Hochspannungspolymerkabel für Gleichstrom

Gegenstand der Erfindung gemäss den aufgeführten Ansprüchen ist eine Muffe für die Verbindung von Hochspannungspolymerkabeln für Gleichstrom (HVDC Polymerkabel). Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass die Isolierung des Muffenkörpers aus mindestens zwei isolierenden Elastomeren besteht, wobei sich diese Elastomere in ihren elektrischen Eigenschaften unterscheiden und die Isolationsmaterialien auf bestimmte Weise in dem Muffen körper angeordnet sind. Die isolierenden Elastomere können aus dem gleichen Basismaterial, wie z.B. einem Silikonelastomer, bestehen. Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften können durch die unterschiedliche Zugabe von Füllstoffen, wie z.B. Russ, erzielt werden. Die Basismaterialien der isolierenden Elastomere können aber auch unterschiedlich sein. So kann z. B. das eine Isolationsmaterial aus einem EPR oder EPDM bestehen, während das andere aus einem Silikonelastomer bestehen kann.

Bei Gleichspannung hängt die elektrische Feldverteilung bei der Kombination von mehreren isolierenden Materialien von dem spezifischen elektrischen Widerstand der beteiligten Materialien ab. Dabei ist die Feldverteilung in zwei verschiedenen Materialien im Allgemeinen durch das Verhältnis der spezifischen Widerstände der beteiligten Materialien gegeben. In uffen für HVDC Polymerkabel sind die beteiligten Isolierstoffe die Kabelisolation, welche in der Regel aus einem vernetzten Polyethylen (XLPE) besteht und der Isolation des Muffenkörpers, die in der Regel aus einem Elastomer, wie z.B. einem Silikon oder einem EPR besteht. Da die spezifischen elektrischen Widerstände dieser Materialien sich mit der Temperatur verändern und diese Temperaturabhängigkeit der spezifischen Widerstände von den jeweiligen Materialien abhängig ist, ist es sehr schwierig, einen Isolierstoff für einen Muffenkörper zu finden, der in einem grossen Temperaturbereich eine gleichmässige Verteilung des elektrischen Feldes in dem Muffenkörper gewährleistet. Mit der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem deutlich reduziert. Mit der Kombination von mindestens zwei isolierenden Elastomeren mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften in dem Muffenkörper wird erreicht, dass die elektrische Feldverteilung innerhalb des Muffenkörpers über einen grossen Temperaturbereich gleichmässiger wird, als dies im Allgemeinen mit nur einem Isolationsmaterial möglich wäre. Durch die geeignete Anordnung der beiden Isolationsmaterialien in dem Muffenkörper kann gewährleistet werden, dass die elektrische Feldverteilung unter Gleichspannungsbeanspruchung relativ gleichmässig ist und dass die elektrische Festigkeit unter Stossspannungsbeanspruchung gross genug ist, so dass es zu keinem Durchschlag innerhalb des Muffenkörpers kommt. In Figur 1 ist eine Anordnung der beiden Isolationsmaterialien in einem HVDC Muffenkörper veranschaulicht. Das erste Isolationsmaterial (5) hat in einem Temperaturbereich von typischer Weise zwischen 0°C und 70 °C einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand als das zweite Isolationsmaterial (8). Da der spezifische elektrische Widerstand von der elektrischen Feldstärke abhängig sein kann, bei der er gemessen wurde, sind die spezifischen elektrischen Widerstände bei mehreren elektrischen Feldstärken in einem Bereich von typischer Weise 2 kV/mm bis 30 kV/mm zu bestimmen. Wichtig für die Funktionsweise der Muffe ist die Anordnung des ersten Isolationsmaterials (5). Da zwischen dem auf Erdpotenzial liegenden Deflektor (4) und der auf Hochspannungspotenzial liegenden Mittelelektrode (7) hohe elektrische Felder auftreten, muss das erste Isolationsmaterial (5) eine kontinuierliche Verbindung zwischen Deflektor und Mittelelektrode bilden. Ein Unterbruch in der Verbindung würde zu einer überhöhten Feldstärke in dem zweiten Isolationsmaterial mit dem höheren spezifischen elektrischen Widerstand führen. Ein weiteres wichtiges Merkmal im Aufbau des Muffenkörpers ist, dass zwischen dem Deflektor und der Kabelisolation keine Grenzfläche zwischen den beiden Isolationsmaterialien verläuft. Da Grenzflächen im Allgemeinen bezüglich der Durchschlagfestigkeit Schwachstellen darstellen und die elektrische Feldstärke bei Stossspannungen zwischen dem Deflektor und der Kabelisolation sehr hoch ist, soll in diesem Bereich keine Grenzfläche zwischen den beiden Isolationsmaterialien in dem Muffenkörper verlaufen.

Stand des Technik zur Reduzierung der starken Temperaturabhängigkeit des elektrischen Feldes in einer Hochspannungsmuffe für Gleichspannungen und zur Erzielung einer gleichmässigen Feldverteilung ist die Verwendung von einem nichtlinearen resistiven Feldsteuermaterial zur Aussteuerung der elektrischen Felder in dem Muffenkörper, wie es z.B. in dem Patent EP 2 197 080 AI„Flexible joint with resistive field grading material for HVDC cables and method for connecting same to HVDC cables" oder der Publikation„Christen T. et al; Nonlinear Resistive Electric Field Grading Part 1: Theory and Simulation, in IEEE Electrica!. Insululation Magazine Vol. 26, no. 6, pp. 47-59 Nov./Dez. 2010" beschrieben wird. Solche nichtlinearen resistiven Feldsteuermaterialien zeigen im Allgemeinen eine sehr starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der elektrischen Feldstärke und sind daher in der Lage, grosse Unterschiede in der elektrischen Feldverteilung auszugleichen. Ein bekanntes Beispiel für solch ein Feldsteuermaterial sind mit dotiertem Zinkoxid gefüllte Polymere.

