Beitrag 4.1

ETG Fachtagung „Grenzflächen in elektrischen Isoliersystemen“, Würzburg, 16.-17.09.2008
Einfluss von Grenzflächen auf das dielektrische Verhalten von
HGÜ-Isoliersystemen
Marcus Liebschner und Andreas Küchler, FHWS, Schweinfurt, Deutschland
Christoph Krause und Bernhard Heinrich, Weidmann Electrical Technology AG, Rapperswil, Schweiz
Frank Berger, TU Ilmenau, Deutschland
Kurzfassung
Technische Gleichspannungsbeanspruchungen in Isoliersystemen der Hochspannungsgleichstromübertragung
(HGÜ, engl. HVDC) verursachen in dielektrischen Werkstoffen Verschiebungsströme, Polarisationsströme und
Leitungsströme. Die klassische Beschreibung dielektrischer Materialeigenschaften durch Dielektrizitätszahl und
Leitfähigkeit ist eine starke Vereinfachung und in vielen Fällen für die Erklärung der gemessenen Ströme nicht
ausreichend. Genauer betrachtet werden müssen dabei auch die Grenzschichten, z.B. an der Oberfläche fester
Materialien sowie die Grenzschichten in flüssigen Medien beim Kontakt mit Elektrodenoberflächen. Es werden
Messungen, Modellbildungen und physikalische Erklärungen für das Verhalten von unterschiedlichen Materialien
wie Isolieröl, Transformerboard und harzimprägniertem Papier (RIP) vorgestellt.
1 Einführung
Die Hochspannungsgleichstromübertragung gewinnt
zunehmend an Bedeutung, da die Drehstromübertragung
an technische und wirtschaftliche Grenzen stößt.
Derzeit stehen große Projekte an mit zuvor nicht realisierbaren
Leistungen und Spannungen bis 800 kV [1].
Trotzdem besteht noch immer ein Verständnisdefizit
bezüglich der spezifischen Eigenschaften und des Verhaltens
von HGÜ-Isolationen, so dass das heutige Design
noch Optimierungsreserven besitzt.
2 Verhalten von Isoliersystemen
bei HGÜ-Beanspruchungen
2.1 HGÜ-Beanspruchungen
Das Verhalten der Isoliersysteme wird durch den Umstand
bestimmt, dass die elektrische Feldverteilung
bei Gleichspannung nicht wie bei Wechselspannung
durch gut bekannte und einfach zu messende Dielektrizitätszahlen
bestimmt wird, sondern durch schwer
bestimm- und kontrollierbare Leitfähigkeiten. Auch
das Verhalten beim Zuschalten, beim Polaritätswechsel
und bei Übergangsvorgängen in den stationären
Zustand (Transienten) ist nicht vollständig verstanden.
Bei Gleichspannung tritt häufig der Fall auf, dass ein
vorliegender Zustand durch einen Übergangszustand
in einen anderen Zustand überführt wird, z.B. beim
Polaritätswechsel. Beim Umpolen können in einem
Barrierensystem unter Öl sehr komplexe Feldverhält-
nisse entstehen, die mit erheblichen Feldüberhöhungen
verbunden sind.
Von besonderem Interesse in Transformatoren sind
Grenzflächen zwischen Materialien mit sehr unterschiedlichen
dielektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätszahlen,
Leitfähigkeiten, Polarisationserscheinungen),
wie z.B. zwischen harzimprägniertem Papier
(RIP), Transformerboard und Isolieröl.
Die Beschreibung der geschilderten Vorgänge an den
Grenzflächen der Isoliersysteme erfordert eine genaue
Kenntnis der jeweiligen dielektrischen Materialeigenschaften.
2.2 Dielektrische Eigenschaften
Zur Beschreibung von Isolierstoffen werden Materialersatzschaltbilder
verwendet. Sie sollen die dielektrischen
Materialeigenschaften beschreiben. Üblicherweise
sind dies die netzfrequente Dielektrizitätszahl
und die stationäre Leitfähigkeit.
