Elektrische Feldspannung in Kabelmuffen & Endverschlüssen beherrschen: Best Practices

Wie man elektrische Feldspannung in Kabelmuffen & Endverschlüssen kontrolliert

Einführung

Energiekabel sind von großer Bedeutung in Energieübertragungs- und Verteilnetzen.

Endverschlüsse und Muffen sind die grundlegenden Zubehörteile von Energiekabeln und erforderlich für Verbindungen zwischen Leitungen oder zu elektrischen Geräten.

Beim Design von Kabelendverschlüssen und Muffen sind verschiedene Aspekte zu beachten, da sie dieselbe Integrität besitzen müssen wie ihre zugehörigen Kabel – sowohl für Innen- als auch Außenanwendungen.

Der kritischste Aspekt bei Hochspannungs-Kabelmuffen und Endverschlüssen ist die Kontrolle der dielektrischen Spannung am Punkt der Schirmbeendigung – elektrische Feldspannungskontrolle.

Elektrische Spannung & Spannungskontrolle

Endverschlüsse und Muffen von Hoch- und Mittelspannungskabeln müssen die elektrischen Felder an den Enden beherrschen. Wenn der Isolationsschirm eines Kabels entfernt wird, konzentrieren sich hohe Potentialgradienten am Abschneidepunkt, wie in Abbildung 1 gezeigt.

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In der Abbildung ist zu sehen: Der Erdschirm eines Kabels (0%) wird abgeschnitten, die Potenziallinien (von 20% bis 80%) konzentrieren sich an der Kante der Erdelektrode, was hohe elektrische Feldspannung verursacht.

Elektrische Feldverstärkung an diesen Punkten kann partielle Entladungen erzeugen, die zu Überschlag entlang der Isolierungsoberfläche oder dielektrischem Durchbruch mit Kabelausfall führen.

Bei Kabelinstallation erfordern geschirmte Energiekabel elektrische Feldspannungskontrolle bei der Endverschlussmontage.

Kabelendverschlüsse und Muffen sind so ausgelegt, dass sie die Spannungskonzentration am Schirmende beseitigen, um Kabeldurchbruch zu vermeiden – das elektrische Feld muss in Endverschluss und Muffe kontrolliert werden.

Die Spannungsverteilung an der Leiterverbindung variiert erheblich aufgrund profiländernder Einflüsse durch Presshülse (Muffe).

Scharfe Kanten und Vorsprünge an der Muffe, wenn sie unbehandelt bleiben, führen zu plötzlicher Änderung des Spannungsgradienten.

Es ist daher essenziell, dass der Leiter ein glattes Profil hat, um übermäßige Spannungskonzentration zu vermeiden.

Der wichtigere Aspekt der Spannungskontrolle betrifft jedoch den Ort, an dem der Isolationsschirm endet.

Zu beachten: Nicht nur die dielektrische Spannung steigt im Endverschlussbereich, sondern es baut sich auch ein Potenzialgradient entlang der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und umgebendem Medium auf.

Die Spannung im Dielektrikum am Schirmende liegt weit über der Bemessungsspannung und kann zu vorzeitigem Versagen führen.

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Zusätzlich, wenn das umgebende Medium Luft ist oder ein Hohlraum zwischen Dielektrikum und Füllmedium besteht, kann die Spannung im Bereich dazu führen, dass Luft bereits bei Betriebsspannung Entladungen zulässt.

Papier ist etwas beständiger gegen diese Entladungen, aber bei polymerer Isolierung wie VPE (vernetztes Polyethylen) erodieren solche Entladungen das Dielektrikum rasch und führen zum Ausfall.

Ohne Spannungskontrolle würden Entladungen auftreten, was die Lebensdauer von Muffe und Endverschluss nachteilig beeinflusst.

Abbildung 2 zeigt die elektrische Feldverteilung ohne und mit Spannungskontrolle.

