Einflussfaktoren auf die elektrische Feldverteilung in Isoliersystemen mit polymeren Isolierstoffen bei Gleichspannungsbelastung

Systeme zur Übertragung von großen elektrischen Leistungen mithilfe von hohen Gleichspannungen (HGÜ = Hochspannungsgleichstromübertragung) stellen für den Fall von sehr langen Übertragungsstrecken technisch und wirtschaftlich sinnvolle Alternativen zur konventionellen Drehstromübertragung dar. Der insbesondere in Ländern wie China und Indien rapide steigende elektrische Energiebedarf erfordert die Entwicklung von HGÜ-Systemen mit Betriebsspannungen größer als 600 kV, welche bisher als die höchste, technisch erprobte Spannungsebene galt. Die Entwicklung und Dimensionierung von elektrischen Betriebsmitteln wie z. B. Hochspannungsschaltgeräten oder gasisolierten Anlagen für hohe Gleichspannungen stellt eine große technische Herausforderung dar. Phänomene wie die Akkumulation von Oberflächenladungen auf Isolierstoffoberflächen, sich verändernde Werkstoffeigenschaften während des Betriebs oder Alterungsmechanismen können hierbei zu kaum prognostizierbaren und schwer beherrschbaren elektrischen Beanspruchungen führen. Die elektrische Feldverteilung in Isoliersystemen bei Gleichspannungsbelastung wird maßgeblich durch die elektrischen Leitfähigkeiten der verwendeten Werkstoffe bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden an typischen polymeren Isolierstoffen für den Einsatz in Hochspannungsschaltgeräten die Umgebungstemperatur, die relative Luftfeuchte und der Feuchtegehalt als wesentliche Einflussgrößen auf die elektrische Leitfähigkeit identifiziert. Eine Änderung dieser Größen geht mit einer nicht linearen Leitfähigkeitsänderung einher. Basierend auf gemessenen Werkstoffkennwerten und unter Berücksichtigung des elektrischen Leitungsmechanismus in Luft wurde die zeitliche Änderung der Potentialverteilung an Isolierstoffrohren nach dem Anlegen einer Gleichspannung simuliert und die Simulationsergebnisse experimentell verifiziert. Die grundlegenden Erkenntnisse dieser Arbeit und das entwickelte Simulationsprogramm sind daher für die Entwicklung von Isoliersystemen bei Gleichspannungsbelastung von Nutzen.