Leitung Prof. Zink
Forschungspartner intern
Laufzeit 2023-2026
Der Aufbau einer Energieübertragung mit Hochspannungsgleichstrom (HGÜ) ist ein zentrales Element der Energiewende. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die sichere Auslegung der Hochspannungsisoliersysteme dar, deren Aufgabe es ist, die hohen Spannungen und Feldstärken innerhalb der Betriebsmittel sicher zu beherrschen. Während in Anwendungen für Wechselspannung das elektrische Feld (Verschiebungsfeld) durch die Geometrie der Elektroden und Grenzflächen gesteuert werden kann, ist dies bei Gleichspannung (Strömungsfeld) nicht möglich. Denn hier bestimmen die Leitfähigkeiten der Isolierwerkstoffe die Feldverteilung im Isoliersystem. Allerdings sind die Leitfähigkeiten der Isolierwerkstoffe untereinander nicht nur sehr unterschiedlich, sondern auch hochgradig von den Parametern Feldstärke und Temperatur abhängig, wohingegen diese Abhängigkeit für die Permittivität nicht gilt, die die Auslegung im Verschiebungsfeld dadurch leichter als beim Strömungsfeld macht. Im Betrieb der Isoliersysteme, v.a., wenn sich z.B. die Temperaturverteilung ändert oder sich Temperaturgradienten ausbilden, können die genannten Abhängigkeiten zur Bildung von Raum‐ oder Oberflächenladungszonen führen, wodurch sich die Feldstärkeverteilung im Isoliersystem drastisch verändern kann, sog. Feldmigration bzw. -inversion, s. Bild 1. U.U. kann dies bis hin zur Ausbildung von (Teil‐)Entladungen führen, die dann wiederum die Werkstoffe erodieren und das Isoliersystem bis zum Totalausfall schädigen können. Derartige Probleme treten nicht nur bei den Isoliersystemen der HGÜ‐Betriebsmittel auf, sondern z.B. auch in Hightech‐Anwendungen hoher Gleichspannung, wie z.B. der Grundlagenphysik, der Halbleitertechnik oder der Mikroskopie. Ein innovativer Ansatz, um die beschriebenen Probleme zu verbessern, liegt im Einsatz sog. Feldsteuermaterialien (field grading materials, FGM) mit einer gezielt eingestellten oder gar feldstärkeabhängigen elektrischen Leitfähigkeit. Mit diesen Materialien können Bereiche mit höherer Feldstärke automatisch entlastet und die Feldverteilung im Isoliersystem vergleichmäßigt werden. Derartige Werkstoffe basieren auf einem Trägermaterial, z.B. Lack oder Epoxidharz, in das Füllmaterialien (z.B. Silizimcarbide oder Metalloxide) eingebettet sind, die ein feldstärkeabhängiges, varistorähnliches Leitfähigkeitsverhalten zeigen.