Hochspannung und die Hochspannungs-Prüftechnik. Von Oberingenieur F. A. Foerster (Berlin). FOERSTER, Hochspannung und die Hochspannungs-Prüftechnik. Unter den exakten und angewandten Naturwissenschaften, der Physik und Chemie, nimmt die Elektrotechnik noch immer eine Sonderstellung ein, weil auf einzelnen Spezialgebieten noch zeitweilig Phänomene auftreten, die den Techniker vor neue Probleme stellen. Das gilt besonders von der Hochspannungstechnik. Textabbildung Bd. 343, S. 89 Abb. 1. Stahl-Aluminium-Hohlseil für 220000 V. In der praktischen Elektrotechnik unterscheiden wir zwischen Schwachstrom- und Starkstromanlagen, je nachdem ob es sich um Signal-, Telegraphen-, Telephon- oder ähnliche Anlagen handelt, die auch heute noch oft mit galvanischen Strömen aus einigen Elementen betrieben werden, oder ob es sich um elektrische Beleuchtungs- und Kraftübertragungsanlagen handelt, zu denen auch die chemisch-elektrolytischen und galvano-technischen Anlagen zu rechnen sind. Eine strenge Scheidung nach Schwachstrom- und Starkstromanlagen dürfte aber heute in vielen Fällen nicht mehr durchführbar sein, weil die meisten unserer sogenannten Schwachstromanlagen über geeignete Anschlußapparate, Umformer, Transformatoren (Klingeltransformatoren und Reduktoren) vom Starkstromnetz aus betrieben werden. Es ist nicht immer die höhere Gebrauchsspannung von 110 oder 220 V, die den Starkstrom kennzeichnet, denn es gibt auch elektrolytische Anlagen, die bei einer Spannung von nur 2–4 Volt, Stromstärken bis zu mehreren Tausend Ampere in ihren Leitungen führen. Sehr streng unterscheiden wir in der Starkstromtechnik aber zwischen Hoch- und Niederspannungs-Anlagen. Nach den Erklärungen des § 2 a der „Vorschriften des V.D.E.V.D.E. = Verband Deutscher Elektrotechniker. für die Errichtung und den Betrieb elektrischer Starkstromanlagen“ sind als Niederspannungsanlagen alle Anlagen mit einer effektiven Gebrauchsspannung bis zud250 Volt gegen „Erde“ zu behandeln. Alle übrigen Anlagen gelten als Hochspannungsanlagen. Textabbildung Bd. 343, S. 89 Abb. 2. Durchführungs-Isolator für Freiluft Anlagen 220000 V. Die eigentliche Hochspannungs-Aera begann etwa um das Jahr 1890 mit der Entwicklung des Drehstromsystems durch Haselwander in Offenburg. Um diese Zeit erlebten wir auch bald die erste Hochspannungs-Kraftübertragungsanlage für eine städtische Zentrale, bei der eine Fernleitungsspannung von 1500 V. zur Anwendung kam. Etappenweise ist man dann fast von Jahr zu Jahr zu immer höheren Spannungen bei den Kraftübertragungen auf weite Entfernungen übergegangen. Es mußten hierbei doch von Fall zu Fall auch immer erst die erforderlichen Maschinen, Transformatoren, Apparate, Isolatoren, sowie das ganze Freileitungs-Streckenbau- und Kabelmaterial usw. für die in Aussicht genommenen höheren Spannungen entwickelt werden (vgl. Abb. 1. u. 2). Der erheblich vergrößerte Durchmesser des in Abb. 1 dargestellten Stahl-Aluminium-Hohlseils, durch welches die bei höheren Spannungen auftretenden Corona- und Strahlungsverluste vermieden werden, bietet dem Winddruck und der winterlichen Schnee-, Eis- und Reiflast viel größere Angriffsflächen als der bis zu den 100000 V.