title: Elektrische Charakterisierung von Flüssigsilikonelastomer mit nanoskaligem Carbon Black für den Einsatz in HGÜ-Kabelgarnituren
Creators: name: Hussain, Rashid
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2021

description: 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.