Hochspannungs-1100-kV-Epoxidharzmaterial: Eigenschaften, Standards und Anwendungen

Die 1100-kV-Schwelle und ihre Anforderungen an Epoxidharz

Die Ultrahochspannungsübertragung (UHV) bei 1100 kV Wechselstrom stellt derzeit die Obergrenze der kommerziellen Stromnetztechnologie dar. Chinas State Grid Corporation hat im Januar 2019 die weltweit erste 1100-kV-Wechselstromleitung – das Zhundong-Wannan-Projekt – mit Strom versorgt, die sich über 3.000 km durch sechs Provinzen erstreckt und übertragen kann 12 GW Leistung . Später wurden in China, Indien und Brasilien weitere UHV-Korridore in Betrieb genommen oder befinden sich im Bau, wodurch 1100 kV als Live-Engineering-Umgebung und nicht als Laborspezifikation eingeführt wird.

Bei dieser Spannungsklasse arbeitet jedes Material im Isolationssystem an oder nahe der Grenze seiner Leistungsgrenze. Epoxidharz, das in 1100-kV-Geräten verwendet wird – Distanzstücke für gasisolierte Schaltanlagen (GIS), Wanddurchführungen, Stromwandler und Trockenmesswandler – müssen dielektrische, mechanische und thermische Anforderungen erfüllen, die sich qualitativ von denen bei 110 kV oder 500 kV unterscheiden. Die elektrische Feldspannung innerhalb eines Gussisolators skaliert mit der Spannung und beträgt 1100 kV Teilentladungs-Einsatzspannung (PDIV) und Teilentladungs-Auslöschungsspannung (PDEV) werden zu primären Qualifikationskriterien und nicht zu sekundären Prüfungen.

Die Folge ist, dass Hochspannungs-Epoxidharzmaterial für 1100-kV-Anwendungen nicht ohne spezifische Validierung aus Standardproduktportfolios ausgewählt werden kann. Formulierung, Partikelgrößenverteilung des Füllstoffs, Hohlraumgehalt nach dem Gießen und die Homogenität der ausgehärteten Matrix erfordern alle eine strengere Kontrolle als bei Typen mit niedrigerer Spannung.

Kritische Materialeigenschaften für Epoxidharz für elektrische Hochspannungssysteme

Mehrere Eigenschaften unterscheiden Epoxidharz für elektrische Hochspannungsanwendungen auf der 1100-kV-Ebene von Standardformulierungen für die Elektrotechnik. Jedes steht in direktem Zusammenhang mit einem im Betrieb oder bei der Typprüfung beobachteten Fehlermodus.

Besondere Aufmerksamkeit verdient die Teilentladungspflicht. Bei GIS-Abstandshaltern bei 1100 kV ist die elektrische Feldspannung an der Dreifachverbindung – wo Metall, Epoxidharz und SF₆-Gas aufeinandertreffen – der Punkt mit der höchsten Belastung in der Isolatorgeometrie. Hohlräume mit einer Größe von nur 50 µm an oder in der Nähe dieser Verbindungsstelle können bei Betriebsspannung eine TE auslösen, und die kumulative Erosion durch die anhaltende TE wird schließlich zu einem Überschlag führen. Dies fördert die Verwendung von Harzsysteme mit extrem niedrigerer Viskosität Kombiniert mit Vakuumguss, um hohlraumfreie Gussteile zu erzielen, zusammen mit einer strengen Kontrolle der Füllstoffpartikelgröße, um eine Agglomeration in der Nähe kritischer Oberflächen zu verhindern.

UHV-Netzausbau und seine Auswirkungen auf die Nachfrage nach Epoxidmaterial

Die globale UHV-Übertragungspipeline ist der wichtigste Nachfragetreiber für Hochspannungs-Epoxidharzmaterial der 1100-kV-Klasse. Chinas 14. Fünfjahresplan (2021–2025) und sein Nachfolgerahmen sehen weitere Investitionen in UHV-Wechselstrom- und Gleichstromkorridore vor, um die erneuerbare Energieerzeugung im Nordwesten und Südwesten mit Lastzentren an der Ostküste zu verbinden. State Grid Corporation of China und China Southern Power Grid hatten bis Mitte des 2020er-Jahres gemeinsam mehr als 30 UHV-Leitungen in Betrieb genommen oder gegründet. Jede davon erforderte Umspannwerke mit GIS-Schächten, Messtransformatoren und Überspannungsableitern, die auf einer Epoxidgussisolierung basieren.

