Table Of ContentElektrische
Stoßfestigkeit
Von
Dr.-Ing. R. Strigel
o. PrQfessor an der Technischen Universität
Berlin-Charlottenburg
Zweite neuhearheitete Auflage
Unter Mitarheit von
Dr.-Ing. G. HeImchen
Leiter des Höchstspannungs-Prüffeldes
im Transformatorenwerk der Siemens-Schuckertwerke AG.
Nürnberg
Mit 317 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1955
Alle Rechte,
insbesondere das der -'tJbersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet,
dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege
(Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen.
© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1939 and 1955
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag OHG., Berlin/Göttingen/Heidelberg 1955
ISBN 978-3-662-11640-1 ISBN 978-3-662-11639-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-11639-5
Vo rwort zur zweiten Auflage.
Die erste Auflage ist seit dem Jahr 1948 vergriffen. Nachdem der
Springer-Verlag im Jahre 1952 an mich wegen einer Neuauflage heran
getreten ist, stand ich vor der Aufgabe, infolge der Fülle neuer Veröffent
lichungen und neuer Erkenntnisse auf dem Gebiet der Stoßfestigkeit das
Buch völlig neu zu bearbeiten. Hierbei hat mich Herr Dr. G. HELMCHEN
so stark unterstützt - er hat namentlich den 2. Teil aus seinen eigenen
meßtechnischen Erfahrungen heraus bearbeitet -, daß es mir nur eine
angenehme Pflicht ist, ihn als Mitverfasser zu nennen. Ferner bin ich
vielen Fachkollegen für manchen Hinweis und für die Überlassung
von Bildern zu Dank verpflichtet, so in erster Linie Herrn Obering.
K. HURRLE, Herrn Obering. K. LÄPPLE und Herrn Dr. H. TSOHUDI.
Herr Dipl.-Phys. W. BAuMANN war Herrn Dr. G. HELMoHEN bei der
Anfertigung des Manuskriptes des 2. Teiles in vielfacher Weise behilflich.
Herr Obering. W. SOHEFFLER hat mich bei der Drucklegung und beim
Korrekturlesen in hervorragender Weise unterstützt. Auch ihnen möchte
ich meinen herzlichen Dank an dieser Stelle aussprechen. Schließlich
habe ich noch dem Springer-Verlag nicht nur für seine Bereitwilligkeit,
das Buch neu aufzulegen, sondern auch für die vorzügliche Ausstattung
des Buches zu danken.
Berlin, im Mai 1955.
R. Strigel.
Vo rwort zur ersten Auflage.
Betriebssicherheit unserer elektrischen Anlagen auch gegen auf
tretende Überspannungen ist eine der Forderungen, die in immer steigen
dem Maße von Erzeugern und Verbrauchern elektrischer Energie erhoben
werden. Mit dieser Forderung ist eng verknüpft die Frage der elektrischen
Stoßfestigkeit unserer Isolierstoffe. Untersuchungen in dieser Hinsicht
wurden daher in den letzten Jahren in fast allen Stoßspannungs
forschungsstellen durchgeführt. Eine völlig neue Meßtechnik entstand.
IV Vorwort zur ersten Auflage.
Gänzlich neue Gesichtspunkte für konstruktive und isoliertechnische
Gestaltung unseres Hochspannungsmaterials wurden herausgearbeitet.
Diese Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen, sie steht teilweise viel:.
leicht erst in ihren Anfängen; aber immerhin läßt sich jetzt schon deutlich
die Richtung abzeichnen, die sie weiterhin einschlagen wird.
Eine Darstellung des physikalischen Kernes dieser Entwicklungs
richtung soll das vorliegende Buch geben. Es will damit nicht allein den
im Betrieb stehenden Ingenieur an die Fragen der elektrischen Stoß
festigkeit heranführen, sondern auch dem forschenden Ingenieur als
Hilfsmittel dienen, die von ihm behandelte Einzelfrage im Zusammen-'
hang mit dem gesamten Fragenkomplex zu sehen. Man könnte gegen das
Buch einwenden, daß der Zeitpunkt, zu dem es erscheint, noch zu ver
früht gewählt sei. Man möge aber dabei bedenken, daß gerade in der
heutigen Zeit, die infolge der Fülle der Probleme, die sie an den Ingenieur
heranträgt, sich die Arbeit des einzelnen oft sehr zersplittert und daher
um so mehr einer einheitlichen Ausrichtung bedarf.
