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ZUM DURCH- UND ÜBERSCHLAG VON SF 6 -ISOLIERUNGEN* Von W. MOSCH Bei Luftisolierungen unter atmosphärischen Bedingungen herrscht das stark inhomogene elektrische Feld vor. Daraus resultieren große geometrische Abmessungen. Es besteht eine sehr intensive Wechsehvirkung mit der Umwelt (großer Raumbedarf beeinträchtigt das Landschaftsbild - klimatische und Schmutzeinflüsse beeinträchtigen das Isoliervermögen). Daraus resultiert eine große Aufgabe für die Zukunft: wir müssen umweltfreundlicher gestalten, d. h. kleiner Raumbedarf (schwach inhomogene Felder) und Kapselung von der Atmosphäre. Wenn schon Kapselung, dann auch Luft ersetzen durch Gas höherer elektrischer Festigkeit und Anwend ung höherer Drücke. In der DDR erfolgen seit etwa 5 Jahren Arbeiten auf diesem Gebiet, Grundlagenforschung hinsichtlich Isolierfragen am Hochspannungslahoratorium der Sektion ET an der TU Dresden. Daraus einige Prohleme: 1. Berechnung der Durchschlagspannung von Elektrodenanordnungen mit schwach inhomogenem Feld im SF6 2. Üherschlag längs Grenzflächen im SF 6 3. Einfluß von Teilchen 4. Schlußfolgerungen. 1. Berechnung der Durchschlagspannnng von Elektrodenanordnungen mit schwach inhomogenem Feld im SF 6 LI. Homogenitätsgrad; Grenz-Homogenität Was heißt schwach inhomogenes Feld, was heißt stark inhomogenes Feld? "Vortrag anläßlich des 25jährigen Jubiläums der Fakultät Elektrotechnik an der Technischen Universität Budapest. w. 268 "IOseR Beurteilung mit Hilfe des Homogenitätsgrades (Ausnutzungsgrades) wie ihn Schwai:,;er definiert hat: = f (Geometrie). Stark inhomogenes Feld (kleine \Verte vonii): Yor dem Durchschlag treten stabile Teilentladungen auf (Raumladungen). die den Feldyerlauf und damit die Durchschlagspannung maßgehend heeinflussen. o,~ 'tJ tJ ~ tl) . i Anordnungen ohne stabile i Teifentladungen ; ~ 0,3 V) ~ ·ccu 0} 0 ~ ~ 0,2 Tei/entladungsgrenze L -_ _-'--_ _-'--'--_....l-_ _- ' -_ _....J! 1] = 7lt 0,1 5 al Druck p 2 0 3 Fig. 1 Sclnn:ch inhomogenes Feld (große Werte YOl1ii): Der Durchschlag erfolgt aus Lawincllprozessell (Gellcrationsmcchanismus) oder sohald die Elektronenbwinc eine kritische Größe (nie ~. 108 Ladungsträger) erreicht hat und in die S treamerelltladung umschlägt. Im SF G liegt die Grenze für den Homogenitätsgrad, je nach dem Druck zwischen fit OA his 0,1 (Ahh. 1). Wir wollen uns auf solche Anordnungen heschränken, bei denen vor dem Durchschlag keine stahilen Teilentladungen auftreten. TE dürfen im SF ß sowieso nicht zugelassen "werdcn, da die Gefahr der Zersetzung des SF 6 hesteht. 1.2. Berechnung der Durclzschlagspannung Sobald die Spannung U gleich der Anfangspannung U a ist, erfolgt der Durchschlag. Das ist der Fall, wenn die Feldstärke eine kritische Größe erl"F'icht. wir wollen diese kritische Größe zunächst ganz allgemein elektrische Festigkeit E d nennen. Es gilt also 1.3. Innere elektrische Festigkeit Wir gehen von den Elementarprozessen Stoßionisation (Stoßionisationskoeffizienten Cl:i) und Anlagerung (Anlagerungskoeffizienten 