Die elektrische Feldstärkeverteilung in Wechselstromkabeln ist gleichmäßig, und der Fokus der Kabelisolationsmaterialien liegt auf der Dielektrizitätskonstante, die temperaturunabhängig ist. Im Gegensatz dazu ist die Feldstärkeverteilung in Gleichstromkabeln in der inneren Isolationsschicht am höchsten und wird vom spezifischen Widerstand des Isolationsmaterials beeinflusst. Isolationsmaterialien weisen einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, d. h. mit steigender Temperatur sinkt der spezifische Widerstand.
Im Betrieb eines Kabels führen die Kernverluste zu einem Temperaturanstieg, der wiederum Änderungen des spezifischen Widerstands des Isoliermaterials zur Folge hat. Dies bewirkt eine Änderung der elektrischen Feldstärke innerhalb der Isolierschicht. Anders ausgedrückt: Bei gleicher Isolierstärke sinkt die Durchschlagspannung mit steigender Temperatur. Bei Gleichstrom-Hauptleitungen in dezentralen Kraftwerken altert das Isoliermaterial aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur deutlich schneller als bei Erdkabeln – ein wichtiger Aspekt, der unbedingt beachtet werden muss.
Bei der Herstellung von Kabelisolationsschichten werden zwangsläufig Verunreinigungen eingebracht. Diese Verunreinigungen weisen einen relativ niedrigen Isolationswiderstand auf und sind in radialer Richtung der Isolationsschicht ungleichmäßig verteilt. Dies führt zu unterschiedlichen spezifischen Widerständen an verschiedenen Stellen. Unter Gleichspannung ändert sich auch das elektrische Feld innerhalb der Isolationsschicht, wodurch die Bereiche mit dem niedrigsten spezifischen Widerstand schneller altern und zu potenziellen Fehlerstellen werden.
Wechselstromkabel weisen dieses Phänomen nicht auf. Vereinfacht gesagt, ist die Belastung der Materialien in Wechselstromkabeln gleichmäßig verteilt, während sich die Isolationsbelastung bei Gleichstromkabeln stets an den schwächsten Stellen konzentriert. Daher müssen die Fertigungsprozesse und Normen für Wechsel- und Gleichstromkabel unterschiedlich gehandhabt werden.
Vernetztes Polyethylen (XLPE)Isolierte Kabel werden aufgrund ihrer hervorragenden dielektrischen und physikalischen Eigenschaften sowie ihres hohen Kosten-Nutzen-Verhältnisses häufig in Wechselstromanwendungen eingesetzt. Bei der Verwendung als Gleichstromkabel stellen sie jedoch eine erhebliche Herausforderung im Zusammenhang mit Raumladungen dar, die insbesondere bei Hochspannungs-Gleichstromkabeln kritisch ist. Werden Polymere als Isolierung für Gleichstromkabel verwendet, führt eine große Anzahl lokalisierter Defekte innerhalb der Isolierschicht zur Ansammlung von Raumladungen. Die Auswirkungen von Raumladungen auf Isoliermaterialien zeigen sich hauptsächlich in zwei Aspekten: Verzerrungen durch elektrische Felder und nicht-elektrische Feldverzerrungen, die beide die Isoliermaterialien stark beeinträchtigen.
Raumladung bezeichnet die überschüssige Ladung jenseits der elektrischen Neutralität innerhalb einer Struktureinheit eines makroskopischen Materials. In Festkörpern sind positive oder negative Raumladungen an lokalisierte Energieniveaus gebunden und führen zu Polarisationseffekten in Form von gebundenen Polaronen. Raumladungspolarisation tritt auf, wenn freie Ionen in einem dielektrischen Material 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 mit den schnellen Änderungen des Netzfrequenzfeldes nicht Schritt halten, sodass keine Raumladungseffekte auftreten. In einem Gleichstromfeld hingegen verteilt sich das elektrische Feld entsprechend dem spezifischen Widerstand, was zur Bildung von Raumladungen führt und die Feldverteilung beeinflusst. XLPE-Isolierung weist eine große Anzahl lokalisierter Zustände auf, wodurch Raumladungseffekte besonders stark ausgeprägt sind.
Die XLPE-Isolierung ist chemisch vernetzt und bildet so eine integrierte, vernetzte Struktur. Als unpolares Polymer kann das Kabel selbst mit einem großen Kondensator verglichen werden. Beim Abschalten der Gleichstromübertragung 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, wo Raumladungen durch dielektrische Verluste abgeführt werden, sammeln sich diese Ladungen an Defekten im Kabel an.
Im Laufe der Zeit sammeln sich bei häufigen Stromausfällen oder Schwankungen der Stromstärke in XLPE-isolierten Kabeln immer mehr Raumladungen an, was die Alterung der Isolierschicht beschleunigt und die Lebensdauer des Kabels verkürzt.
Veröffentlichungsdatum: 10. März 2025