Hochspannungstechnik

Hohe Spannungen treten in vielen Bereichen der Technik auf. Wichtigstes Anwendungsgebiet ist aber sicherlich die elektrische Energieversorgung. Nachdem mit der Entdeckung des Elektrodynamischen Prinzips durch Werner von Siemens im Jahre 1866 eine wirtschaftliche Erzeugung elektrischer Energie möglich war, wurde schon 1882 von Marcel Deprez die erste Energiefernübertragung mit 1,4 kW Leistung von Miesbach nach München über insgesamt 57 km mit einer Gleichspannung von 2 kV realisiert. Die Wechsel strom- und Drehstromtechnik mit der Möglichkeit, höhere Übertragungsspannungen zu wählen, wurde erstmals 1891 bei der 175 km langen dreiphasigen Übertragungsleitung von Lauffen am Neckar nach Frankfurt mit einer Betriebsspannung von 15kV bei einer Frequenz von 40 Hz und einer Generatorleistung von 210 kVA verwirklicht. Dabei konnte der Wirkungsgrad gegenüber der ersten Gleichspannungsübertragung von 22% auf 75% gesteigert werden. Der Weg zur heutigen elektrischen Energieübertragung war vorgezeichnet, jedoch waren wesentlich höhere Übertragungsspannungen erforderlich, um große Entfernungen wirtschaftlich zu überbrücken.

Eine zentrale Aufgabe der Hochspannungstechnik ist die elektrische Isolation spannungsführender Leiter und Apparate. Isolieranordnungen sind wesentliche Bestandteile hochspannungstechnischer Konstruktionen, die im allgemeinen außer der elektrischen Isolierung noch weitere Aufgaben zu erfüllen haben, insbesondere die Aufnahme oder Übertragung mechanischer Kräfte, die Ableitung thermischer Verluste oder den äußeren Abschluß der Isolierung gegenüber der Umgebung als Gehäuse.

Eine einzelne Isolieranordnung ist üblicherweise Bestandteil einer größeren Anlage oder eines ganzen Netzes. Die tatsächliche elektrische Beanspruchung dieser Isolierung ergibt sich einmal aus der Spannung an ihren Klemmen, die im allgemeinen durch Anlage oder Netz vorgegeben werden, und zum anderen durch die von der Klemmenspannung hervorgerufene räumlich-zeitliche Spannungsverteilung im Inneren der Isolierung. In diesem Kapitel werden ausschließlich die durch die Anlage oder Netz erzeugten Spannungsbeanspruchungen an den äußeren Klemmen der einzelnen Isolierungen betrachtet.

Im Kapitel 2 sind die möglichen Spannungsbeanspruchungen in Hochspannungsnetzen dargestellt am Beispiel der in der elektrischen Energieversorgung dominierenden Drehstromnetze. Grundlage ist dabei die stationäre Beanspruchung im ungestörten Dauerbetrieb. Durch Schalthandlungen oder Störungen treten transiente Überbeanspruchungen auf, möglicherweise auch vorübergehende stationäre Überspannungen. Äußere Einwirkungen z. B. durch Blitzentladungen führen zu sehr kurzzeitigen transienten Überbeanspruchungen.

Während sich die Grundgesetze des elektrostatischen Feldes sehr konzentriert darstellen lassen, kann deren Umsetzung in Verfahren zur Berechnung konkreter Elektrodenanordnungen sehr vielgestaltig sein. Wegen der bei Feldberechnungen bestehenden erheblichen Schwierigkeiten hat sich eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden für die geschlossene oder numerische Berechnung elektrostatischer Felder herausgebildet. Die Kunst eines geschickten Berechners liegt zunächst darin, die für ein Problem günstigste Methode zu erkennen. Im folgenden werden die wesentlichen Verfahren vorgestellt und an typischen Anwendungsbeispielen erläutert.

Seitdem leistungsfähige Verfahren zur Berechnung elektrostatischer Felder verfügbar sind, haben experimentelle Verfahren zur Feldbestimmung an Bedeutung verloren. Diese sind aber nach wie vor sinnvoll zur schnellen Feldbestimmung komplizierter Feldkonfigurationen und unersetzbar bei raumladungsbestimmten Feldern, für die theoretische Ansätze zur Beschreibung der Raumladungsverteilung nur schwer möglich sind.

Beim elektrischen Durchschlag in Gasen werden Ladungsträger im Gas, Elektronen und Ionen, durch das elektrische Feld beschleunigt und erreichen Energien, die zur Neubildung von Ladungsträgern durch Ionisationsprozesse ausreichen. Das Verhalten dieser Ladungsträger im Gas wird durch die Stoßvorgänge mit den Molekülen maßgeblich beeinflußt. Zunächst sollen daher die Bewegungsvorgänge der Moleküle in einem Gas betrachtet werden.

Flüssige Isolierstoffe haben einen weiten Anwendungsbereich. Eingesetzt werden sie z. B. in Transformatoren, Wandlern, Schaltern, Kondensatoren, Kabeln usw., wobei sie in den meisten Fällen mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllen, und zwar als

Aus Kapitel 9 ist zu entnehmen, daß mit den behandelten Methoden Spannungen und Ströme erzeugt werden können, welche die in der Elektrotechnik üblichen Amplituden weit übersteigen. Es werden somit spezielle Meßverfahren notwendig, die teilweise sehr stark von den bekannten elektrischen Meßmethoden abweichen. Es ist das Ziel dieses Kapitels, in einige wichtige und häufig angewendete Meßverfahren zumindest einzuführen. Eine ausführliche theoretisehe Behandlung würde den Rahmen dieser Einführung aber sprengen; für ein vertieftes Studium muß auf die angegebene Literatur verwiesen werden.