1);) aus. Nur wenn pro Zeiteinheit mehr Ionisationen als Anlagerungen erfolgen, ist ein Dnrchachlag überhaupt möglich. Es muß also sein (Abh. 2). _1_ em,ar Druck 0~ 1250 bei 20 q 1000 750 I I 1/, I I , Y I I I I t--zL-~1 I ' I I I L V 1'7 I I , V I I I I \rc<-~I I 20 40 IL 60 , j Li V I I J, V / I 1 100 80 be.zpgene Feldstärke 120 f/p Fig.2 Im SF 6 ist dies bei Ep = 89 kV,cm . at der Fall: bei einem Druck yon 1 at also, wenn die Feldstärke gerade 89 kVjcm erreicht. Die Feldstärke wollen "wir als innere elektrische Festigkeit des Gases SF 6 bezeichnen. Sie bildet die Grundlage für alle weiteren Berechnungen. 1.4. Kritische Wegstrecke Diese Vorstellung reicht noch nicht aus. Die Feldstärke E di darf nämlich nicht nur in einem Punkt, sondern muß in einem bestimmten Gebiet herrschen, damit sich nicht kritische Elektronenlawinen ausbilden können (Abb. 3). Wenn in dem Gebiet von x = 0 bis x = Xli mindestens die Feldstärke E di herrschen soll, dann muß die Feldstärke an der stärker gekrümmten Elek- w..\raSCH 270 trode eines inhomogenen Feldes (Eh] bzw. Ehzje nach dem Radius der Elektrode und der Schlagweite ) einen höheren Wert besitzen, den wir DurchschlagHöchstfeldstärke E dh nennen wollen. 1.5. Durchschlaghächstfeldstärke Wie groß ist der Wert von E dh , der zum Durchschlag führt? Auf alle Fälle gilt: E dh > E di • ----- .... , Elektrode 1 \ [r(x) \ x Elektrode 2 [z(x) x Durchsch(agbedingungen: ~--+-------[h1= [drl ~__+ - - - - - - - E h 2 = [dr2 '1---"'........::-------,EI<.j= E,t [z(x) [iM o x Fig. 3 Wir wollen eine bezogene Größe einführen: e· = 11 und wissen natürlich, daß Feldverlauf, abhängt. eh E di vom Radius und der Schlagweite, allgemein vom 1.6. Durchschlagbedingung Wie schon gesagt, erfolgt der Durchschlag, wenn eine Streamerentladung einsetzt, d. h. wenn n;; ~ lOS Ladungsträger vorhanden sind, d. h. wenn XI; J (:Xi -1li) dx = o ist. In nk ~'" 20 271 Die Abhängigkeit (Xi - 1/i) = j(Elp) haben wir auch schon kennen gelernt (Abb. 2) und wenn wir den Feldverlauf auch kennen oder - bei Anordnungen, bei denen eine geschlossene Lösung der Laplace-Gleichung nicht möglich ist - approximieren, erhalten wir eine Gleichung, die wir auf numerischem Wege nach eh auflösen können. Im Zylinderfeld zeigt z. B. Abb. 4 eh abhängig vom Radius Ti des Innenleiters. Die Abhängigkeit von der Schlagv,,-eite ist 1,5 , - - - - - - - , - - - - - - r - - - - - - - , Druck bei 20 p 1,0 at 1,5 2,5 4,0 1,0 Il ____________~__=:~:::::E~~§§§§~~ l 0,1 10 1,0 100 cm ! n n e n ro j i U S l"i Fig.4 ebenso berechenbar, jedoch braucht das nicht beachtet zu werden, wenn die Schlagweite s "wensentlich größer als die kritische Wegstrecke XI: ist. Zum Beispiel wenn bei Ti = 3 cm und p 2,5 at, S }> 4 mm ist. Wir können also rechnen: Tatsächlich stimmen die nach dieser Beziehung berechneten Durchschlagspannungen gut mit experimentell ermittelten \\'erten überein, ,\-eun !nsn »klinische Bediugungeu« anwendet. Zum Beispiel peinlich auf hochglanz polierte Elektroden achtet, keine sehr großen Elektrodenflächen (<;;; 10 cm2 ) heansprucht und die Zeit der Spannullg3heanspruchung keine extremen ,Verte (10 ms t 100 s) annimmt. Solche Bedingungen sind I1atül'~ich konstruktiv und technologisch nicllt zu realisieren. 