Hochspannungstechnik

Aufgabe der Hochspannungstechnik ist die Beherrschung hoher elektrischer Feldstärken. Zur Einführung wird die grundlegende Herausforderung erläutert, d.h. dass elektrische Belastungen in einem Isoliersystem immer kleiner bleiben müssen als die elektrische Festigkeit. Anschließend erfolgt eine kurze Beschreibung von Anwendungsgebieten und Perspektiven der Hochspannungstechnik in der elektrischen Energietechnik und in anderen Bereichen der Technik. Die Themengebiete des Buches werden kurz angesprochen und am Beispiel einer Durchführung veranschaulicht, um einen ersten Einblick in die Denkweise der Hochspannungstechnik zu geben.

Die Ermittlung elektrischer Feldstärken hat grundlegende Bedeutung für die Quantifizierung und Beherrschung hochspannungstechnischer Belastungen. Zunächst werden deshalb die theoretischen Beziehungen zur Beschreibung elektrischer Felder zusammengefasst. Die weiteren Abschnitte beschreiben, dass sich unterschiedliche technische Beanspruchungen durch hohe Gleich-, Wechsel- und Stoßspannungenin der Ausbildung unterschiedlicher Felder äußern. Stationäre und quasistationäre (langsam veränderliche) Felder können für einfache Anordnungen durch analytische Methoden berechnet oder abgeschätzt werden. Dabei wird zwischen einfachen Isoliersystemen aus einem einzigen homogenen Dielektrikum und Isoliersystemen mit mehreren geschichteten Dielektrika unterschieden. Hierbei ergeben sich grundsätzliche Unterschiede für quasistationäre Felder bei Wechsel- und Stoßspannung und für den stationären Gleichspannungsfall. Zur Reduzierung elektrischer Belastungen können sogenannte Feldsteuermaßnahmen eingesetzt werden. Für komplexe Isoliersysteme, die sich nicht durch einfache, analytisch berechenbare Geometrien annähern lassen, ist eine numerische Berechnung erforderlich. Schnellveränderliche Vorgänge, z.B. Wanderwellenvorgänge auf Leitungen erfordern eine gesonderte Betrachtung.

Die elektrische Festigkeit von Isoliermedien muss unter allen denkbaren Bedingungen höher sein als die elektrische Beanspruchung. Leider ist die elektrische Festigkeit oft erheblichen statistischen Schwankungen unterworfen. Deshalb wird eine Betrachtung der statistischen Grundlagen vorangestellt. Wenn die elektrische Festigkeit nicht ausreicht, kommt es zu Entladungen, die je nach Art des Isoliermediums unterschieden werden: Gasentladungen lassen sich physikalisch gut beschreiben, treten schon bei vergleichsweise niedrigen Feldstärken und zeigen sehr unterschiedliche Ausprägungen in homogenen und inhomogenen Feldern, auf Oberflächen, in Hohlräumen oder in der Atmosphäre. In anderen Medien sind oft wesentlich höhere Festigkeiten erreichbar, die allerdings von einer Vielzahl von Parametern abhängen. Besondere Aufmerksamkeit gilt den Entladungsprozessen in Flüssigkeiten, festen Stoffen und Vakuum. Die sogenannten Teilentladungen, die nicht direkt zum Durchschlag führen, sind von besonderer Bedeutung für die Alterung von Isolierwerkstoffen durch Erosion sowie für die Diagnose von Isoliersystemen bei anliegender Spannung.

Die dielektrischen Sytemeigenschaften von Isolierwerkstoffen, die sich in Eigenschaften wie Dielektrizitätszahl, Verlustfaktor, Leitfähigkeit und Polarisationsverhalten manifestieren, bestimmen die Ausbildung elektrischer Felder in Isoliersystemen sehr stark. Ausgangspunkt der Betrachtungen ist die Beschreibung des grundsätzlichen Polarisationsverhaltens von Dielektrika im Zeit- und Frequenzbereich. Daraus abgeleitete dielektrische Kenngrößen sind Dielektrizitätszahl bzw. Permittivität, Verlustfaktor und komplexe Dielektrizitätszahl die für Wechselfelder maßgeblich sind. Auch die Leitfähigkeit und das Polarisationsverhalten können als maßgebliche Größen für die Ausbildung von Gleichfeldern und für transiente Felder abgeleitet werden. Diese Kenngrößen sind i.d.R. von Parametern wie Temperatur, Feldstärke, Frequenz oder Wassergehalt abhängig, und sie unterscheiden sich für Gase, Flüssigkeiten und feste Stoffe sehr stark. Zur systemtheoretischen Beschreibung des dielektrischen Verhaltens von Isolierwerkstoffen werden die grob vereinfachenden klassischen Parallel- und Reihenersatzschaltbilder, Polarisationsstromkurven, Permittivitäts- und Verlustfaktorspektren, lineare und nichtlineare Materialersatzschaltbilder sowie multiphysikalische Ansätze genutzt. Inhomogene Dielektrika müssen durch räumliche Diskretisierungen beschrieben werden.

