Elektrische Festigkeit von SF6 und alternativen Isoliergasen (Luft, CO2, N2, O2 und C3F7CN-Gemisch) bis 2,6 MPa

Hopf, Andreas

Schwefelhexafluorid (SF6) ist ein wichtiges Isoliergas in der Hochspannungstechnik. Neben den sehr guten Isoliereigenschaften hat SF6 das höchste Treibhauspotential aller bekannten Gase. Deshalb werden alternative Lösungen aktuell verstärkt nachgefragt und es ist eine Abkehr von SF6 sichtbar. Um SF6 mit umweltfreundlichen Gasen zu substituieren, müssen diese unter Druck gesetzt werden, um deren geringere elektrische Festigkeit wesentlich zu steigern. Hohe elektrische Feldstärken und Spannungen können bei hohem Druck isoliert werden. Diese Arbeit befasst sich praktisch und theoretisch mit der elektrischen Festigkeit von Gasen unter Berücksichtigung von Einflussparametern, wie: Oberflächenrauheit, Feldemission, Bestrahlung, Elektronen-Anlagerung, Spannungs-Zeit-Fläche, Vorentladungen im Hochdruck und der Einfluss von Per-Fluorierten-Gas-Gemischen. Neben den praktischen Messungen bis 800 kV sind theoretische Erweiterungen zum Durchschlag im schwach inhomogenen Feld aufgestellt worden, welche das Verständnis zum Entladungsaufbau und die Theorie zur Ladungsträgergeneration erweitert und den Einfluss des Streamer-Mechanismus genauer beschreibt. Die ermittelten Gasparameter nach Paschen tragen zum vorgestellten Berechnungsalgorithmus zur Ladungsträgervermehrung bei. Die praxisnahe Untersuchung und der neue theoretische Ansatz ermöglicht die Berechnung der Durchschlagspannung von beliebigen schwach inhomogenen Feldanordnungen in Abhängigkeit der Schlagweite bis mindestens 2,6 MPa Druck bis zu sehr niedrigen Feldausnutzungsfaktoren. Als Ergebnis dieser Arbeit können nun Luft-isolierte Hochspannungsbetriebsmittel bis zur 420 kV Spannungsebene vorgezeigt werden.

Sulphur hexafluoride (SF6) is the most common insulation gas in high voltage technology. Beside the excellent insulation properties, SF6 has the highest known global warming potential. Currently the demand on alternative solutions are increasing and the request is changing to eco-friendly application. To substitute SF6 with alternative Eco-friendly gases, it's required to pressurize these weak dielectric gases to increase their dielectric properties to compensate their lack in dielectric strength. High electric strength and voltages can be achieved at high pressure only. This investigation is focused on the practical approach and theoretical background of the fundamental discharge mechanism of gases considering basic influences like surface roughness, field emission, radiation of electrodes, electron attachment, voltage-time-integral and partial discharges at high pressure and the influence of Fluoride-Gas-mixtures. Beside the practical measurements up to 800 kV, enhancements of the breakdown theory in the inhomogeneous field are shown. Which expand the understanding of the discharge avalanche, the charge carrier multiplication, and the Streamer-mechanism. The Paschen parameters are required for the calculation of the generated charge carrier. A new algorithm of breakdown voltage calculation is shown in arbitrary electrode arrangements in dependency of distance, field efficiency factor up to 2.6 MPa pressure. One major result of this investigation is the successful developed air insulated high voltage equipment up 420 kV voltage class.

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Hopf, A., 2020. Elektrische Festigkeit von SF6 und alternativen Isoliergasen (Luft, CO2, N2, O2 und C3F7CN-Gemisch) bis 2,6 MPa. Ilmenauer Beiträge zur elektrischen Energiesystem‐, Geräte- und Anlagentechnik. Universitätsverlag Ilmenau, Ilmenau. https://doi.org/10.22032/dbt.41465
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