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TU Ilmenau

Das Isolationsverhalten von Leitungen ändert sich bei Gleichstrom

| Autor/ Redakteur: Frank Berger / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Das Feld einer Gleichspannung wirkt auch bei niedrigen Spannungen anders auf die Isolationsmaterialien von Leitungen als das von Wechselspannung. Das wurde an der TU Ilmenau nachgewiesen. Weitere Forschung soll nun klären, ob dies zu Einschränkungen bei der Anwendung führt und welchen Einfluss die Prüfmethode hat.

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Von 238 geprüften Leitungen fielen unter DC-Belastung 44 % aus. Im Bild ist ein Durchschlag zu sehen.
Von 238 geprüften Leitungen fielen unter DC-Belastung 44 % aus. Im Bild ist ein Durchschlag zu sehen.
(Bild: Lapp)

Energieexperten diskutieren vermehrt über Infrastrukturen, die elektrische Energie mit Gleichstrom übertragen. Für große Entfernungen und hohe Leistungen etabliert sich die Hochspannungs-Gleichstromübertragung, sie ist deutlich weniger verlustbehaftet. Doch die eigentliche Energierevolution steht erst noch bevor: Auch für niedrige und mittlere Spannungen kommen Gleichstromnetze infrage. Rechenzentren, Produktionslinien, Kühlsysteme und LED-Leuchten arbeiten sowieso mit Gleichspannung und ein Verzicht auf das Umwandeln zwischen Wechsel- und Gleichspannung würde erheblich Energie und Kosten einsparen – auch in Haushalten. Viele Kleingeräte benötigen eigentlich Gleichspannung, die sie unter Verlusten etwa mit Schaltnetzteilen umwandeln müssen. Auch Elektroautos oder Photovoltaikanlagen arbeiten mit Gleichspannung. Eine Energieversorgung mit Gleichstrom könnte deshalb einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten.

Tests im Wasserbad

Doch bis dahin müssen noch einige technische Fragen geklärt werden. Eine Herausforderung ist die Entwicklung von Leistungsschaltern für Gleichspannung, denn herkömmliche Wechselspannungsschalter eignen sich nicht in dem gleichen Maße für Gleichspannung. Fast gar nicht wurde bisher diskutiert, ob sich Wechselspannungsleitungen der Niederspannung auch für Gleichspannung eignen. Dazu gab es bisher keinerlei Forschungsergebnisse, wohl deshalb, weil die meisten Experten der Meinung waren, dass dies ohne Weiteres möglich sei. Nun belegen aber Langzeittests unserer Forschungsgruppe im Fachgebiet „Elektrische Geräte und Anlagen“ an der Technischen Universität Ilmenau erstmals, dass dies ein Irrtum ist. Wir haben über einen Zeitraum von 2590 Stunden Einzeladern mit verschiedenen Isolationsmaterialien in einem Wasserbad bei 80 °C mit 1 kV Gleichspannung belastet, um die Auswirkungen im Zeitraffer nachzuvollziehen. Die Prüfapparaturen sowie die Leitungen wurden uns von der Firma Lapp zur Verfügung gestellt.

Die Ergebnisse sind überraschend. Von den 238 Prüflingen fielen unter DC-Belastung 44 % aus, bei AC-Belastung war es nur ein Prüfling. Besonders auffällig waren Leitungen mit PVC-Isolation, hier fielen alle Prüflinge aus. Ebenfalls hoch war die Ausfallrate bei Isolierung mit Polyolefin, Leitungen mit TPE-Isolierung dagegen haben die Prüfung sehr gut bestanden. Ursachen der Defekte waren in einem Drittel der Fälle Isolationsfehler. Dies liegt vor, wenn der Isolationswiderstand unter einen kritischen Wert von 10 MΩ fällt. Bei zwei Dritteln der Defekte handelte es sich um einen sichtbaren Durchschlag der Isolierung.

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Widerspruch zur Expertenmeinung

Wurden Leitungen durch enge Biegeradien zusätzlich unter mechanische Belastung gesetzt, traten die Ausfälle deutlich früher auf. Neue Leitungen hielten vor Beginn der Alterung etwa die gleichen Spannungen aus, egal ob bei Gleich- oder Wechselspannung. Erst der Alterungsprozess ließ die Leitungen mit DC-Belastung ins Hintertreffen geraten. Auch die Wanddicke der Isolierung spielte für die Häufigkeit und den Zeitpunkt der Ausfälle keine entscheidende Rolle.