Elektrische Isolierstoffe können nicht allein aufgrund ihrer elektrischen Festigkeit eingesetzt werden. Für den praktischen Einsatz ist vielmehr das gesamte Eigenschaftsprofil mit elektrischen, mechanischen, thermischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften von Bedeutung, weil Werkstoffe als „Baustoffe“ in Anlagen und Geräten immer auch nichtelektrische Funktionen erfüllen müssen. Hierfür werden für ausgewählte wichtige Isolierstoffe Basisinformationen zusammengestellt, wie z.B. die Bedeutung für die hochspannungstechnische Anwendung, der grundsätzliche stofflicher Aufbau, die speziellen dielektrischen Eigenschaften, die sonstigen besonderen Eigenschaften, Herstellungs- und Verarbeitungstechnologiensowie das Verhalten im Betrieb. Die Gliederung der Stoffgruppen orientiert sich an den hochspannungstechnischen Merkmalen der Stoffe: Gase (Luft, SF6, alternative Gase), anorganische feste Isolierstoffe (Keramik, Porzellan, Glas, Glimmer), thermoplastische Isolierkunststoffe (Polyäthylen, PVC), Duroplaste und Elastomere (Epoxidharz, Polyurethan, Silikonelastomere), nanostrukturierte Materialien, Isolierflüssigkeiten (Mineralöl, synthetische Flüssigkeiten, pflanzenölbasierte Flüssigkeiten) sowie imprägnierte Faserstoffe (Papier, Pressspan, synthetische Stoffe).

Die Technik zur Erzeugung und Messung hoher Prüfspannungen sowie zur Diagnose und zum Monitoring an Hochspannungsisoliersystemen ist für den Nachweis der Betriebssicherheit von Geräten und Anlagen vor der Inbetriebsetzung und im laufenden Betrieb unverzichtbar, da kleine Fehler verheerende Wirkung entfalten können. Ausgangspunkt der Betrachtung ist das System der Qualitätssicherung und der Isolationskoordination, bei der die Beanspruchungen im Netz, die Schutzelemente und die Festigkeit der Isolation bzw. die zu fordernden Prüfspannungen aufeinander abgestimmt werden. Die Erzeugung hoher Prüfspannungen erfolgt mit Hilfe spezieller, häufig kaskadierbarer Anlagen für Wechsel-, Gleich- und Stoßspannung. Die Messung hoher Spannungen basiert i.d.R. auf speziellen Spannungsteilern, es kommen jedoch auch alternative Systeme zum Einsatz (Messfunkenstrecken, Feldsensoren, Wandler). Ergänzend müssen die Themen der Strommessungen und der störungsfreien Messtechnik (EMV) betrachtet werden. Während einer Spannungsprüfung und im Betrieb werden elektrische, dielektrische, chemische und physikalische Verfahren für die Diagnose oder das Monitoring eingesetzt, um den Zustand eines Gerätes bzw. einer Isolierung bewerten zu können.

Die Anwendungen von Hochspannungsisoliersystemen werden je nach Art des Betriebsmittels und je nach Art der Spannungsbelastung in unterschiedlichen Ausprägungenrealisiert. Die Gestaltung von Isoliersystemen erfolgt unter Einsatz der Grundsätze und Hilfsmittel, die in den vorstehenden Kapiteln beschrieben wurden. Typische Isoliersysteme für Wechselspannungen werden für Kabel, Garnituren, Durchführungen, Transformatoren, Kondensatoren, Schalter und elektrische Maschinen betrachtet. Isoliersysteme für Gleichspannungen müssen zunächst bzgl. der spezifischen elektrischen Beanspruchung, der elektrischer Festigkeit und des spezifischen Designs diskutiert werden. Dann bezieht sich die Betrachtung typischer Gleichspannungsisoliersysteme auf Kondensatoren, Transformatoren, Durchführungen, Kabel und Garnituren für HGÜ-Anwendungen sowie auf leistungselektronische Systeme. Typische Isoliersysteme für Impulsspannungen werden zunächst ebenfalls bzgl. der Beanspruchung und Festigkeit untersucht, ehe Anwendungen bei Energiespeicherkondensatoren, Stoßkondensatoren und Transformatorbarrierensystemen dargestellt werden. Weitere Anwendungsbeispiele werden aus den Gebieten des Blitzschutzes, der Hochleistungsimpulstechnik, der Licht- und Lasertechnik, der Röntgentechnik, der Partikelabscheidung und der Zündkerzenisolation geschildert. Ein eigener Abschnitt ist den supraleitenden Betriebsmitteln gewidmet.