Vermeintliche und wirkliche Ueberspannungswirkungen in Hochspannungsanlagen.Wegen der Wichtigkeit des Gegenstandes für die weitesten technischen Kreise bringen wir hier einen Abdruck aus „ETZ“ Heft 51 (1913) mit Zustimmung von Verfasser und Schriftleitung der „ETZ“.Redaktion. Von Felix Finckh, Halensee. FINCKH: Vermeintliche und wirkliche Ueberspannungswirkungen in Hochspannungsanlagen Wer die Entstehung und die Entwicklung der Hochspannungsanlagen von den Anfängen der Wechselstrombetriebe an bis in die neueste Zeit verfolgt hat und in betriebstechnischer Hinsicht diese Anlagen näher kennen zu lernen Gelegenheit hatte, dem dürfte es aufgefallen sein, daß seit den letzten Jahren, und besonders in der allerneuesten Zeit den Ueberspannungen und den Einflüssen atmosphärischer Vorgänge ein größere Bedeutung zugeschrieben wird, als in früheren Jahren. In den Kreisen der Betriebsleiter neuerer Anlagen hat sogar im Gegensatz zu früher mitunter eine offensichtliche Beunruhigung angesichts der drohenden Ueberspannungen und ihrer angeblichen Folgen Platz gegriffen. Nicht selten herrscht Besorgnis wegen Ueberspannungen, die angeblich in einer solchen Größe aufgetreten sind, daß beispielsweise zwischen Sammelschienen oder Decken- und Wanddurchführungen, oder von diesen aus nach benachbarten in erheblichem Abstand von ihnen befindlichen geerdeten Metallteilen „Ueberschläge“ stattgefunden haben. Wenn man zunächst von den neuerdings angewandten sehr hohen Betriebsspannungen absieht und nur mittelhohe Betriebsspannungen, etwa bis zu 20 KV, berücksichtigt, so müßten, um derartige Ueberschläge zu erklären, die Ueberspannungen im Verhältnis zu der Betriebsspannung allerdings sehr beträchtlich gewesen sein. Man bedenke, daß zum Ueberschlag eines jeden Zentimeters Luftlänge angenähert 20 KV erforderlich sind, und daß die in solchen Anlagen gebräuchlichen, in einwandfreiem Zustand befindlichen Isolatoren, Leitungsdurchführungen usw. erst bei etwa dem fünf- bis sechsfachen Wert der Betriebsspannung überschlagen werden. Nun ist es auffallend, daß denjenigen Betriebsleitern, die in früheren Jahren, etwa am Ende des vorletzten Dezenniums, den damaligen Hochspannungsanlagen vorgestanden haben, die geschilderten Erscheinungen unbekannt waren, sofern nicht direkte Blitzschläge in Betracht kamen. Ich kann aus eigener Erfahrung sagen, daß während meiner damaligen mehrjährigen Bau- und Betriebstätigkeit in sehr ausgedehnten Anlagen des In- und Auslandes Ueberspannungen sich niemals in bedenklicher Weise fühlbar gemacht haben, selbst bei solchen Anlagen nicht, deren Netze über gebirgige, gewitterreiche Gegenden führten. Es sei dazu bemerkt, daß diese Anlagen bezüglich ihrer Ausdehnung und der Höhe ihrer Betriebsspannung hinter vielen neuzeitlichen Anlagen nicht zurückstanden; nur die Zentralenleistungen waren damals im allgemeinem kleiner, und meistens waren zur Erzeugung der Hochspannung „Primärtransformatoren“ angewendet. Betriebsstörungen sind naturgemäß ebenfalls vorgekommen, aber sie gehörten selbst während der Gewitterperioden zu den großen Ausnahmen. Ueberschläge aber, wie sie oben geschildert sind, waren meiner Erinnerung nach nie zu verzeichnen, und auch Transformatorenbeschädigungen kamen beinahe gar nicht vor, obgleich regelrechte Ueberspannungsschutzapparate, mit Ausnahme von sehr unempfindlich