Die Forschungsergebnisse sind ein wichtiges Indiz, dass das elektrische Feld, das durch die Gleichspannung hervorgerufen wird, eine andere Wirkung auf das Alterungsverhalten von Isolationsmaterialien hat als ein Wechselspannungsfeld. Viele Experten hatten das bisher bestritten. Bei einer klassischen Wechselspannungsleitung ist die elektrische Feldstärke direkt an der Oberfläche des Kupferleiters am höchsten und nimmt mit dem Radius nach außen ab. Das gleiche gilt auch annähernd bei hohen Temperaturen, weil die Dielektrizitätszahl nahezu unabhängig von der Temperatur ist. Dagegen wird bei Gleichspannungsleitungen die elektrische Feldstärke von der elektrischen Leitfähigkeit des Isolierstoffs bestimmt. Steigt mit zunehmender Temperatur die Leitfähigkeit der Isolierung, nimmt das elektrische Feld mit dem Radius nach außen nur noch wenig ab, bei hohen Temperaturen kann es sogar zu einer Feldinversion kommen: Die elektrische Feldstärke ist außen an der Isolierung höher als innen am Leiter.

Prüfmethode nicht sicher?

Die Labortests wurden zunächst an Einzeladern im Wasser durchgeführt, um eine gegenseitige Beeinflussung von Einzeladern und Mantel bei den Untersuchungen auszuschließen. Damit wurde allein deren Isolationsfestigkeit untersucht. Das entspricht zwar nicht den Einsatzbedingungen in der Praxis, denn in einer Leitung befinden sich üblicherweise mehrere Adern, die mit einem Mantel umhüllt werden. Jedoch werden in Zukunft Messungen an kompletten Leitungen angestrebt. Aufgrund der visuellen Erscheinungen stellt sich die Frage nach der Eignung der von uns verwendeten Prüfmethode. Die Methode, die Alterung im Wasserbad zu beschleunigen, entspricht zwar den Vorgaben von DIN VDE 0276-605 und hat sich bei Wechselspannungsleitungen bewährt. Auch liefert sie gute Hinweise auf das tatsächliche Alterungsverhalten über lange Zeiträume von Jahren und Jahrzehnten. Dies gilt auch für PVC-Leitungen. Fraglich ist allerdings, ob dies auch beim Betrieb mit Gleichspannung gilt. Hier scheint das Wasser eine andere, so nicht vorhergesehene Rolle zu spielen, es beschleunigt den Zeitraffer offenbar noch einmal erheblich.

Weitere Forschung geplant

Um hier zu belastbaren Aussagen zu kommen, bedarf es weiterer Forschung. Zum einen planen wir Alterungstests, die ohne Wasserbad auskommen, die dann allerdings länger dauern müssten. Zum anderen wollen wir verstehen, was chemisch und physikalisch im Kunststoff stattfindet, wenn es zu der oben erwähnten Umkehrung des elektrischen Felds kommt. Der Abbau des Polymers oder das Aufquellen im Wasser sowie das Herauslösen von Additiven oder die Bildung von „Water Trees“ könnten mögliche Ursachen sein.

Bis dazu belastbare Daten vorliegen, gibt es keinen Grund, auf Leitungen mit PVC-Isolation in Gleichspannungsanwendungen zu verzichten. Voraussetzung ist allerdings, dass diese Leitungen fest, also ohne Bewegung, sowie ohne mechanische Belastung etwa durch zu enge Biegeradien verlegt werden. Außerdem sollte die Umgebung stets trocken sein. Sind diese Voraussetzungen nicht gegeben, etwa im bewegten Einsatz in Energieketten, können Anwender auf andere Isolationsmaterialien ausweichen. So hat TPE in unseren Prüfungen im Wasserbad ausgezeichnet abgeschnitten.

Optimierte Leitung für Gleichstrom

Basierend auf den Forschungsergebnissen von Prof. Berger hat Lapp als erster Hersteller eine Leitungsfamilie für DC-Anwendungen auf den Markt gebracht. Den Anfang machte im vergangenen Jahr die Ölflex DC 100. In diesem Jahr folgten zwei Weitere: Die Ölflex DC Servo 700 eignet sich zur Versorgung elektrischer Antriebe mit Gleichstrom für den gelegentlich flexiblen Einsatz sowie für die feste Verlegung. Die Leiter sind mit Spezial-PVC isoliert. Die Ölfex DC Chain 800 hat eine TPE-Isolierung und eignet sich für die dauernde Bewegung in Energieführungsketten und in linear bewegten Maschinenteilen. Sichtbarer Unterschied ist die andere Farbcodierung der Adern: rot, weiß und grün-gelb, entsprechend der aktualisierten Norm DIN EN 60445 (VDE 0197):2018-02.

* Prof. Dr.-Ing. Frank Berger ist Leiter des Fachbereichs Elektrische Geräte und Anlagen an der Technischen Universität Ilmenau in 98693 Ilmenau. Weitere Informationen: Sarah Caruso, U. I. Lapp GmbH, 70565 Stuttgart

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