Elektrische Feldverteilungen werden bei Wechselspannung
durch kapazitive Verschiebungsströme und
gut bekannte Dielektrizitätszahlen bestimmt. Letztere
werden im Ersatzschaltbild durch Kapazitäten beschrieben.
Von herausragender Bedeutung bei der Auslegung von
Isolationssystemen für Gleichspannung ist die Leitfähigkeit
der Isolierstoffe, da im stationären Fall ein
stationäres Strömungsfeld vorliegt, das sich entsprechend
der Leitfähigkeiten einstellt. Unter Leitfähigkeit
versteht man im engeren Sinn die sogenannte
Gleichstromleitfähigkeit, die sich aus dem Endwert
des Polarisationsstroms ermitteln lässt und die im

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Ersatzschaltbild durch einen Widerstand berücksichtigt
wird.
Sogenannte Leitfähigkeiten, die vorzeitig aus Polarisationsströmen
nach endlichen Zeiten ermittelt werden,
sollten besser als „scheinbare Leitfähigkeiten“
bezeichnet werden, da die zugehörigen Ströme noch
durch Polarisation der Materie bestimmt werden und
keine reinen Leitungsströme sind.
Die Polarisation von Materie wird in einem Ersatzschaltbild
durch Parallelschaltung von RC-Gliedern
berücksichtigt. Ihre Zeitkonstanten entsprechen den
Relaxationszeitkonstanten der Polarisationsmechanismen.
Grenzflächen werden durch das Verschalten
mehrerer Material-Ersatzschaltbilder beschrieben.
2.3 Grenzflächen in HGÜ-Isoliersystemen
Typische Vorgänge an Grenzflächen sollen für eine
ebene Barrierenanordnung zwischen zwei ebenen
Elektroden unter Isolieröl erläutert werden, Bild 1.
Bei Anliegen einer Gleichspannung bildet sich das
stationäre Strömungsfeld im Öl parallel zu den Grenzflächen
der hochohmigen Barrieren aus. Im Ölspalt
werden die Potentiallinien stark auseinandergezogen
und die Feldstärken stark gesenkt. Außerhalb des
Überlappungsbereichs müssen die Barrieren nahezu
die gesamte Spannung isolieren.
- 100 %
Öl
0 %
Pressspanbarriere
-80 % -60 % -40 % -20 %
Bild 1 Stationäres Strömungsfeld bei Anliegen einer
neg. Gleichspannung an der oberen Elektrode [3].
+ 200 % - 100 %
180 %
160 %
140 %
120 %
100 %
80 %
0 %
-80 % -60 % -40 % -20 %
120 %
100 %
80 %
60 %
40 %
20 %
Bild 2 Überlagerung eines dielektrischen Verschiebungsfeldes
entgegengesetzter Polarität und doppelter
Amplitude beim Umpolen. Die dielektrische Feldverdrängung
an den Barrieren bleibt in erster Näherung
unberücksichtigt [3].
Den Vorgang des Umpolens kann man durch Überlagerung
einer positiven Spannungsänderung mit der
doppelten Amplitude beschreiben, Bild 2. Die Umpolung
wirkt sich zunächst als dielektrisches Verschie-
bungsfeld aus, das dem ursprünglichen Strömungsfeld
zu überlagern ist [4]. Dabei wird die Feldverdrängung
aus den Barrieren in das Öl in erster Näherung vernachlässigt.
Das Ergebnis der Überlagerung zeigt eine
sehr starke Belastung des Ölspaltes, Bild 3.
+ 100 %
80
60
40
-20
0 %
20
0 %
100 % 120
80
60
40
20
Bild 3 Resultierendes Feld unmittelbar nach dem
Umpolen. Durch Flächenladungen an den Grenzflächen
bilden sich „Inseln“ mit Potentialen über 100 %
und unter 0 %. [3].
Die Barrieren werden geringfügig entlastet. Auffällig
ist die Bildung von „Inseln“, die ein höheres Potential
als 100 % und ein niedrigeres Potential als 0 % aufweisen.
