Einleitung
Durchführungen sind als Bauteil mit hoher dielektrischer und thermischer Beanspruchung für die Zuverlässigkeit von Transformatoren von grosser Bedeutung. Bei Störungen an Transformatoren sind nach allgemeinen Statistiken Durchführungen im Mittel zu etwa 14 % beteiligt. Zuverlässige Durchführungen haben unter anderem die Anforderungen: Personenschutz-Objektschutz und ökologischer Aspekte, zu erfüllen. Beim Design sind deshalb Gestaltung, Materialauswahl und Menge der verwendeten Materialien entscheidend.
Zur Verbesserung der Spannungsverteilung, werden OIP/HP/RIP/RIS als Hauptisolierung verwendet. Diese Isolierungen sind sehr Fertigungs- und Technologieintensiv und unterliegen naturgemäß einer Alterung. Diese kapazitiv gesteuerten Durchführungen müssen zudem bezüglich Alterung und Funktionalität periodisch über einen 3 kV Messanschluss überprüft werden. Die tan-Delta-Messung gibt Informationen über den Zustand der Hauptisolierung. Die Kapazitäts-Messung gibt Informationen über Potential-Anlenkung und Zustand der einzelnen Kondensatoren.
Auf folgender Zeichnung SB 2219 ist der Vergleich zwischen einfacheren geometrischen elektrischen Feld-Steuerungen, DIN Porzellan Durchführungen, SIDI-ECO und Kondensator Durchführungen ersichtlich.
Zweifellos ist eine einfache geometrische Steuerung bei richtiger Auslegung genauso zuverlässig und deutlich weniger alterungsintensiv als OIP / HP / RIP / RIS Hauptisolierungen mit konzentrischen Kondensatorbelägen.
Die Untersuchungen zeigen auf, dass geometrisch gesteuerte Durchführungen unter Einsatz moderner Materialien und Fertigungsmethoden ökologische Lösungen ermöglichen. Zudem sind bei modernen Konstruktionen mit Kunststoffisolationen Personen – und Objektschutz besser gewährleistet, als bei Porzellan-Isolatoren ( Porzellanteile fliegen bei Zerstörung der Durchführung in die Umgebung).
Die im Spannungsbereich bis 52 kV verfügbaren Durchführungen vom Typ SIDI-ECO sind von hoher Qualität und Zuverlässigkeit und vergleichbar mit aufwändigeren Steuerungen der Kondensatorbelägen der Durchführung.
Dichtigkeit / Druckfestigkeit / Explosionssicherheit
Die gewählte Konstruktion des SIDI-ECO Isolators erwies sich bei Versuchen mit 5bar Überdruck als Heliumdicht <10-6 mbar l/sec Die Explosionssicherheit konnte bei einem Wasserdruck Versuch im Vergleich mit einem DIN Porzellanisolator demonstriert werden. Wie Bild 1 zeigt, wurde der Porzellanisolator bereits bei einem Druck von unter 2,5Mpa undicht und beschädigt. Der Silikonisolator blieb bis über 6Mpa dicht. Der Berstdruck wurde beim Silikonisolator nicht erreicht weil der höchstzulässige Druck des Prüfgefässes erreicht wurde.
Wasserdruckprüfung , Porzellan und Silikon -Isolator
Der Druckversuch zeigt, dass die SIDI-ECO Durchführung bezüglich Explosions- Sicherheit eine wichtige Rolle spielt.
Design Analyse
Elektrische Feldsteuerung durch geometrische Bauteilgestaltung aller feldrelevanten Bereiche lässt sich für solche Durchführungen beim Design mithilfe moderner Rechnungsprogramme erreichen. Bild 2 verdeutlicht den Aufbau der Durchführung. Das Basisdesign entspricht in einzelnen Bereichen der bekannten DIN Durchführung mit Porzellanisolator.
Der Porzellanisolator ist jedoch durch ein dielektrisch hochwertiges Epoxid – Glasfaser –Verbundrohr mit aufgegossener Silikonisolation ersetzt. Die Fixierung des Innenleiters erfolgt mithilfe der von der DIN Durchführung bekannten und bewährten Armaturengestaltung. Die Isolation im Inneren des Isolators wird durch den Flüssig- Isolierstoff (z.B. Isolieröl) des Transformators gebildet. Die Durchführung ist zum Trafokessel zum Anschluss hin offen, so dass eine gewisse Wärme-Zirkulation der Isolierflüssigkeit ermöglicht wird. Eine Alterung der inneren Isolation ist also allenfalls bei einer starken Alterung der Trafofüllflüssigkeit möglich.
Elektrisches Feld und Spannungsverteilung
Der Feldverlauf des elektrischen Feldes anhand der Spannungsverteilung, sowohl in axialer als auch radialer Richtung ausgehend vom zentralen Stromleiter wird durch Bild 3 verdeutlicht.