Im ersten Teil werden die physikalischen Grundlagen der elektrischen
Stoßfestigkeit behandelt. Es wird der Stoßdurchschlag in atmosphä
rischer Luft, in flüssigen und in festen Isolierstoffen besprochen. Ver
zichtet wird auf eine Darstellung des Stoßdurchschlages in geschichteten
Isolierstoffen, weil auf diesem Gebiet die Forschung noch zu sehr in den
Anfängen steckt. Der zweite Teil bringt eine Darstellung der Stoßspan
nungsmeßtechnik. Der dritte Teil gibt Gesichtspunkte, für die Stoß
festigkeit elektrischer Anlagen und Apparate. Insbesondere in diesem
Teil erwies es sich als notwendig, sich auf das Wichtigste und namentlich
auf den physikalischen Inhalt zu beschr:änken, wenn man nicht Gefahr
laufen will, eine verwirrende Fülle von Einzelheiten zu geben, die viel
leicht morgen schon überholt sind.
Den Siemens-Schuckertwerken und in erster Linie derWerksleitung
des Dynamowerkes bin ich zu Dank verpflichtet, daß sie mir die Möglich
keit gaben, dieses Buch zu schreiben. Ferner danke ich den Herren Dr.
Ing. W. ESToRFF, Dipl.-Ing. H. NEUHAUS, Dr. phil. ,K. POHLHAUSEN,
Dr.-Ing. J. REBHAN und vielen meiner engeren Fachkollegen für manche
Ratschläge, die sie mir bei Abfass'ung dieses Buches gegeben haben. Die
Verlagsbuchhandlung hat mich in jeder Weise unterstützt, wofür ich
auch ihr meinen besonderen Dank aussprechen möchte.
Berlin, im September 1938.
R. Strigel.
Inhaltsverzeichnis.
Erster Teil.
Die Physik des Stoßdurchschlages.
Seite
I. Der" Stoßdurchschlag in Luft von Atmosphärendruck 1
A. Der statische Durchschlag. 1
1. "N atiirliche Ionisierung 1
2. Ionisierung durch Elektronen· und Ionenstoß" 2
3. Bedingungen für den statischen Durchschlag 4
4. Die Durchbruchskennlinien in Luft von Atmosphärendruck 5
B. Der Stoßdurchschlag' ............... . 10
1. Die Statistik des Entladeverzuges . . . . . . . . . . . 11
a) Die Statistik des Entladeverzuges in Luft und im gleichförrr:i.
gen Feld bei kleinen Schlagweiten . . . . . . . . .". . . 11
1. Die Verteilungskurve S. 11 - 2. Die Spannungsabhängig-
keit der mittleren, statistischen Streuzeit S.14 - 3. Der Einfluß
der Ionisation auf die Statistik des Entladeverzugs S. 14 -
4. Entladeverzug und Kathodenmaterial S. 16 - 5. Alterung
der Elektroden S. 19.
b) Die statistische Streuzeit in Luft im ungleichförmigen Feld
bei kleinen Schlagweiten . . . . .'. . . . . . . . . . . 20
1. Die Verteilungskurve S. 20 - 2. :pie Spannungs-und Pola
ritätsabhängigkeit des Entladeverzugs S. 21.
2. Die Aufbauzeit des Entladeverzugs 23
a.) Die Aufbauzeit im gleichförmigen Feld . ". . . . . . 23
1. Der Einfluß der Raumladung auf die Elektronenioni&ierung
S. 24 - 2. Kanalbildung S. 25 - 3. Meßergebnisse S. 26 -
4. Der Umschlag in die selbständige Entladung oS. 29.
b) Die Aufbauzeit im ungleichförmigen Feld . . . . . . .. 31
1. Meßergebnisse S. 31 - 2. Kanalbildung S. 32 - 1. Fall:
Ebene Kathode - SpitzEmfeld an der Anode S. 32 - 2. Fall:
"Ebene Anode - Spitzenfeld an der Kathode S. 33 - 3. Fall:
Anodenspitze gegen Kathodenspitze S. 35 - 3. Die"Umschlags
geschwindigkeit von der Kanalentladung in die selbständige
VI Inhaltsverzeichnis.