Sie entstehen durch positive und negative Flächenladungen
auf den Oberflächen der Barrieren, die
sich dort im stationären Zustand angesammelt hatten.
Nach Ablauf des Übergangsvorgangs, in dessen Verlauf
im wesentlichen die Kapazitäten der Barrieren
über die in Reihe liegenden Widerstände der Ölspalte
umgeladen werden, stellt sich eine neue stationäre
Feldverteilung bei positiver Gleichspannung ein, die
der ursprünglichen entgegengesetzt gleich ist.
Die Erfahrung bei Gleichspannungsprüfungen von
ölisolierten Geräten mit Barrierensystem zeigt, dass
die Minuten nach der Umpolung oft kritisch sind. In
dieser Zeit treten gelegentlich Teilentladungen mit abklingender
Intensität und Häufigkeit auf. Darin
kommt offenbar der Abbau hoher Feldstärken unmittelbar
nach der Umpolung zum Ausdruck. [3]
3 Messungen des dielektrischen
Verhaltens
Das dielektrische Verhalten von Isoliermaterialen ist
von besonderer Wichtigkeit für das Verständnis und
für die Auslegung von Isoliersystemen. Im Folgenden
werden die Prozesstechnik zum Aufbereiten der Proben
und der Versuchsaufbau für die Messungen beschrieben
[2], [5], [6].
3.1 Prozesstechnik für Materialproben
Neben der Durchführung der Messung unter genau
definierten Bedingungen ist ein besonderes Augenmerk
auf die Vorbereitung (Reinigung) der Messzelle
und der Probe (Trocknung und Imprägnierung) zu

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richten, damit sich reproduzierbare Messergebnisse
ergeben.
Isolieröl wird gefiltert, getrocknet und entgast, wobei
eine Restfeuchte von unter 5 ppm erreicht wird. Feste
Materialproben wie Transformerboard und harzimprägniertes
Papier (RIP) werden unter Vakuum
vorgetrocknet und in der gereinigten Zelle zwischen
Schutzringelektroden montiert und nachgetrocknet.
Die Zelle wird noch unter Vakuum mit dem aufbereiteten
trocknen Isolieröl geflutet. In den imprägnierten
Transformerboardproben wird eine Restfeuchte von
0,3 % erreicht.
3.2 Polarisations-/Depolarisationsstrom-
(PDC-) Messungen
Ziel ist es, die dielektrischen Systemeigenschaften
durch Sprungantwortmessungen zu ermitteln, d. h. es
wird ein Spannungssprung angelegt. In einer Schutzringanordnung
wird der durch die Probe fließende
Strom (Polarisationsstrom) als Sprungantwort erfasst,
aus der die Systemeigenschaften ermittelt werden
können. Weitere Systemeigenschaften sind aus dem
nach Abschalten der Spannungsquelle und Kurzschließen
der Probe fließenden Strom (Depolarisationsstrom)
erkennbar. Die Differenz von Polarisationsstrom
zu Depolarisationsstrom nähert sich dem durch
Leitfähigkeit verursachten stationären Gleichstrom an
[3], [5].
3.3 Umpol-Messung
Von besonderem Interesse für HGÜ-Isolierungen ist
das Verhalten der Isolierstoffe beim Polaritätswechsel.
Bei der Umpolmessung wird der Spannungssprung
am Ausgang des PDC-Analysers als Eingangssignal
in einer eigens dafür entwickelten Steuerung verarbeitet.
Diese Steuerung führt je nach Einstellung das gewünschte
Messprogramm durch und schaltet hierfür
ein externes hochstabilisiertes 65 kV-Hochspannungsnetzgerät
zu oder ab. Das Netzgerät wurde außerdem
durch eine automatisierte Umpoleinrichtung nachgerüstet,
die ebenfalls von der Steuerung angesprochen
wird. Mit Hilfe des PDC-Analysers werden die Polarisations-,
Depolarisations- und Umpolströme mit einer
Auflösung von 1 pA erfasst [2].
