⋅rn ⋅ ⋅ ⋅an 2 ⋅rn⋅ ⋅ ⋅an 

n n 

≈ 

s 

s 

n 1 n 

n+ 

1 

n 

s 

≈ r a 

s ⋅ + 

r 

⋅ a 

+ 1 + 1 

n 

n 






2) axiale Steuerung 

Konische Randkontur 

= 

Merkmal axialer Steuerung 

L ≈ N·b .... Überschlaglänge 

s 

r 

a 

≈ n n 

n 

s ⋅ + 1 + 

+ n 

r 

⋅ 1 

1 

n 

an 






Axiale Steuerung: Vorgehensweise 

1. Schritt: Wahl der Belagzahl N aus dem Erfahrungswert, 

dass bei anliegender Prüfwechselspannung U p 

zwischen 

den Belägen eine Spannung von etwa 12 kV anstehen 

sollte. Eine 245-kV-Durchführung ist beispielsweise mit 

einer Kurzzeitwechselspannung von 460 kV zu prüfen 

(IEC 60071-1). Die Anzahl der Beläge sollte in diesem Fall 

damit etwa N = 460/12 ≈ 38 betragen. 







2. Schritt: Wahl der Überschlaglänge L so, dass bei 

anliegender Prüfwechselspannung U p 

die mittlere 

Feldstärke entlang der Grenzfläche auf einen Wert von 

etwa 3 kV/cm ... 4 kV/cm, in Öl auf etwa den doppelten bis 

vierfachen Wert, begrenzt ist. Aus dieser Forderung 

ergeben sich die Belagrandüberstände b l 

und b r 

. Für das 

oben gewählte Beispiel ergibt sich für die Luftseite ein 

Belagrandüberstand b = (460/38) kV / 3 kV/cm = 4 cm 

und eine Überschlaglänge L = 152 cm, für die Ölseite b ≈ 

(460/38) kV / 10 kV/cm = 1,2 cm und L ≈ 46 cm. 







3. Schritt: Der Bolzendurchmesser r 0 

ist vorgegeben 

(durch die Stromtragfähigkeit), a 0 

ergibt sich grob aus 

den Überschlaglängen. Es werden nun ein Wert r 1 

für 

den ersten Belag frei gewählt und anschließend die 

weiteren Radien Schritt für Schritt von innen nach 

außen berechnet. 







4. Schritt: Für die so gefundene Auslegung ist 

abschließend zu überprüfen, ob bei den geforderten 

Prüfspannungen die im Dielektrikum höchstens zulässigen 

radialen Feldstärken E r 

nicht überschritten werden und ob 

bei Anliegen der höchstzulässigen Betriebsspannung die 

Teilentladungseinsetzspannung U e 

nicht erreicht wird. 

Andernfalls ist die Auslegung mit geänderten Vorgaben zu 

wiederholen. 






Beispiel für eine Wanddurchführung 

(Luft-Luft) 






Beispiel für eine 

Transformatordurchführung 

(Luft-Öl) 






Beispiel für eine 

Transformatordurchführung 

(Luft-Öl) 






Feldrechnung 

für Freiluft-Gas-Durchführung 






Größenverhältnisse 

Wanddurchführung (Freiluft 

- Innenraum) 

Freiluft -Gas- bzw. Freil uft-Öl-Durchführung 

Öl-Gas-Durchführung 





Einseitige Kondensatorsteuerung 

• Kabelendverschluss 

• Stromwandler 

Querkapazitäten 

C sn+1 

C sn 

C sn-1 

(n+1)·ΔU 

Längskapazitäten 

ΔU 

n·ΔU ΔU 

C n+1 

C n 

C n-1 

Belag n+1 

Belag n 

Belag n-1 

Innenleiter 

Die einzelnen Beläge haben nicht nur Kapazitäten gegeneinander, 

sondern auch Streukapazitäten zum Innenleiter 

auch Steuerung der Querkapazitäten zum Innenleiter erforderlich! 






