Langzeiterfahrungen mit Silikonelastomeren in EHV - Brugg Kabel AG

Langzeiterfahrungen mit Silikonelastomeren in EHV-
Kabelgarnituren
W. Weissenberg J. Kaumanns
Brugg Kabel AG, Schweiz ABB Energiekabel GmbH, Deutschland
1 Einleitung
Silikonelastomere ( SiR ) zeigen exzellente
mechanische und elektrische Eigenschaften in
einem weiten Temperaturbereich von –60 °C
bis +180 °C. Deshalb kommen Aufschiebeendverschlüsse
und – muffen aus SiR bereits
seit Jahrzehnten sowohl in Mittelspannungsals
auch in Hochspannungs- und
Höchstspannungsnetzen zur Anwendung. Mit
diesen vorgefertigten und vorgeprüften SiR-
Teilen wurde die Montage von VPE-isolierten
Kabeln sehr attraktiv und einige Vorteile des
VPE-isolierten Kabels besser nutzbar. Durch
ständige neue Erkenntnisse über die
Werkstoffe, über die Technologie der
Verarbeitung und der Montage waren weitere
Optimierungen möglich. Wurden Anfangs
Hochtemperaturvernetzende ( HTV -) und
Raumtemperaturvernetzende ( RTV-) Silikone
grösstenteils verarbeitet, ist heute ein Trend zu
Flüssigsilikonen ( LSR ) zu beobachten. Im
Folgenden soll über den Einsatz und die
Erfahrungen von SiR für HV- und EHV-
Kabelgarnituren berichtet werden.
2 Alterung,Lebensdauer, Tests
Silikone zeichnen sich durch eine lange
elektrische Lebensdauer aus /1/.Bei
elektrischer Beanspruchung mit der
Netzspannung kann mit einer elektrischen
Lebensdauer von weit über 50 Jahren
gerechnet werden. Wird die elektrische
Alterung jedoch durch Teilentladungen ( TE )
beschleunigt, kann es zu Frühausfällen
kommen (Bild 1 )
Bild 1: Alterung in Silikonelastomeren mit TE
Deshalb ist es von großer Bedeutung, dass die
Garnituren teilentladungsfrei sind. In der
Normung, die den Stand der Technik darstellt,
wird in der Stückprüfung für
Hochspannungsgarnituren ein TE-Pegel von ≤
10 pC bei einer Prüfspannung von 1,5 U o
gefordert /2 , 3 /. Die TE-Messung als
Stückprüfung von vorgefertigten HV- und
EHV-Kabelgarnituren ist der erste wichtige
Schritt für die Qualität, für den Nachweis der
elektrischen Langzeitfestigkeit der
Hochspannungskabelgarnituren. Ein typisches
Prüfsystem dafür besteht aus einem kurzen
Kabelstück, das auf der einen Seite einen
Wasserendverschluss und auf der anderen

Seite ein geschlossenes metallisches Gehäuse
zur Aufnahme des zu prüfenden
Steuerelemente ( stress-cone ) hat ( Bild 2 ) .
Bild 2 : Prüfaufbau für die Stückprüfung
an vorgefertigten SiR-Steuerelement
Für die TE-Prüfung der aufschiebbaren
Muffenkörper werden zwei kurze Kabellängen
einseitig mit Wasserendverschlüssen
versehen; die zwei anderen Kabelenden
werden in den Muffenkörper geschoben und
ebenfalls mit einem geschlossenen
metallischen Gehäuse umgeben ( Bild 3 ) .
Bild 3 : Prüfaufbau für die Stückprüfung
an vorgefertigten SiR-Aufschiebemuffen
Für die TE-Messung als Stückprüfung an
vorgefertigten aufschiebbaren Muffenkörpern
in ungeschirmten Prüfräumen /6/ , sowie für
Prüfungen nach der Installation und
Monitoring /7, 8, 9/ sind die sogenannten
Richtkoppler /10/ sehr gut geeignet. Eine
weitere Möglichkeit besteht darin, in die
Garnitur einen TE-Sensor zu integrieren,
indem das leitfähige Feldsteuerlement selbst
als ein kapazitiver Sensor zur Auskopplung
genutzt wird.
Bei elektrischen Prüfungen nach der
Installation einer Kabelanlage ist generell
keine TE-Messung in der Normung
vorgeschrieben. Eine Arbeitsgruppe der
CIGRE TF 21-05 hat eine Umfrage zu Praxis,
Techniken, Erfahrungen und Ergebnissen der
Inbetriebnahmeprüfung nach der Installation
von polymerisolierten (E)HV –Kabelsystemen
durchgeführt /4/. Die Ergebnisse der
Befragung von 15 Ländern haben u.a. gezeigt,
dass hauptsächlich bei EHV-Kabelsystemen
die selektive TE-Messung nach der
Installation von Muffen sehr effektiv ist. Bei
Anwendung der TE-Messung zum Nachweis
der TE-Freiheit der Muffen kann für den
Wechselspannungstest nach der Installation
ein niedrigerer Testspannungspegel
angewendet und so eine mögliche
Vorschädigung der neu errichteten
Kabelverbindung durch die
Inbetriebnahmeprüfung ausgeschlossen
werden. Der generelle technische Trend für
die Beurteilung von Muffen in EHV-
Kabelnetzen ist die diagnostische Beurteilung
der TE-Freiheit.
Für Vor-Ort TE-Messungen an Garnituren in
Hochspannungskabelsystemen wurden erste
Erfahrungen bei Inbetriebnahmeprüfungen
und Erfahrungen mit Monitoring bei
Langzeittestinstallationen von 110 kV, 220 kV
und 400 kV in der Schweiz, in Deutschland, in
Taiwan und in Singapur gemacht. Erfolgreich
wurde die Methode der TE-Messung mit
Richtkopplern oder mit in den Garnituren
integrierten Sensoren bei Prüfungen nach der
Installation von Kabelsystemen bis zu einer
Nennspannung von 400 kV angewendet
(Bild 4). Die Messempfindlichkeit für die

