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01.07.2012 Seite 1299 0

Grundlagen der elektrischen Feldsteuerung

1. Einführung

Der Beitrag „Grundlagen der Feldsteuerung“ beim ETG-Workshop „Feldsteuernde Isoliersysteme“, der hier zusammengefasst wird, beschreibt die unterschiedlichen Ansätze zur Feldsteuerung in elektrischen Isoliersystemen unter Einschluss der Grundlagen, der Werkstoffe und der typischen Anwendungen. Er führt damit auf die weiteren Beiträge des Workshops hin und gibt zahlreiche Literaturverweise [1].
Die Optimierung elektrischer Feldverteilungen für Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung mit Hilfe gezielter Feldsteuermaßnahmen gehört zu den wichtigsten Aufgaben der Hochspannungstechnik, u.a. bei Kabelgarnituren, Durchführungen, Transformatoren, rotierenden elektrischen Maschinen, Isolatoren oder Überspannungsableitern. Sie ist die Grundvoraussetzung für zuverlässige und wirtschaftliche Betriebsmittel. Feldsteuerung umfasst alle Maßnahmen, die dazu dienen, lokale elektrische Feldstärken so weit zu senken, dass die elektrischen Festigkeiten der Isoliermaterialien und der Grenzflächen nirgendwo überschritten werden. Prinzipiell unterscheidet man feldsteuernde Maßnahmen im Volumen eines Isolierstoffs sowie entlang von Grenzflächen. Im engeren Sinne versteht man unter Feldsteuerung v.a. die Maßnahmen zur Beeinflussung elektrischer Feldstärken entlang von Grenzflächen, die oft besondere Schwachstellen in einem Isoliersystem darstellen.

2. Grundlagen

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„Bild 1: Prinzipien der Feldsteuerung, aus [1]

Die Feldverhältnisse ergeben sich bei Wechsel- und Stoßspannungen als kapazitives Verschiebungsfeld, das von den Permittivitäten (Dielektrizitätszahlen) der Materialien bestimmt wird. Bei Gleichspannung bildet sich ein oftmals völlig anderes resistives (bzw. konduktives) Strömungsfeld aus, für das die Leitfähigkeiten verantwortlich sind. Mischfelder und transiente Belastungen führen dabei zu sehr komplexen Feldverhältnissen [2]. In jedem Fall ist eine genaue Kenntnis der elektrischen und dielektrischen Materialeigenschaften erforderlich.
Solange Grenzflächen durch das elektrische Feld normal (d.h. senkrecht zur Grenzfläche) belastet werden, kann die Betrachtung auf die Belastungen der aneinandergrenzenden Isolierwerkstoffe beschränkt werden. Sobald aber auch tangentiale Belastungen (d.h. parallel zur Grenzfläche) auftreten, wirkt sich die oftmals geringere elektrische Festigkeit entlang der Grenzfläche nachteilig aus. Vielfach stellt man fest, dass eine Grenzfläche eine geringere elektrische Festigkeit aufweist, als es von den beiden angrenzenden Medien zu erwarten wäre, und dass die Struktur des Isolierstoffaufbaus eine sehr frühzeitige Zündung von Entladungen und die Ausbreitung stromstarker, weitreichender und erodierender Gleitentladungen begünstigt. Man spricht dann von einer sogenannten „Gleitanordnung“. Ein typisches Beispiel ist das Ende eines Kabels, bei dem die Isolierung freigelegt ist und auf der die geerdete äußere Leitschicht scharfkantig endet (Bild 1). Ohne feldsteuernde Maßnahmen ergeben sich extrem hohe lokale Feldstärken.