Querkapazitäten 

C sn+1 

C sn 

C sn-1 

(n+1)·ΔU 

Längskapazitäten 

ΔU 

n·ΔU ΔU 

C n+1 

C n 

C n-1 

Belag n+1 

Belag n 

Belag n-1 

Innenleiter 

Ströme im Knoten des Belags n: 

ΔU·ωC n+1 

= ΔU·ωC n 

+ n·ΔU·ωC sn 

C n+1 

= C n 

+ n·C sn 






r n-1 

C n+1 

= C n 

+ n·C sn 

Belag n 

Belag n-1 

r n 

b n 

= b a sn 

= a s 

r 0 

a sn 

a n 

b n 

s n 

Für den Fall axialer Steuerung: gleiche Überstände der Beläge 

Innenleiter 






C n+1 

= C n 

+ n·C sn 

a n+1 

a n 

a n-1 

a s a s 

b b 

C 

n+ 

1 

= 

an 

− b 

2πε 

rn 

+ 1 

ln 

r 

n 

C 

n 

an 

− a 

= 2πε 

rn 

ln 

r 

s 

n−1 

C 

an 

− b a − a a 

r r r 

ln ln ln 

r r r 

sn 

n s 

s 

= + n ⋅ 

n+ 

1 

n n 

n 

n−1 0 

= 

as 

2πε 

r 

ln 

r 

n 

0 






an 

−b a −a a 

r r r 

ln ln ln 

r r r 

n s 

s 

= + n ⋅ 

n+ 

1 

n n 

n 

Umformung zu: 

n−1 0 

r 

ln n + 1 

a − b 

= 

n 

r a 

n n 

− as 

as 

+ n ⋅ 

rn 

r 

ln ln 

r r 

n 

n−1 0 

a n+1 

= a n 

– b + a s 

= Formeln zur Berechnung der Abstände 

und Belaglängen 






Vorgehensweise zur Berechnung 

1) Festlegung der Belagzahl N und der Randüberstände b 

wie bei der zweiseitig gesteuerten Durchführung; 

2) freie Wahl der innersten Belaglänge a 1 

und der Randüberstände a s 

; 

3) freie Wahl des Radius r 1 

des innersten Belages, 

passend zum vorgegebenen Radius r 0 

des Innenleiters; 

4) Berechnung der Belagradien von innen nach außen. 






Beurteilung des Ergebnisses 

zu große Schichtdicke, schlechte Ausnutzung, 

zu große Durchmesser (unwirtschaftlich) 

⇒ mit geänderten Startwerten neu berechnen! 

optimale Bemessung 

(Schichtdicken zu Beginn 

und Ende gleich) 

zu kleine Schichtdicke, 

Überbeanspruchung 

⇒ mit geänderten Startwerten 

neu berechnen! 






Ein- und Ausleitung der Primärwicklung 

eines Kreuzstromwandlers 





Fertigung 

Wickeln 





Fertigung 

Papierschichtung 

Ölfüllung erforderlich!! 





Fertigung 

Trocknung 

• Vakuum-Tränkofen 

• Forderung: Restfeuchte max. 0,1% 

• Kesseldruck muss eine Zehnerpotenz 

unter dem gewünschten 

Wasserdampfpartialdruck liegen 

• Diagramm: bei 120 °C: Restfeuchte 0,1% --> Wasserdampfpartialdruck 3 mbar 

⇒ Kesseldruck ca. 0,1 mbar, Kesseltemperatur 120 °C 

⇒ Trocknungszeit einige Tage bis mehrere Wochen 





Fertigung 

• Tränken mit Öl (neuerdings auch Epoxidharz) 

Tränken, Einbau 

Eigenschaften 

• unmittelbar danach in den Überwurf bringen (Luftfeuchte!) 

Eigenschaften: 

Papier: ε r 

= 5,6 

Öl: ε r 

= 2,2 

Resultierendes ε r 

= 3 ... 4 

Durchschlagfeldstärken bis zu 400 kV/mm 

Betriebsfeldstärken bei Wechselspannung: ca. 20 kV/mm 





Beispiele 

Hohlporzellan 

nachträglich eingesetzter 

Innenleiter 

Freiluftseite 

(Schirme) 

20-kV-Porzellan-Wanddurchführung 

Freiluft-Innenraum 

Innenraumseite 

(Rippen) 





Beispiele 

20-kV-Gießharz-Wanddurchführung 

Innenraum 

Gießharzkörper 

(Rippen) 

