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

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.

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.