-Freileitungen verwandte massive Leiter aus Kupfer- oder Aluminiumseil von gleichem Querschnitt. Textabbildung Bd. 343, S. 90 Abb. 3. Ringisolatorenkette für Stahl-Aluminium-Hohlseile 220000 V. Trockenüberschlag bei 940000 V. Dementsprechend mußten für das Hohlseil auch die Aufhänge-Konstruktionen eine Verstärkung erfahren, (vergl. Abb. 3). Textabbildung Bd. 343, S. 90 Abb. 4. Hochspannungs-Versuchsfeld einer Elektrizitäts-Großfirma. Ueberschlag auf einen Transformator mit 1 Million V. Die Haupt-Etappen auf dem Entwicklungswege sind durch die Spannung von 1500, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 50000, 70000 und 110000 V gekennzeichnet, zu der man allmählich vom Jahre 1890 bis 1920/21 gelangte. Heute sind bereits Ausführungen für 220 000 V. im Bau. Textabbildung Bd. 343, S. 90 Abb. 5. Hochspannungs-Prüftransformator für 1 Million V. Soweit es sich in unseren Starkstromanlagen um Niederspannungsanlagen handelt, sind wir heute gewiß in ein Entwicklungsstadium gelangt, das man gewissermaßen schon als ein vorläufiges Reifestadium bezeichnen kann, auf welchem es sich verlohnt, Umschau zu halten, um das im ungestümen Vorwärtsdrängen in einem halben Jahrhundert Errungene kritisch zu überprüfen. Dabei ist man auch dazu übergegangen, das, was sich im Laufe der verflossenen fünf Dezennien praktisch bewährt und bis zu einem gewissen Grade als im wesentlichen unverändert festliegend erwiesen hat, durch eine den praktischen Verhältnissen Rechnung tragende Vereinheitlichung, Typisierung und Normung zu stabilisieren, um damit die Grundlagen für eine systematische Weiterentwicklung zu schaffen. Der Bau guter und preiswerter Elektromotoren und Dynamos ist heute kein spezifisch elektrotechnisches oder konstruktives Problem mehr, sondern lediglich ein Problem rationeller Fabrikationsmethoden. Auf dem Gebiete der Hochspannungstechnik aber liegen die Verhältnisse noch anders. Hier ist alles noch fortschreitende, speziell elektrotechnische Entwicklung. Allein schon wegen der hohen und immer höheren Spannungen, die für größere Kraftübertragungen auf weite Entfernungen gewählt werden müssen. Es ist bekannt, daß im Rheinland bereits Freileitungen für 220000 Volt Spannung gebaut sind, die zwar gegenwärtig noch mit 110000 Volt betrieben werden. Aber es steht in sicherer Aussicht, daß diese Leitungen in nächster Zeit schon mit 220000 Volt betrieben werden, weil der geplante Zusammenschluß der Nordwestdeutschen Großkraftwerke mit den Süddeutschen und Schweizerischen sich nicht mehr aufschieben läßt. Textabbildung Bd. 343, S. 91 Abb. 6. Wanddurchführung vom Prüftransformator (zu Abb. 5). In den Vereinigten Staaten Amerikas sind seit vielen Jahren schon 220000-Volt-Anlagen im Betrieb, sie arbeiten aber alle durchweg mit geerdeter Neutrale, so daß die Spannung gegen „Erde“ nie mehr als 130000 Volt beträgt. Die Anlagen im Rheinland werden aber ohne Erdung des Nullpunktes arbeiten. Dazu müssen Transformatoren und Hochspannungsapparate für die volle Netzspannung von 220000 Volt gewickelt, sowie Isolatoren und Leitungsmaterial für diese Spannung geschaffen und geprüft werden. Und schon taucht die Frage auf nach Hochspannungsanlagen für 380000 Volt und wird technisch ernsthaft diskutiert. Textabbildung Bd. 343, S. 91 Abb. 7. Gleichspannungs-Schlagprüf-Einrichtung. Diese Entwicklung kann – was man leicht einsieht – nur zum Teil in der Studierstube oder am Konstruktionstisch vor sich gehen. Die Hauptinstanz, die sich mit den einschlägigen Aufgaben und Problemen zu befassen hat, ist das Hochspannungs-Laboratorium oder das Hochspannungs-Versuchsfeld. Dieses Versuchsfeld ist gleichsam die technische Auskunftei, die Beratungs- und Prüfungsstelle für die produktiv schaffenden Fabrikationsbetriebe des Werkes in allen Hochspannungsfragen, sei es, daß es sich darum handelt, die bei der Fabrikation von Maschinen und Apparaten für Hochspannung bestehenden Sondervorschriften zu erfüllen, sei es, um die Auswahl geeigneter Isolationsmaterialien und Rohstoffe für den Aufbau zu treffen. Textabbildung Bd. 343, S. 91 Abb. 8. Kabelendverschlußapparatur (zu Abb. 7) Auch bei allen technischen Gedankengängen des Erfinders, Berechners, Konstrukteurs