Zur Vermeidung oder Entschärfung von Gleitanordnungen stehen verschiedene Methoden zur Verfügung [2], [3]: geometrische Steuerung durch die geometrische Gestaltung von Elektrodenkonturen (2), kapazitive Steuerung durch leitfähige Steuerbeläge mit kapazitiv bestimmter Spannungsaufteilung bei Wechsel- bzw. Stoßspannung (3), refraktive Steuerung durch hochpermittive Isolierstoffe mit dielektrisch (bzw. kapazitiv) verzerrter Feldverteilung bei Wechsel- und Stoßspannung (4), resistive Steuerung durch restleitfähige Steuerbeläge oder halbleitende Leitschichtaufträge mit resistiv bestimmter Spannungsaufteilung (5) sowie nichtlineare resistive Steuerung durch Materialien, die sich in Bereichen mit hoher Feldstärke durch Leitfähigkeitsabnahme selbst entlasten (6). Nicht jedes Steuerungssystem ist dabei für alle Beanspruchungsarten geeignet.

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen
Prof. Dr.-Ing. Andreas Küchler
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Tabelle 1: Eignung verschiedener Steuerungssysteme für unterschiedliche Beanspruchungsarten, aus [1]

3. Werkstoffe für Feldsteuersysteme

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Bild 2: Feldstärkeabhängigkeit des spezifischen Widerstands für verschiedene mirkovaristorgefüllte Feldsteuer-Compounds, aus [4]. SEM-Aufnahme von Mirkovaristor-Partikeln und innere Struktur eines ZnO-Partikels mit Stromfluss über die inneren Korngrenzen, aus [4]

Über die in feldsteuernden Isoliersystemen eingesetzten Materialien ist viel veröffentlicht worden, die große Vielfalt der Stoffe und ihre sehr unterschiedlichen Eigenschaftsprofile können hier aber nicht einmal ansatzweise beschrieben werden. Einen sehr guten Überblick verschaffen [4] und [5].

Die eigentlichen feldsteuernden Elemente unterscheidet man nach den isolierenden Basismaterialien sowie den Füllstoffen zur Einstellung gewünschter elektrischer oder dielektrischer Eigenschaften. Basismaterialien sind je nach Einsatzart Elastomere (für Kabelgarnituren), Lacke (für rotierende elektrische Maschinen), Gewebebänder (für rotierende Maschinen), ölimprägnierter Pressspan und Öl (für Transformatoren) sowie öl- oder harzimprägniertes Papier (für Durchführungen). Die Einstellung gewünschter Eigenschaften erfolgt durch Ruß (Carbon Black) für hochpermittive oder leitfähige Isolation, durch Siliziumkarbid (SiC) für hochpermittive und nichtlinear leitfähige Isolation oder durch Zinkoxid (ZnO; Mikrovaristoren) für hochpermittive und nichtlinear leitfähige Isolation. Werkstoffe für Gehäuseisolatoren (Porzellan, faserverstärkte Kunststoffe, Silikonelastomere) oder Nebenisolationen (Öl, Gas, Schaum) sollen hier nicht weiter betrachtet werden.
Mikrovaristoren sind ein relativ neuartiger Füllstoff, der teilweise noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung ist [4]. Er besteht aus gesinterten ZnO-Partikeln in Pulverform. Jedes einzelne Partikel stellt einen aus mehren ZnO-Körnern zusammengesinterten Varistor dar. Grundsätzlich lassen sich damit Silikonelastomere, Lacke, Harze, Bänder füllen oder beschichten. Die speziellen elektrischen Eigenschaften des Compounds liegen dann in den Mikrovaristor-Partikeln an deren inneren Korngrenzen vor, nicht an den Partikel-Grenzen im Compound. Durch die Berührung der Partikel ergeben sich relativ stabile elektrische Eigenschaften. Die erforderlichen Füllgrade sind allerdings recht hoch, was zu relativ hohen Kosten führt und wohl einer der Gründe für die noch zögerliche Verbreitung ist. Durch die stark nichtlineare Feldstärke-Stromdichte-Kennlinie, die sich durch das Herstellungsverfahren in weiten Bereichen einstellen lässt, kann eine optimale gemischt kapazitive und nichtlinear resistive Steuerung realisiert werden [3]. Bei geeigneter Wahl des Schaltpunktes kann somit erreicht werden, dass das mikrovaristorgefüllte Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei Stoßspannungsbean¬spruchung und einen niedrigen Verlustleistungsumsatz (überwiegend kapazitives Verhalten) im Dauerbetrieb aufweist. Mehr als für lineare Materialien sind für das Design und die Optimierung nichtlinearer Feldsteuerungen jedoch immer leistungsfähigere Simulationstools erforderlich, deren Verfügbarkeit und Weiterentwicklung dementsprechend die Fortschritte auf diesem Gebiet entscheidend mitbestimmen.

