Isolatoren für gasisolierte Systeme für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
(HGÜ) sind anderen Feldverhältnissen ausgesetzt als in Wechselspannungsanlagen.
Insbesondere die Ansammlung von Ladungen an der Grenzfläche Gas-Isolator führt
in der Praxis zu erheblichen Einschränkungen in der elektrischen Festigkeit. Bisher
bestehen nur wenige Prototyp-Anlagen von gasisolierten Gleichspannungs-Schaltanlagen
(DC-GIS), dort wird der Problematik der Isolatoren mit einer besonders großen
Dimensionierung der Anlagen oder durch Betrieb mit reduzierter Betriebsspannung
begegnet.
In dieser Arbeit wird der Einsatz von funktionellen Füllstoffen in Epoxidharz-Werkstoffen
untersucht, durch welche gezielt die elektrische Leitfähigkeit eingestellt und
für Anwendungen in DC-GIS optimiert werden soll. Zunächst werden die benötigten
Parameter des gefüllten Isolierwerkstoffs anhand von Feldberechnungen unter
Verwendung eines Finite-Elemente-Simulationsprogramms theoretisch bestimmt. Anschließend
werden funktionelle Füllstoffe hergestellt, welche diese Parameter erfüllen
sollen. Zur praktischen Charakterisierung der erstellten Prüflinge werden mehrere
Versuchsstände aufgebaut und eingesetzt, welche die Messung des Kurz- und Langzeitverhaltens,
des Temperaturverhaltens sowie des Verhaltens bei produktnahen
Abmessungen unter hohen Feldstärken ermöglichen.
Zahlreiche Epoxidharz-Prüflinge, gefüllt mit speziell angepassten Mikrovaristoren
für Hochfeldbeanspruchung und gefüllt mit nanoskalig antimondotiertem Zinnoxid
(ATO) beschichteten Glimmer-Partikeln, werden für die praktischen Versuche eigens
im Vakuum-Gussverfahren hergestellt. Somit stehen erstmals Prüflinge aus
mikrovaristorgefülltem Epoxidharz mit sehr hohen Schaltpunktfeldstärken von etwa
6 kV/mm sowie Epoxidharz, gefüllt mit nanoskalig mit ATO beschichteten Partikeln,
für Hochfeldanwendungen zur Verfügung.
Mittels der hergestellten Prüflinge werden die nichtlinearen E-J-Kennlinien messtechnisch
bestimmt und deren Temperaturabhängigkeit ermittelt. An Isolatoren
mit produktnahen Abmessungen werden Hochspannungsversuche mit Gleichspannung
und mit Impulsspannung durchgeführt. Weiterhin kann das Langzeitverhalten
der Werkstoffproben in Versuchen mit kombinierter thermischer und elektrischer
Beanspruchung ermittelt werden. Die gewonnenen Messergebnisse werden mittels
Materialcharakterisierungen anhand von Rasterelektronenmikroskopien verifiziert.
Außerdem werden die Ergebnisse genutzt, um als Eingangsgrößen in Simulationen das
Verhalten von DC-GIS-Isolatoren mit realen Materialparametern zu berechnen.
| Typ des Eintrags: |
Dissertation
|
| Erschienen: |
2015 |
| Autor(en): |
Tenzer, Michael |
| Art des Eintrags: |
Erstveröffentlichung |
| Titel: |
Funktionell gefüllte Isolierwerkstoffe für Hochfeld-Gleichspannungs-Isoliersysteme in kompakten gasisolierten Anlagen |
| Sprache: |
Deutsch |
| Referenten: |
Hinrichsen, Prof. Volker ; Kindersberger, Prof. Josef |
| Publikationsjahr: |
1 März 2015 |
| Ort: |
Darmstadt |
|
Datum der mündlichen Prüfung: |
20 November 2014 |
| URL / URN: |
http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4431 |
| Kurzbeschreibung (Abstract): |
Isolatoren für gasisolierte Systeme für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
(HGÜ) sind anderen Feldverhältnissen ausgesetzt als in Wechselspannungsanlagen.
Insbesondere die Ansammlung von Ladungen an der Grenzfläche Gas-Isolator führt
in der Praxis zu erheblichen Einschränkungen in der elektrischen Festigkeit. Bisher
bestehen nur wenige Prototyp-Anlagen von gasisolierten Gleichspannungs-Schaltanlagen
(DC-GIS), dort wird der Problematik der Isolatoren mit einer besonders großen
Dimensionierung der Anlagen oder durch Betrieb mit reduzierter Betriebsspannung
begegnet.
In dieser Arbeit wird der Einsatz von funktionellen Füllstoffen in Epoxidharz-Werkstoffen
untersucht, durch welche gezielt die elektrische Leitfähigkeit eingestellt und
für Anwendungen in DC-GIS optimiert werden soll. Zunächst werden die benötigten
Parameter des gefüllten Isolierwerkstoffs anhand von Feldberechnungen unter
Verwendung eines Finite-Elemente-Simulationsprogramms theoretisch bestimmt. Anschließend
werden funktionelle Füllstoffe hergestellt, welche diese Parameter erfüllen
sollen. Zur praktischen Charakterisierung der erstellten Prüflinge werden mehrere
Versuchsstände aufgebaut und eingesetzt, welche die Messung des Kurz- und Langzeitverhaltens,
des Temperaturverhaltens sowie des Verhaltens bei produktnahen
Abmessungen unter hohen Feldstärken ermöglichen.