Bewertung der TE-Freiheit der Garnituren war
besser 5 pC.
Dabei konnten in einzelnen Fällen
Montagefehler erkannt und kurzfristig
behoben werden bevor es zum Durchschlag
gekommen war. Dieser hätte wesentlich
aufwendigere Reparaturen erfordert.
Bild 4: Prüfaufbau für TE-Vor-Ort-
Messungen an einer 380-kV-Muffe im UW
Bonaduz/Schweiz
Systematische Untersuchungen an
Modellanordnungen der Nachbildung der
Grenzflächen zwischen der VPE-Aderoberfläche
/ 11/ bzw. Epoxidharzoberfläche
/12/ und dem SiR-Aufschiebekörpers zeigten ,
dass bei der erprobten Rauhigkeit der
Oberflächen und bei den entsprechenden
Anpressdrücken des SiR-Aufschiebekörpers
auf die Grenzflächen die bekannte lange
Lebensdauer von Silikonelastomeren und
extrudierten VPE-Isolierungen nicht verkürzt
wird ( Bild 5 ).
Bild 5: Lebensdauerkurve von
Modellanordnung (nach Kunze /11/ CIGRE
2000)
3. Design von EHV -Garnituren
mit SIR Feldsteuer-elementen
Die hervorragenden elektrischen und
mechanischen Eigenschaften von
Silikonkautschuk erlauben verschiedene
Garniturenkonstruktionen. Es werden in
EHV-Kabelsystemen eingesetzt:
- Stressconen für Kabel–Endverschlüsse
( Bild 2 )
- Einteilige Muffen ( Bild 6 )
- Steckbare Stressconen für trockene
Kabel-Endverschlüsse ( Bild 7 )
- Dreiteilige Muffen ( Bild 8 )
Stressconen nutzen die hervorragenden
dielektrischen Materialeigenschaften aus, um
mit Hilfe integrierter leitfähiger
Steuerelemente die feldkritischen Bereiche der
Garnitur sicher zu beherrschen. Die
notwendigen Anpressdrücke in der
Grenzschicht zum VPE werden durch eine
Materialdehnung erreicht. Das gleiche gilt für
einteilige Verbindungsmuffen, die mit
mehreren integrierten leitfähigen Elektroden
(Deflektoren und Abschirmelektrode um die
Leiterverbindung) das elektrische Feld steuern
Bild 6: Einteilige Verbindungsmuffe aus
Silikonelastomer
Weiterhin machen die elastischen
Eigenschaften des Silikonkautschuks ein
Innenkonusstecksystem möglich, wie es seit
langem in der Mittelspannungstechnik als
Kabelgarnitur eingesetzt wird. Aber auch in
Form einer dreiteiligen Verbindungsmuffe für
Höchstspannungskabelsysteme bis 400kV ,

