Secklehner, Maximilian (2019)
Auslegung und Charakterisierung nichtlinearer Feldsteuermaterialien für kompakte Gleichspannungsisoliersysteme.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Berechnung der Feldverteilung in Hochspannungsisoliersystemen für Gleichspannungen ist nach dem derzeitigen Stand der Technik aufwendiger als bei Systemen für Wechselspannung. Zum einen zeigt die bestimmende Größe, die spezifische elektrische Leitfähigkeit der beteiligten Materialien, starke Abhängigkeiten von den Umgebungsbedingungen. Zum anderen ist sie teilweise schwer zu bestimmen und das Ergebnis komplexer Ladungstransportmechanismen. Diese werden von heutiger Simulationssoftware noch nicht abgebildet. Nichtlineare Feldsteuermaterialien mit bekannten und kontrollierten Materialeigenschaften können eingesetzt werden, um eine definierte Feldverteilung zu erzielen und die Isoliersysteme robuster gegenüber Schwankungen der Umgebungsbedingungen zu gestalten. Allerdings kommen diese bisher selten in Betriebsmitteln für Systemspannungen über 300 kV zum Einsatz. Eine Ursache kann sein, dass der Einsatz dieser Materialien bei falscher Auslegung auch Risiken birgt. Ebenfalls problematisch ist, dass derzeit die in Datenblättern angegebenen Parameter nicht vereinheitlicht sind, noch die Art und Weise, wie diese bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein nichtlineares Feldsteuermaterial für ein Beispiel-Isoliersystem, eine gasisolierte Leitung für eine Gleichspannung von 500 kV, ausgelegt. Anhand dieser Auslegung wird mit Hilfe von Feldsimulationen aufgezeigt, welche Potentiale zur Verbesserung der Feldverteilung durch den Einsatz eines geeigneten Feldsteuermaterials bestehen. Auch auf die Risiken durch eine falsche Auslegung wird eingegangen und die Grenzen des Auslegungsspielraumes detailliert aufgezeigt. Hieraus resultiert eine konkrete Anforderungsbeschreibung für Feldsteuermaterialien für das Beispiel-Isoliersystem. Weitere Simulationen zeigen, dass sich Feldsteuermaterialien auch als Beschichtung effektiv einsetzen lassen und eine Erhöhung der Resilienz gegenüber Fremdkörpern auf der Isolatoroberfläche bewirken. Neben der Auslegung des Materials werden auch Messmethoden vorgestellt, die geeignet sind, die relevanten Materialparameter zu ermitteln und damit Feldsteuermaterialien vollständig zu charakterisieren. Hierzu sind Messungen mit Gleichspannung, aber auch mit Spannungs- und Stromimpulsen notwendig. Es wird gezeigt, dass Messungen an Füllstoffen, wie sie heute oft Praxis sind, keinen Ersatz für die Messungen an den daraus hergestellten Verbundstoffen bieten. Die Messungen mit impulsförmiger Belastung geben weiterhin Hinweise darauf, dass das spezifische Energieaufnahmevermögen eine kritische Größe für nichtlineare Feldsteuermaterialien darstellt. Mittels der vorgestellten Messverfahren wird eine Reihe der am Markt oder als Prototypen verfügbaren Füllstoffe und Feldsteuermaterialien charakterisiert. Zwar erfüllt noch keines der untersuchten Materialien alle der im Rahmen der Auslegung aufgestellten Anforderungen, es werden jedoch Möglichkeiten zur Weiterentwicklung aufgezeigt. Einige der Verbesserungsvorschläge wurden bereits von den Herstellern aufgegriffen, und die resultierenden Prototypen zeigen vielversprechende Fortschritte.

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