Die Spannungsverteilung des elektrischen Feldes in Wechselstromkabeln ist gleichmäßig, und der Schwerpunkt der Kabelisolationsmaterialien liegt auf der Dielektrizitätskonstante, die nicht von der Temperatur beeinflusst wird. Im Gegensatz dazu ist die Spannungsverteilung in Gleichstromkabeln in der inneren Schicht der Isolierung am höchsten und wird vom spezifischen Widerstand des Isoliermaterials beeinflusst. Isoliermaterialien weisen einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, d. h., mit steigender Temperatur sinkt der spezifische Widerstand.
Im Betrieb eines Kabels führen die Kernverluste zu einem Temperaturanstieg und damit zu Änderungen des spezifischen Widerstands des Isoliermaterials. Dies wiederum führt zu Schwankungen der elektrischen Feldspannung innerhalb der Isolierschicht. Anders ausgedrückt: Bei gleicher Isolierdicke sinkt die Durchschlagspannung mit steigender Temperatur. Bei Gleichstrom-Hauptleitungen in dezentralen Kraftwerken altert das Isoliermaterial aufgrund von Umgebungstemperaturschwankungen deutlich schneller als bei erdverlegten Kabeln, was ein kritischer Punkt ist.
Bei der Herstellung von Kabelisolationsschichten entstehen zwangsläufig Verunreinigungen. Diese Verunreinigungen weisen einen relativ geringen Isolationswiderstand auf und sind radial ungleichmäßig in der Isolationsschicht verteilt. Dies führt zu unterschiedlichen Volumenwiderständen an verschiedenen Stellen. Unter Gleichspannung variiert auch das elektrische Feld innerhalb der Isolationsschicht, wodurch die Bereiche mit dem niedrigsten Volumenwiderstand schneller altern und zu potenziellen Fehlerquellen werden.
Bei Wechselstromkabeln tritt dieses Phänomen nicht auf. Vereinfacht ausgedrückt ist die Belastung des Wechselstromkabelmaterials gleichmäßig verteilt, während sich bei Gleichstromkabeln die Isolationsbelastung stets an den schwächsten Stellen konzentriert. Daher sollten die Herstellungsprozesse und -standards für Wechselstrom- und Gleichstromkabel unterschiedlich gehandhabt werden.
Vernetztes Polyethylen (XLPE)Isolierte Kabel werden aufgrund ihrer hervorragenden dielektrischen und physikalischen Eigenschaften sowie ihres guten Preis-Leistungs-Verhältnisses häufig in Wechselstromanwendungen eingesetzt. Bei der Verwendung als Gleichstromkabel sind sie jedoch mit der Raumladungsproblematik konfrontiert, die insbesondere bei Hochspannungs-Gleichstromkabeln kritisch ist. Bei der Verwendung von Polymeren als Gleichstromkabelisolierung verursachen zahlreiche lokalisierte Einschlüsse innerhalb der Isolierschicht die Ansammlung von Raumladungen. Die Auswirkungen von Raumladungen auf Isoliermaterialien spiegeln sich hauptsächlich in zwei Aspekten wider: der Verzerrung elektrischer und nichtelektrischer Felder, die beide äußerst schädlich für das Isoliermaterial sind.
Raumladung bezeichnet die überschüssige Ladung über die elektrische Neutralität hinaus innerhalb einer Struktureinheit eines makroskopischen Materials. In Festkörpern sind positive oder negative Raumladungen an lokalisierte Energieniveaus gebunden und erzeugen Polarisationseffekte in Form gebundener Polaronen. Raumladungspolarisation tritt auf, wenn in einem dielektrischen Material freie Ionen vorhanden sind. Aufgrund der Ionenbewegung sammeln sich negative Ionen an der Grenzfläche nahe der positiven Elektrode und positive Ionen an der Grenzfläche nahe der negativen Elektrode. In einem Wechselstromfeld kann die Migration positiver und negativer Ladungen nicht mit den schnellen Änderungen des elektrischen Felds der Netzfrequenz Schritt halten, sodass keine Raumladungseffekte auftreten. In einem Gleichstromfeld verteilt sich das elektrische Feld jedoch entsprechend dem spezifischen Widerstand, was zur Bildung von Raumladungen führt und die Verteilung des elektrischen Felds beeinflusst. XLPE-Isolierung enthält eine große Zahl lokalisierter Zustände, wodurch Raumladungseffekte besonders gravierend sind.
Die XLPE-Isolierung ist chemisch vernetzt und bildet eine integrierte vernetzte Struktur. Als unpolares Polymer kann das Kabel selbst mit einem großen Kondensator verglichen werden. Wenn die Gleichstromübertragung stoppt, entspricht dies dem Laden eines Kondensators. Obwohl der Leiterkern geerdet ist, findet keine effektive Entladung statt, sodass eine erhebliche Menge Gleichstromenergie als Raumladung im Kabel gespeichert bleibt. Anders als bei Wechselstromkabeln, bei denen Raumladungen durch dielektrische Verluste abgeführt werden, sammeln sich diese Ladungen an Defekten im Kabel.
Im Laufe der Zeit sammeln sich bei häufigen Stromunterbrechungen oder Schwankungen der Stromstärke in XLPE-isolierten Kabeln immer mehr Raumladungen an, was die Alterung der Isolierschicht beschleunigt und die Lebensdauer des Kabels verkürzt.
Veröffentlichungszeit: 10. März 2025