eingestellten, auf Masten montierten Blitzableitern, überhaupt nicht vorhanden waren. Die luftgekühlten Transformatoren waren noch obendrein in ziemlich primitiver Weise mit Preßspan- und Holzisolation ausgeführt. Man ist daher unwillkürlich vor die Frage gestellt, womit es eigentlich zu begründen ist, daß in dieser Hinsicht gegen früher eine solche auffallende Aenderung eingetreten ist. Sind etwa die atmosphärischen Vorgänge und die betriebsmäßigen Ueberspannungen heftiger geworden als in früheren Zeiten? Diese beiden Fragen lassen sich ohne weiteres verneinend beantworten, denn es wird einleuchtend sein, daß der Charakter der Gewitter heute wohl noch genau derselbe ist, wie damals, und wie er wohl durchschnittlich zu allen Zeiten gewesen sein wird. Auch für die Entstehung der betriebsmäßigen Ueberspannungen war damals der Boden genau so geebnet, wie heute, denn an den elektrischen Eigenschaften (Netzkapazität. Frequenz und Selbstinduktion der Leitungen), die für das Zustandekommen der betriebsmäßigen Ueberspannungen maßgebend sind, hat sich in der Zwischenzeit nichts Wesentliches geändert. Es liegt also kein Grund zu der Annahme vor, daß etwa die Heftigkeit und Häufigkeit der Ueberspannungen im Vergleich zu den früheren Zeiten zugenommen haben könnte. Umgekehrt, man kann füglich das Gegenteil behaupten, denn einesteils wurde infolge des klareren Einblicks in das Wesen und die Natur der Ueberspannungen durch eine sinngemäßere Betriebsführung ihrer Entstehung nach Möglichkeit vorgebeugt, und andernteils ist seit der allgemeinen Einführung der Oelschalter, Oelschutzschalter, Ueberspannungsschutzapparate und dergleichen eine Verminderung, sowohl der Häufigkeit als auch der Heftigkeit der Ueberspannungen, fraglos herbeigeführt worden. Mit der Mehrung der angeblich auf Ueberspannungen beruhenden Störungen und Beschädigungen gegenüber früherer Jahre muß es also eine andere Bewandtnis haben. Vermeintliche Ueberspannungen. Um dem wirklichen Sachverhalt näher zu kommen, möchte ich auf Grund meiner zahlreichen und langjährigen Untersuchungen auf diesem Gebiete gleich von vornherein erklären, daß ein sehr erheblicher Teil der gegenwärtigen vermeintlichen Ueberspannungsfälle mit Ueberspannungen entweder garnichts oder nur indirekt zu tun hat, und daß es bei ihnen nur den Anschein hat, als ob Ueberspannungen im Spiele wären. Die eigentlichen Ursachen sind häufig in unliebsamen Nebeneigenschaften solcher Apparate begründet, die man in den damaligen Jahren noch nicht verwendet hat, wie Oeltransformatoren, Oelschalter, Hochspannungsmaschinen und dergleichen. Ich möchte in dieser Hinsicht von den sehr vielen darauf bezüglichen Fällen einige charakteristische Beispiele anführen und einige Erörterungen daran knüpfen. a) In einem ausgedehnten mit 10 KV betriebenen Ueberlandkabelnetz, dessen in großer Anzahl angeschlossene Oeltransformatoren mehrere Jahre hindurch ohne nennenswerte Störungen arbeiteten, stellten sich von einem bestimmten Zeitpunkt ab Transformatorenbeschädigungen ein, deren Zahl in rascher Aufeinanderfolge von Tag zu Tag wuchs. Es wurde unwillkürlich vermutet, daß sich beim Betrieb des Netzes irgend welche anormalen Verhältnisse eingeschlichen haben, welche Ueberspannungen und dadurch die Transformatorenbeschädigungen bedingen. Die Untersuchung ergab zunächst, daß nur solche Transformatoren