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Elektrische Charakterisierung von Flüssigsilikonelastomer mit nanoskaligem Carbon Black für den Einsatz in HGÜ-Kabelgarnituren

Hussain, Rashid (2021):
Elektrische Charakterisierung von Flüssigsilikonelastomer mit nanoskaligem Carbon Black für den Einsatz in HGÜ-Kabelgarnituren. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00018585,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Elektrische Charakterisierung von Flüssigsilikonelastomer mit nanoskaligem Carbon Black für den Einsatz in HGÜ-Kabelgarnituren
Language: German
Abstract:

Das Verhalten von Isoliersystemen mit bestimmten Isoliermaterialien unter hoher Gleichspannungsbelastung ist im Vergleich zur Wechselspannungsbelastung von vielen Faktoren abhängig und nach dem derzeitigen Stand der Forschung noch nicht vollständig vorhersagbar. Gründe dafür sind zum einen die spezifische elektrische Leitfähigkeit der eingesetzten Isolierstoffe und zum anderen die Akkumulation von Raumladungen. Beide Faktoren führen zu einer komplexen elektrischen Feldverteilung und können eine beschleunigte Alterung verursachen. Aktuell werden zwei Lösungsansätze verfolgt: Der Einsatz von hochreinen Isolierstoffen zur Verringerung der spezifischen Gleichstromleitfähigkeit und der Einsatz von Nanofüllstoffen zur gezielten Ladungsverteilung durch Haftstellen. Beide Ansätze sind aktuell für vernetztes Polyethylen (VPE oder engl.: XLPE) in extrudierten Gleichspannungskabeln bis 525 kV im Einsatz. Den größten Schwachpunkt in einem Kabelsystem stellen allerdings die zahlreichen Kabelmuffen dar. Aufgrund der mechanischen und elektrischen Vorteile kommt dort verstärkt Flüssigsilikonelastomer (LSR, engl.: Liquid Silicone Rubber) als Isoliermaterial zum Einsatz. Hinsichtlich der Verwendung für Kabelmuffen in der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) ist LSR jedoch bis heute noch nicht Gegenstand einer intensiven Forschung gewesen. Aus den genannten Gründen soll im Rahmen dieser Arbeit ein gängiges AC-LSR (für Wechselspannungsanwendungen) auf seine DC-Eigenschaften hin untersucht und optimiert werden. Aufgrund seiner chemischen Struktur ist jedoch der Ansatz eines hochreinen LSR nicht möglich, und es wird der Ansatz mit einem Nanofüllstoff verfolgt. Als Füllstoff wird ein Ruß (CB, engl.: Carbon Black) verwendet, welcher in hohen Konzentrationen bereits für Feldsteuerelemente (z.B. für Deflektoren in Kabelmuffen) zum Einsatz kommt. Zu Beginn der Forschungsarbeit wird der Einfluss der CB-Konzentration auf grundlegende elektrische Eigenschaften untersucht. Dazu zählen neben der spezifischen DC-Leitfähigkeit die Permittivität, der Verlustfaktor und die DC-Durchschlagfestigkeit. Anhand dieser Ergebnisse wird ein Bereich für die CB-Konzentration festgelegt, welcher für den Einsatz als Isolierstoff einer Kabelmuffe infrage kommt. Zum besseren Verständnis der Ladungstransportmechanismen und der Auswirkung des Nanofüllstoffs wird die Methode der thermisch stimulierten Ströme angewendet. Zur Untersuchung des Raumladungsverhaltens wird ein Versuchsstand nach der PEA-Methode (engl.: Pulsed Electro-Acoustic) aufgebaut und für Silikonelastomere optimiert. Neben den technischen Optimierungen wird zusätzlich ausführlich auf die Signalverarbeitung des PEA-Systems eingegangen. Die Untersuchungen bei verschiedenen Füllstoffkonzentrationen, Feldstärken und Temperaturen zeigen, dass der Einsatz von nanoskaligem CB positive Eigenschaften bzgl. der Raumladungsakkumulation hat und die Raumladungsdichte effektiv reduziert wird. Mittels der vorgestellten Messverfahren konnte ein Bereich für die CB-Konzentration bestimmt werden, der für eine DC-Anwendung infrage kommt. Dies wurde bereits von den Herstellern aufgegriffen und soll in realen Kabelmuffen überprüft werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The behavior of insulating materials under high direct voltage (DC) stresses depends on many factors compared to alternating current (AC) stresses and is currently not fully predictable according to the current state of research. The main reasons for this are, on the one hand, the electrical conductivity of the insulating materials used and, on the other hand, the accumulation of space charges inside of the insulating materials. Both factors lead to a complex electric field distribution and might cause accelerated aging. To overcome this issue two approaches are currently being pursued: the use of high-purity insulating materials to reduce the DC conductivity and the use of nanofillers for a defined distribution of charges through so called deep traps. Both approaches are currently used for cross-linked polyethylene (XLPE) in extruded underground power cables up to a DC voltage level of 525 kV. The weakest points in a cable system, however, are the high number of installed cable joints. Due to the outstanding mechanical and electrical advantages, liquid silicone rubber (LSR) is dominantly used as an insulating material for high-voltage alternating current (HVAC) cable joints. Thus, regarding the use for cable joints in high-voltage direct current (HVDC) transmission LSR has not yet been the subject of intensive research. For the reasons mentioned, a standard AC-LSR (for Alternating Current applications) will be examined and optimized with regard to its properties for application in DC systems. However, due to its chemically amorphous structure, the approach of a high-purity LSR is not possible and the approach with nanofillers is pursued. In this work a carbon black (CB) is used as the filler, which is already used in high concentrations for field control elements (e.g. for deflectors in cable joints and terminations). At the beginning of this research work, the influence of the CB concentration on basic electric properties is examined. In addition to the DC conductivity, this includes the permittivity, the loss factor and the DC dielectric strength. Based on these results, a range for the CB concentration is determined, which is suitable for use as an insulating material in HVDC cable joints. For a better understanding of the charge transport mechanisms and the effect of the used CB nanofiller, the method of thermally stimulated currents (TSC) is used. In order to investigate the space charge behavior, a test setup was designed according to the Pulsed Electro-Acoustic (PEA) method and optimized to investigate silicone elastomers. In addition to the technical optimizations, the signal processing of the PEA system is also discussed in detail. The investigations at different CB concentrations, electric field strengths and temperatures show that the use of nanoscale CB has positive influence on the space charge behavior, and the accumulated space charge is effectively reduced. Using the presented characterization methods, a range for the CB concentration could be determined that is suitable for insulating materials in HVDC application. This has already been taken up by the manufacturers of the LSR material and is to be tested in real cable joints.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xix, 169 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Power Systems > High Voltage Technology
Date Deposited: 25 May 2021 07:02
Last Modified: 25 May 2021 07:03
DOI: 10.26083/tuprints-00018585
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-185855
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr. Volker ; Kindersberger, Prof. Dr. Josef
Refereed: 29 January 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18585
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