4. Anwendungen

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Bild 3: Resistiv bzw. refraktiv gesteuerter Mittelspannungskabelendverschluss (Tyco) sowie geometrisch gesteuerte Hochspannungskabelmuffe, aus [7]

Zu den Kabelgarnituren zählen Endverschlüsse, Muffen und im weitesten Sinne auch Stecksysteme. Einen Überblick gibt [6]. Die Feldsteuerung in Kabelgarnituren muss die an der Kante der äußeren Leitschicht des Kabels auftretenden hohen tangentialen Feldstärken reduzieren und gleichmäßiger über die Länge der freigelegten Kabelisolierung verteilen, um den Einsatz von Gleitentladungen zu unterbinden. Bei den Kabelgarnituren kommen sämtliche in Abschnitt 2 erläuterten Methoden zum Einsatz. Im Einführungsbeitrag des ETG-Workshops [1] und in den anschließenden Fachbeiträgen sind deshalb zahlreiche praktisch ausgeführte Beispiele dargestellt. Kapazitive Steuerungen werden v.a. bei Hochspannungskabeln aus ölimprägniertem Papier verwendet. Bei VPE-Hochspannungskabeln kommen heute vorgefertigte, elastomere Aufschiebegarnituren zum Einsatz, die eine geometrische Steuerung enthalten. Bei Mittelspannungskabeln werden auch platzsparende refraktive und resistive Steuerungen genutzt. Inzwischen gibt es auch erste Anwendungen für resistiv-nichtlineare Steuerungen mit Hilfe von Mikrovaristoren.

In den Isoliersystemen von Transformatoren finden sich feldsteuernde Maßnahmen bei¬spielsweise in der Wicklungsisolation, in den Ausleitungssystemen und in den Durchführungen. Beispielsweise kann die Ölspaltweite durch ölimprägnierte Pressspanbarrieren so eingestellt werden, dass die elektrische Festigkeit der Ölspalte an die lokal gegebenen Feldstärken in der Wicklungsisolation oder in den Ausleitungssystemen angepasst wird. Durch Schirmelektroden an den Wicklungsenden und durch die in den Transformator hineinwirkende Feldsteuerung der Durchführungen werden auch lokale Feldstärken gezielt gesenkt.
Die Führung eines Leiters durch eine Öffnung in einer geerdeten Wand (Durchführung) stellt eine Gleitanordnung mit niedrigen Teilentladungseinsatzspannungen dar. Ungesteuerte Durchführungen kommen deshalb nur für sehr niedrige Spannungen in Betracht. Im Mittelspannungsbereich werden u.a. geometrisch gesteuerte Durchführungen eingesetzt. Im Hochspannungsbereich dominiert die kapazitiv gesteuerte Durchführung mit zahlreichen leitfähigen und in der Länge abgestuften Steuerbelägen bei unterschiedlichen Durchmessern (Feinsteuerung). Die Steuerbeläge befinden sich entweder in einem Wickel aus ölimprägniertem Papier (OIP-Durchführung) oder in einem Wickel aus harzimprägniertem Krepppapier (RIP-Durchführung).
Feldverteilungen in Kabelsystemen, Wechselrichtertransformatoren oder Durchführungen unterscheiden sich bei Gleichspannung grundsätzlich von den üblicherweise betrachteten dielektrischen Verschiebungsfeldern bei Wechsel- und Stoßspannungsbelastung. Bei sehr lange anstehender Gleichspannung bildet sich ein stationäres Strömungsfeld aus, dessen Feldverteilung nicht mehr von den Dielektrizitätszahlen, sondern von den stationären Leitfähigkeiten der Isoliermaterialien bestimmt wird. Dadurch werden Materialien mit höherer Leitfähigkeit entlastet und hochohmige Materialien mit niedriger Leitfähigkeit sehr stark belastet. Es kommt erschwerend hinzu, dass nach dem Zuschalten, Ändern oder Umpolen einer Gleichspannung Verschiebungsfelder auftreten, die in einem transienten Vorgang dem stationären Strömungsfeld zustreben, wobei schwer überschaubare Feldmigrationen und Belastungsmaxima auftreten können. Ein HGÜ-Design muss all diesen Situationen Rechnung tragen [1], [2].