272 W. JIOSeH Wir müssen also herausfinden, welche Einflußfaktoren von wesentlicher Bedeutung sind. 1. 7. Rauheit der Elektroden (Mikrogeometrie) Dieser Einfluß ist sehr wichtig, er dominiert gegenüber den anderen. Hier sind wir nur experimentell weitergekommen. Wir haben einen RcuhciLsfaktor eJ definiert, den wir genau so behandeln "wie den Faktor eil' 1,0 c.... 0,9 "- 0,8 Druck P200C Q) 0,5 at 0 <.J tI 0,7 1,0 c.... tJ) f[d~ 0,6 _ [d _ Pt z"7 ef- [di- r:~ .p Q) ..s::: ::J Cl 0,5 1,5 2,5 c::c 4,0 0,4 0,3 0,2 0,01 0,1 1,0 10 100 1000 pm !1iilenrauhwerl OR Fig . .5 Es gilt also (; \\urae hier aber experimentell aus Yielen Messungen der DurchschlagspanlCCUg bestimmt (Abn . 5). \\'ichtige Erkenntnis für die Pl'axis ist hier schon, daß eJ und damit Ud lll~,SO mehr absinken, je höher der Druck ist. Bei einer Oberflächenrauheit von :25(; .um ist z. B. bei I at ej:8.o; 0,7, hei 4 at aber nur ej"'8 0,5. 1.8. Elektrodenfliiche, Beanspruclwngs;;;eit "\'leitaus schwieriger zu hehandeln ist der Einfluß von Elektrodenfläche lmd Beanspruchungszeit, 'I'eil man hier nicht mehr deterministisch vorgehen kann, sondern den stochastischen Charakter der Durchschlagprozesse he achten muß. 273 Erste Aufgabe ist es dabei, empirisch ermittelte Meßwerte z. B. der elektrischen Festigkeit, durch eine theoretische Verteilungsfunktion zu approximieren. Bisher wurden in unserem Labor über 40 000 Durchschlagyersuche durchgeführt und alle Meßreihen sorgfältig am Digitalrechner nach statistischen Gesichtspunkten ausgewertet. Bei genügend groß ge·wähltem Stichprobenumfang (m 500) zeigt sich (Abb. 6), daß bei den hinsichtlich der Stehspannungen hesonders interessanten kleinen Durchschlagwahrscheinlichkeiten, die Verteilungsfunktion nur höchst fehlerhaft durch eine N ormalverteilung angenähert werden kann. > 0~9'-----------~~-'I--~'I-Ti-' koaxiale Zylinder i ' ra=. 20 , cm; ri= 06' , cml Q. 0,95 .-:: 0,90 11'" I1 1 1 1, P20'C = 2,5 01 r=<=-"-;-=-=-,-----i,-+--+-+-+-'r+--1 ! f----+_-_+_----'i-+-~+_-+_+_-f.---i Vi ~Mo~~---+---rr--r-r~I/+/----1 !, .:: D,70 cu 0,60 f----+-~_l_----1--1I--_+__+"'/I+I-----i ~ OjOf-----~-----i----~~_+--+r+_---1 ~ I V ~~ 030f------+-----T-~_++---+i~--7---~ I ~ 040 ~--+--_+--~~-+'-4--r--~ , g> 020 ~ i f-----~---f-----H---+V-i'---+----1 0,10 f--+----+---7- -/-'O'-jI'+!X---+----1 I u 005r---+---+--~~-+----r--~1 ~ 1 001 r---+ ~ l// ~" ~~~i-no-+I----f----7,-----i 0 , , - - l/ I x ":0; I 1 I /0 I ! Q001'--'''''--'---"-----'----'-----'-----", I 120 130 1~0 150 160 170 elektr. Festigkeit td,-.J Fig. I kV ,80 cm (i Yiel hesser gelingt c1 agegen die Approximation durch Extremwertverteilungen, insbesondere durch die doppelexponentielle Verteihmg (Ahh. i Hätte man die Meßwerte als normdverteilt angenommen, ·würde man hei 1 Durchschlagwahrscheinlichkeit eine elektrische Festigkeit von et'wa 155 kV cm ermitteln, während sie hei Approximation der :Meßwerte