Die Optimierung mithilfe der Feldbildanalyse ermöglicht eine lokal kontrollierte durch die Gestaltung der Bauteile geometrisch bestimmte Spannungsverteilung. Die radiale Feldverteilung im Bereich des Flansches wird proportional 1/ln r/r1 gesteuert und das quasihomogene Feld mit höchster Feldstärke am Innenleiter in der Flüssigisolation. Die Axiale Feldverteilung außerhalb des Flanschbereiches hingegen wird wesentlich durch die Flanschgestaltung bestimmt. Mehr im Detail anhand des Feldausschnittes im Bereich des Flansches zeigt dies Bild 4 anhand der Feldlinien.
Beim Feldbereich A im Leiter-Flanschbereich ist der Gradient beim Innenleiter und in Flanschnähe im äußeren Feldraum B am größten. Die Beanspruchung der Außen Isolation im Silikon – Isolator Bereich ist dann eher mäßig.
Der Ölspalt zwischen dem Innenleiter und dem Isolator im Bereich A ist mit hinreichend hoher Sicherheit ausgelegt. Selbst bei gasgesättigtem Öl wird die volle Prüfspannung gehalten. Die Festigkeit bei Blitzstoss ist durch die langsamere Streamerentwicklung im Öl, verglichen mit Wechselspannung AC unkritisch.
Die tangentiale Belastung der Silikonschirme ist im Betrieb praktisch durchgehend unterhalb von 0.25 kV/mm. Dies wird durch Bild 5 anhand der Feldstärke über der Länge des Isolators verdeutlicht. Dort wo dieser tiefe Wert überschritten wird, ist die betroffene Länge aber kleiner als 10 mm. Damit ist eine Alterung des Silikonisolators durch Wassertropfenkorona ausgeschlossen.
Der Silikon Verbund Isolator (SVI) ist vom Prinzip her über 25 Jahre im gesamten Spannungsbereich für AC und DC bewährtes Design. Das Silikon wird auf die mit Haftvermittler (Primer) behandelte Oberfläche eines Epoxid Glasfaserrohres vergossen. Nach dem Ausvulkanisieren bilden das Silikon und der Träger Rohrkörper eine chemisch physikalisch verbundene Einheit. Die Elastizität solcher Isolatoren und die Temperatur-Beständigkeit der Materialien sind durch Biegebeanspruchungen und mit über minus 60°C Temperatur erprobt. Silikon erträgt größte Temperaturvariationen und ist extrem Klimabeständig mit über plus 200°C und übersteht vorübergehend Verlust der Elastizität auch bei tieferen Temperaturen als minus 70°C. Die für die SIDI-ECO Durchführung verwendeten Kunststoff – Materialien können rezykliert werden oder aber problemlos der Verbrennung zugeführt werden.
Silikoneigenschaften
Silikon als Material Molekül enthält kein Karbon, lediglich Silizium und Sauerstoff Atome bilden die primäre Materialkette. Das Molekül des Materials enthält lediglich in den Außengruppen einige Methylverbindungen mit geringem Gehalt an Karbon. Bei Verschmutzung und elektrischen Entladungen werden praktisch keine halbleitenden Entladungsspuren gebildet.
Silikon ist das einzige bekannte Polymermaterial mit hoher Wasser – Abstoßung (Hydrophobie). Bei Befeuchtung der Oberfläche werden nur einzelne Tropfen Wasser formiert. Während andere Materialien mit der Zeit die Hydrophobie ganz verlieren, regeneriert sich Silikon diesbezüglich fortwährend und die Hydrophobie bleibt bei Silikon nach Untersuchungen über 40 Jahre erhalten. Die im Laufe der Zeit durch haftende Verunreinigungen reduzierte Wasserabstoßung kann durch geeignete Reinigung der Oberflächen wieder wesentlich, bis in den Bereich des Neuzustandes verbessert werden. Bei starker Erosion der Oberfläche durch windbewegten Sand wird diese rau aber bleibt hydrophob. Das Material ist stabil gegen UV Strahlung.
Schlusswort
Im Jahr 2001 sind mehrere Elektrizitätswerke und Transformatoren-Hersteller an die neu gegründete SERD GmbH mit der Bitte bzw. Auftrag herangetreten, eine Durchführung, die unter anderem die Anforderungen: Personenschutz- Objektschutz und ökologischer Aspekte, erfüllt und 100% austauschbar mit DIN Porzellan Durchführungen, zu entwickeln.
Im Jahr 2002 wurden die ersten Prototypen hergestellt und erfolgreich geprüft. Kurz danach wurden die ersten SIDI-ECO Durchführungen für 24 kV sowohl für neue Transformatoren als auch für den Austausch von DIN-Porzellan Durchführungen vor Ort eingesetzt. Seit 2002 sind weltweit über 3500 Durchführungen erfolgreich in Betrieb.
Für weitere Infos stehen wir unter info@serd.gmbh.ch gerne zur Verfügung.
Schleinikon, August 2023 / WSPC