Am Beispiel eines imprägnierten Transformerboards
soll der Ablauf einer Umpolmessung erläutert werden,
Bild 4 und 5:
Während der Einschaltphase (1-8 s) liegt noch keine
Spannung an der Probe. Der angezeigte Strom entspricht
der Restladung bzw. dem Störpegel in pA,
Bild 4. Auf die Einschaltphase folgt der negative Polarisationsstrom,
welcher betragsmäßig dargestellt ist.
Durch die doppelt logarithmische Darstellung lässt
sich der Zuschaltbereich zeitlich hoch aufgelöster
darstellen, Bild 4.
Nach der negativen Spannungsbeanspruchung und vor
dem Umpolen folgt eine spannungslose Phase, in der
die Probe durch den Erdungsschalter kurzgeschlossen
ist. Diese Phase wird zeitlich verschoben an den Anfang
des Diagrams (1-8 s) gelegt, Bild 5. Bei festen
Materialien fließt ein großer Depolarisationsstrom.
Nach dem Zuschalten der positiven Spannung (Umpolung)
liegt nun der positive Polarisationsstrom zeitlich
verschoben direkt über dem negativen.
Strom / A
1,0E-06
1,0E-07
1,0E-08
1,0E-09
1,0E-10
1,0E-11
1,0E-12
1,0E-13
Umpolung - --> +
L07_TIV10_Bd_NP_00
Einschaltphase
Negative Polarität
PR
Positive Polarität
1 10 100 1000 10000
Zeit / s
Bild 4 Strom vor dem Umpolen (vgl. Kap. 4.1).
Strom / A
1,0E-06
1,0E-07
1,0E-08
1,0E-09
1,0E-10
1,0E-11
1,0E-12
1,0E-13
Umpolung - --> +
L07_TIV10_Bd_NP_00
Einschaltphase
Negative Polarität
PR
Positive Polarität
1 10 100 1000 10000
Zeit / s
Bild 5 Zusätzlicher Strom nach dem Umpolen.
4 Messung fester Isolierstoffe
Untersucht wurde Weidmann Transformerboard TIV
und harzimprägniertes Krepp-Papier (RIP).
4.1 Transformerboard
Bild 4 und 5 zeigen eine Messung von Transformerboard
TIV bei einer Feldstärke von 30 kV/mm, Raumtemperatur,
Umpolrichtung Negativ�Positiv mit
5400 s je Polarität und einer Polaritätswechseldauer
von 8 s.

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Der Depolarisationsstrom nach der ersten Polarisation
addiert sich mit gleicher Polarität zum Polarisationsstrom
nach dem Umpolen und klingt ab.
4.2 RIP
Bild 6 zeigt eine Messung von harzimprägniertem Papier
(RIP) bei einer Feldstärke von 30 kV/mm, Raumtemperatur,
Umpolrichtung Negativ�Positiv mit
5400 s je Polarität und einer Polaritätswechseldauer
von 8 s. Bei der dargestellten RIP-Probe liegen die
Papierlagen parallel zur Oberfläche und den Elektroden.
Dies entspricht in einer Durchführung einer radialen
Belastung.
Strom / A
1,0E-06
1,0E-07
1,0E-08
1,0E-09
1,0E-10
1,0E-11
1,0E-12
1,0E-13
Umpolung - --> +
L04_23C_Bd_NP_00
Einschaltphase
Negative Polarität
PR
Positive Polarität
1 10 100 1000 10000
Zeit / s
Bild 6 RIP unter Isolieröl bei 30 kV/mm und Raumtemperatur.
Umpolrichtung Negativ�Positiv, 5400 s
je Polarität, PR = 8 s.
Nach der ersten Polarisation addiert sich der Depolarisationsstrom
mit gleicher Polarität zum Polarisationsstrom
nach dem Umpolen und klingt ab. RIP zeigt somit
den gleichen Effekt wie Transformerboard, nur ist
die Stromerhöhung bei RIP etwas geringer. Dies kann
unter Umständen dadurch erklärt werden, dass die
ölimprägnierte Zellulose im Transformerboard stärker
polarisierbar ist als das harzimprägnierte Material.
