Techn. Hochsch., Diss., 2000--Aachen.

Die Zustandsbewertung von Kabeln mit vernetzter Polyethylen-Isolierung (VPE) ist seit vielen Jahren eine große Herausforderung, da die Alterungsmechanismen nicht vollständig geklärt sind. Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse von Verfahren zur Bewertung des integralen Zustandes der VPE-isolierten Mittelspannungskabel wird kontrovers diskutiert oder teilweise in Frage gestellt. Bei Kenntnis des Alterungsverhaltens und der wirkenden Einflussfaktoren kann Verlustfaktor tan δ der VPE-Mittelspannungskabel wichtige Hinweise auf den Zustand geben. Bei der Bewertung des Zustandes auf Basis des Verlustfaktors tan δ müssen die in der VPE-Hauptisolierung befindlichen Zuschlagstoffe berücksichtigt werden. In Abhängigkeit der Zugaben von Homo- oder Co-Polymeren ist ein grundsätzlich unterschiedliches Alterungsverhalten möglich, das zu Fehlinterpretation führen kann. Die messtechnisch gewonnenen Aussagen wurden über ein Dreischicht-Modell bestätigt, mit dem das elektrische Verhalten der Kabelisolierung verifiziert werden konnte. In der Arbeit werden wesentliche Schlussfolgerungen zur Auswirkung thermischer Beanspruchungen über der Einsatzdauer formuliert. Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem es perspektivisch möglich sein kann, den Zustand eines VPE-Kabels abzuschätzen. Das Verfahren reduziert den Einfluss der messspezifischen Faktoren.:Inhaltsverzeichnis i Abkürzungsverzeichnis i Symbolverzeichnis iii Kurzfassung v Danksagung vi 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Bisherige Anwendungen der Verlustfaktormessungen an VPE-Kabeln 3 1.3 Zielsetzung der Arbeit 6 1.4 Struktur der Arbeit 8 2 Eigenschaften von VPE-Kabeln 11 2.1 Aufbau der VPE-Kabel 11 2.2 Entwicklung der Kunststoff-Kabeltechnologie 12 2.3 Struktur und Morphologie von PE/VPE-Isolierungen 15 2.4 Zusammensetzung und Eigenschaften der halbleitenden Schichten 18 2.5 Alterungsmechanismen bei VPE-Kabeln 19 3 Dielektrische Eigenschaften von VPE-Kabeln 23 3.1 Dielektrischer Verlustfaktor 23 3.2 Polarisationsmechanismen der PE/VPE-Isolierung 23 3.3 Leitungsmechanismen im Polyethylen 25 3.4 Ersatzanordnungen zur Nachbildung des Verlustfaktors 28 3.5 Dreischicht-Modell zur Nachbildung des Verlustfaktors 35 3.5.1 Aufbau des Simulations-Dreischicht-Modells 43 3.5.2 Materialparameter der drei Kabelhauptschichten 45 4 Verlustfaktormessungen an VPE-Kabeln 49 4.1 Messeinrichtungen zur Verlustfaktormessung 49 4.1.1 Frequenzbereichsspektroskopie (FDS-Messung) 49 4.1.2 Vektorielle Impedanzmessung (VI-Messung) 50 4.2 Umfang der Prüfobjekte 51 4.3 Konfektionierung der VPE-Kabel 53 4.4 Aufnahme einer Verlustfaktor-Referenzkurve 56 4.5 Störeinflüsse auf die Messung des Verlustfaktors 56 4.5.1 Äußere Einflüsse 57 4.5.2 Innere Einflüsse 58 4.6 Versuchsvorbereitung und -durchführung 62 4.6.1 Einfluss der Temperaturabhängigkeit auf den Verlustfaktor 62 4.6.2 Einfluss der thermischen Beanspruchung auf den Verlustfaktor 62 4.6.3 Einfluss der Einwirkung von Wasser auf den Verlustfaktor 63 5 Auswertung und Diskussion der Messergebnisse 66 5.1 Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors 66 5.1.1 Neuwertige VPE-Kabel 66 5.1.2 Betriebsgealterte VPE-Kabel 73 5.2 Spannungsabhängigkeit des Verlustfaktors 76 5.2.1 Spannungsabhängigkeit im Frequenzbereich 40 – 280 Hz 76 5.2.2 Spannungsabhängigkeit bei einer Frequenz von 0,1 Hz 79 5.3 Einflussfaktoren auf den frequenzabhängigen Verlustfaktor 81 5.3.1 Temperaturabhängigkeit des Verlustfaktors 81 5.3.2 Abhängigkeit des Verlustfaktors von der thermischen Beanspruchung 90 5.3.3 Abhängigkeit des Verlustfaktors von der Wasserlagerung 94 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 Anhang 103 Abbildungsverzeichnis 105 Tabellenverzeichnis 109 Literaturverzeichnis 110 Thesen 129

The most main wall insulations of rotating electrical high voltage machines consists of several layers of wound mica tape impregnated with epoxy resins. Methylhexahydrophthalic anhydride and Hexahydrophthalic anhydride are the state-of-the-art curing agents in epoxy insulations and are therefore essential components of the insulation system. Both anhydrides were proposed to the candidate list of Substances of Very High Concern and are therefore part of the European REACH authorization process. The prohibition or restricted use of both anhydrides in Europe in the future is possible and puts high pressure on the European manufacturers of electrical devices. Possible substitutes are available, but have to be qualified e.g. with respect to their dielectric properties. Hence, this paper compares several insulating resin systems with and without anhydride curing agents regarding their dielectric loss behavior. The results reveal that the curing agent has a measurable effect on the dielectric losses. Furthermore, the investigated anhydride-free insulation systems are a viable substitute at least with regard to their dielectric losses.