Einfluss von Stützisolatoren auf die elektrische Festigkeit supraleitender flüssigstickstoffisolierter Hochspannungskabelsysteme

In dieser Arbeit wurde die elektrische Durch- und Überschlagfestigkeit von Flüssigstickstoff
(LN2) in einphasigen und dreiphasigen zylindrischen Leiteranordnungen experimentell sowie
numerisch untersucht. Ziel war es, die dominierenden Einflussgrößen auf die elektrische Festigkeit
zu identifizieren, empirische Vergrößerungsgesetze zu bewerten und daraus belastbare
Designkriterien für dreiphasige supraleitende LN2-isolierte Hochspannungskabelsysteme und
feldstärkeoptimierte Stützisolatoren abzuleiten.
Untersuchungen an einphasigen parallel-zylindrischen Leiteranordnungen unter Wechselspannungsbeanspruchung
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zeigen, dass der Mittelwert der maximalen Spitzendurchschlagfeldstärke
bei kleinen Abständen stark vom Leiterelektroden-Durchmesser abhängt. Bei einem Abstand
von 5 mm werden maximale Feldstärken von bis zu 26 kV/mm (8 mm Leiterelektrode) erreicht,
während sich ab Abständen von 15 mm ein Festigkeitsplateau bei etwa 16 kV/mm einstellt. Der
Einfluss des Durchmessers ist dabei ab Abständen von 10 mm vernachlässigbar. Die Auswertung
über den Schwaiger’schen Ausnutzungsfaktor zeigt einen Anstieg der elektrischen Festigkeit bei
zunehmender Feldhomogenität von ca. 0,65 bis 0,95, wobei größere Leiterelektroden-Durchmesser
(bis 30 mm) höhere Ausnutzungsfaktoren und geringere Spannweiten aufweisen.
Die Auswertung der Ergebnisse nach dem Volumeneffekt ergibt Spitzendurchschlagfeldstärken
von 16 bis 27 kV/mm bei einer 50 %-Durchschlagwahrscheinlichkeit mit entscheidend belasteten
Volumen von 600 bis 1.000 mm3. Unter Betrachtung des Flächeneffektes ergeben sich Spitzendurchschlagfeldstärken
von 16 bis 28 kV/mm bei einer 63,2 %-Durchschlagwahrscheinlichkeit
mit entscheidend belasteter Fläche von 800 bis 3.300 mm2. Im Vergleich zu den empirischen
Formalismen fällt die elektrische Festigkeit im Mittel um ca. 33 % (Volumeneffekt) bzw. 35 % (Flächeneffekt)
niedriger aus. Diese Abweichungen werden auf Messungen in offenen Behältnissen
mit erhöhter Gasblasenbildung zurückgeführt.
Unter Blitzstoßspannungsbeanspruchung werden in parallel-zylindrischen Leiteranordnungen
deutlich höhere elektrische Festigkeiten gemessen. Die maximale Blitzstoßdurchschlagfeldstärke
liegt im Abstandsbereich von 5 bis 15 mm nahezu konstant zwischen 30 und 40 kV/mm und
erreicht bei einem Abstand von 2,5 mm Werte von etwa 40 kV/mm für alle untersuchten Durchmesser.
Das Verhältnis von positiver Blitzstoß- zu AC-Spitzendurchschlagfeldstärke beträgt dabei
etwa das 1,5- bis 3-fache und ist auf den Zündverzug in Flüssigstickstoff zurückzuführen.
In zentrisch-zylindrischen Leiteranordnungen zeigt sich unter Wechselspannungsbeanspruchung
ein ähnliches Verhalten, wie bei der parallel-zylindrischen Leiteranordnung. Bei einem
Abstand von 5 mm erreicht die 8 mm Leiterelektrode maximale Spitzendurchschlagfeldstärken
von bis zu 40 kV/mm, während größere Durchmesser bei etwa 25 kV/mm liegen. Ab einem
Abstand von 15 mm verlaufen die Festigkeiten auf ein Plateau von rund 19 kV/mm. Insgesamt ist
die zentrisch-zylindrische Leiteranordnung inhomogener, was der größere Wertebereich des
Schwaiger’schen Ausnutzungsfaktors von 0,32 bis 0,88 zeigt. Die Auswertung nach Volumen- und
Flächeneffekt zeigt eine bessere Übereinstimmung mit deren empirischen Formalismen mit
einer jeweiligen mittleren Abweichung von nur noch etwa -20 %.