betroffen wurden, die tagsüber vollbelastet in Betrieb waren und während der Nacht vom Hochspannungsnetz abgeschaltet waren, während die dauernd eingeschalteten Transformatoren unbeschädigt blieben. Man neigte daher zuerst der Ansicht zu, daß die fortwährenden Schaltmanipulationen, die mehrmals täglich hochspannungsseitig vorgenommen wurden, die Ursache seien, indem sie Wellen auslösen, was allerdings für die Schutzschalter, mit denen die betreffenden Transformatoren geschaltet wurden, kein gutes Zeugnis gewesen wäre. Die innere Untersuchung mehrerer solcher, zum Teil unbeschädigter „Tagestransformatoren“ ergab indessen, daß sie im Gegensatz zu den dauernd eingeschalteten Transformatoren große Mengen von Wasser enthielten, so daß an der Ursache der Transformatorenbeschädigungen kein Zweifel mehr bestand. Diese Erscheinung erklärte sich durch eine der unliebsamen Nebeneigenschaften der Oeltransformatoren, nämlich, daß ihr Oelvolumen sich mit der Temperatur ändert. Die Transformatoren verdrängen, da sie niemals völlig luftdicht verschlossen sind, während der Erwärmungsperiode des Oeles einen Teil ihrer Innenluft und saugen während der Abkühlungsperiode dieselbe Luftmenge aus der Umgebung wieder an (sogen. Atmen der Transformatoren), wobei sich während eines jeden solchen Atmungsvorgangs ein Teil der Feuchtigkeit der Frischluft im Transformator niederschlägt. Ich bemerke übrigens, daß diese schädlichen Vorgänge neuerdings durch besondere, keine besondere Bedienung erfordernde Vorrichtungen (Oelkonservatoren) vermieden werden. b) Ein weiteres Beispiel betrifft eine neuzeitliche Großgasmaschinen – Zentrale. In dieser liefen mehrere 1500 KVA-Generatoren, 5000 V parallel, und ihre Erwärmung war im Dauervollbetrieb völlig belanglos. Nach mehrjährigem, anstandslosem Betrieb stellten sich an den Generatoren wiederholt Spulenverbrennungen (Kurzschlußwindungen) ein. Bei einem gelegentlich hinzukommenden Kurzschluß im Netz verbrannten alsdann bei mehreren Maschinen gleichzeitig eine große Anzahl von Spulen. Man zweifelte zunächst nicht daran, daß Ueberspannungen die Ursache seien, daß der vorhandene Ueberspannungsschutz nicht ausreiche und vervollkommnet werden müsse. Ich untersuchte zunächst an Hand der mir zur Verfügung gestellten Wicklungsdaten, ob die Maschinen zu Beschädigungen durch Ueberspannungen neigen, d.h., ob sie besonders überspannungsempfindlich seien (auf den Begriff der „Ueberspannungsempfindlichkeit“ komme ich später zurück). Diese Voruntersuchungen ergaben, daß als Ursache der Spulenverbrennungen unmöglich Ueberspannungen in Betracht kommen können, und eine daran anschließende Untersuchung an Ort und Stelle bestätigte dies auch. Als nämlich aus den Maschinen einige noch betriebsfähige Spulen ausgebaut und an ihnen durch Entfernung der Nutenisolation die Drähte freigelegt waren, zeigte es sich, daß die Drahtisolationen an denjenigen Stellen, wo die Drähte aneinanderlagen, also an den einander zugekehrten Seiten, völlig abgeschliffen und nahezu blank gescheuert waren. Die mechanische Erschütterung der Wicklung infolge des erwähnten Kurzschlusses hat dann vollends die Windungsschlüsse, und die dadurch bedingten Spulenverbrennungen herbeigeführt. Das Abschleifen der Drahtisolationen rührte daher, daß die rhythmischen Ausgleichströme des nicht sonderlich gut gehenden Parallelbetriebs