Seite
Entladung S. 35 - a) Die Umschlagsgeschwindigkeit bei posi
tiver Spitzenelektrode gegenüber negativer geerdeter Platte
S. 35 - b) DieUmschlagsgeschwindigkeit bei negativer Spit
zenelektrode gegenüber positiver Platte S. 37 - 4. Stufenbil
dung im Entladungsumschlag S. 39 - 5. Die Aufbauzeit der
Blitzentladung S.40.
3. Der Einfluß der Statistik auf die Gesamtdauer des Entladever-.
zugs 43
II. Der Stoßdurchschlag in Öl . . . 45
A. Der statische Durchschlag. . 45
1. Der Einfluß von Verunreinigungen auf die Durchschlagspannung 46
a) Der Einfluß von Staub- und Faserteilchen • . . . . . . . 46
b) Der Einfluß von gelösten Gasen auf die Durchschlagsfestigkeit 48
c) Der Einfluß der Elektrodenbeschaffenheit auf die Durchschlags-
festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2. Der Einfluß von Elektrodenform und Elektrodenabstand auf
die Durchschlagsfestigkeit . . . . . . . . . . • . • 49
3. Der Mechanismus des Durchschlages in Flüssigkeiten 53
a) Der Wärmedurchschlag 54
b) Der mechanische Durchschlag 54
c) Der elektrische Durchschlag 56
B. Der Stoßdurchschlag in Öl 58
1. Die Abhängigkeit des statischen Durchschlages von der Span-
nungssteigerung ..... . . . . . . . . . . 58
2. Der Entladeverzug im Öl im gleichförmigen Feld . . . 59
a) Die Verteilungskurve des Entladeverzugs . . . . . . 59
b) Die Abhängigkeit des Entladeverzugs von der Elektrodenbe-
schaffenheit . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . 61
c) Die Abhängigkeit des Entladeverzugs von der statischen
Durchschlagsfeldstärke und von der Schlagweite . . •. 63
d) Die Abhängigkeit des Entladeverzugs von der Temperatur 68
3. Der Entladeverzug im Öl im ungleichförmigen Feld 68
4. Der Mechanismus des Stoßdurchschlages im Öl 70
5. Die elektrische Stoßfestigkeit des Öles 73
III. Der Stoßdurchschlag fester Isolierstoffe .78
A. Der statische Durchschlag. 78
1. Der Wärme durchschlag . • • 79
2. Der elektrische Durchschlag . 80
3. Wechselspannungs- und Gleichspannungsdurchschlag 84
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
B. Der Stoßdurchschlag 85
1. Die Verteilungskurve des Entladeverzugs . . . 85
2. Die Spannungsabhängigkeit des Entladeverzugs 86
a} Das Stoßverhältnis ......•.... 86
b} Die Spannungsabhängigkeit bei verschiedenen Isolierstoffen 88
1. Glas S. 88 - 2. Porzellan S. 89 -3. Glimmer S. 91 -
4. Faserstoffe S. 91.
c} Der Einfluß von Bestrahlung 95
d} Ionisierungskanäle und Teildurchschläge 96
3. Die Stoßfestigkeit fester Isolierstoffe . . . 99
Zwei ter Teil.
Stoßspannungs-Meßteehnik.
IV. Stoßspannungen und Stoßkennlinien 104
1. Kenngrößen von Stoßspannungen 104
2. Stoßkennlinien ..... . 108
V. Stoßgeneratoren 111
1. Erzeugung von Wanderwellen 111
2. Erzeugung von Stoßspannungen 114
a} Einfach-Stoßschaltungen. • . 115
b} Vielfach-Stoßschaltungen 117
3. Berechnung der einzelnen Elemente einer Stoßschaltung 121
a} Der Aufladevorgang in der MARxschen Vielfachschaltung . 121
b} Die Entladung des Stoßgenerators auf den Prüfkreis 127
1. Rechenverfahren zur Vorausberechnung von Stoßschaltungen
S. 128. - 2. Der Ausnutzungsgrad von Stoßschaltungen. S.132.-
3. Der Einschwingvorgang bei räumlich ausgedehnten vielstufigen
Stoßgeneratoren. S. 135.