4.3 Physikalische Erklärungen
In festen Isolationsstoffen treten beim Anlegen einer
Spannung Polarisationserscheinungen auf, die zu zeitlich
abklingenden Strömen sowie zur Speicherung,
Freisetzung und Umladung von Ladungen führen. Ursache
ist das elektrische Feld, welches die in einem
Material vorhandenen Ladungen verschieben bzw.
elektrische Dipole ausrichten kann (Polarisation).
Üblicherweise wird diese Polarisation durch die
Materialgleichung D = ε0
ε r E beschrieben. Sie berücksichtigt
die Vergrößerung der der Ladung proportionalen
elektrischen Verschiebungsdichte über den
Faktor ε , die relative Dielektrizitätszahl. Die weite-
r
ren Ladungen müssen in Form eines Stromes i aus
der Quelle geliefert werden. Diese polarisierenden
Stromanteile werden als Polarisationsstrom i = iPol
bezeichnet.
Erst wenn das Isolationsmaterial vollständig polarisiert
bzw. aufgeladen ist, stellt sich ein Strom ein, der
allein durch Leitfähigkeit verursacht ist. Wird die
Probe während des Polarisierens bzw. nach dem vollständigen
Polarisieren umgepolt, entsteht ein großer
Verschiebungsstrom. Die durch die erste Polarisation
eingebrachten Ladungen depolarisieren als Strom
iDepol
. Gleichzeitig kommen neue Ladungen durch
Polarisation in Form eines Stromes aus der umgepolten
Quelle hinzu. Dieser Polarisationsstrom iPol
' ist
dem vorangegangen Polarisationsstrom der ersten Polarität
entgegengesetzt, er hat allerdings die gleiche
Richtung bzw. das gleiche Vorzeichen wie der herausfließende
Depolarisationsstrom i Depol . Deshalb gilt
für den Gesamtstrom i'
nach dem Umpolen
i ' = iPol'+
iDepol
. Für die Ströme ergibt sich daraus, dass
sich der Depolarisationsstrom der vorangegangen
Polarisation zum Polarisationsstrom der Polarität nach
dem Umpolen addiert und zu einer erkennbaren
Stromerhöhung führt, bis der Depolarisationsstrom
abgeklungen ist.
4.4 Modell
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das beschriebene
Verhalten nur wenig von der Feldstärke abhängig
ist [5]. Feste Isolierstoffe können deshalb oft als
linear angesehen und ihre dielektrischen Systemeigenschaften
durch ein lineares Materialersatzschaltbild
beschrieben werden. Oft begnügt man sich dabei mit
einem klassischen Ersatzschaltbild aus einer Ersatzkapazität
und einem Ersatzwiderstand. Damit können
aber die realen Materialeigenschaften nur sehr unvollkommen
nachgebildet werden, weil Polarisations- und
Depolarisationsvorgänge damit nicht zu beschreiben
sind. Diese können aber in Form von RC-Gliedern berücksichtigt
werden, Bild 7. Dabei entspricht die Zeitkonstante
RiCi der Zeitkonstanten des physikalischen
Polarisationsmechanismus i. Die Kapazität Ci speichert
während der Polarisation Ladung (Polarisationsstrom)
und gibt diese während der Depolarisation
(Depolarisationsstrom) wieder ab.
Bild 7 Dielektrisches Materialersatzschaltbild in
vereinfachter Form, erweitertes RC-Modell.

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5 Messung flüssiger Isolierstoffe
5.1 Transformatorenöl
Bild 8 zeigt eine Umpolmessung an einem Transformatorenöl
bei einer Feldstärke von 4 kV/mm, Raumtemperatur,
Umpolrichtung Negativ�Positiv mit
1200 s je Polarität und einer Polaritätswechseldauer
von 8 s. Dabei ist zu beachten, dass deckungsgleiche
positive und negative Ströme nur durch eine Konditionierung
mit alternierenden Polaritäten erreichbar ist
(vgl. Kap. 5.2.2).