Die Blitzstoßfestigkeit zentrisch-zylindrischer Leiteranordnungen weist eine ausgeprägte Polaritätsabhängigkeit
auf. Unter positiver Stoßpolarität sinkt die elektrische Festigkeit von etwa 35 bis
50 kV/mm bei 5 mm Abstand auf ca. 22 bis 30 kV/mm bei 25 mm. Unter negativer Stoßpolarität verbleibt die Festigkeit bis 15 mm nahezu konstant bei ca. 40 kV/mm und nimmt erst bei größeren
Abständen auf etwa 22 kV/mm ab.
Untersuchungen von dünnen Isolierfolien und -papieren (Polyimid, Polypropylen laminiertes
Papier, Kraftisolierpapier) zeigen bei einem Abstand von 5 mm maximale Spitzendurchschlagfeldstärken
zwischen 20 und 39 kV/mm. Signifikante Verbesserungen gegenüber LN2 mit ca.
24 kV/mm treten ausschließlich bei Kraftisolierpapier auf. Aufgrund hoher Standardabweichungen
von bis zu ± 50 % kann jedoch keine systematische Material-Lagen-Abstands-Konfiguration
identifiziert werden.
Überschlaguntersuchungen mit festen Isolierstoffen zeigen, dass Polyethylen (PE-HD) mit
9,40 kV/mm die höchste Überschlagfestigkeit aufweist, während glasfaserverstärkte Kunststoffe
wie G11 eine Reduktion um bis zu 26 % auf 6,48 kV/mm zeigen. Kleine Spalte am Tripel-Punkt
reduzieren die Überschlagfestigkeit um bis zu 18 % auf 7,69 kV/mm, Taillierungen um bis zu 16 %
auf 7,83 kV/mm.
Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurde eine feldstärkeoptimierte dreiphasige zylindrische
Leiteranordnung numerisch ausgelegt. Bei einer Spitzenspannung von 176 kV ergeben sich
maximale Spitzenfeldstärken von 23,0 kV/mm zwischen den Leiterelektroden und 26,5 kV/mm
zur Rohrelektrode. Ein darauf abgestimmter dreiphasiger Stützisolator aus PE-HD reduziert diese
Feldstärke auf 12,9 kV/mm bzw. 15,8 kV/mm bei einer Querschnittsflächenbedeckung von 33 %.
Abschließende Hochspannungsversuche in einem LN2-Badkryostaten mit bis zu 4 bar Überdruck
zeigen, dass die mittlere effektive Durchschlagspannung unter Leiter-Erd-Beanspruchung bei
etwa 110 bis 125 kV liegt und durch weitere Druckerhöhung nicht gesteigert werden kann.
Damit wird bestätigt, dass der Flächeneffekt das dominante Vergrößerungsgesetz für LN2 in
zylindrischen Leiteranordnungen ist. Die Blitzstoßfestigkeiten erreichen +300 bis +420 kV sowie
mehr als -600 kV.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass kompakte supraleitende Hochspannungskabelsysteme
mit reinem Flüssigstickstoff als Isoliermedium für Anwendungen in der Mittelspannungsebene
realisierbar sind. Durch feldstärkeoptimierte Leiteranordnungen und geometrisch
angepasste Stützisolatoren kann die elektrische Festigkeit des Isoliersystems zuverlässig eingehalten
werden.

In this work, the electrical breakdown and flashover strength of liquid nitrogen (LN2) in single-
phase and three-phase cylindrical conductor arrangements was investigated experimentally
and numerically. The objective was to identify the dominant parameters influencing electrical
strength, to assess empirical enlargement laws, and to derive robust design criteria for three-phase
superconducting LN2-insulated high-voltage cable systems and field-optimized support
insulators.
Investigations on single-phase parallel-cylindrical conductor arrangements under AC voltage
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stress show that the mean maximum peak breakdown field strength at small conductor distances
strongly depends on the conductor electrode diameter. At a distance of 5 mm, maximum field
strengths of up to 26 kV/mm are achieved for an 8 mm conductor electrode, whereas a breakdown
strength plateau of approximately 16 kV/mm is reached at distances of 15 mm and above.
The influence of the conductor diameter becomes negligible for distances exceeding 10 mm.