In der erwähnten Publikation wird beschrieben, wie eine Schicht aus einem Feldsteuermaterial zwischen dem Erdpotenzial der halbleitenden Schicht des Kabels und dem Hochspannungspotenzial beim Kabelverbinder die Abhängigkeit der elektrischen Feldverteilung von dem Verhältnis der Widerstände der Kabelisolation und der Muffenisolation aufhebt. Ein Nachteil dieser Lösung ist allerdings, dass bei der zusätzlichen Verwendung eines Seitfähigen Deflektors in der Kabel muffe, wie er z.B. zur Erfüllung der Stossspannungsanforderungen notwendig sein kann, die feldsteuernde Schicht und damit die Grenzfläche zwischen dem Feldsteuermaterial und dem Isolationsmaterial in Gebieten unterhalb des Deflektors zu liegen kommt, die bei Stossspannungsbeanspruchung hohen elektrischen Feldern ausgesetzt ist. Dies kann unter Umständen zu einem Durchschlag des Muffenkörpers führen. Mit der vorliegenden Erfindung wird diese Problematik umgangen, da keine Grenzfläche in dem bei Stossspannungen elektrisch kritischen Gebiet (s. Figur 3) zu liegen kommt. Dieses elektrisch kritische Gebiet innerhalb des Muffe nkörpers ist zum einen durch den Deflektor und zum anderen durch eine gedachte Ebene, die senkrecht zur Muffenachse durch die Spitze des Deflektors verläuft begrenzt.

Wichtig für die Funktionsweise der dargestellten Erfindung sind die spezifischen elektrische Widerstände der ausgewählten Isolationsmaterialien und deren Temperaturabhängigkeiten. Da die elektrischen Widerstände von Isolationsmaterialien im Allgemeinen auch von der elektrischen Feldstärke abhängen, muss bei der Festlegung der Volumenwiderstände auch die elektrische Feldstärke, bei denen diese elektrischen Widerstände gemessen wurden, angegeben werden. Die folgenden Angaben der spezifischen elektrischen Widerstände beziehen sich auf eine elektrische Feldstärke von 10 kV/mm. Der spezifische elektrische Widerstand von dem ersten Isolationsmaterial (5) mit dem geringeren elektrischen Widerstand soll bei Raumtemperatur zwischen 10 ¹⁰ Qcm und 10 ¹⁶ Dem und bei 70°C zwischen 10 ⁹ und 10 ¹⁵ Qcm liegen. Der spezifische elektrische Widerstand von dem zweiten Isolationsmaterial (8) mit dem höheren elektrischen Widerstand soll bei Raumtemperatur zwischen 10 ¹² Hern und 10 ¹⁷ Qcm liegen. Bei 70 °C soll der Volumenwiderstand dieses Materials zwischen 10 ⁿ Qcm und 10 ¹⁶ Qcm liegen. Der Unterschied zwischen den spezifischen elektrischen Widerständen der Isoiationsmaterialen in dem Muffenkörper muss sowohl bei Raumtemperatur wie auch bei 70°C und der angegebenen Feldstärke von 10 kV/mm mindestens den Faktor 2 betragen. Ein grösserer Unterschied in den spezifischen elektrischen Widerständen, z.B. ein Faktor zwischen 3 und 50, wird als Vorteil angesehen.

Beschreibung der Figuren:

Figur 1:

Schematische Darstellung eines Muffen körpers auf zwei verbundenen Hochspannungskabeln mit integriertem Deflektor (4), integrierter Mittelelektrode (7) und zwei Isolationsmaterialien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Das erste Isolationsmaterial (5) mit dem geringeren spezifischen elektrischen Widerstand verbindet den Deflektor mit der Mittelelektrode und umhüllt den Deflektor.

Figur 2:

Schematische Darstellung eines Muffenkörprs auf zwei verbundenen Hochspannungskabel, wobei das erste Isolationsmaterial (5) mit dem geringeren spezifischen elektrischen Widerstand den ganzen Bereich zwischen dem Deflektor (4) und der Kabelisolation (1) ausfüllt, so dass die beiden Isolationsmaterialien des Muffenkörpers in diesem kritischen Gebiet keine Grenzfläche bilden. Die äussere Oberfläche des Muffenkörpers ist mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (9) bedeckt.

Figur 3: Schematische Darstellung des kritischen Bereichs (10) unterhalb des Defiektors, in dem keine Grenzfläche zwischen den beiden Isolationsmaterialien des Muffenkörpers bestehen soll. Das kritische Gebiet wird durch den Deflektor (4) und die gedachte Ebene, die senkrecht zur Muffenachse durch die Spitze des Defiektors verläuft, begrenzt.

Beschreibung der Abkürzungen in den Figuren:

1: Kabelisolation 2: Kabelleiter

3: Äussere halbleitende Schicht über der Kabelisolation 4: Deflektor

5: Erstes fsolationsmaterial in dem Muffenkörper 6: Verbinder der Kabelleiter 7: Mittelelektrode

8: Zweites Isolationsmaterial in dem Muffenkörper 9: Elektrisch leitfähige Schicht

10: Bezeichnung des elektrisch kritischen Gebietes innerhalb des Muffenkörpers, in dem keine Grenzfläche zwischen den Isolationsmaterialien des Muffenkörpers liegen soll