kleine Dauerbewegungen der vielleicht nicht fest genug gelagerten Drähte zur Folge hatten. Es ist natürlich einleuchtend, daß nach Klarstellung dieser Sachlage von Ueberspannungen nicht mehr die Rede sein konnte, und daß eine Vervollkommnung des bestehenden Ueberspannungsschutzes sich erübrigte. c) Eine andere Vorbedingung, die genau in derselben Weise und unter denselben Umständen zu Kurzschlußwindungen an Hochspannungsmaschinen führt, ist dann gegeben, wenn die Maschinen zur Nitrierung neigen, und die Isolation der Spulendrähte infolge von Salpetersäurebildung durch die sogen, stille Entladung der Betriebsspannung allmählich zersetzt worden ist. Das äußere Bild derartiger Beschädigungen ist genau so, als ob diese durch Ueberspannungen eingeleitet worden wären, und in beinahe allen derartigen Fällen wurde als Ursache der Beschädigungen irrtümlicherweise zunächst „Ueberspannungen“ angenommen. Auch hier gibt, wie in obigem Falle, die innere Untersuchung einiger noch betriebsfähiger und möglichst nahe an den Ausführungsklemmen gelegener Spulen sofort Aufschluß über den wahren Sachverhalt und zugleich die beste Widerlegung etwaiger irrtümlicher Anschauungen. Es sei übrigens bemerkt, daß die Gefahr der Nitrierung von Maschinenwicklungen in neuerer Zeit dadurch vollkommen vermieden ist, daß von einer bestimmten Höhe der Betriebsspannung ab als Isolation der Nutenleiter entweder glimmerisolierte Stabwicklung verwendet wird oder bei Draht- und Litzenwicklung die Statorspulen zwecks Verhinderung des Lufteintritts mittels Compoundmasse durchtränkt werden. d) Man hört häufig von Ueberschlägen zwischen Oelschalterklemmen infolge von Ueberspannungen, vorherrschend an solchen Schaltern, die mit selbsttätigen Maximalauslöserrelais versehen sind. Meist werden die Spulen dieser Relais für die Schalterüberschläge verantwortlich gemacht, weil sie für die Ueberspannungen, die bei der Betätigung des Schalters auftreten, drosselnd wirken. Diese Spulen sind indessen nur für die betriebsmäßig an ihnen auftretende geringe Spannung isoliert, es können sich daher gefährliche Spannungen an ihnen nicht entwickeln. Gewöhnlich treten bei Schalterbetätigungen „Funken“ zwischen einzelnen Windungen dieser Spulen auf, die aber in den meisten Fällen völlig harmloser Natur sind und keine weiteren Folgen haben. Ich habe schon vor Jahren diesem Punkt meine Aufmerksamkeit zugewandt und in dieser Hinsicht in Hochspannungsanlagen Versuche angestellt. Dabei ist es mir aber, selbst bei Anlagen mit sehr hohen Betriebsspannungen, trotz vielfacher, unter sehr ungünstigen Bedingungen ausgeführter Schalterbetätigungen nicht ein einziges Mal gelungen, einen Schalterüberschlag künstlich herbeizuführen, oder Ueberspannungen von gefahrbringender Größe zu erzielen. In besonders ausgeprägten Fällen, in denen die Spulen gefährdet erschienen, half zu ihrem Schütze die nachträgliche Anbringung einer empfindlich eingestellten Parallelfunkenstrecke vollkommen und dauernd. Die Ursache der Ueberschläge zwischen den Schalterklemmen hat mit Ueberspannungen nichts zu tun, sondern beruht beinahe ausschließlich auf einer Ueberbrückung der außenliegenden hochspannungführenden Teile durch leitende Gase oder durch Fremdkörper. Beispielsweise sind die Verbrennungsprodukte, die bei Vorhandensein eines Hochspannungslichtbogens unter Oel aus