Fundamental investigations on the partial-discharge behaviour in gas-solid insulating systems under DC voltage stress
Final Report Abstract
Der langfristig sichere Betrieb von gasisolierten Gleichspannungssystemen über die geplante Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten hängt maßgeblich von der Sensitivität der vorgenommenen Teilentladungsmessungen (TE-Messungen) und der richtigen Interpretation der Messergebnisse ab. Aufgrund der bisher fehlenden Betriebserfahrung mit diesen Systemen ist das erforderliche Expertenwissen diesbezüglich noch nicht so umfassend wie nötig. Die Ergebnisse dieses Projektes erweitern das Wissen zum TE-Verhalten von ausgewählten Störstellen in Gas- Festsoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung. Im Rahmen des Projektes wurden daher drei ausgewählte Fehlstellen an Modellgeometrien genauer untersucht. Dem Übergang zum Einsatz klimafreundlicherer Gase als dem bisher genutzten Schwefelhexafluorid (SF6 ) wird durch vergleichende Untersuchungen im natürlichen Isoliergas synthetische Luft Rechnung getragen. An einer festen metallischen Störstelle ohne Feststoffgrenzfläche wurden die elektrischen Charakteristika hinsichtlich impulsloser und impulsbehafteter TE-Ströme in Abhängigkeit der Beanspruchung des Isoliergases und des Isoliergasdruckes für beide Störstellenpolaritäten ausführlich untersucht. Basierend auf diesen Ergebnissen konnten für SF6 vier verschiedene TE-Arten klassifiziert werden, wohingegen in synthetischer Luft nur drei dieser Arten im untersuchten Parameterbereich aufgetreten sind. Diese Klassifizierung kann als Grundlage für die Interpretation von TE-Messergebnissen dienen. Es hat sich gezeigt, dass bei einem realitätsnahen Isoliergasdruck für Hochspannungsgeräte die bekannten leitungs- und feldgebundenen Möglichkeiten zur TE-Identifikation genutzt werden können. Allerdings sind die Messergebnisse polaritätsabhängig zu bewerten, da die impulsbehafteten TE-Ströme an einer negativen Störstelle deutlich geringere Amplituden aufweisen als an einer positiven Störstelle. Auch müssen Herausforderungen hinsichtlich der Interpretation von gemessenen Impulshäufigkeiten beachtet werden, da schnell aufeinanderfolgende Entladungsereignisse nicht in jedem Fall sicher voneinander separiert werden können. Vorteilhaft beim Einsatz optischer Messmethode ist, dass im Gegensatz zu den bekannten Methoden auch impulslose Entladungen sicher detektiert werden können. Bei einer festen Störstelle an einer Gas-Feststoff-Längsgrenzfläche zeigte sich insbesondere beim Entladungseinsatz der impulsbehafteten und impulslosen Ströme ein signifikanter Einfluss von Oberflächenladungen. In Abhängigkeit der Vorbelastung können die bestimmten Einsetzspannungen bis zum Dreifachen voneinander abweichen. Dies ist bei dielektrischen Untersuchungen an praxisnahen Geometrien zwingend zu beachten. Gezeigt hat sich dabei auch, dass die Aufladung der Grenzfläche die Stabilität des impulslosen Entladungsstroms an einer positiven Störstelle maßgeblich beeinflusst. An der durch den Einsatz dielektrischer Beschichtungen ausgebildete Gas-Feststoff-Quergrenzfläche kann es bei einer zu geringen elektrischen Leitfähigkeit der eingesetzten Materialien zu Entladungen an dieser Grenzfläche kommen. Die Untersuchungen konnten in Verbindung mit Feldberechnungen zeigen, dass die Ansammlung von Oberflächenladungen maßgeblich dafür verantwortlich ist. Eine angemessene Auswahl der elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Dielektrikums kann dieses Phänomen vermeiden. Die Untersuchungen konnten das Wissen über das TE-Verhalten typischer Störstellen in Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung erweitern. Trotzdem sind weitere, grundlegende Untersuchungen an anderen typischen Störstellen ebenso unabdingbar wie die Überführung der Messergebnisse auf reale Anordnungen und die Erweiterung der Erfahrungen im Betrieb dieser Systeme. Auch muss zukünftig dem Übergang zu klimafreundlicheren Isoliergasen durch Untersuchungen mit weiteren Alternativen Rechnung getragen werden.
Publications
- Fundamental aspects of the electric conductivity in insulating materials and the conclusions on diagnosis, Highvolt Kolloquium’19, Dresden, 2019
Backhaus, K., Gabler, T., Götz, T.
- Electro-Thermal Stress of Dielectric Coated Electrodes in Gas-Insulated Systems under DC Voltage Stress, International Conference on Dielectrics, Valencia, 2020
Götz, T.; Markl, A.; Backhaus, K.
(See online at https://doi.org/10.1109/icd46958.2020.9342012) - Optical-electrical Investigation of the Partial Discharge Behaviour of a Protrusion in Gas-Insulated Systems Under AC and DC Voltage Stress in SF6 and Synthetic Air, VDE-Fachtagung Hochspannungstechnik, Berlin, 2020
Götz, T.; Backhaus, K.
- Partial Discharge Analysis in Gas-Insulated HVDC Systems Using Conventional and Non-Conventional Methods, CIGRE e-Session, Paris, 2020
Götz, T.; Wenger, P.; Beltle, M.; Backhaus, K., Tenbohlen, S.; Riechert, U.
- Partial Discharge Behaviour of a Protrusion in Gas-Insulated Systems under DC Voltage Stress , Energies, Vol. 13, Nr. 12, 2020
Götz, T.; Kirchner, H.; Backhaus, K.
(See online at https://doi.org/10.3390/en13123102)