Auch bei Sprungantwortmessungen an Ölen ergeben
sich fallende Stromverläufe. Es handelt sich dabei
aber nicht um Polarisationsvorgänge, sondern vielmehr
um eine zeitlich veränderliche Leitfähigkeit
durch Ladungsträgerbewegung. Der Nachweis wird
durch Depolarisationsstrommessungen erbracht, die
bei typischen Isolierölen bereits nach wenigen Sekunden
vernachlässigbar kleine Ströme liefern. Dies bedeutet,
dass Öl praktisch nicht polarisierbar ist und
keine Ladung speichert. Bei anliegender Gleichfeldstärke
wandern die Ionen innerhalb einer Transitzeit
vor die Elektroden. Nach Bildung von Raumladungszonen
stellt sich dann ein neues Gleichgewicht auf
niedrigerem Leitfähigkeitsniveau ein, das der sog.
Gleichstromleitfähigkeit entspricht. Die in Bild 8
gezeigten deckungsgleichen Stromverläufe vor und
nach der Umpolung ergeben sich erfahrungsgemäß
aber erst, wenn das Öl zuvor durch Anlegen von
Spannungen positiver und negativer Polarität in
vergleichbare Ausgangszustände gebracht wird (Konditionierung).
5.2 Physikalische Erklärungen
5.2.1 Ladungsträgerwanderung
In Isolierölen überwiegt die Ionenleitung. Positive
und negative Ionen bilden sich durch Dissoziation von
Verunreinigungen. Bei erhöhten Feldstärken sind auch
geladene Partikel von Bedeutung, die zu unstetigen
Stromverläufen führen. Freie Elektronen werden erst
bei hohen Feldstärken aus ihren Haftstellen befreit
[7].
Die mit der Ladungsträgerwanderung verbundenen
Effekte sollen an einem Öl mit ausgeprägter Transitzeit
erläutert werden, Bild 9. Bei diesem sind die
Ströme und die Transitzeit der Ionen nach dem Umpolen
offenbar erhöht.
Mit Bild 10 soll die folgende Interpretation veranschaulicht
werden: Zunächst sind Ladungsträger in einem
Ölspalt zwischen zwei Elektroden ohne elektrische
Feldbelastung weitgehend frei verteilt, Bild 10a.
Beim Anlegen einer Gleichspannung wandern die Ladungsträger
im Ölspalt zu den Elektroden. Der Weg
beträgt im Mittel den halben Elektrodenabstand, Bild
10b. Nach dem Umpolen sind die Ströme überraschenderweise
(mindestens) genauso groß wie bei der
ersten Spannungsbeanspruchung, Bild 8 und 9. Dies
bedeutet, dass die Ladungsträger nicht, wie man annehmen
könnte, weitgehend an den Elektroden
neutralisiert werden und verschwinden. Sie sind vielmehr
nach der Umpolung noch vorhanden und tragen
erneut zum Stromfluss bei. Die Ladungsträger im Isolieröl
sammeln sich offenbar zu einem großen Teil als
Raumladungszonen vor den Elektroden, ohne dass
eine vollständige Neutralisierung eintritt, Bild 10c.
Dies bedeutet, dass der Kontakt der Ladungsträger
mit den Elektroden nicht vollständig ist.
Strom / A
1,0E-06
1,0E-07
1,0E-08
1,0E-09
1,0E-10
1,0E-11
1,0E-12
1,0E-13
Umpolung - --> +
L02_Bbx_NP_04
Einschaltphase
Negative Polarität
PR
Positive Polarität
1 10 100 1000 10000
Zeit / s
Bild 8 Isolieröl bei 4 kV/mm und Raumtemperatur.
Umpolrichtung Negativ�Positiv, 1200 s je Polarität,
PR = 8 s. (Nach der Konditionierung, vgl. Kap. 5.2.2)
Strom / A
1,0E-06
1,0E-07
1,0E-08
1,0E-09
1,0E-10
1,0E-11
1,0E-12
1,0E-13
Umpolung - --> +
U_4kV_N1200s_PR8s_P1200s_02a
Einschaltphase
Negative Polarität
1 10 100 1000 10000
Zeit / s
PR
Positive Polarität
Bild 9 Isolieröl mit ausgeprägter Transitzeit bei
4 kV/mm.