seit 1998 im Betrieb, wird Silikonkautschuk
eingesetzt.
Bild 7: Steckendverschlusstechnik GIS und
Transformatoren 72,5-245 kV
Hier wird der notwendige Anpressdruck /12/
auf alle Grenzflächen, sowohl VPE als auch
Epoxiharz, durch ein externes mechanisches
Federelement unabhängig von der
mechanischen Vorspannung des
Feldsteuerelementes erreicht.
Bild 8: Dreiteilige Verbindungsmuffe
( „Composite joint“ ) für 400 kV
Endverschlüsse, die auf dieser Technik
beruhen zeichnen sich dadurch aus, dass diese
trockene Technik kein zusätzliches flüssiges
oder gasförmiges Isoliermedium benötigt, wie
es bei herkömmlichen Endverschlüssen
notwendig ist. Weiter ist eine Trennung von
Endverschluss und Schaltanlage möglich ohne
die Schaltanlage öffnen zu müssen.
Diese Steckertechnologie ist in der
Hochspannungstechnik seit 1995 im Einsatz
und wird von immer mehr
Schaltanlagenherstellern als Standardschnittstelle
eingesetzt. Für die
Spannungsebene 123/145 kV steht dabei eine
Innenkontur zur Verfügung, die von mehreren
Herstellern kompatibel angeboten wird. Zur
Zeit wird diese Technologie bis zur 245kV
Spannungsebene eingesetzt. Eine Erweiterung
dieser Technologie zur 400kV
Spannungsebene ist dabei in Planung.
4 Betriebserfahrungen
Bevor erste Betriebserfahrungen auf den
höchsten Spannungsebenen mit VPE
Kabelsystemen gemacht wurden unterzogen
sich die Europäischen Kabelhersteller in den
90er Jahren einem aufwendigen
Langzeitversuch, um die Funktionalität und
die ausreichende Lebensdauer der damals
noch neuen Technologie nachzuweisen. Dabei
zeigte sich, dass vorgefertigte und vorgeprüfte
Feldsteuerelemente und Hauptisolierkörper
von Muffen wesentliche Vorteile gegenüber
der damals noch eingesetzten Wickeltechnik
besitzen.
Bei diesem Langzeitversuch wurde das
gesamte Kabelsystem über 1 Jahr mit der 1,7fachen
Nennspannung belastet. In dieser Zeit
wurden 180 Lastwechsel durchgeführt, die den
Kabelleiter und die Verbindungselemente bis
auf die höchste maximal zulässige
Betriebstemperatur erwärmen.
Mittlerweile hat dieser Test als
Prequalifikationstest auch Eingang in die
internationale Normgebung (IEC62067)
gefunden /12/)
Mit diesem Test konnte der relativ hohe
Lebensdauerexponent N von Silikonkautschuk
(vgl. Bild 9) bestätigt werden.
Seit 1998 sind mittlerweile bei vielen
Großprojekten vorgefertigte
Feldsteuerelemente und Isolierkörper aus SiR

in den höchsten Spannungsebenen zum
Einsatz gekommen (Tabelle 1).
Es wurden bis heute bereits Tausende von
SiR-Garnituren in Höchstspannungsnetzen
installiert. Bislang sind auch nach über 5
Jahren Betrieb – außer in einem speziellen
Fall in Singapur bei einem Hersteller - keine
Fehler bei Feldsteuerelementen oder
Isolierkörpern aus SiR aufgetreten.
Projekt Jahr der
Inbetriebnahme
Auch dieser Betriebspunkt ist im
Lebensdauerdiagramm Bild 9 eingetragen und
mit einem Pfeil versehen, der andeutet, dass es
sich hier um einen Haltewert handelt. Einen
Durchschlag, der das Ende der Lebensdauer
beschreibt, ist in noch keiner Anlage der in der
Tabelle 1 aufgeführten Projekten eingetreten.
Anzahl Muffen mit
Feldsteuerelementen bzw.
Isolierkörpern aus SiR
Muffentyp
Bewag1, 400kV 1998 24
dreiteilig
24
einteilig
Bewag2, 400kV 2000 15 dreiteilig
Abu Dhabi, 400kV 2002 15 dreiteilig
Taiwan1, 345kV 2002 60 dreiteilig
In Ausführung
Taiwan2, 345kV 2003 60 dreiteilig
Madrid, 400kV 2003 48 dreiteilig
London, 400kV 2004 60 dreiteilig
Bonaduz, 400kV 1993/98 3 einteilig
Lanzhou, 400kV 1999 6 einteilig
Xiàn, 400kV 1999 4 einteilig
Petaling, 275kV 1999 3 einteilig
Singapur, 230kV 1999 51 einteilig
Tokyo, 230kV 1999 3 einteilig
Lanzhou, 400kV 2001 6 einteilig
Tokyo, 345kV 2001 12 einteilig
Shenzhen, 245kV 2001 9 einteilig
Madrid, 220kV 2001 42 einteilig
Jinan, 220kV 2001 24 einteilig
Giza, 220kV 2001 51 einteilig
Tokyo, 220kV 2001 51 einteilig
Shuweihat, 400kV 2002 30 einteilig
Bern, 220kV 2002 21 einteilig
Victuria, 220kV 2002 21 einteilig
Giza, 220kV 2002 54 einteilig
Tabelle 1: Auswahl Höchstspannungskabelprojekten mit vorgefertigten Feldsteuerelementen
aus SiR oder Verbindungsmuffen aus SiR

