Eine aktuelle Untersuchung hat gezeigt, dass kleine Vorsprünge an der Grenzfläche zwischen Isolationsschicht und halbleitender Schutzhülle von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungskabeln (HVDC) die elektrische Feldverteilung stark verzerren und damit die Betriebssicherheit gefährden.
Methodik und Modellierung
Die Forscher haben mithilfe der Finite-Elemente-Methode ein dreidimensionales Simulationsmodell entwickelt, um die Auswirkungen von Vorsprüngen unterschiedlicher Größe und Form zu analysieren. Dabei wurden sowohl die Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit des Isoliermaterials als auch Temperaturunterschiede über die Isolierung berücksichtigt.
Einfluss der Vorsprunghöhe
Die Ergebnisse belegen, dass die Höhe des Vorsprungs den größten Einfluss auf die Feldverzerrung ausübt. Beim Ansteigen der Vorsprunghöhe von 50 µm auf 300 µm erhöhte sich die Verzerrungsrate des elektrischen Feldes von 9,78 auf 102,04.
Rolle von Form und Querschnitt
Im Vergleich zur Höhe zeigte die Querschnittsform und -größe des Vorsprungs nur einen geringeren Effekt auf die Feldverteilung. Die Studie legt damit nahe, dass bei der Konstruktion von HVDC-Kabeln die geometrische Höhe von Oberflächenunebenheiten vorrangig zu kontrollieren ist.
Zusammenhang mit Aktivierungsenergie
Ein weiterer Befund ist die positive Korrelation zwischen der Feldverzerrungsrate und der Aktivierungsenergie des Isoliermaterials. Pro Erhöhung der Aktivierungsenergie um 0,1 eV stieg die Verzerrungsrate um 0,72.
Bedeutung für die Kabelentwicklung
Die Erkenntnisse bieten konkrete Anhaltspunkte für die Optimierung von Isolationssystemen in HVDC-Anwendungen. Durch die Minimierung von Vorsprüngen, insbesondere in der Höhe, können Hersteller die elektrische Feldverteilung stabilisieren und die Lebensdauer der Kabel verlängern.
Ausblick und weitere Forschung
Die Autoren empfehlen, zukünftige Untersuchungen auf weitere Materialparameter und reale Betriebstemperaturen auszudehnen, um die Modellgenauigkeit weiter zu erhöhen.
Dieser Bericht basiert auf Informationen von PLOS ONE, lizenziert unter Creative Commons BY 4.0 (Open Access). Wissenschaftliche Inhalte, offen zugänglich.
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