dUl'ch eine doppelexponentielle Verteilung nur 142 kV i cm bf'tl'ägt, also '\'csentlich 10°/:,) geringer ist. Wichtige Größe bei einer doppelexponentiellen Verteilung ist das auf den Modalwert (63 %-Qmmtil) bezogene Streuungsmaß ;'. Es ist erhehlichen Schwankungen unterworfen, die durch Spannungsform, Elektrodenanordnung, 274 W. MOSCH Zustand der Elektrodenoberfläche und natürlich den Isoliergasdruck beeinflußt werden. Nach unseren bisherigen, noch unvollständigen Messungen liegt es bei Drücken von I bis 4 at zwischen yjE d63 = 0,01 ... 0,04. Wichtig ist dieser Wert, weil damit nicht nur aus wenigen Stichproben zu niedrigen Wahrscheinlichkeiten extrapoliert werden kann (z. B. ist E d02 = • 0,99 Cl. 0,9 0,8 aJ_ ~ 0,5 --- --- .Ir -, ~ OJJ5 ~ OJJ3 ::c: 0,02 1 V) I 110 XI i I x V 0 0 01 <.. OJJO1 120 L I / 0 Cl Cl ----! / / ~ 0,01 0,005 i / 1) ' ~ 0,1 <.. ;j y __.L-j I 0,3 -<:: -<:: tI t V -- ----- .~ Q2 Cl> t I -<:: u o - "koaxiale Zylinder - ra ==2cm; ri=O,6cm P20CC = 2,Sat 0 I ~d$3 ~ '/ 130 flfO 180 kV _150' 160 170 cm elextr. Fesfigkei/ t.d~ Fig. 7 = E d63 -4 y), sondern auch der Einfluß einer Vergrößerung der Elektrodenfläche berechenbar ist (Abb. 8). Bei ylEd ~ 0,03 beträgt z. B. bei einer Flächenvergrößerung auf das IOOfache die berechnete Durchschlagspannung nur noch 85% und zeigt gute Übereinstimmung mit experimentellen Werten. Analog der Vergrößerung der ,~irksamen Elektrodenfläche muß sich eine Verlängerung der Beanspruehungszeit auf die "Yel'teilungsfunktion auswirken (von I ruin auf 25 Jahre z. B. um den Faktor IOß). Hier ist noch viel Arbeit zu leisten, wir wollen speziell über dieses Prohlem auf dem nächsten Internationalen Symposium Hochspannungstechnik 1975 in Zürieh herichten. 275 OBERSCHLAG VON SFs-ISOLIERUNGEN 1.0 ~ - ~"""- :::: ..... "':1- ~ ........ - .... 1-1-- I'- i"- ........ 1--1".......... r-. I I Q5 2 1 1"/Ld6J . - ::""'t::=:::::- 0,01 ::--e-r~ ~ '" r-- l""--- --- - -r--- .......... r--..... ........ --............ i'.. - Meßwerte: kOQ)(. Zylinder im 51j d63 =0.,9; (p=2,5al; Ao = iT{ (/tI J J 1 -3 _It 5 678910 ........ r--- I'r-r" 0,02 r- llO3 ao4 I"- O/J6 r"-!' "i'" 0,!)8 - 20 30 40 60 8f) 100 Vergröj3;uung$fak.tor n Fig.8 E: 400 ~ /~fdi I ~ 300 .~ [dl ->c::- I .~ 200 I -;;; IU "l3 .\2 ~ : "l3 .~ /1r~ ~(~ Edl _ Edl kV/cm - pli . p z ~II ~ ~ V- Vv 100 90 1 80 70 I 1/# Polarität {d~[lV~ pt cm -ai - Z r-v I Wechsel- u_ Gleichspg. 65 I 0.73 v ISchal/spannung I 75 I 0,69 IBli/zspannung V B4 I 0,71 Edi I theoret. f. Dauerspgn. 89 I 1,0 Symbol I Spannungsfurm 11//// IIA'// Mfi/ ihYl.K 60 "l3 50 Vyyf! r~1 ~ 1r0 aß 0,6 I I I 11 0.8 1,0 2,0 3.0 1 I 4.0 5.0 6,0 at Druck P200C Fig. 9 1.9. Technische elektrische Festigkeit Nach diesen Betrachtungen, die ja noch nicht als abgeschlossen betrachtet werden können, nun zu einigen praktischen Überlegungen. Fassen wir alle unsere und die uns bekannten internationalen-Durchschlagmessungen von SF 6-Isolierungen zusammen, konnten 'wir nach diesen Überlegungen eine )}technische elektrische Festigkeit« E dt bei technischen Elektroden (Oberflächenrauheit ?'8 250 fLm) abhängig von der Spannungsform und der Polarität der stärker gekrümmten Elektrode ermitteln (Abb. 9), mit der die Durchschlagspannung nach der einfachen Schwaiger-Beziehung Ud = 7 E dt • S • 17 276 W .