5 Zusammenfassung
Garnituren für EHV-Polymerkabel mit
vorgefertigten und vorgeprüften
Silikonelastomer-Aufschiebeteilen sind sehr
zuverlässig und haben eine elektrische
Lebensdauer von über 50 Jahren, wenn sie
nicht durch TE vorzeitig zerstört werden.
Deshalb werden die vorgefertigten Garnituren
konsequent in der Stückprüfung auf TE-
Freiheit geprüft. Der Stand der TE-
Messtechnik ist soweit fortgeschritten, dass
mit bestimmten Methoden, wie die
Richtkoppler-Methode oder mit in den
Garnituren integrierten Sensoren, auch in
ungeschirmten Räumen sehr empfindlich und
zuverlässig TE kleiner 5 pC gemessen und
lokalisiert werden können. So können
mögliche Defekte in Muffen auch nach der
Montage bei der Vor-Ort-Prüfung nach der
Installation sicher erkannt und lokalisiert
werden. Die Garnituren können repariert, ein
Durchschlag während des Betriebes kann
verhindert werden
Bild 9: Langzeiterfahrungen mit EHV-SiR-
Garnituren
.
Langzeiterfahrungen aus durchgeführten
Entwicklungs-, Typ- und Prequalifikationstests
, systematisch Laboruntersuchungen an
Silikonelastomeren, an den Grenzflächen
zwischen dem Silikonelastomer und der VPE-
Aderoberfläche mit zeitraffender
Versuchstechnik sowie Langzeiterfahrungen
an Muffen und Endverschlüsse mit
Silikonelastomer-Aufschiebeteilen im 400kV-Netz
über Jahre ( Bild 9 ) zeigen , dass
mit dem heutigen Stand der Technik der
Silikonelastomer-Werkstoffe, der
Konstruktionen, der Herstellungs- und
Prüfverfahren, der Vor-Ort Prüftechnik die
Garnituren für EHV-Polymerkabel mit
vorgefertigten und vorgeprüften
Silikonelastomer-Aufschiebeteilen nach 50
Jahren Betriebsbeanspruchung noch eine
grosse Restdurchschlagsfestigkeit haben
werden.

6 Literatur
/1/ Oesterheld, J.: Dielektrisches Verhalten
von Silikonelastomer-Isolierungen bei hohen
elektrischen Feldstärken. Diss. TU Dresden
1995
/2/ IEC 62067, Ed. 1: Power cable systems
– Cables with extruded insulation and their
accessories for rated voltages above 150 kV
(U m = 170 kV) up to 500 kV (U m = 550 kV) –
Test methods and requirements
/3/ IEC 60840/Rev3: Power cables with
extruded insulation and their accessories for
rated voltages above 30 kV (U m = 36 kV) up
to 150 kV (U m = 170 kV) – Test methods and
requirements
/4/ CIGRE SC 21,document of TF21-05:
Experiences with ac tests after installation
/5/ CIGRE SC 21, DOC 00/06, Report by
WG21-16: Partial discharge detection in
installed extruded cable systems
/6/ Schmidt F., Weissenberg W.: Stückund
Inbetriebnahmeprüfungen an Garnituren
für VPE-isolierte Hochspannungskabel,
Elektrizitätswirtschaft, Jg. 97 (1998), Heft 26,
Seite 26-29
/7/ Craatz P., Plath R., Heinrich R., Kalkner
W.,: Sensitive On-Site PD Measurement and
Location using Directional Coupler Sensors in
110 kV Prefabricated Joints, 11 th ISH99,
London, paper 5.317 P5
/8/ Weissenberg W., Heinrich R., Kalkner
W.,: Sensitive pd measurements at varios 110
kV accessories in an unscreened laboratory
using directional coupler sensors, 12 th ISH01,
Bombay, paper 6-55
/9/ Plath R., Heinrich R., Weissenberg W.,
Rethmeier K., Kalkner W.: TE-Sensoren für
Hochspannungs-VPE-Kabelgarnituren,
Elektrizitätswirtschaft, Jg. 101 (2002), Heft
24, Seite 32-38
/10/ Pommerenke D., Strehl T., Heinrich R.,
Kalkner W., Schmidt F., Weissenberg W.:
Discrimination between Internal PD and other
Pulses using Directional Coupling Sensors on
High Voltage Cable Systems, IEEE
Transactions and Dielectrics and Electrical
Insulation, Vol.6, No 6, December 99, pp 814-
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/11/ Kunze D., Parmigiani B., Schroth R.,
Gockenbach E.,.: Macroscopic internal
interfaces in high voltage cable accessories,
CIGRE session 2000, Paris, (2000) Paper 15-
203
/12/ B. Dellby, G. Bergmann, J. Karlstrand,
J. Kaumanns, XLPErformance, ABB review,
4/2000, pp35-44