Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen Technische Universität Braunschweig Beurteilung der Alterungsbeständigkeit der inneren mikroskopischen Grenzflächen von GFK-Stäben für Verbundisolatoren Arkadiusz Dziubek Grenzflächen in elektrischen Isoliersystemen ETG Fachtagung in Hanau, 8.-9. März 2005
Qualität der Komponenten und deren innere makroskopische Grenzflächen sind sehr wichtig Innere mikroskopische Grenzflächen zwischen Harzmatrix und Glasfasern - Interphase - sind von großer Bedeutung! Einfluss auf Lebensdauer Prüfverfahren! Dielektrische Eigenschaften! Elektrische Eigenschaften! Teilentladung Analyse! Thermische Analyse Kann die Alterungsbeständigkeit durch Prüfverfahren nachgewiesen werden? Quelle: Lapp GmbH Einleitung
Scheibenprüfkörper aus den GFK-Stab geschnitten Künstlich beschleunigte Alterung: Wasserlagerung nach Cigre WG15.10 Messungen:! Relative Gewichtszunahme! Dielektrischer Verlustfaktor (IEC 60250)! Relative Permittivität (IEC 60250) Φ 5mm Scheibenprüfkörper Scheibenprüfkörper, Wasserlagerung Dielektrische Eigenschaften! Prüfverfahren
0,3 % 0,2 m 0,1 0 Reihe 1 Reihe 2 0 7 14 21 28 35 42 d 49 t HTEE Jeweils 10 Prüfkörper, Mittelwert dargestellt Messtage: 0; 1; 3; 7; 14 Relative Gewichtszunahme durch Feuchtigkeitsaufnahme in der Polymermatrix 2000 10-4 1500 1000 tan δ 500 Reihe 1 Reihe 2 nicht messbar nicht messbar Zunahme des dielektrischen Verlustfaktors und der Permittivitätszahl der Scheibenprüfkörper 0 0 7 14 21 28 35 42 d 49 t Die dargestellten Verläufe des Verlustfaktors sind ungewöhnlich Dielektrische Eigenschaften! Messergebnisse
800 10-4 600 400 tan δ 200 0 0 10 20 30 d 40 t HTEE Tägliche Messung des dielektrischen Verlustfaktors bei einzelnen Proben Im Verlauf der Wasserlagerung treten einzelne Verlustfaktorspitzen auf Erklärung durch [Diss. Schrijver 98]: durchgehende Kapillaren erhöhen kurzzeitig die Leitfähigkeit Messungen in Zeitabständen von 1 Woche können zu verfälschten Ergebnissen führen Hinweis: kurze Kapillaren im Glass verschlechtern beim Scheibenprüfkörper den Verlustfaktor. Daher ist die Qualität der mikroskopischen Grenzflächen durch Verlustfaktorminima bestimmt Dielektrische Eigenschaften! Messergebnisse
Elektrische Festigkeit wird mit speziellen Prüfkörpern untersucht! η = 0,2! Elektrodenabstand 10 mm Reproduzierbarkeit und Fertigung einfacher als bei Cigre Nadelprüfkörper Elektrische Belastung des gesamten Prüfkörpervolumens Nadelprüfkörper CIGRE WG 15.10 Künstlich beschleunigte Alterung Bestimmung der Durchschlagsfeldstärke bei steigender Prüfwechselspannung Rampentest 0,5kV/s Versuche in Isolieröl Ele ktro d e n Le itla c k Elektrische Eigenschaften! Prüfverfahren Φ GFK Φ 2,2m m 10mm 30mm Prüfkörper zur Bestimmung der Durchschlagsfeldstärke
60 kv/mm 50 Reihe 1 Reihe 2 HTEE Jeweils 5 Prüfkörper pro Messtag Ê d,max 40 30 20 10 0 0 7 14 21 28 35 d 42 Zeit Durchschlag über Schlagweite Durchschlag über Gesamtlänge Kapillaren-Effekt verursacht die Veränderung der Durchschlagfeldstärke Durchschlagfeldstärkewerte liegen weit über der Betriebs-Beanspruchung Elektrische Eigenschaften! Messergebnisse bei der Auswertung werden Durchschläge über die Gesamtlänge (Kapillaren) nicht berücksichtigt Signifikante Veränderung der Durchschlagsfeldstärkewerte nur zwischen trockenem und feuchtem Zustand durch Kapillaren-Effekt Keine Schädigung der mikroskopischen Grenzflächen bis Tag 35 erkennbar