Zahlreiche Epoxidharz-Prüflinge, gefüllt mit speziell angepassten Mikrovaristoren
für Hochfeldbeanspruchung und gefüllt mit nanoskalig antimondotiertem Zinnoxid
(ATO) beschichteten Glimmer-Partikeln, werden für die praktischen Versuche eigens
im Vakuum-Gussverfahren hergestellt. Somit stehen erstmals Prüflinge aus
mikrovaristorgefülltem Epoxidharz mit sehr hohen Schaltpunktfeldstärken von etwa
6 kV/mm sowie Epoxidharz, gefüllt mit nanoskalig mit ATO beschichteten Partikeln,
für Hochfeldanwendungen zur Verfügung.
Mittels der hergestellten Prüflinge werden die nichtlinearen E-J-Kennlinien messtechnisch
bestimmt und deren Temperaturabhängigkeit ermittelt. An Isolatoren
mit produktnahen Abmessungen werden Hochspannungsversuche mit Gleichspannung
und mit Impulsspannung durchgeführt. Weiterhin kann das Langzeitverhalten
der Werkstoffproben in Versuchen mit kombinierter thermischer und elektrischer
Beanspruchung ermittelt werden. Die gewonnenen Messergebnisse werden mittels
Materialcharakterisierungen anhand von Rasterelektronenmikroskopien verifiziert.
Außerdem werden die Ergebnisse genutzt, um als Eingangsgrößen in Simulationen das
Verhalten von DC-GIS-Isolatoren mit realen Materialparametern zu berechnen. |
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Alternatives oder übersetztes Abstract: |
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Alternatives Abstract | Sprache |
|---|
Insulators for gas-insulated systems for high voltage direct current transmission
(HVDC) are exposed to a field distribution different from that in alternating current
systems. In particular, the accumulation of charges at the interface gas-insulator
leads to considerable limitations in the dielectric strength. So far there are only
a few pilot installations of direct current gas-insulated substations (DC-GIS), and
the problems are handled by particularly large dimensions of the substation or by
operation at reduced voltages.
In this work, the application of functional fillers into epoxy-resin material is investigated,
specifically in terms of the adjustment of the electrical conductivity to
optimize HVDC insulation materials. The required parameters of the functionally
filled polymers are determined theoretically by field calculations using a finite element
simulation program. Subsequently particles are manufactured in order to meet
the required parameters. For the practical characterization of the samples, several
test stands are constructed, which allow measurement of the short and long term
behaviour and the temperature dependence of the electrical conductivity as well as
the behaviour of insulators with product-related dimensions at high field strengths.
Epoxy resin specimens, filled with specially adapted microvaristors for high field
stress and particles with a nano-skaled, antimony doped tin oxide (ATO) layer are
produced for the practical experiments. Thus for the first time, microvaristor-filled
epoxy resin with very high switching field strengths of 6 kV/mm were available, as
well as ATO-filled epoxy resin for high field applications.
The non-linear E-J-characteristics of the manufactured specimens are determined
by measurements, as well as their temperature dependence. By using insulators with
product-related dimensions, high voltage tests are carried out with direct and impulse
voltages. Furthermore, the long-term behaviour of the specimens is determined in
experiments with combined thermal and electrical stress. The obtained results are
verified by material characterizations based on scanning electron microscopies. The
experimental results are used as input values for further FEM simulations on DC-GIS
insulators. | Englisch |
|
| Freie Schlagworte: |
HGÜ, Gleichspannung, Gasisoliert, Funktionelle Füllstoffe, DC-GIS, Hochspannung, Isolatoren, Mikrovaristoren, Antimondotiertes Zinnoxid, ATO |
| Schlagworte: |
| Einzelne Schlagworte | Sprache |
|---|
| HVDC, Direct Voltage, Gas Insulated, Functional Fillers, DC-GIS, High Voltage, Insulators, Microvaristors,Antimony Doped Tin oxide, ATO | Englisch |
|
| URN: |
urn:nbn:de:tuda-tuprints-44312 |
| Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): |
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau |
| Fachbereich(e)/-gebiet(e): |
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektrische Energiesysteme > Hochspannungstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektrische Energiesysteme |
| Hinterlegungsdatum: |
15 Mär 2015 20:55 |
| Letzte Änderung: |
15 Mär 2015 20:55 |
| PPN: |
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| Referenten: |
Hinrichsen, Prof. Volker ; Kindersberger, Prof. Josef |
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Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: |
20 November 2014 |
| Schlagworte: |
| Einzelne Schlagworte | Sprache |
|---|
| HVDC, Direct Voltage, Gas Insulated, Functional Fillers, DC-GIS, High Voltage, Insulators, Microvaristors,Antimony Doped Tin oxide, ATO | Englisch |
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| Export: |
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