Die indische Power Grid Corporation hat im Rahmen ihres National Electricity Plan Spezifikationen für 1200-kV-Teststationen und Pilotübertragungssegmente veröffentlicht, die auf die Übertragung großer Strommengen aus Wasser- und Solarressourcen über große Entfernungen abzielen. Die brasilianische ANEEL hat Studien für UHV-Verbindungen genehmigt, die die Wasserkraftkapazität des Amazonas mit São Paulo und Rio de Janeiro verbinden. Diese Projekte stellen einen erheblichen künftigen Bedarf an qualifizierten Epoxidharz-Gießsystemen der 1100-kV-Klasse außerhalb Chinas dar.

Der Wandel hin zu Hochspannungsgleichstrom (HGÜ) bei ±800 kV und ±1100 kV fügt eine weitere Dimension der Materialqualifizierung hinzu. Gleichspannung belastet Epoxidharz anders als Wechselspannung: Die Ansammlung von Raumladungen innerhalb der Harzmasse und an Grenzflächen verändert die effektive Feldverteilung im Laufe der Zeit, ein Phänomen, das unter Wechselspannungsbedingungen weniger ausgeprägt ist. Epoxidformulierungen für DC-UHV-Geräte müssen daher anhand von Alterungsprotokollen für Gleichstromfelder charakterisiert werden – einschließlich IEC 62895 für HGÜ-Kabelgarnituren, die von Geräteherstellern zunehmend als Maßstab auch für Nicht-Kabelisolationskomponenten herangezogen werden.

Prüfnormen und Qualifikationsanforderungen bei 1100 kV

Kein einziger IEC- oder IEEE-Standard befasst sich speziell mit der Qualifizierung von Epoxidharzmaterialien für 1100-kV-Geräte; Die Qualifizierung setzt sich stattdessen aus mehreren Standards zusammen, die auf das Endprodukt und seine Bestandteile angewendet werden. Ingenieure und Beschaffungsteams, die mit Epoxidharz für elektrische Hochspannungsgeräte dieser Spannungsklasse arbeiten, orientieren sich normalerweise an dem folgenden Rahmen.

• IEC 62271-203 (Gasisolierte metallgekapselte Schaltanlage): Regelt Typ- und Routineprüfungen für GIS bei Nennspannungen über 52 kV, einschließlich dielektrischer Prüfungen an Abstandhaltern und Durchführungen, die als Funktionsqualifikation des gegossenen Epoxid-Isoliersystems dienen.
• IEC 60270 (Teilentladungsmessung): Der Referenzstandard für TE-Messmethoden, der für alle mit Epoxidharz gegossenen HV-Isolierungen gilt. Die TE-Grenzwerte für Typtests für 1100-kV-GIS-Abstandshalter sind in den Gerätenormen festgelegt, aber PD-Tests auf Materialebene gemäß IEC 60270 werden während der Formulierungsentwicklung routinemäßig durchgeführt.
• IEC 60587 (Kriechstrom- und Erosionsbeständigkeit): Relevant für Epoxid-Isolatoren und Komponenten im Außenbereich, die Oberflächenverunreinigungen ausgesetzt sind, bewertet durch den Comparative Tracking Index (CTI). UHV-Außengeräte erfordern erforderlich CTI ≥ 600 V (Materialgruppe I).
• GB/T 22707 und zugehörige chinesische nationale Standards: Chinas im Inland entwickelte UHV-Gerätestandards, die teilweise durch nationale Forschungsprogramme unter Beteiligung von Materiallieferanten entwickelt wurden, legen Testprotokolle fest, die speziell für 1000-kV-Wechselstrom- und ±800-kV-/±1100-kV-Gleichstromsysteme kalibriert sind.
• IEC 60455 (Harzbasierte reaktive Verbindungen für die elektrische Isolierung): Der Basismaterialstandard, der Viskosität, Gelierzeit, Tg, dielektrische Eigenschaften und mechanische Eigenschaften für Epoxidsysteme abdeckt, die für elektrische Isolierungsanwendungen in allen Spannungsklassen vorgesehen sind.

Über die Einhaltung formaler Standards hinaus schreiben Hersteller von 1100-kV-Geräten in der Regel ihre eigenen Qualifizierungsprotokolle vor – einschließlich beschleunigte thermische Alterung bei 105 °C für 1.000 Stunden , mechanische Stoßprüfungen gemäß IEC 60068-2-27 und seismische Leistungsüberprüfung für Installationen in erdbebengefährdeten Regionen. Materiallieferanten, die sich für UHV-Lieferketten qualifizieren möchten, müssen darauf vorbereitet sein, vollständige Tests auf Systemebene in den Hochleistungslabors der Gerätehersteller zu unterstützen, und nicht nur Materialcoupon-Tests in ihren eigenen Einrichtungen.