Steuerelektrode 

Eingegossenes Metallrohr 

zum Durchstecken des 

Innenleiters 





Beispiele 

110-kV-Freiluft-Öl-Durchführung 

(Transformatordurchführung) 

mit Porzellanüberwurf 

1 Anschlussbolzen 

2 

1 

m Porzellanüberwurf 

3 Wickelkörper mit zweiseitiger Steuerung 

4 Flansch 

1 

2 

3 

4 





Beispiele 

20-kV-Kabelendverschluss aus 

Silikongummi (Innenraumausführung) 

Innenleiter 

Silikongummikörper 

Kabelisolierung (VPE) 

Eingearbeiteter 

Deflektor aus 

leitfähigem Silikon 

Kabelschirm 





Beispiele 

20-kV-Warmschrumpf- 

Kabelendverschluss 

(Freiluftausführung) 

Warmschrumpfkörper mit 

aufgeschobenen Schirmen 


Resistiv oder refraktiv 

wirkende Schicht 

Äußere Leitschicht 

Kabelschirm 




Feldsteuerung in Kabelgarnituren 

© nkt cables 




Feldsteuerung in Kabelgarnituren 

Aus: 

A. Eigner, S. Semino: 

Feldsteuertechnologien bei 

Kabelgarnituren - Überblick 

und Stand der Technik 

ew Jg. 107 (2008) Heft 15, pp. 56 

Bilder freundlicherweise zur Verfügung 

gestellt von Herrn Eigner, Tyco 

Electronics Raychem GmbH, Ottobrunn 

Ohne Steuerung 

Geometrische Steuerung 

Resistive Steuerung 

Refraktive Steuerung 





Beispiele 

20-kV-Aufschiebe-Kabelmuffe 

aus Silikongummi 


Innenleiter 

Leitschicht aus leitfähigem Silikon 

Deflektor aus leitfähigem 

Silikon 

Krimpverbindung 

Kabelschirm 

Äußere Leitschicht 

Schrumpfschlauch 





Beispiele 

420-kV-Ölkabelendverschluss 

mit Porzellanüberwurf 

Einseitige Steuerung 

Klebung oder Zusammenglasierung 

der Porzellane 

Steuerung der Querkapazitäten 

gegen den Innenleiter 

-kV-Ölkabel mit Porzellanüberwurf 





Beispiele 

Wicklungsausleitungen 

eines Prüftransformators 




Äußere Schirmelektroden 

Kugeln 

R 

Aufgabe: der Radius ist so 

zu wählen, dass keine 

Vorentladungen auftreten. 

Maximale Feldstärke auf der 

Kugeloberfläche: 

E 

max 

U 

= 

R 

E eff, max 

= 20 kV/cm (in Luft) 

d (in mm) >= U eff 

(in kV) 

Gilt bis U eff 

= 1MV 

Bei höheren Spannungen: 

E eff, max 

= 10 kV/cm (in Luft) 





Kugeln 

Wechselspannungsprüfkaskade 

1800 kV (HVTS) 





Kugeln 

E 

max 

U R2 

U U 

= ⋅ = + 

R R − R R s 

1 2 1 1 





Toroide 





Toroide 

• generell einfacher herstellbar als Kugeln 

• einfacher in Betriebsmittel integrierbar 

• gute Möglichkeit, Hochspannungsanschlüsse abzuschirmen 

• im Laborbetrieb herstellbar aus Wasser- oder Lüftungsrohren, 

Autoschläuchen, ... 





Toroide 

Feldbild 





Toroide 

Feldbild ergibt sich aus Potentialfunktion 

für 2 gleichnamige Linienladungen 

P 

λ ρB λ ρB 

ϕ( P ) = ln + ln 

2πε ρ 2πε ρ 

1 2 

ρ 1 ρ 2 (ρ B 

= Abstand eines weit entfernten Punktes, 

s. ETiT II / VL 04) 

+λ 

+λ 

φ + 

φ + 

2 

λ ρB 

ϕ( P) = ln 

2πε 

ρ ρ 

1 2 

Äquipotentiallinien dadurch charakterisiert, dass das Verhältnis ρ 1·ρ 2 

= const. 