muß die physikalische Natur auch stets durch das Experiment befragt wer den, ob keine Irrwege eingeschlagen sind, denn die mathematische Behandlung dieser Hochspannungsphänomene allein ist nicht immer so absolut zuverlässig und jeden Irrtum mit Sicherheit ausschließend, daß man der entscheidenden Hilfe des Experimentes entraten könnte. Textabbildung Bd. 343, S. 91 Abb. 9. Hörnerableiter als Ueberspannungsschutz bei andauernden Ueberspannungen. Ein Fabrikant, der sich diesem schwierigen Fabrikationsgebiet zuwenden will, muß sich auch klar darüber sein, daß er ohne ein, den Anforderungen angemessenes, großzügig eingerichtetes Laboratorium oder Prüffeld nicht in die Fabrikation von Transformatoren und Apparaten für hohe Spannungen eintreten kann. Die erforderlichen Einrichtungen für ein modernes Hochspannungs-Laboratorium oder -Versuchsfeld, das allen Anforderungen gewachsen ist, sind derartig kostspielig, daß man ein gutausgerüstetes Hochspannungs-Laboratorium auch fast nur bei den Elektrizitätsgroßfirmen vorfindet, deren Fabrikationsbereich eigentlich alles umfaßt, was bei der Ausführung von Hochspannungsanlagen gebraucht wird. Textabbildung Bd. 343, S. 92 Abb. 10. Verlust-Meßgerät mit Luftkondensator. Mehr oder weniger kompletierte Einzellaboratorien und Einrichtungen für moderne Hochspannungs-Prüftechnik wird man indessen wohl auch hier und da noch in den wenigen existierenden größeren Spezialfabriken für Transformatoren, Hochspannungsschaltgeräte, Isolatoren, Kabel usw. antreffen. Beim Besuch eines solchen modern eingerichteten Hochspannungs-Versuchsfeldes einer unserer Elektrizitätsgroßfirmen wird man u.a. einen Prüftransformator für 1 Million Volt antreffen, wie ein solcher in Abb. 5 dargestellt ist, bei dem diese hohe Spannung gegen Erde in einem einzigen Transformator erzeugt wird. Im allgemeinen wurden bisher so hohe Prüfspannungen nur durch Hintereinanderschaltung von Transformatoren erreicht. Die Notwendigkeit, in einem Hochspannungs-Laboratorium über so hohe Spannungen verfügen zu können, ergibt sich daraus, daß – wie schon erwähnt – für unsere Hoch- und Höchstspannungs-Straßen eine Betriebsspannung von 380000 Volt ernstlich in Betracht gezogen wird. Die Prüfspannung für die hierzu erforderlichen Apparate und Isolatoren würde unter der Voraussetzung, daß die bisher gültigen Regeln und Vorschriften des V.D.E, auch für so hohe Spannungen beibehalten werden, etwa 850000 Volt betragen. Damit sind wir dann von 1 Million nicht mehr so weit entfernt. Abb. 6 zeigt eine Wanddurchführung von dem in Abb. 5 dargestellten Transformator, die in den benachbarten Raum, den des eigentlichen Prüffeldes führt. Textabbildung Bd. 343, S. 92 Abb. 11. Tesla-Transformator für 1 Million V. Eine sehr interessante Apparatur auf dem Hochspannungs-Prüffeld einer unserer Großfirmen ist die in Abb. 7 zur Anschauung gebrachte Gleichspannungs-Schlagprüfungs-Einrichtung, zu der noch die in Abb. 8 veranschaulichte Kabelendverschluß-Apparatur und ein paar außerhalb des Gebäudes untergebrachte Kabeltrommeln gehören. Mit dieser Gesamt-Apparatur können künstliche Blitzschläge erzeugt werden, die einen auf dem Boden, inmitten des etwa 10 m hohen Prüffeldes aufgestellten, etwa 0,5 m hohen und 0,3 bis 0,4 m dicken Hartholz-Baumstamm mit starkem Knall zersplittern. Der eigentliche Zweck der elektrischen Schlag- oder Stoßprüfung ist der, eine Nachahmung der Ueberspannungsvorgänge zu erzeugen, wie sie hauptsächlich bei Gewittern durch Blitzschläge und bei Hochspannungs-Schaltvorgängen im Leitungsnetz auftreten (vergl. Abb. 9), die den elektrischen Betrieb und die Apparate oft in empfindlicher Weise stören. Das Wesentlichste ist hier die