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Bild 4: Aufbau der Isolierung der Ständerwicklung einer Hochspannungsmaschine, zu erkennen AGS und EGS; aus [9]

Die Isolation rotierender elektrischer Maschinen ist im Betrieb extremen Bedingungen ausgesetzt. Dabei sind grundsätzlich die Isolationsdicken so gering wie nur irgend möglich zu wählen, um hohe Wirkungsgrade der Maschinen zu erzielen. Insgesamt stellt dies allerhöchste elektrische, thermische und mechanische Anforderungen an die Isolation der Leiter einer Wicklung untereinander, der Wicklung gegen das Blechpaket sowie auch der am Austritt der Leiter aus dem Blechpaket gebildeten Gleitanordnung. Ohne Feldsteuermaßnahmen an diesen kritischen Bereichen ist der Betrieb insbesondere einer Hochspannungsmaschine (Nennspannung bis 27 kV, Prüfspannung bis 65 kV) nicht denkbar. Durch nichtlineare dielektrische Werkstoffe sind kompakte platzsparende Feldsteuerungen möglich [8]. In der Maschinenisolierung unterscheidet man die Innenpotentialsteuerung (IPS) zwischen dem Kupferleiterverband und der Hochspannungsisolierung, den Außenglimmschutz (AGS) zwischen der Wicklung und dem Blechpaket sowie den Endenglimmschutz (EGS) am Austritt der Wicklungsstäbe aus dem Blechpaket.

Feldsteuernde Maßnahmen an Hochspannungsisolatoren verfolgen zwei wesentliche Ziele: Zur Vermeidung von Wassertropfen-Korona auf der Oberfläche wird das elektrische Grundfeld an den kritischen Isolatorenden durch Schirmringe so weit abgesenkt, dass auch die unvermeidliche Feldüberhöhung an den Wassertropfen nicht mehr zu Koronaentladungen führt. Die Optimierung des Betriebsverhaltens bei Anwesenheit elektrolytisch leitfähiger Fremdschichten erfolgt üblicherweise über den Kriechweg, die Schirmform und das Material. Verbesserungen können bei Porzellanisolatoren jedoch auch durch leitfähige Glasuren aufgrund ihrer feldsteuernden Wirkung und aufgrund einer leichten Erwärmung der Isolatoroberfläche erreicht werden. Bei Verbundisolatoren kann die Beschichtung des Isolatorstrunks mit mikrovaristorgefülltem Material Spannungsfälle und Entladungen über den trockenen Zonen an den Schirmunterseiten vermeiden. Solche Isolatoren gibt es jedoch noch nicht serienmäßig.
Bei Überspannungsableitern führen die Streukapazitäten zur geerdeten Umgebung zu einer Ver¬zerrung der durch die Längskapazitäten gegebenen Potentialverteilung. An Stellen hoher lokaler Feldstärke tritt zwar eine Begrenzung durch die Ableiterelemente ein, der Ableiter steuert sich quasi selbst, dies ist aber mit einem Stromanstieg und lokalen elektrischen Verlusten verbunden. Ähnlich wie bei Isolatoren wird deshalb der feldverzerrenden Wirkung der Streukapazitäten durch äußere Steuerelektroden entgegengewirkt. Bei großen Freiluftableitern finden Schirmringe, bei GIS-Ableitern Schirmhauben und bei Mittelspannungsableitern eingegossene polymere Schirmelektroden Anwendung. Bei sehr großen Ableitern reduzieren die Schirmringe die Schlagweiten in unerwünschter Weise, so dass hier die Selbststeuerung und die lokale Erwärmung des Ableiters nicht ganz vermieden werden kann.