4. Aufbau der Stoßspannungsgeneratoren. . . . . . 139
5. Gleichrichteranlagen für Stoßspannungsgeneratoren 147
6. DurchfÜhrung von Stoßspannungsprüfungen 150
a} Allgemeine Gesichtspunkte ...... 150
b} Messung der Stoßspannung . . . . . . 152
c} .Stoßprüfung unter betriebsfrequenter Wechselspannung 155
7. Stoßstrom-Generatoren. . . . . . . . . . 156
VI. Stoßspannungs-Meßtechnik . . . 157
A. Stoßspannungs-Meßtechnik mit dem Kathodenstrahl-
Oszillographen .. '. . • • . 158
1. Kaltkathodenstrahl-Oszillograph 159
a} Strahlerzeugung . . . . 159
b) Strahlablenkung . . . . 160
c} Aufzeichnungsmethoden 163
VIII Inhaltsverzeichnis.
ilelte
d) Fehlereinflüsse bei der Aufzeichnung von Stoßspannungen . 164
e) Beispiele ausgeführter Kaltkathodenstrahl-Oszillographen 167
2. Hochleistungs-Elektronenstrahl-Oszillograph 169
B. Spannungsteiler für Stoßspannung 172
1. Kapazitiver Spannungsteiler 172
2. Widerstandsspannungsteiler 173
3. Gemischter Spannungsteiler 176
C. Stoßspannungsmessung mit der Kugelfunkenstrecke . 178
1. Die Durphbruchspannung von Kugelfunkenstrecken bei Stoß-
spannungen genormter Form. . . . . . . . . . . 180
2. Die Durchbruchspannung von Kugelfunkenstrecken bei Stoß-
spannungen beliebiger Form. . . . . . . . . . 182
D. Verschiedene Messungen be.i Stoßvorgängen 186
1. Stoßspannungsmessung mit anzeigendem Scheitelspannungs-
messer ....................•.... 186
2. Stoßspannungsmessung mit dem Klydonographen und der Staf-
felfunkenstrecke . . . . . . . 188
3. Stoßstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . .. 191
4. Leistungsmessung bei Stoßvorgängen . . . . . . . . .. 196
5. Stirn- und Steilheitsmessungen mit der Kugelfunkenstrecke .. 197
6. Schaltanordnungen zur Zählung aufgetretener Überspannungen 198
7. Schaltanordnungen zur Bestimmung der Zeitdauer von Über-
spannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8. Feldausmessung bei Stoßspannungen . . . . . . . . . . 202
9. Bestimmung des Entladungseinsatzes an Elektroden bei Stoß-
spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
E. Elektrodenformen für Stoßdurchschlagprüfungen 204
Dritter Teil.
Die Stoßfestigkeit elektrischer Anlagen.
VII. Entstehung und Verlauf von Überspannungeu . 208
A. Betriebsfrequente Spannungserhöhungen 208
B. Schalt-überspannungen 209
C. Gewitterüberspannungen auf Freileitungen. 212
1. Blitzentladung . . . . . . . . . . . . . . . . 212
2. Entstehung der Gewitterüberspannungen auf Freileitungen 215
D. Die Dämpfung von Wanderwellen auf Freileitungen 219
1. Koronadämpfung von Wanderwellen . . . . . . 220
2. Stromverdrängungsdämpfung von Wanderwellen. . . .. 224
Inhaltsverzeichnis. IX
Seite
VIII. Schutz der Leitungen und Stationen gegen Überspannungen 227
A. Leitungsschutz . . . 227
1. Erdseile . . . . . . 228
2. Maste und Erdungen 231
3. Löschrohre 236
4. Kurzschlußfortschaltung . 2 3 7
B. Stationsschutz . 238
1. Isolationskoordination . 238
2. Überspannungsableiter 242
3. Löschrohre ..... 254-
4. Schutzfunkenstrecken . 257
5. Drosseln und Kondensatoren 261
6. Kabeleinführungen. Erdungen 262
IX. Überschlagwerte und StoßkennIinien von Isolatoren, an Frei
leitungen, in Schaltanlagen und an Kabelendverschlüssen . . . 263
A. Die Kennlinien der Grundanordnungen des ungleich-
förmigen Feldes in Luft 264-
1. Spitze gegen Spitze 264
2. Spitze gegen Platte 268
3. Vergleich der Grundanordnungen. Anwendungen 270·
B. Hängeketten . . 272
C. Stützer . . . . . 277
D. Durchführungen 281
1. Glatte Durchführungen 28]
2. Mit Rippen und Schirmen versehene Durchführungen 285
3. Gesteuerte Durchführungen . . . 287
E. Sammelschienen. Schaltanlagen. . . . . . . . . 288-
F. Einfluß der Luftverhältnisse auf die überschlagspan-
nung von Funkenstrecken und ·Isolatoren 291
1. Einfluß der Luftdichte . . . . . . . . . . . 292
2. Einfluß der Luftfeuchtigkeit. . . . . . . . . 293
3. Einfluß der Höhenlage über dem Meeresspiegel . . . . . . . 21)5
4. Zusammenwirken der größten Änderungen von Luftdichte und
Luftfeuchtigkeit . . . . . . . . . . . 296-
5. Einfluß von Regen und Verschmutzung 297
G. Anordnungen unter Öl 297
H. Kabel. . . . . . . . . 303
X. Das Eindringen von Wanderwellen in elektrische l\laschinen . 307
A. Höhe und zeitlicher Verlauf der überspannung.. 307
B. Die übertragung der Wande rwellen auf die nichtge-
stoßenen Phasen ..................... 313
x
Inhaltsverzeichnis.