dem letzteren entweichen, unter bestimmten Umständen für Hochspannung leitend und besitzende Fähigkeit, hochspannungführende blanke Metallteile verschiedener Phasen zu überbrücken. Solche Vorgänge liegen beinahe ausnahmslos den Schalterüberschlägen zugrunde, wenn der Schalter unter schweren Bedingungen, etwa bei Netzkurzschlüssen, auslöst und dabei den Kurzschlußstrom nicht rasch genug unterbricht. Dieser Gefahr sind hauptsächlich solche Oelschalter ausgesetzt, deren unter Oel befindliche Kontakte bereits infolge vorangegangener häufiger Schaltvorgänge in Mitleidenschaft gezogen sind, und bei denen es verabsäumt wird, die Kontakte rechtzeitig nachzuarbeiten oder zu erneuern. Die Gefahr der Ueberschläge wird noch besonders erhöht, wenn die Oelkessel nicht genügend mit Oel gefüllt sind. Die Oelschalter mit selbsttätiger Auslösung sind im Vergleich zu den Schaltern für Handbetätigung in obiger Hinsicht viel ungünstiger daran, weil die Auslöserelais stets in Bereitschaft stehen, „Netzkurzschlüsse“ sozusagen „in flagranti“ zu unterbrechen, während dies bei Schaltern für Handbetätigung nicht oder höchst selten vorkommt. Eine ebensolche überbrückende Wirkung, wie leitende Gase, üben bekanntlich auch Metalldämpfe aus, welche beispielsweise dann entstehen, wenn eine Porzellandurchführung mechanisch beschädigt ist und aus irgend einem äußeren Anlaß (z.B. Erdschluß) an der schadhaften Stelle ein Stromübergang stattfindet. Solche schadhafte Stellen an Porzellandurchführungen sind nicht selten, besonders wenn mit unzweckmäßigen, treibenden Kittmitteln gearbeitet wurde. Die Durchführungsklemmen und Porzellanteile der Oelschalter sind in dieser Hinsicht besonders ungünstig daran, weil bei ihnen noch die Erschütterungen bei der Betätigung der Schalter hinzukommen. Auch infolge von gelockerten Schraubverbindungen oder sonstigen schlechten Kontaktstellen bilden sich beim Stromdurchgang Metalldämpfe, die ebenfalls zu Ueberbrückungen führen können. Bei kleinen Oelschaltertypen, bei denen die Klemmen verhältnismäßig nahe beieinander liegen, habe ich häufig gefunden, daß die Ueberschläge vorherrschend durch zwischen die Schalterklemmen fliegende Insekten (Nachtfalter usw.) eingeleitet wurden. Die Ueberreste solcher Tiere konnte man in solchen Fällen meistens noch auf der Grundplatte des Schalters oder in seiner nächsten Nähe vorfinden. Weniger bei Oelschaltern, ala bei andern Hochspannungsapparaten, können auch „Mäuse“ solche überspannungsähnliche Erscheinungen hervorrufen. Ich habe in dieser Hinsicht einen Stromwandler in Erinnerung, welcher in die Fabrik zur Reparatur eingesandt worden war, mit dem Hinweis, daß er infolge von Ueberspannungen durchgeschlagen sei. Nach Abnahme der Kappe dieses Stromwandlers kamen alsdann diese „Ueberspannungen“ in Form von sieben verbrannten Mäusen, die sich in seinem Innern eingenistet hatten, zum Vorschein. e) In engem Zusammenhang mit solchen Ueberbrückungen durch leitende Gase oder Fremdkörper stehen die eingangs angeführten Ueberschläge großer Luftabstände, also die Ueberschläge zwischen Sammelschienen und dergleichen. Zur Beruhigung der interessierten Kreise sei erwähnt, daß es bei den mittelhohen Betriebsspannungen solche Ueberspannungen, die imstande wären, derartig große Abstände zu überschlagen, meines Erachtens heutigentags ebensowenig gibt, wie in früheren