•HOSCH ermittelt werden kann. Die mit dieser »technischen elektrischen Festigkeit« berechneten Durchschlagspannungen liegen nach unseren Erfahrungen immer »auf der sicheren Seite«, sind also untere Grenzwerte der zu erwartenden Durchschlagspannungen. Ein Beispiel für die Anwendung der Berechnungen zeigt z. B. die Dimensionierung eines Preßgaskondensators mit SF6-Füllung für das VEB Transformatoren- und Röntgenwerk (Abb. 10), bei dem Meßwerte und berechnete Durchschlagspannung recht gut übereinstimmen. ~ 320 ~ 0, c:: ::, c:: c:: t:> Cl. '" Qj '" y kV 280 95 240 160 "" tl 120 '" -c:: ... ::, t.J 80 / Cl 40 78,5mm mm. I/' 200 t.J ::c:t.J t'j • ,ib-95 V -c:: '" ::t ki!llinder: - ~trauensberei~ I'" . der Hi~elwerte o I '/ / V P1, gaskOriderisator . Typ HG . 12 V150 P (VEB TuR presden) i 2. 5 3 6 01 Druclp. Fig. 10 2. Überschlag längs Grenzflächen im SF6 2.1. Homogenitätsgrad Natürlich gibt es bei Anordnungen mit mehreren Isolierstoffen noch weitere Einflußfaktoren. Wichtigste Größe ist wieder das elektrische Feld. Mit Hilfe numerischer Methoden der Feldberechnung gelingt es auch bei Mehrstoffsystemen, einen Homogenitätsgrad Ujs Eh 1J=- zu ermitteln. Im Zylinderfeld z. B. mit 1JE = 0,55 ändert sich 1) dabei mit dem Winkel tX der Grenzfläche und mit dem Verhältnis von erl/erz (Abb. 11). Bei tX = 90° ist 1] = 1]E' Wird der Winkel tX bei erl/ er2 ~ 1/5 kleiner als ~ 40°, "",ird die Feldstärke am Außenzylinder (1] < 0,55), bei tX > 90° am Innenbolzen (1J < 0,55) größer als die Höchstfeldstärke des Grundfeldes. üBERSCHLAG l'OS SF,,-ISOLIERUSGZS -0,8 I ........ '!JH " I I .... I I I I I I I I I : o I 45 60 I I -- _. " '~ 75 90 ra= 20mm = 6,75 mm 'lE = 0,55mm fj ............. I I I I I 30 -;);- I~ "lE Vi Crt/Grz "" 1/5 I .... I 277 I 105 120 135 150 grad Kon us winkel d Fig.11 Fig. 12 2.2. Spalte und Rauheit Außer dem Krümmungsradius der Elektroden, der Schlagweite und der der Elektroden, die wir im 1. Abschnitt bereits kennen gelernt haben, spielen jetzt die Grenzfläche, die Isolierstoffe (sr) aber auch ein evtl. vorhandener Spalt z"\Vischen Elektrode und Isolierstoff und die Rauheit der Isolierstoffoberfläche eine Rolle (Abb. 12). Vor allem mit breiter werdendem Spalt sinkt die Überschlagspannung auf 70 bis 80% des ursprünglichen Wertes ab. Wiederum ist der Einfluß bei höherem Isoliergasdruck größer. Rauheiten der Isolierstoffoberfläche ,~irken sich erst von Werten ab ~ 20 f-lm (gedrehte Fläche, Rillentiefe 0,03 mm) auf die Überschlagspannung aus (Abb. 13). Wiederum ist der Einfluß bei höherem Isoliergasdruck größer. Oberflä~henrauheit 278 W ..HOSCH 2.3. Berechnung der Überschlagspannung Fassen ",ir die Üherlegungen wieder zusammen, kann eine Berechnung der Üherschlagspannung hei technischer Ausführung analog zum Einstoffsystem erfolgen. Die Ühersch.1agspannung errechnet sich dann zu U ü = E üt s . • ?