Plötzlichkeit der Beanspruchung, aus der sich die Steilheit des Spannungsanstieges ergibt, die bis zu 1 Milliarde Volt pro Sekunde gehen kann. Die elektrische Schlagprüfung entspricht in gewissem Sinne der mechanischen Schlagprüfung. In der technischen Mechanik ergibt die Schlagprüfungsprobe bekanntlich ganz andere Festigkeitswerte als die allmählich gesteigerten Beanspruchungen. So verhält sich auch das Isolationsmaterial bei elektrischen Schlag- und Stoßprüfungen ganz anders als bei allmählich gesteigerten Spannungen bei den normalen sinoidalen Schwingungen von 50 Perioden pro Sek. In Abb. 10 ist ein sogenanntes Verlust-Meßgerät mit Luftkondensator dargestellt, eine Einrichtung, die unter den Apparaten eines komplett eingerichteten Hochspannungs-Laboratoriums in dieser oder anderer Form auch nicht fehlen dürfte. Zur Darstellung von Hochfrequenz-Erscheinungen dient der in Abb. 8 veranschaulichte Tesla-Transformator. Hochfrequenz-Erscheinungen treten im Betriebe von Hochspannungs-Anlagen auf bei atmosphärischen Störungen. Auch dieser Transformator übersetzt auf 1 Million Volt, aber bei einer Frequenz von 50000 Perioden statt der im normalen Licht- und Kraftbetriebe üblichen 50 Perioden pro Sek. Dabei treten naturgemäß ganz andere und meist sehr eindrucksvolle Erscheinungen auf. Vor Jahren ging einmal durch die technische Fachpresse ein Bild, auf dem Tesla, der Erfinder dieses nach ihm benannten Hochfrequenz-Transformators, in dem Ueberschlagfeuer eines solchen Apparates saß und eine Widmung zu diesem Bilde an Professor Slaby schrieb. Von diesem seinen Vorgänger unterscheidet sich der in Abb. 11 dargestellte Tesla-Transformator durch seine Größe und durch die gewaltigen und imponierenden Kraftäußerungen seines Entladungsfeuers. Außer diesen und noch mancherlei anderen Hochspannungs-Prüfeinrichtungen, auf die hier nicht mehr näher eingegangen werden kann, wird man bisweilen aber noch auf den Hochspannungs-Versuchsfeldern oder aber in mittelbarer Nähe derselben einen starken Maschinensatz antreffen, welcher lediglich dem Zwecke dient, die Festigkeit von Transformatorenwicklungen gegen Kurzschlüsse und die Ausschaltleistungen von Oelschaltern zu untersuchen (Abb. 9). Bei Transformatoren und Oelschaltern ist die gefährliche Beanspruchung nicht in der betriebsmäßigen Erwärmung zu suchen – diese ist leicht vorher zu berechnen und zu beherrschen – sondern in den im Betriebe vorkommenden Kurzschlüssen. Die Beanspruchung eines Oelschalters im Kurzschluß ist nach dem heutigen Stande der Technik nicht berechenbar, sie ist nur durch das Experiment zu ermitteln. Dazu braucht man aber die kostspielige, den gewaltigen Anforderungen entsprechende Einrichtung eines solchen Maschinenaggregates. Das in Abb. 12 dargestellte Aggregat, das eine Leistung von 15 kW besitzt, hat sich auf dem Prüffelde einer unserer Großfirmen schon als zu klein erwiesen, so daß bereits als Ersatz eine neue größere Maschine für eine Leistung von 100 kW in Bau genommen wurde. Hierzu wird auch ein Transformator von gleicher Größe gebaut, der bis auf 150000 Volt umschaltbar sein wird. Mit diesem Aggregat können dann Kurzschlußleistungen bis etwa eine Million Kilovoltampere (kVA) erreicht werden. Der Eisenkern des Transformators wiegt allein 65 To. Textabbildung Bd. 343, S. 93 Abb. 12. Maschinen-Aggregat zu Kurzschlußversuchen. Wer je Gelegenheit hatte, solchen Hochspannungs- und Kurzschlußprüfungen beizuwohnen, der wird den durch Auge, und Ohr unter mehr oder minder starker Nervenanspannung empfangenen gewaltigen Eindruck, den ihm die imposanten Entladungsfeuer und sonstigen Kraftäußerungen der hier wirkenden Naturkräfte aufzwingen, gewiß nicht so bald vergessen.