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Auslegung und Charakterisierung nichtlinearer Feldsteuermaterialien für kompakte Gleichspannungsisoliersysteme

Secklehner, Maximilian (2019):
Auslegung und Charakterisierung nichtlinearer Feldsteuermaterialien für kompakte Gleichspannungsisoliersysteme.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Auslegung und Charakterisierung nichtlinearer Feldsteuermaterialien für kompakte Gleichspannungsisoliersysteme - Text (Thesis)
2019-05-16_Secklehner_Maximilian.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Auslegung und Charakterisierung nichtlinearer Feldsteuermaterialien für kompakte Gleichspannungsisoliersysteme
Language: German
Abstract:

Die Berechnung der Feldverteilung in Hochspannungsisoliersystemen für Gleichspannungen ist nach dem derzeitigen Stand der Technik aufwendiger als bei Systemen für Wechselspannung. Zum einen zeigt die bestimmende Größe, die spezifische elektrische Leitfähigkeit der beteiligten Materialien, starke Abhängigkeiten von den Umgebungsbedingungen. Zum anderen ist sie teilweise schwer zu bestimmen und das Ergebnis komplexer Ladungstransportmechanismen. Diese werden von heutiger Simulationssoftware noch nicht abgebildet. Nichtlineare Feldsteuermaterialien mit bekannten und kontrollierten Materialeigenschaften können eingesetzt werden, um eine definierte Feldverteilung zu erzielen und die Isoliersysteme robuster gegenüber Schwankungen der Umgebungsbedingungen zu gestalten. Allerdings kommen diese bisher selten in Betriebsmitteln für Systemspannungen über 300 kV zum Einsatz. Eine Ursache kann sein, dass der Einsatz dieser Materialien bei falscher Auslegung auch Risiken birgt. Ebenfalls problematisch ist, dass derzeit die in Datenblättern angegebenen Parameter nicht vereinheitlicht sind, noch die Art und Weise, wie diese bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein nichtlineares Feldsteuermaterial für ein Beispiel-Isoliersystem, eine gasisolierte Leitung für eine Gleichspannung von 500 kV, ausgelegt. Anhand dieser Auslegung wird mit Hilfe von Feldsimulationen aufgezeigt, welche Potentiale zur Verbesserung der Feldverteilung durch den Einsatz eines geeigneten Feldsteuermaterials bestehen. Auch auf die Risiken durch eine falsche Auslegung wird eingegangen und die Grenzen des Auslegungsspielraumes detailliert aufgezeigt. Hieraus resultiert eine konkrete Anforderungsbeschreibung für Feldsteuermaterialien für das Beispiel-Isoliersystem. Weitere Simulationen zeigen, dass sich Feldsteuermaterialien auch als Beschichtung effektiv einsetzen lassen und eine Erhöhung der Resilienz gegenüber Fremdkörpern auf der Isolatoroberfläche bewirken. Neben der Auslegung des Materials werden auch Messmethoden vorgestellt, die geeignet sind, die relevanten Materialparameter zu ermitteln und damit Feldsteuermaterialien vollständig zu charakterisieren. Hierzu sind Messungen mit Gleichspannung, aber auch mit Spannungs- und Stromimpulsen notwendig. Es wird gezeigt, dass Messungen an Füllstoffen, wie sie heute oft Praxis sind, keinen Ersatz für die Messungen an den daraus hergestellten Verbundstoffen bieten. Die Messungen mit impulsförmiger Belastung geben weiterhin Hinweise darauf, dass das spezifische Energieaufnahmevermögen eine kritische Größe für nichtlineare Feldsteuermaterialien darstellt. Mittels der vorgestellten Messverfahren wird eine Reihe der am Markt oder als Prototypen verfügbaren Füllstoffe und Feldsteuermaterialien charakterisiert. Zwar erfüllt noch keines der untersuchten Materialien alle der im Rahmen der Auslegung aufgestellten Anforderungen, es werden jedoch Möglichkeiten zur Weiterentwicklung aufgezeigt. Einige der Verbesserungsvorschläge wurden bereits von den Herstellern aufgegriffen, und die resultierenden Prototypen zeigen vielversprechende Fortschritte.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
At the current state of the art, the calculation of field distributions for DC insulation systems is more complex than for AC systems. On the one hand, the specific electrical conductivity, which governs the field distribution in DC systems, is strongly influenced by ambient conditions. On the other hand, the specific conductivity itself is hard to determine, because it is the result of a multitude of complex charge carrier transport mechanisms. These are not implemented in state of the art simulation tools. Nonlinear field grading materials can be employed to achieve a defined field distribution and to render the insulation systems more robust against fluctuations of ambient conditions. For the time being, these materials are still rarely used in systems for voltages above 300 kV. One reason may be the risk, which incorrectly dimensioned materials represent. Additionally, there is no consensus on material parameters that should be used to specify nonlinear field grading materials and on how to measure them. Within the scope of this work, a nonlinear field grading material is designed for an example insulation system – a gas insulated line for 500 kV DC. The positive effect that can be achieved with the designed material is shown by means of field simulations. In addition, the risks that arise due to incorrect dimensioning are presented, and the boundaries of the design space are identified. As a result, concrete specifications for a potential field grading material for the example system are obtained. Further simulations show the feasibility of field grading materials in the form of coatings and the positive effect of achieving a higher resilience against foreign particles. Besides the design of a field grading material, the measurements necessary for the comprehensive characterization of such a material are introduced. These include measurements with direct current as well as investigations with voltage and current impulses. Another methodical aspect is the measurement of the specific conductivity of filler materials. Even if manufacturers often use these measurements today, they cannot replace measurements on the compounds made from the filler materials. Furthermore, investigations with impulses provide an indication that energy handling capability might be a crucial parameter for nonlinear field grading materials. The presented measurement methods are used to characterize a multitude of commercially available materials and material prototypes. Whereas none of the materials in question currently fulfills all the requirements as they were defined in the design process, possible options for optimizing them are identified. Some of the suggestions for improving the filler materials were already seized by the manufacturers, resulting in promising advancements.English
Place of Publication: Darmstadt
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: 15 Nov 2019 15:44
Last Modified: 09 Jul 2020 02:45
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90743
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr. Volker and Kindersberger, Prof. Dr. Josef
Refereed: 16 May 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9074
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