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Ursachen

Hauptschwächen im Bereich Endverschlüsse und Muffen von Hoch- und Mittelspannungskabeln, die Spannungskontrolle erfordern:

• Presskabelschuhe, die Feuchtigkeit in Leiteradern eindringen lassen
• Fehlende Beseitigung von Lufteinschlüssen
• Aderversatzführung → Teilentladungen
• Schlechte Kabelvorbereitung
• Feuchtigkeitseintritt
• Unzureichende Phasen-Phasen- & Phasen-Erde-Abstände
• Kriechstrombildung (Tracking)
• Mangelhafte Montageanweisungen

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Methoden der Spannungskontrolle

Es gibt keine universelle Endverschluss- oder Muffenlösung. Verschiedene Typen mit Vor- & Nachteilen. Die Optimierung wird durch Untersuchung verschiedener Konstruktionen erreicht.

Die richtige Endverschlussmethode muss gute elektrische & mechanische Integrität bieten.

Für ein korrektes Design sollte eine elektrische Feldverteilungsanalyse in den kritischen Bereichen durchgeführt werden.

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Spannungskegel-Methode (Stress Cone)

Die gängigste Methode zur Spannungskontrolle ist der Spannungskegel (Stress Cone), gezeigt in Abbildung 3.

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Der Spannungskegel dient der Kapazitätskontrolle im Bereich der Schirmbeendigung, wodurch die dielektrische Spannung entlang eines Gradienten auf tolerable Werte am Beendigungspunkt reduziert wird.

Der Spannungskegel reicht über die Schirmbeendigung hinaus, sodass der Potentialgradient an der Dielektrikumsoberfläche auf ein Niveau sinkt, wo Entladungen nicht mehr auftreten.

Bei Muffen von Hoch- und Mittelspannungs-Papierkabeln wird der Spannungskegel meist in vorgegebener Kontur durch Handwicklung imprägnierter Papierbänder aufgebaut, bei Endverschlüssen entweder handaufgebracht oder vormontiert. Mit polymeren und elastomeren Kabeln wurden auch vormontierte (premoulded) Spannungskegel eingeführt.

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Vor Aufbringen des Spannungskegels muss die elektrische Spannung an der Leiterverbindung reduziert werden (Gründe siehe oben).

Das Konzept: Glattes Profil für gleichmäßige Spannungsverteilung. Erreicht durch „Stufenweise Abtragen der Kabelpapiere“ – Isolierung in Stufen abtragen mit Steigungen und Stufen von innerer Leiteroberfläche zur äußeren Isolierungsoberfläche.

Mit den beiden so behandelten Kabelenden verbunden, werden handaufgebrachte imprägnierte Papierbänder über die Montage gewickelt als Muffendielektrikum.

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Wärmeschrumpfende Spannungskontrollschlauch-Methode

Eine weitere gängige Methode: wärmeschrumpfende Spannungskontrollschläuche zur Kontrolle hoher elektrischer Spannungen am Isolationsschirm-Endpunkt bei Mittelspannungs-Kunststoff- und Papierisolierten Kabelmuffen und Endverschlüssen bis 36 kV.

Sie kontrollieren auch hohe Spannungen über Verbindern in Muffen.

Spannungskontrollschläuche bestehen aus thermisch stabilisiertem, vernetztem, hochpermittivem & hochwiderständigem Polymerwerkstoff.

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Weitere Methoden zur Spannungskontrolle

Weitere Methoden:

• Hochwiderstandsbänder oder -beschichtungen, Materialien mit nicht-linearen Widerstandsschichten: Material mit konstanter Oberflächenwiderstandsfähigkeit leitet kleinen Strom → linearer Spannungsgradient entlang der Länge. Bessere Spannungsverteilung durch Materialien mit nicht-linearer Widerstandsfähigkeit: kleiner Stromanstieg → Widerstandsabfall → glatter linearer Spannungsgradient entlang der aufgebrachten Länge.
• Materialien mit signifikanter höherer relativer Permittivität als Kabeldielektrikum. Prinzip: Bei Materialien mit unterschiedlicher Permittivität unter Potentialgradienten über kombinierter Dicke erfährt das Material mit niedrigster Permittivität die höchste Spannung. Aus Schema ersichtlich: Potenziallinien treten allmählich aus Dielektrikum aus → glatter Gradient an Dielektrikumsoberfläche.

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Über den Autor: Manuel Bolotinha

- Lizentiat in Elektrotechnik – Energie & Kraftwerksysteme (1974 – Instituto Superior Técnico/Universität Lissabon)
– Master in Elektrotechnik & Informatik (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Universidade Nova de Lisboa)
– Senior Consultant für Umspannwerke & Energiesysteme; Professioneller Ausbilder