Seite
C. Beanspruchung der Wickiungen durch die Wanderwellen 317
D. Erforderliche Schutzmaßnahmen ............ 321
1. Allgemeine Gesichtspunkte . . . . . . . . . . . . . . . . 321
2. Die Wirkungsweise des Kondensatorschutzes . . . . . . . . 322
3. Das Zusammenwirken des Kondensatorschutzes mit Induktivitä-
ten und Kapazitäten in den Schaltanlagen . . . 325
4. überspannungsapleiter und Kondensatorschutz 329
E. Die· Stoßprüfung elektrischer Maschinen . 330
XI. Das Eindringen von Wanderwellen in Transformatoren 333
A. Die Ausgleichsvorgänge in der Oberspannungswicklung
des Transformators beim Auftreffen von Stoßwellen 334
1. Die Anfangsverteilung der Spannung beim Stoßvorgang . 334
2. Die Endverteilung der Spannung beim Stoßvorgang . .. 336
3. Die Eigenschwingungen der Wicklung heim Stoßvorgang . 336
a) Die Ordnungszahlen der Eigenschwingungen . 336
b) Die Amplituden der Eigenschwingungen . . . 338
c) Die Frequenzen von Grund- und Oberwellen. 339
d) Der Einfluß der niedervoltseitigen Schaltung . 340
4. Die Beanspruchung der Oberspannungswicklung durch den Aus
gleichsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
a) Einphasiger Stoß auf den nullpunktgeerdeten Transformator 344
b) Dreiphasiger Stoß auf die Transformatorwicklung mit offenem
Nullpunkt ......•............... 344
c) Einphasiger Stoß auf die Transformatorwicklung mit offenem
Nullpunkt ...................... 347
d) Die Beanspruchungen der Wicklung . . . . . . . . . . . 348
B. Die Übertragung des oberspannungsseitigen Ausgleichs
vorganges auf die Unterspannungsseite des Transfor-
mators .......................... 353
1. Die kapazitiv übertragene Teilspannung und die durch sie ange-
stoßene Eigenschwingung der Unterspannungswicklung .. 353
2. Die magnetisch übertragenen Teilspannungen . . . . .. 357
a) Die magnetische übertragung des Ausgleichsvorganges der
Oberspannungswicklung . . . . . . .. . . . . . .. 357
b) Die magnetische übertragung der Endverteilung in der Ober
spannungswicklung ...............•.. 357
3. Das Zusammenwirken der kapazitiv und magnetisch übertragenen
Teilspannungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
C. Der Transformator mit geradliniger Anfangsverteilung 363
1. Der geschildete Transformator . . . . . . 363
2. Der schwingungsarme Transformator . . . . . . . . . . . . 364
3. Der völlig schwingungsfreie Transformator . . . . . . . . . 367
D. Das SpannungsverhaIten von Reguliertransformatoren 369
1. Leistungstransformatoren mit Sternpunktregelung 369
2. Zusatzregeltransformatoren . . . . . . . . 369
E. Die Stoßprüfung von Transformatoren 370
Sachverzeichnis . . . . . . 382