}, wenn 'wiederum eine technische Üherschlagfeldstärke definiert ,drd (Ahb. 14). _------Ob2rfläche;:------_ sandaeSÜ'CI,';!/ _gedrehl-_ _~ gegossen - Ril/enliefe R, =0,03 mm ,~ 120 'R, = G,3 mm R1 = 0.85 mm I !I ' Ti,I i i 111I1 ! ; , c::J kV LJI i !! 11, i 1 i Druck; .g> 100 f--l-+++H 1-l11__+-I+-I--j-I-+I-++I-H-II+-1_+I-+I_IH-~I ''-t:.:n'i! :P20"C,{,li :J I I! I i I I~ i I ' i I , i i I i !r"-J, 4 ~ ,1,1111 ~, I I' , 1 ~ ~ 80 I I I 111 V) ~ 60 0, ~V) l'Of! ~ ;;; 20 ,:3 2 1 1 1 I' Ii °1!!1 I 0 1 11 1I1 1 I! I I 1 I I I!I i I1 1 I! i 1 I I I i i III!III 11 I" ! ! 1 Ii 1 Il I I, i I 1111, : 1 I, 11 10 1 1 1 'I 11 1 I i I I !, i I i"11111 I 1 : 11 I!! i i 11 "6 8 10' ! I 't 1 ,' :! I 1! 1I 1I 2 1. ! l I, 1 I, ~'I' Tnt i I'~I : 1 1i I ' I , ! ,I : I. ~I '1_" " -: i : I I;! 2 ! 1 1 i i 1 I li I i; I Ii i I I 1 I -0 I ! 111 i I 6 8 111 2 t, I Nit/enrauhwert anaxiale Zylinder u =~mm ;, =0)5 Er~5 Jim 0R Fig. 13 Am Beispiel eines Zylinderfeldes mit Schräggrenzfläche hei unterschiedlichem Konuswinkel (Abb. 15) soll wiederum die gute Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung demonstriert werden. Bei x < 40° und x > 120 0 ",ird 1) kleiner als 1)t, es treten ;;or dem Überschlag stabile Teilentladungen auf und es gelingt nicht mehr die Überschlag-, sondern nur noch die Anfangsspannung zu berechnen. 3. Einfluß von Teilchen 3.1. Diskrete Störstellen auf den Elektroden Zunächst haben wir Anfangs- und Durchschlagspannung im Einstoffsystem untersucht, wenn das schwach inhomogene Feld durch eine einzige konkrete Störstelle gestört wird. Während z. B. im Feld Kugel-Platte (Ahb. 16) die Anfangsspannung mit der Länge einer aus der Kugel herausragenden Spitze monoton abnimmt, zeigt die Durchschlagspanl1ung einen kompli- 279 üBERSCHLAG VOS SF,;"ISOLIERl-SGES ~300 iI I, •• kV ~cm 1 ~ 200 11 ~ li -tl ~ ./ : ... 1 ,/ // I /1./ V ,/ ,/ I ,/v <;) -~ 1 / "5 50 ," .40 ~ V y./ ./ 1 H"/ V t:::i--' vi/I 30 t.....' I 1.0 2,0 f'Jymbol [ 1 mm zu stabilen Teilentladungen und die Überschlagspannung steigt "wieder an, u. U. auf Werte, die höher als die eines ungestörten schwach inhomogenen Feldes sind. Zu diesem Effekt kommt es nur bei Wechsel-, Gleich- oder Schaltspannungen. Bei Elitzspanllungen (Abh. 17) treten keine solchen stabilen 280 300 r-----r--;--,-----,r----r--,--~~ kV ,J 250 f200~~---+---L--~--JI---+---+~~ f 150 H - - + - - - I ~ ~I-----I---~ I a =50md 1001-+-+--: 1 I P20'C :: 2ft al 50r--T~+_-,--+-,-~--+~ I I Qa~ o o I 2 6 8 10 12 1~ Fig. 16 Teilentladungen bei Schalt- und it~spq. (l 5 l}1fT1; J?2QoC '1at~ r Fig.17 Längel 16 mm x- 281 üBERSCHLAG VON SF -ISOLIERUNGEiV 5 80r-----.-----,------.----~----~ -f- rv '- + (f)1 P200C = 1al ) ~~f ~I 20~--~----~----~__~~---J o 2 .6 8 10 ")~~ J r mm Absfand a Fig. 18 kV 11 40 l-----+------j7''-----;;; ~ \.. g> ~6 I' 'c:" 1 5} .~ ~ 0, ~ 20~--------~---------r--------~ E: E: 21~ § 30~-----+---~~~~--------~ -<:: 1. 