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Funktionell gefüllte Isolierwerkstoffe für Hochfeld-Gleichspannungs-Isoliersysteme in kompakten gasisolierten Anlagen

Tenzer, Michael :
Funktionell gefüllte Isolierwerkstoffe für Hochfeld-Gleichspannungs-Isoliersysteme in kompakten gasisolierten Anlagen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Funktionell gefüllte Isolierwerkstoffe für Hochfeld-Gleichspannungs-Isoliersysteme in kompakten gasisolierten Anlagen
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
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.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: HGÜ, Gleichspannung, Gasisoliert, Funktionelle Füllstoffe, DC-GIS, Hochspannung, Isolatoren, Mikrovaristoren, Antimondotiertes Zinnoxid, ATO
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
HVDC, Direct Voltage, Gas Insulated, Functional Fillers, DC-GIS, High Voltage, Insulators, Microvaristors,Antimony Doped Tin oxide, ATOEnglish
Classification DDC: 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: 10 Mar 2015 14:53
Last Modified: 11 Mar 2015 07:17
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44312
Referees: Hinrichsen, Prof. Volker and Kindersberger, Prof. Josef
Refereed: 20 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4431
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