Das Isolieröl wird nicht von Ladungsträgern freigeräumt
und es hat nach dem Umpolen nicht die bei der
vorangegangenen Spannungsbeanspruchung erreichte
niedrige Leitfähigkeit. Das heißt, nach dem Umpolen
ergeben sich wieder Ströme in der ursprünglichen
Höhe, Bild 8. Diese Ströme sind oft längere Zeit größer
als nach der ersten Spannungsbeanspruchung,
Bild 9. Dies liegt daran, dass der Weg, den die La-

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dungsträger zurücklegen müssen, nun in etwa dem
gesamten Elektrodenabstand entspricht, Bild 10d. Bei
der ersten Spannungsbeanspruchung war dies im Mittel
der halbe Elektrodenabstand, Bild 10b.
Nach dem Umpolen müssen die sich vor den Elektroden
angesammelten Ladungsträger den ganzen Elektrodenabstand
durchlaufen, Bild 10d. Dadurch fließt
ein durch diese Ladungsträger verursachter erhöhter
Strom für eine längere Zeit.
Für sehr hohe Feldstärken oberhalb von ca. 3 bis 6
kV/mm werden die geschilderten Effekte durch neu
generierte Ladungsträger völlig überdeckt. D.h. es
gibt eine stark erhöhte, zeitlich "konstante" Leitfähigkeit,
die aufgrund von Partikeldrift erheblichen
Schwankungen unterworfen ist.
5.2.2 Konditionierung
Die Theorie der Ladungsträgerwanderung erklärt auch
den Effekt der Konditionierung: Öl kann über eine vorangegangene
Messung polaritätsabhängig konditioniert
werden (Memoryeffekt). Wird dies nicht beachtet,
ist die korrekte Auswertung von Strommessungen
nicht möglich.
Nach einer Konditionierung durch Spannungsbeanspruchungen
mit alternierender Polarität sind die
Wege für die Ladungsträgerwanderung immer gleich
dem vollen Abstand zwischen den Elektroden, so dass
auch die Stromverläufe in beiden Polaritäten identisch
werden.
5.3 Modell
Isolieröle zeigen bei Sprungantwortmessungen zwar
zeitlich veränderliche Polarisationsströme, aber ab
etwa einer Sekunde praktisch keine Depolarisationsströme.
Das dielektrische Ersatzschaltbild reduziert
sich damit im wesentlichen auf eine geometrische
Kapazität und eine veränderliche Leitfähigkeit.
Der Leitfähigkeitsendwert ist extrem feldstärkeabhängig,
weil bei Feldstärken oberhalb von 2 bis 3 kV/mm
eine stark erhöhte Erzeugung neuer Ladungsträger
einsetzt.
In einem Ölmodell müssen das ausgeprägte nichtlineare
Verhalten des Isolieröls, die Ionenwanderung sowie
die Einflüsse zahlreicher Einflussgrößen berücksichtigt
werden. Lineare Ersatzschaltbilder analog
Bild 7 sind hierfür prinzipiell nicht geeignet. Stattdessen
werden funktionale Zusammenhänge zu einem
sog. physikalisch- mathematisches Ölmodell verbunden
[6] und in laufenden Forschungsarbeiten weiterentwickelt.
6 Schlussfolgerung
a) b) c)
Bild 10 Wanderung der
Ladungsträger im Isolieröl
mit Ausbildung
von Raumladungszonen
vor den Elektroden.
Das dielektrische Verhalten von Isoliersystemen bei
HGÜ-Beanspruchungen hängt wesentlich von den im
System vorhandenen Grenzflächen ab. Es kann nur
bei guter Kenntnis der materialspezifischen dielektrischen
Systemeigenschaften verstanden werden. Zu
diesem Zweck wurden Umpolmessungen an typischen
Isolierwerkstoffen durchgeführt.
