International etabliert sich die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) für Spannungen bis 1,2 MV aufgrund von zunehmenden Übertragungsstrecken immer mehr zum Stand der Technik. National rückt die HGÜ aufgrund des politisch motivierten Ausbaus der erneuerbaren Energien und des damit verbundenen Aus- und Umbaus des Höchstspannungs-Übertragungsnetzes für Spannungen bis 525 kV in den Fokus. Dabei sind neue Übertragungsstrecken vorzugsweise als Trassen aus polymeren Kabeln zu realisieren.
In Isolierstoffen von HGÜ-Kabelsystemen stellt sich im stationären Zustand ein elektrisches Strömungsfeld ein, das von der vorherrschenden elektrischen Leitfähigkeit der jeweiligen Isolierstoffe beeinflusst wird. Diese elektrische Leitfähigkeit wird durch die temperatur- und feldstärkeabhängige Entwicklung von Raumladungen in der Isolation bestimmt. Diese Effekte führen zu einer Veränderung und Umkehr der elektrischen Feldstärkeverteilung im Isolationsmaterial. Deshalb müssen bei der Auslegung von HGÜ-Komponenten hinsichtlich der Betriebsspannung neben den Permittivitäten auch die elektrischen Leitfähigkeiten und die Neigungen zur Akkumulation von Raumladungen der einzelnen Isolierstoffe betrachtet werden.
Das Augenmerk der vorliegenden Arbeit richtet sich auf Compounds mit vernetztem Polyethylen (LDPE) als Basispolymer und unterschiedlichen Füllstoffanteilen von hexagonalem Bornitrid (h-BN) bis maximal 20 Vol.-%. Es zeigt sich, dass durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit bis 1 W/mK des Compounds eine verbesserte Abfuhr der Stromwärmeverluste des Innenleiters ermöglicht wird. Weitere Messungen bis 80 °C belegen, dass die elektrische Leitfähigkeit der Compounds stets kleiner ist als des Basispolymers LDPE. Zudem ist eine deutliche Vergrößerung der elektrischen Durchschlagsspannung der Compouds gegenüber LDPE gemessen wurden. Eine signifikante Akkumulation von Raumladungen ist weder für LDPE noch für die Compounds bei einer mittleren elektrischen Betriebsfeldstärke von 15 kV/mm mittels PEA-Verfahren (gepulstes elektroakustisches Verfahren) nachzuweisen. Anhand der gemessenen thermoanalytischen und dielektrischen Parameter in Abhängigkeit der Temperatur und elektrischen Feldstärke ist die grundsätzliche Eignung dieser Compounds als ein möglicher optimierter HGÜ-Isolierstoff festgestellt wurden. Jedoch wurden keine Alterungs- und Langzeiteffekte berücksichtigt.
Internationally, high-voltage direct current transmission (HVDC) for voltages up to 1.2 MV is increasingly establishing itself as the state of the art due to increasing transmission distances. Nationally, HVDC is becoming the focus of attention due to the politically motivated expansion of renewable energies and the associated expansion and restructuring of the extra-high voltage transmission grid for voltages up to 525 kV. In this context, new transmission lines are preferably to be realized as routes made of polymeric cables.
In the insulating materials of HVDC cable systems, an electrical flow field is established in the steady state, which is influenced by the prevailing electrical conductivity of the respective insulating materials. This electrical conductivity is determined by the temperature- and field-strength-dependent development of space charges in the insulation. These effects lead to a change and reversal of the electric field strength distribution in the insulation material. Therefore, when designing HVDC components with respect to the operating voltage, the electrical conductivities and the tendencies to accumulate space charges of the individual insulation materials must be considered in addition to the permittivities.
The present work focuses on compounds with crosslinked polyethylene (LDPE) as base polymer and different filler contents of hexagonal boron nitride (h-BN) up to a maximum of 20 vol.%. It is shown that higher thermal conductivity up to 1 W/mK of the compound enables improved dissipation of the current heat losses of the inner conductor. Further measurements up to 80 °C prove that the electrical conductivity of the compounds is always lower than that of the base polymer LDPE. In addition, a significant increase in the electrical breakdown voltage of the Compouds compared to LDPE has been measured. A significant accumulation of space charges can neither be detected for LDPE nor for the compounds at an average electrical operating field strength of 15 kV/mm by means of the PEA method (pulsed electroacoustic method). Based on the measured thermoanalytical and dielectric parameters as a function of temperature and electric field strength, the basic suitability of these compounds as a possible optimized HVDC insulation material has been established. However, aging and long-term effects were not considered.
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