5. Zusammenfassung und Ausblick

In Wechselspannungsanwendungen kann Feldsteuerung geometrisch, kapazitiv, refraktiv oder resistiv erfolgen. In den zunehmend wichtiger werdenden Gleichspannungsanwendungen werden die Lösungen durch das Vorliegen kapazitiv-resistiver Mischfeldbeanspruchungen komplizierter. Polymere Isoliersysteme mit neuartigen Füllstoffen bieten neue Möglichkeiten, etwa durch nichtlineares oder kombiniertes kapazitives und resistives Verhalten. Meist lässt sich ihre Wirkung vorab nur durch Simulationen abschätzen und optimieren, womit geeigneten Simulationsverfahren wachsende Bedeutung zukommt. Die Anwendung dieser Methoden zur Optimierung elektrischer Feldverteilungen an Betriebsmitteln der elektrischen Energieversorgung mit Hilfe gezielter Feldsteuermaßnahmen ist eine der wichtigsten Aufgaben der Hochspannungstechnik. Betroffene Betriebsmittel sind insbesondere Kabelgarnituren, Durchführungen, Transformatoren, rotierende elektrische Maschinen, Isolatoren oder Überspan¬nungsableiter. Die spezifischen Feldsteuerprobleme, unter Berücksichtigung der wichtigsten zur Feldsteuerung eingesetzten Materialien, werden im ETG-Fachbericht 131 „Feldsteuernde Isoliersysteme“ ausführlich vorgestellt.

6. Referenzen

[1] Hinrichsen, V; Küchler, A.: Grundlagen der Feldsteuerung. ETG-Fachbericht 131, VDE-Verlag, 2011

[2] Küchler, A.: Hochspannungstechnik, Grundlagen – Technologie – Anwendungen. Springer-Verlag, 3. Aufl. 2009

[3] Christen, T; Donzel, L.; Greuter, F.: Nonlinear Resistive Electric Field Grading Part 1: The ory and Simulation. IEEE Electrical Insulation Magazine, Nov./Dec.- Vol. 26, No. 6, 2010

[4] Donzel, L.; Greuter, F.; Christen, T: Nonlinear Resistive Electric Field Grading Part 2: Mate¬rials and Application. IEEE Electrical Insulation Magazine, March/April - Vol. 27, No. 2, 2011

[5] ETG: Werkstoffe mit nichtlinearen dielektrischen Eigenschaften. ETG-Fachbericht 110, VDE-Verlag, 2008

[6] Amerpohl, U.; Meyer, S.: Design von Mittel- und Hochspannungs-Kabelgarnituren mit Silikonelastomeren. in: ETG: Silikonelastomere für Garnituren, Isolatoren, Überspannungsableiter. ETG-Fachbericht 93, VDE-Verlag, 2003

[7] Vogelsang, R.: Fact Book High Voltage Accessories. Brugg Cables, 2010

[8] Kaufhold, M.; Weidner, J.R.; Kielmann, F.; Nutzung nichtlinearer dielektrischer Werkstoffeigenschaften in Isoliersystemen rotierender elektrischer Maschinen – Anforderungen, Design, Betriebserfahrungen. in: ETG: Werkstoffe mit nichtlinearen dielektrischen Eigenschaften. ETG-Fachbericht 110, VDE-Verlag, 2008

[9] Weidner, J.R.: Design und Überwachung von Grenzflächen bei Ständerwicklungen großer Turbogeneratoren. in ETG: Grenzflächen in elektrischen Isoliersystemen, ETG-Fachbericht 112, VDE-Verlag, 2008

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