0,5 rnrn r e3 9 ln 11 V) ") -S V) -<:: l.) c.. '" Cl 10L-------J-------~1------~ o 2 3 at Drucx P20 0C Fig. 19 Teilentladungen auf und die Durchschlaghlitzspannung sinkt wie die Anfangsspannung monoton mit der Nadellänge ah. Es ist vielleicht deshalh vorteilhaft, nach vorhandenen konstruktiven oder technologischen Fehlern (Grate, Niete, Schrauhenköpfe usw.) nicht mit einer langdauernd anliegenden Spaunung, sondern mit Blitzspannungen zu suchen. Oder man mißt die Anfangsspannung. 3.2. Teilchen im Feldraum Auch Partikel (Teilchen) als Fremdstoffe im Gas verringern die Durchschlagspannung. Hält man ein einziges Teilchen im elektrischen Feld fest (Abh. 18), ist die Durchschlagspannung am geringsten, 'wenn das Teilchen an der negativen Elektrode anliegt. In der Mitte zwischen den Elektroden beeinflußt es die Durchschlagspannung am wenigsten. Gleiche Ergehnisse zeigt auch Ahh. 19, hier aber ahhängig vom Isoliergasdruck ermittelt. 282 W. MOSCH Ist das Teilchen frei beweglich, erfolgt der Durchschlag natürlich dann, wenn das Teilchen gerade an der negativen Elektrode anliegt, und man erhält als Durchschlagspannung die gleichen Werte wie für ein an der negativen Elektrode fest gehaltenes Teilchen. 3.3. Teilchen auf Grenzflächen Bei Mehrstoffsystemen können die Teilchen sich auch auf der Grenzfläche anlagern. Hier nimmt die Überschlagspannung mit dichter werdendem Belag sehr rasch ab (Abb. 20). Der Abfall ist 'wieder besonders stark, wenn ein hoher Isoliergasdruck angewendet ·wird. 1ltO ...----,-----,;-----;-----, ,~ kV ~ ~120~-~-~---~--i t:: t:: :J § 100 1---!'id---+---+--1---r-~ Cl. ~ ohne Belag· c QJ ~ ~ 80~--~--~~-~r---+--~--~ Rußpartikeln 0 Druck ~ PzOCClat ~ 60~~~--4---+-~t+~~~'2ü5~ '5 '0 '- 1,0 . QJ .Q Eisenparfikeln dirlmm .. O,Olt - 0,06 x 0,12-0,16 A 0,20 - 0,40 ':::J 5 10 15 25 20 Fig. 20 30 % Belag 4. Schlußfolgenmgen Aus unseren bisherigen Untersuchungen möchte ich einige Schlußfolgerungen ziehen: 1. Die Zündung selbständiger Entladungen im SF 6 und damit die Durchschlagspannung von Anordnungen mit schwach inhomogenem Feld, kann aus den Gesetzmäßigkeiten für die Elementarprozesse vorausberechnet werden. Sowohl bei Einstoff- als auch bei Mehrstoffsystemen stimm.en die über die Streamerbedingung und die modifizierte Beziehung von Schwaiger berechneten Durch- bzw. Überschlagspannungen zumindest im Druckbereich von 1 bis 4 at gut mit experimentellen Werten überein. 2. Betrachtet man die elektrische Festigkeit des SF 6 als Zufallsgröße, ist es zweckmäßig, die Verteilungsfunktion mit Hilfe einer doppelexponentiellen üBERSCHLAG VON SFs-ISOLIERUiYGES 283 Funktion zu beschreiben_ Damit ist es möglich, statistische Stehspannungen, sowie Flächen- und Zeiteffekte vorauszuberechnen. 3. Die Rauheit der Elektrodenoberflächen ist von erheblichem Einfluß auf die Durchschlagspannung, während ein Einfluß des Elektrodenmaterials nicht festgestellt werden konnte. Um die technologischen Forderungen einhalten zu können, ist es zweckmäßig, für die Bemessung von vornherein einen technisch ohne größere Schwierigkeiten zu realisierenden Mittenrauhwert von z. B. 250 flm anzusetzen. 