Evaluation using the utilization factor indicates an increase in electrical strength with increasing
field homogeneity from approximately 0.65 to 0.95, with larger conductor diameters (up to
30 mm) exhibiting higher utilization factors and smaller spreads.
Evaluation of the measured data according to the volume and area effects yields calculated peak
breakdown field strengths between 16 and 27 kV/mm at a 50 %-breakdown probability within a
decisive stressed volume of 600 to 1,000 mm3 for parallel cylindrical conductor arrangements.
Compared to the empirical formalisms, the electrical strength is reduced on average by approximately
33 % for the volume effect and 35 % for the area effect. These deviations are attributed to
measurements performed in open vessels, which promote increased gas bubble formation.
Under lightning impulse voltage stress, significantly higher electrical strengths are measured
in parallel cylindrical conductor arrangements. The maximum lightning impulse breakdown
field strength remains nearly constant between 30 and 40 kV/mm for distances from 5 to 15 mm
and reaches approximately 40 kV/mm at a distance of 2.5 mm for all investigated conductor
diameters. The ratio of positive lightning impulse to AC peak breakdown field strength ranges
from approximately 1.5 to 3 and is attributed to the ignition delay in liquid nitrogen.
For centric-cylindrical conductor arrangements, a similar behavior under AC voltage stress is
observed compared to the parallel-cylindrical arrangement. At a distance of 5 mm, the 8 mm
conductor electrode reaches peak breakdown field strengths of up to 40 kV/mm, whereas larger
diameters exhibit values of approximately 25 kV/mm. At distances of 15 mm and above, the
breakdown strength converges to a plateau of about 19 kV/mm. Overall, the centric-cylindrical
conductor arrangement is more inhomogeneous, as indicated by the broad range of the utilization
factor from 0.32 to 0.88. Evaluation according to the volume and area effects shows a better
agreement with the corresponding empirical formalisms, with mean deviations of only about
-20 %.
The lightning impulse strength of centric-cylindrical conductor arrangements exhibits a pronounced
polarity dependence. Under positive impulse polarity, the electrical strength decreases
from approximately 35 to 50 kV/mm at a distance of 5 mm to about 22 to 30 kV/mm at 25 mm.
Under negative impulse polarity, the electrical strength remains nearly constant at approximately
40 kV/mm up to a distance of 15 mm and decreases to about 22 kV/mm only at larger distances.
Investigations on thin insulating films and papers (PI, PPLP, KIP) show maximum peak breakdown
field strengths between 20 and 39 kV/mm at a spacing of 5 mm. Significant improvements
compared to LN2 with approximately 24 kV/mm are observed mainly for kraft insulating paper.
However, due to large standard deviations of up to ± 50 %, no systematic material-layer-spacing
configuration could be identified.
Flashover investigations with solid insulating materials reveal that polyethylene (PE-HD) exhibits
the highest flashover strength with 9.40 kV/mm, whereas glass-fiber-reinforced materials such
as G11 show a reduction of up to 26 % to 6.48 kV/mm. Small gaps at the triple point reduce
the flashover strength by up to 18 % to 7.69 kV/mm, while waistings reduce it by up to 16 % to
7.83 kV/mm.
Based on the experimental results, a field-optimized three-phase cylindrical conductor arrangement
was numerically designed. At a peak voltage of 176 kV, maximum peak electric field
strengths of 23.0 kV/mm between the conductor electrodes and 26.5 kV/mm towards the surrounding
tubular electrode are obtained. A corresponding three-phase PE-HD support insulator
reduces these field strengths to 12.9 kV/mm and 15.8 kV/mm, respectively, at a cross-sectional
area coverage of 33 %.
Final high-voltage tests conducted in an LN2 bath cryostat at overpressures of up to 4 bar
demonstrate that the mean effective breakdown voltage under conductor-to-ground stress
lies between approximately 110 and 125 kV and cannot be further increased by higher pressure.
This confirms that the area effect is the dominant enlargement law for LN2 in cylindrical conductor
arrangements. The lightning impulse strengths reach +300 to +420 kV under positive polarity
and exceed -600 kV under negative polarity.
In summary, the results demonstrate that compact superconducting high-voltage cable systems
using pure liquid nitrogen as the insulating medium are feasible for applications in the medium-
voltage range. By employing field-optimized conductor arrangements and geometrically
adapted support insulators, the electrical strength of the insulation system can be reliably
maintained.