Die Umpolmessungen von festen Materialien wie
Transformerboard und harzimprägniertem Papier
(RIP) zeigen nach dem Umpolen eine Stromerhöhung
aufgrund der Ladungsspeicherung. Der Depolarisationsstrom
nach der ersten Polarisation addiert sich
mit gleicher Polarität zum Polarisationsstrom nach
e) d)

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dem Umpolen, was zu einer erkennbaren Stromerhöhung
führt. Diese Stromerhöhung hält so lang an, bis
der Depolarisationsstrom abgeklungen ist. Das Verhalten
fester Materialien ist weitgehend linear und
kann durch lineare Ersatzschaltbilder beschrieben
werden.
Die Umpolmessungen von Ölen zeigen einen interessanten
Effekt: Bisher wurde angenommen, dass das
Öl durch eine Gleichspannung von Ladungsträgern so
weit freigeräumt wird, dass es nach dem Umpolen
eine erniedrigte Leitfähigkeit besteht. Diese Annahme
spiegeln die Umpolmessungen aber nicht wieder, nach
dem Umpolen ergeben sich Ströme in der ursprünglichen
Höhe.
Die Messungen zeigen zwar, dass beim Anlegen einer
Gleichspannung eine Wanderung der Ladungsträger
auftritt, die zu zeitlich abklingenden Strömen führt.
Die Ladungsträger im Isolieröl sammeln sich aber offenbar
zum großen Teil als Raumladungszonen vor
den Elektroden, ohne dass sich eine vollständige Neutralisierung
ergibt. Dies bedeutet, dass der Kontakt
der Ladungsträger mit den Elektroden nicht vollständig
ist.
Die Messungen zeigen, dass Öl ein polaritätsabhängiges
Konditionierungsverhalten aufweist. Jede Polarität
muss für sich betrachtet werden. Das Öl kann gezielt
über eine vorangegangene Langzeitbeanspruchungen
konditioniert werden. Dies ist mit der Theorie
der Ladungsträgerwanderung und dem Ladungsträgerstau
vor den Grenzflächen erklärbar.
Für die Beschreibung des komplexen dielektrischen
Verhaltens von Isolierölen sind funktionale Zusammenhänge
erforderlich, lineare Ersatzschaltbilder sind
nicht ausreichend.
7 Literatur
[1] WG on HVDC and FACTS Bibliography and
Records: HVDC Projects Listing. IEEE Transmission
and Distribution Committee, Dec. 2006
[2] Liebschner, M.; Küchler, A.; Berger, F.: Interaktion
von Ölspalten und fester Isolation in
HVDC-Barrierensystemen. XXV. Internat. Wiss.
Kolloquium Science in Practice, 2007
[3] Küchler, A.: Hochspannungstechnik, 2. Auflage.
Berlin-Heidelberg-New York: Springer, 2005
[4] Hammer, F.; Küchler, A.: Insulating System for
HVDC Power Apparatus. IEEE Trans. on Electrical
Insulation, Vol. 27, No. 3, 1992
[5] Kuechler, A.; Huellmandel, F.; Boehm, K.; Liebschner,
M.; Krause, C.; Heinrich, B.: Parameters
Determining the Dielectric Properties of Oil Impregnated
Pressboard an Presspaper in AC an
DC Power Transformer Applications. 15th International
Symposium on High Voltage Engineering
Ljubljana, Slovenia, 2007
[6] Kuechler, A.; Huellmandel, F.; Hoppe, J.;
Krause, C.; Koch, N.: Transiente Belastung
durch Grenzflächen- und Materialpolarisation in
HGÜ-Transformatoren. ETG-Fachtagung Grenzflächen
in elektr. Isoliersystemen, Hanau, 2005
[7] Lewis, T. J.: Basic Electrical Processes in Dielectric
Liquids. IEEE Trans. on Dielectrics and
Electrical Insulation, Vol. 1 No. 4, pp. 630 – 643,
Aug. 1994
Danksagung: Die Autoren danken den Herren Michael
Moser, Michael Geißler und Franz Klauer, die die
vorgestellte Untersuchung durch zahlreiche praktische
Arbeiten sehr gut unterstützt haben.