Ê TE,max 35 kv/mm 30 25 20 15 10 5 0 Reihe 1: Verringerung der TE- Einsetzfeldstärke ab dem 1.Tag Reihe 2: Kleinere Anfangswerte, Unterschiede zwischen neuem und gealtertem Zustand nicht erkennbar Reihe 1 Reihe 2 Trendlinie Reihe 1 Trendlinie Reihe2 0 2 4 6 8 10 12 d 14 Zeit Teilentladungsdiagnose! Messergebnisse HTEE Jeweils 5 neue Prüfkörper pro Messtag keine elektrische Alterung Teilentladungen werden mit speziellen Prüfkörpern untersucht! η = 0,15! Elektrodenabstand 15 mm Weitere Veränderung der TE-Einsetzspannung nicht erkennbar
Dielektrische Messungen Der dielektrischer Verlustfaktor nimmt zu Messungen durch Kapillaren erschwert Elektrische Festigkeit Einfluss der Feuchtigkeit, durch Verringerung der elektrischen Festigkeit. Keine Alterung der inneren mikroskopischen Grenzflächen Teilentladungsdiagnose bei Einsetzspannung Unterschied zwischen trockenem und feuchtem Zustand. Keine Alterung der inneren mikroskopischen Grenzflächen Thermische Analyse Keine Alterung Zusammenfassung
Durschlagsfeldstärke TE- Einsetzfeldstärke HTEE Reale Feldstärke im Betrieb Neuzustand 36-51 kv/mm 16-33 kv/mm < 1 kv/mm wassergealtert 18-40 kv/mm 7-30 kv/mm Alle Messverfahren zeigen die gute Qualität und Alterungsbeständigkeit der GFK-Stäbe, Abweichungen in der Materialqualität oder Alterung sollten durch die Messung erfasst werden Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Zusammenfassung
HTEE
0,3 f 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Reihe 1 Referenz 1 0 10 20 30 40 50 60 kv/mm 70 Ê d,max Normalverteilung der neuen (Referenz) und der wassergelagerten Proben Reihe 1 signifikante Veränderung der Durchschlagfeldstärke Reihe 2 leichte Verschiebung der Verteilung 0,3 f 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Reihe 2 Referenz 2 Kapillaren-Effekt verursacht die Veränderung der Verteilung Durchschlagfeldstärkewerte liegen weit über der Betriebsbeanspruchung 0 0 10 20 30 40 50 60 kv/mm 70 Ê d,max Elektrische Eigenschaften! Messergebnisse
Tre nn-tra fo Teilentladungsmesskreis nach DIN EN 60270 HS-Tra fo Sp a n nu ng sm e ssung Filte r C m LDS-6 C k C u LDM -5 LDIC Prüfling TE-Me ssvie rp o l Prüfgefäß Messbereich 5-1000 pc Spannungsbereich 1-50kV bei Grundstörpegel von <1pC TE-Messgerät Teilentladungsdiagnose! Prüfverfahren
Teilentladungen werden mit speziellen Prüfkörpern untersucht! η = 0,15! Elektrodenabstand 15 mm! (hohe Feldstärke unter der Bohrung) (Messung im Isoliergasatmosphäre keine TE an der Oberfläche) für jede Messung neue Prüfkörper keine elektrische Alterung Künstlich beschleunigte Alterung Bestimmung der TE-Einsetzspannug Aufnahme der TE-Aktivität über 1Minute Elektroden Le itla c k Schnittbild TE-Prüfkörper Φ TE-Prüfkörper GFK Φ 2,2mm 15mm 30mm Teilentladungsdiagnose! Messungen
Q OR Q OP Referenz Probe T R T P Temperaturprogramm für Ofen (T(t)) Temperaturmessung ( T=TP-T R) Wärmestrom Q Q OR= OP Glasübergangspunkt: Durchfahren eines Temperaturprofils (mit einer definierten Heiz- und Kühlrate) Übergang des Materials von festen in flüssigen Zustand Verfahren: DSC (Differential Scanning Calorimetry) Differenzmessung der Energiezufuhr zu einer Referenzprobe Prüfkörper werden nach Wasserlagerung wieder zurück-getrocknet Nur sehr geringe Probenmasse erforderlich (ca. 20-30 mg) Irreversible Schädigung der Grenzflächenstrukturen durch T g -Verringerung feststellbar Thermische Analyse! Prüfverfahren
Tg 130 C Prüfkörper werden 120 nach Wasserlagerung wieder zurückgetrocknet 110 100 90 80 0 50 100 150 d 200 Reihe 1 - Konstante Materialqualität Reihe 2 - Schwankung in der Materialqualität t Reihe 1, 1.Messung Reihe 2, 1.Messung Reihe 1, 2.Messung Reihe 2, 2.Messung Jeweils Mittelwert aus 3 Messungen pro Messtag Keine Schädigung der Polymermatrix erkennbar Thermische Analyse! Messungen