"Cassinische Kurven" 





Toroide 

Feldbild 

Cassinische Kurve = geometrischer Ort aller Punkte M, für die das Produkt 

der Abstände von zwei festen Punkten F 1 

und F 2 

, den Fixpunkten, konstant 

gleich a 2 ist: 

y 

FM ⋅ FM = a 

2 

1 M 

2F 1 F 2 

x 





Toroide 

Feldbild 

Cassinische Kurven in Koordinatendarstellung: 

2 2 

2 

2 2 2 4 4 

( ) ( ) 

x + y − c x − y = a −c 

2 (a > 0) 

a < c 

a = c 

"Lemniskate" 

c < a < c√2 

a > c√2 





Toroide 

Feldbild 

Äquipotentiallinien 

= 

Cassinische Kurven 





Toroide 

Maximalfeldstärke 

R N 

R N 

R N 

E max 

E max 

R H 

R H 

Berechnung der Maximalfeldstärke für eine kreisförmige Linienladung 

E 

E 

R 

⎡ R 

⎤ 

H 

N 

max 

⋅ = f1 

U 

⎢ 

R 

⎥ 

H 

max 

⎣ ⎦ 

RN 

⎡ RN⎤ 

⋅ = f 

U 

⎢ 

R 

⎥ 

⎣ H ⎦ 

R H 

= "Hauptdurchmesser" 

R N 

= "Nebendurchmesser" 

2 U ... Effektivwert oder Scheitelwert 

E … Effektivwert oder Scheitelwert 





Toroide 


Bezogene Maximalfeldstärke auf Äquipotentialflächen einer kreisförmigen Linienladung 

E max, Kugel = U / R Kugel 

E max,Kugel • R Kugel / U = 1 





Toroide 


U = 1 MV 

E max,zul. = 25/√2 kV/cm 

R N /R H = 0,1 

R H = (2,96·1 MV)/17,7 kV/cm 

R H = 167 cm, R N = 16,7 cm 

R N /R H = 0,6 

R H = (1,2·1 MV)/17,7 kV/cm 

R H = 68 cm, R N = 41 cm 





Toroide 


Der Nebenkrümmungsradius darf umso kleiner sein, 

je größer der Hauptkrümmungsradius gewählt wird. 





Toroide 

Konstruktion eines 

Schirmkörpers aus 

einzelnen Toroiden 





Toroide 

Ausgestaltung und Anbringung von Schirmkörpern 





Steuerringe 

Freileitungsisolatoren 





Steuerringe 

Freileitungsisolatoren 





Steuerringe 

Metalloxid-(MO)-Ableiter 

1800 

1600 

1400 

1200 

H [mm] 

1000 

800 

600 

400 

H= 1200 mm 

H= 1465 mm 

H= 1805 mm 

200 

0 

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 

U/Umittel 





Steuerringe 

Metalloxid-(MO)-Ableiter 

1 

Resistiv 

Kapazitiv 

h / h max 

0 

1 

u / u mittel 

1 

Resistiv 

Kapazitiv 

h / h max 

0 

1 

u / u mittel 





Steuerringe Metalloxid-(MO)-Ableiter Steuerhauben 




Innere Schirmelektroden 

Vorgeschobene Elektroden in Gießharzstützern 

Zwei Ausführungsbeispiele von Gießharzstützern mit vorgeschobenen Elektroden 





Vorgeschobene Elektroden in koaxialen Stützisolatoren 

Konischer (links) und trichterförmiger (rechts) GIS-Isolierstützer mit vorgeschobenen 

Elektroden an der Leiterseite 





Trichterförmige Elektroden (Deflektoren) in Kabelendverschlüssen 





Trichterförmige Elektroden (Deflektoren) in Kabelendverschlüssen 




Steuerkondensatoren 

Steuerkondensatoren in Mehrkammer-Leistungsschaltern 

800-kV-Vierkammer-Schalter 






U 

C St 

C St 

C St 

C St 

U 

C e 

C e 

C e 

C e 

C e 









Isolationspegel nach DIN EN 60071-1 

Bereich I 

(U m = 1 kV bis U m =245 kV) 

Die Bemessungsspannungs- 

Werte für 

• Leiter-Erd-, 

• Leiter-Leiter-, 

• Längsisolation 

sind gleich!

N - Fachgebiet Hochspannungstechnik

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?