14.1 Einleitung

Silikonkautschuk (SiR) ist als Basisisoliermaterial weit verbreitet und wird zur Beschichtung von Porzellan- und Glasisolatoren verwendet. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) gilt als die effizienteste und wirtschaftlichste Lösung für die Übertragung hoher Spannungen und großer Kapazitäten über große Entfernungen sowie für die Verbindung von Stromnetzen. In China wurden bereits mehrere±800 kV UHVDC-Übertragungsleitungen in Betrieb genommen. Aufgrund der besseren Verschmutzungsresistenz, Temperaturbeständigkeit, elektrischen Isolierung und Elastizität wird SiR in großem Umfang für Isolatoren und Kabelzubehör für HGÜ-Leitungen verwendet.

Trotz all dieser Vorteile leidet SiR unter den Auswirkungen des Langzeitbetriebs und der Umwelt. In HGÜ-Leitungen können selbst bei gut konstruierten Isolatoren Koronaentladungen auftreten, die Ladungen in die Isolatoroberfläche injizieren und die Isolatoren erheblich beschädigen können. Es ist bekannt, dass die Ladungsinjektion in erster Linie von der anfänglichen äußeren Feldverteilung abhängig ist. Bei Gleichspannung ist es wahrscheinlicher, dass sich die Ladungen aufgrund des konstanten elektrostatischen Feldes auf der Isolatoroberfläche ansammeln, als bei Wechselspannung. Die Ladungen können über einen bestimmten Zeitraum auf der Oberfläche verbleiben, der durch die Effizienz des Zerfallsprozesses bestimmt wird. Das Vorhandensein von Oberflächenladungen verursacht ein frühzeitiges Versagen der Isolierung und spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Oberflächenüberschlags. Es wurde auch berichtet, dass bei gleichen Feldbedingungen die Ansammlung von Schadstoffen unter Gleichspannung das 1,2-1,5fache derjenigen unter Wechselspannung beträgt. Es ist notwendig, die Leistung von SiR-Isolatoren unter Gleichspannung zu untersuchen. Bei langfristiger Feuchtigkeit und starker Verschmutzung kann die Hydrophobie von SiR über längere Zeiträume verloren gehen, was zur Entwicklung eines leitfähigen Films auf der Oberfläche führt. Dadurch kann es zu trockenen Lichtbögen kommen, und es wird eine große Menge an Wärme erzeugt. Da die Wärmeleitfähigkeit von SiR sehr gering ist, staut sich die Wärme im Entladungsbereich und kann sich nicht schnell ausbreiten, was zu einer allmählichen Verschlechterung des SiR führt und die Spurbildung und Erosion weiter begünstigen kann. Vor allem unter Gleichspannung und mit mehr Verunreinigungen sind die Leitfähigkeit und der Leckstrom höher, was zu einer stärkeren Degradation von SiR führen kann. Tests mit einer schiefen Ebene an polymeren, hochtemperaturvulkanisierten SiR-Isolatoren haben gezeigt, dass Kriechstrom und Erosion bei positiver Gleichspannung stärker ausgeprägt sind als bei Wechselspannung. Außerdem ist das elektrische Feld im Inneren des Zubehörs aufgrund seiner komplizierten physikalischen Struktur nicht so gleichmäßig wie im Inneren des Stromkabels, und einige Defekte, die während des Herstellungsprozesses entstanden sind, wie z. B. ein ungleichmäßiges elektrisches Feld und Defekte, können zu einem dielektrischen Ausfall im Inneren des Zubehörs führen. Der elektrische Baum wird durch den erhöhten Punkt des elektrischen Feldes ausgelöst, der durch Hohlräume, Verunreinigungen oder unregelmäßige Formen verursacht werden kann. Dies ist eine ernsthafte Bedrohung für die Isolierung und kann sogar zu einem Ausfall der Isolierung führen.

Um die physikalischen, chemischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften von SiR zu verbessern, hat der Nanokomposit in letzter Zeit große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Venkatesulu und Thomas haben die gute Leistung bei der Spurhaltung und Erosionsbeständigkeit von Nanokompositen aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Wirtsdielektrikum und den Nanopartikeln untersucht. Frühere Studien haben gezeigt, dass Nanopartikel einen großen Einfluss auf das Oberflächenladungsverhalten haben. Fleming et al. haben die Daten des Raumladungsprofils von Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) vorgestellt, in das verschiedene Nanopartikel eingearbeitet wurden. Kumara et al. haben beobachtet, dass die Überschlagsspannung sowohl bei positiver als auch bei negativer Aufladung linear mit der Menge der abgelagerten Ladung variiert. Viele Forscher haben auch die thermischen Probleme und die Widerstandsfähigkeit gegen Spurbildung und Erosion von SiR untersucht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Materialdegradation eine Funktion der Höhe des Leckstroms und der Zeit ist, in der an einer bestimmten Stelle ein Trockenbandüberschlag auftritt. Den Ergebnissen zufolge ist die durch elektrische Entladungen ausgelöste thermische Depolymerisation der wichtigste Degradationsfaktor für SiR-Isolatoren, die einer küstennahen Umgebung ausgesetzt sind. Eine Korrelationsstudie hat gezeigt, dass die Erosionsbeständigkeit von SiR-Verbundwerkstoffen, die mit Aluminiumoxidtrihydrat (ATH) oder Siliziumdioxid gefüllt sind, stark mit der Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs korreliert ist. Auf dem Gebiet der elektrischen Baumbildung untersuchten Chen et al. die Zeit der Baumbildung bei reinen Epoxidharzen und stellten fest, dass Nanopartikel die Zeit der Baumbildung verlängern können. Tanaka et al. fanden heraus, dass Aluminiumoxid-Nanofüllstoffe sowohl die Entstehung als auch die Ausbreitung von Bäumen wirksam unterdrücken können.

Auf der Grundlage aller bisherigen Forschungsarbeiten werden in diesem Kapitel drei typische SiR-Nanokomposite und ihre dielektrischen Eigenschaften behandelt. In Abschnitt 14.2 werden Nano-Bornitrid (BN)-Partikel in RTV SiR gemischt, um SiR/BN-Nanokomposite zu erhalten. Die Kriech- und Erosionsprozesse von SiR/BN-Nanokompositen wurden mit Hilfe eines Standardtests auf schiefer Ebene untersucht, mit der Ausnahme, dass die zugeführte Spannung Gleichstrom war. In Abschnitt 14.3 werden SiR/SiO2-Nanokomposite untersucht, und die Forschung konzentriert sich auf die Auswirkungen der Fluorierungszeit und des Massenanteils der Nanopartikel auf die Oberflächenladung und die DC-Überschlagseigenschaften von SiR/SiO2-Nanokompositen. In Abschnitt 14.4 wurde eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz an die SiR/SiO2-Nanokomposite angelegt, um elektrische Bäume mit einer Temperatur von -30°C bis -90°C zu initiieren. Sowohl die Struktur als auch die Wachstumsgeschwindigkeit der Bäume wurden mit einem digitalen Mikroskopsystem beobachtet, und der Baumanteil wurde eingeführt, um die Eigenschaften der elektrischen Baumausbreitung zu beschreiben.