4. Ein Spalt z"wischen Elektrode und festem Isolierstoff vermindert die Überschlagspannung erheblich. Sie wird um so kleiner, je breiter der Spalt ist. Spalte müssen deshalb durch geeignete Formgebung der Elektroden, Feldsteuerung, Metallisierung oder ähnliches grundsätzlich vermieden -werden. 5. Die Oberflächenrauheit eines festen Isolierstoffs hat erst bei sehr großen Rauheiten (> 100 flm) einen merklichen Einfluß auf die Überachlagspannung und auch nur dann, wenn solche Rauheiten in unmittelbarer Nähe der Elektroden vorhanden sind. 6. Diskrete Störstellen auf Elektroden (z. B. durch Montagefehler) setzen die Anfangsspannung einer Anordnung mit schwach inhomogenem Feld erhehlich herab. Bei lang andauernden Spannungen (Wechselspannung, Gleichspannung, Schaltspannung) kann aber die Durchschlagspannung trotzdem hohe Werte annehmen, da dann u. U. vor dem Durchschlag stabile, feldvergleichmäßigende Raumladungen auftreten. 7. Nichtleitfähige Partikel beeinflussen - -wie die Oberflächenrauheit eines festen Isolierstoffes - die Anfangs-, Durch- und Überschlagspannung nur geringfügig. Leitfähige Partikel -vermindern sie dagegen erheblich. Der Einfluß von Teilchen ist besonders groß, wenn sie sich an den Elektroden anlagern (bei Gleichspannung besonders bei Anlagerung an der negativen Elektrode). 8. lYlikrogeometrische Einflüsse wie Rauheiten, Spalte, Teilchen usw. sind besonders kritisch, wenn ein hoher Isoliergasdruck angewendet wird. Zusammenfassung In komprimierten SFs Gas-Isolierungen sind nur leicht inhomogene elektrische Felder zulässig, in denen keine stabilen Teilentladungen auftreten. In solchen Anordnungen kann die Durchschlagspannung mit der maximalen auftretenden Feldstärke charakterisiert werden, wo letztere neben der Qualität des Gases auch von der Inhomogenität des Feldes und von der Rauheit der Elcktrodenoberflächcn abhängig ist. Dic statistische Verteilung der Durchschl~.g­ spannung kann mit einer doppelexponentiellen Verteilungsfunktion angenähert werden und ist von de~. Dauer der Beanspruchung sowie von der Größe der Elektrodenoberflächcll abhängig. Die Uberschlagspannung der in der Gasisolierung mitverwendeten festen Isol~er­ körper wird durch die an den Isolierflächen abgelagerten Verunreinigungen, durch den Neigungswinkel zwischen Aequipotentialflächen des Feldes und Oberfläche des Isolierkörpers, durch die Permittivität des festen Dielektrikums sowie durch die etwaigen schmalen Spalte zwischen holierkörper und anliegender Elektrode beeinträchtigt. Staub-Partikeln im Gns 284 W. MOSCH haben einen maximalen Einfluß anf die Durchschlagspannung, wenn sie sich in Elektrodennähe befinden. Die Auswirkung von Unebenheiten der Elektrodenoberflächen auf die Durchschlagspannung ist von der Art der Spannungsbeanspruchung abhängig und vermindert die Durchschlagspannung bei Stoßbeanspruchung am stärksten. Literatur 1. SCHWAIGER, A.: Elektrische Festigkeitslehre. Berlin: Springer-Verlag 1925 2. KIELl'rUNN, F.: Zum Durchschlag aus stabilen Teilentladungen im SF s bei Schalt- und Wechselspannung. Elektrie 28 U974) H. 6, S. 326-329 3. 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