Elektrische Leitfähigkeit und dielektrisches Verhalten von Pressspan in HGÜ-Isoliersystemen

Schober, Fabian GND

Die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) wird als effektive Übertragungsart für große Leistungen immer wichtiger. Die Isoliersysteme von HGÜ-Betriebsmitteln werden sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichspannung beansprucht. Neben den Permittivitäten müssen dann auch die elektrischen Leitfähigkeiten der Materialien berücksichtigt werden. Das Isoliersystem von Konvertertransformatoren enthält ölimprägnierten Pressspan, welcher im Fokus dieser Arbeit liegt. Bisher bestand ein erhebliches Verständnisdefizit bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit und des dielektrischen Materialverhaltens von Pressspan. Besonders die dominanten Leitungsprozesse sind bislang nicht ausreichend verstanden. In dieser Arbeit werden die Leitungsprozesse Ionen-, Elektronen-Loch- und Protonenleitung am Pressspan diskutiert, sowie die relevanten Polarisationsmechanismen behandelt. Zur Erforschung des Materialverhaltens von Pressspan unter Gleichspannungsbelastung wurde dieser chemisch und physikalisch analysiert. Pressspan setzt sich mikroskopisch größtenteils aus den Komponenten Zellulose, Hemizellulosen und Lignin zusammen, und besteht makroskopisch aus einer Vielzahl von Fasern und Imprägniervolumina. Es wurden interdisziplinäre Messmethoden wie die UV/Vis-Spektroskopie und die Rasterelektronenmikroskopie angewandt, um relevante Materialinformationen zu erhalten und geometrische Verhältnisse im Pressspan abzuschätzen. Um einen Bezug zwischen der Struktur und den elektrischen Eigenschaften zu schaffen, wurden elektrische Leitfähigkeiten mittels Sprungantwortmessungen im Zeitbereich erfasst. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Einflussgrößen auf die elektrische Leitfähigkeit wurden in die anwendungstechnischen Parameter Wassergehalt, Temperatur und Feldstärke, in den mikroskopischen Parameter Ligningehalt sowie in die makroskopischen Parameter Dichte, Faserorientierung und imprägnierendes Fluid unterteilt. Der Wassergehalt hat den größten Einfluss auf das Materialverhalten von Pressspan, gefolgt von der Temperatur. Von nachgeordneter Bedeutung sind der Ligningehalt des Pressspans und dessen Dichte, die während der Zellstoff- bzw. Pressspanherstellung verändert werden können, woraus sich geänderte Leitfähigkeiten ergeben. Die Faserorientierung hingegen ist im Transformator kaum beeinflussbar. Ebenso kann sich die Feldstärkebelastung je nach Last und Leitfähigkeitsverhältnis von Öl zu Pressspan ändern. Die Quantifizierung und das Verständnis der Einflussfaktoren auf das elektrische Verhalten von Pressspan stellen den ersten Schritt da, um in Zukunft Materialien mit definierten Leitfähigkeiten und erwünschtem dielektrischen Verhalten für HGÜ-Betriebsmittel herzustellen.

High Voltage Direct Current (HVDC) transmission is becoming more importantas an effective way of power transmission. Insulating systems in HVDC applications are stressed both with alternating and direct voltage. Beside the permittivities, electrical conductivities of the materials have to be considered also. The insulation system of converter transformers consists of oil-impregnated pressboard, which is the focus of this thesis. To date there has been a distinct lack of knowledge regarding the electrical conductivity and the dielectric material behaviour of the pressboard. Especially the dominant conduction processes are not known so far. The conduction processes are ionic conduction, electron-hole conduction and protonic conduction, which are discussed in this thesis in the case of pressboard, and the relevant polarisation mechanisms are treated here. For the purpose of research in the field regarding material behaviour of pressboard under direct stress, pressboard is analysed from a chemical and physical point of view. Pressboard is microscopically mainly composed of cellulose, hemicelluloses and lignin and macroscopically consists of various fibres and impregnating volumes. Interdisciplinary measuring methods such as UV/Vis spectroscopy and scanning electron microscopy have been used to obtain relevant material information and to give an estimation of the geometric conditions in pressboard. In order to create links between pressboard structure and electrical properties, step-response measurements in the time domain have been performed and conductivities have been calculated. The parameters, which affect the pressboard conductivity and which are examined in this thesis, have been split into application parameters such as water content, temperature and field strength, and in microscopic parameters such as lignin content as well as in macroscopic parameters such as density, fibre orientation and impregnating fluid. The water content exhibits the major influence on the material behaviour of pressboard, followed by the temperature. The lignin content of pressboard and pressboard density, which can be modified during pulp and pressboard manufacturing, resulting in revised conductivities, are of secondary importance. It is hard to modify the fibre orientation or to orientate the fibres in the transformer insulating system. Moreover, the field stresses change according to load changes and to changing conductivity ratios of oil and pressboard. A quantification and an understanding of the parameter influences on the electrical behaviour of pressboard are the first step to develop materials with predefined conductivities and desired dielectric behaviour for HVDC equipment.

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Schober, Fabian: Elektrische Leitfähigkeit und dielektrisches Verhalten von Pressspan in HGÜ-Isoliersystemen. Ilmenau 2016. Universitätsverlag Ilmenau.

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