Zeiten, sofern man wieder von direkten Blitzschlägen oder Blitzverästelungen oder von sehr unwahrscheinlichen Ausnahmefällen (vergl. nächstes Kapitel) absieht. In allen Fällen, in denen solche Ueberschläge auf große Entfernungen gemeldet wurden, konnte ich nachweisen, daß es sich nicht um Ueberspannungen handelte, sondern einfach um verschleppte Kurzschlußlichtbogen. Dieselben waren an irgend einer Stelle, etwa an den Klemmen eines Oelschalters auf unter c) beschriebene Weise, entstanden und wurden alsdann durch Wärmeauftrieb und magnetische Blaswirkung nach andern Stellen der Schaltanlage getrieben. Bisweilen geschah auch die Einleitung solcher Kurzschlüsse durch unsachgemäß oder sinnwidrig montierte Hörnerableiter in der Weise, daß die bei ihrem Ansprechen entstehenden Lichtbogen mit geerdeten Metallteilen oder spannungführenden Leitungen in Berührung kamen und Kurzschluß herbeiführten. Solche Kurzschlüsse können naturgemäß dann besonders leicht vorkommen, wenn zufälligerweise im Netz ein Erdschluß vorhanden ist, oder wenn die Dämpfungswiderstände der Hörnerableiter unbeständig sind und dadurch für die Raumverhältnisse zu hohe Hörnerlichtbogen aufkommen lassen. Diese hierdurch eingeleiteten Kurzschlußlichtbogen wandern von ihrem Entstehungsort aus mit ziemlicher Geschwindigkeit an den Leitungen entlang, meist bis zu den obersten Stellen der Schaltanlage, wo sie alsdann hängen bleiben, beängstigend aussehende Brandspuren hinterlassen und den Eindruck von dort entstandenen Ueberschlägen erwecken. Auf ihrem Wege bis dorthin hinterlassen sie an den Leitungen meist nur winzige Brandspuren in Form von kleinen spärlich gesäten Schmelzperlen, die nur bei genauem Absuchen der zuvor spannungslos gemachten Leitungen vorgefunden werden können und daher dem Auge der Betriebsleitung leicht entgehen können, besonders, wenn sie, wie dies auch vorkommt, auf der dem Beschauer abgewandten Seite der Leitungen liegen. In ähnlicher Weise, wie diese vermeintlichen Ueberschläge an Sammelschienen, können auch meistens Ueberschläge zwischen Wanddurchführungen und Ueberschläge an Schalttafel- und Freileitungsisolatoren erklärt werden. Bei den letzteren spielen die auf die Traversen sich niederlassenden Vögel eine große Rolle und besonders die in diesem Jahre zu Millionen auftretenden Stare haben in dieser Hinsicht viel auf dem Gewissen. Ich stehe den Befunden zufolge grundsätzlich schon seit einigen Jahren auf dem Standpunkt, daß bei mittelhohen Betriebsspannungen, von ganz vereinzelten Ausnahmen abgesehen, alle derartigen Ueberschläge und Durchschläge auf andere Ursachen, als auf betriebsmäßige Ueberspannungen, zurückzuführen sind. Dasselbe gilt auch für Durchschläge von Hochspannungskabeln, sofern die Kabel nach modernen Gesichtspunkten und für die dabei übliche sehr hohe Durchschlagsspannung konstruiert sind. Wenn es sich nicht um mittelhohe, sondern um die höchsten heutigentags angewandten Betriebsspannungen handelt, so liegen in dieser Hinsicht die Verhältnisse naturgemäß anders, weil hierbei im Gegensatz zu den mittelhohen Betriebsspannungen die Durchschlags- und Ueberschlagsgrenze der verwendeten Isolatoren und Isoliermaterialien näher an der normalen Betriebsspannung liegt, und daher schon bei verhältnismäßig geringen Spannungserhöhungen Ueberschläge oder Durchschläge möglich sind. (Schluß folgt.)