Kompakte Isolationssysteme für Gleichspannung

Projektleitung

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Dr.-Ing. Maximilian Secklehner

Projektbeschreibung

Die Übertragung elektrischer Energie mittels hoher Gleichspannung (HGÜ) ist verlustarm und stellt daher eine gute Möglichkeit dar, weite Distanzen zu überbrücken und hohe elektrische Leistungen zu übertragen. Diese Anforderung besteht bereits heute innerhalb des deutschen Stromversorgungsnetzes, beispielsweise um die elektrische Energie aus Offshore-Windparks auch im verbrauchsintensiven Süden nutzen zu können. Im Netzplan der Bundesrepublik Deutschland sind aktuell vier HGÜ-Leitungen bis 2020 zu realisieren. Zukünftig könnten HGÜ-Leitungen auch Verwendung im internationalen Verbundnetz finden und damit helfen dezentrale Erzeugungskapazitäten auch in entlegenen Regionen sinnvoll zu nutzen.

Zur Realisierung von effektiven HGÜ-Systemen ist es unverzichtbar auf zuverlässige Isoliersysteme für Gleichspannungsanwendungen zurückgreifen zu können. Allerdings werden Isolationen im elektrischen Gleichfeld anderen Belastungen ausgesetzt als dies bei Wechselspannungssystem der Fall ist. Eine Herausforderung stellt die Ansammlung von Ladungsträgern auf Isolatoroberflächen, sogenannten Flächenladungen, dar. Diese können die Überschlagsfestigkeit der Isolation herabsetzen, besonders bei Polaritätswechseln. Um die Ansammlung dieser Ladungsträger zu begrenzen und die resistive Feldverteilung zu optimieren kann beispielsweise die Leitfähigkeit von Isolierstoffen, oder von Isolierstoffschichten angepasst werden. Hierzu werden funktionell gefüllte Isolierstoffe eingesetzt, deren Entwicklung einen Schwerpunkt des Forschungsprojekts bildet.

Ein Beispiel für diese Art von Isolierstoffen stellen mikrovaristorgefüllte Epoxidharze dar, welche bereits in früheren Arbeiten am Fachgebiet untersucht wurden. Die Entwicklung neuer Füllstoffe ermöglicht den Einsatz funktionell gefüllter Isolierstoffe auch in höheren Spannungsebenen und im Bereich der Hochfeld-Isolation, wie etwa in gasisolierten Schaltanlagen und Leitungen.

Ein Ziel des Forschungsprojektes liegt in der Definition der Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften der in Frage kommenden Materialien. Hierzu werden FEM-Simulationen durchgeführt. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaften der Füllstoffpartikel.

Zentraler Bestandteil der Arbeit ist die Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von potentiell geeigneten Materialien. HIerzu wurde ein neuer Versuchsstand, bestehend aus einer Klimakammer und einer Hochspannungs-Gleichspannungsquelle, aufgebaut. Damit lassen sich Kennlinien von Materialproben bei bis zu +-30 kV DC zwischen -40 °C und +180 °C, sowie bei einstellbarer Luftfeuchte aufnehmen.

Die elektrischen Eigenschaften der meisten Isolierstoffe weisen eine starke Abhängigkeit von der Temperatur, Luftfeuchte, Feldstärke und vom Alterungszustand auf. Zur Untersuchung des Einflusses der elektrischen Alterung, wurde daher ein geeigneter Versuchsstand entwickelt. Ein Ziel der Versuche ist das Nachweisen von Gesetzmäßigkeiten, die der elektrischen Alterung zugrunde liegen.

Weiterhin soll die Tauglichkeit von Modellisolatoren, in denen die neuen Isolierstoffe zum Einsatz kommen, für höchste elektrische Feldstärken an produktnahen Geometrien getestet werden. Neben hoher Gleichspannungsbelastung sind auch Polaritätswechsel und Impulsspannungsversuche von Interesse. Hierzu wird ein gasisolierter Versuchsstand in der Hochspannungshalle verwendet, welcher Prüfspannungen von bis zu 600 kV (DC) und 1550 kV (Impulsspannungen) ermöglicht.