Energie-Experten diskutieren im Zuge der Energiewende vermehrt über Infrastrukturen, die elektrische Energie mit Gleichstrom übertragen. Für große Distanzen und hohe Leistungen etabliert sich die Hochspannungs-Gleichstromübertragung, weil sie deutlich weniger verlustbehaftet ist. Doch die eigentliche Revolution – Gleichstromnetze auch für niedrige und mittlere Spannungen – steht erst bevor. Rechenzentren, Produktionslinien, Kühlsysteme und LED-Leuchten funktionieren sowieso mit Gleichspannung; der Verzicht auf das Umwandeln zwischen Wechsel- und Gleichspannung würde erheblich Energie und Kosten einsparen. Gleiches gilt für Haushalte: Viele Kleingeräte benötigen eigentlich Gleichspannung, die sie unter Verlusten etwa mit Schaltnetzteilen umwandeln müssen. Auch Elektroautos oder Photovoltaik-Anlagen arbeiten mit Gleichspannung. Eine Energieversorgung mit Gleichstrom ist daher keine Fiktion, sondern könnte im kommenden Jahrzehnt ein Gebot der Vernunft sein. 

Zeitraffer im Wasserbad

Bis es soweit ist, sind allerdings noch einige technische Fragen zu klären. Eine Herausforderung ist die Entwicklung von Leistungsschaltern für Gleichspannung, denn herkömmliche Wechselspannungsschalter eignen sich nicht im gleichen Maße für Gleich-spannung. Was aber bis dato fast gar nicht diskutiert wurde, ist die Frage, ob sich Wechselspannungsleitungen der Niederspannung auch für Gleichspannung eignen. Hierzu gab es bisher keinerlei Forschungsergebnisse – vermutlich deshalb, weil die meisten Experten der Meinung waren, dass dies ohne weiteres möglich sei. Ein Irrtum, wie Langzeittests einer Forschungsgruppe im Fachgebiet „Elektrische Geräte und Anlagen“ an der Technischen Universität Ilmenau nun erstmals belegen!

Die Zuführung der Gleichspannung erfolgte über eine Zuleitung an die Reihen­klemmen, in denen die Einzeladern einseitig befestigt waren.

© TU Ilmenau

Über einen Zeitraum von 2590 Stunden wurden hier 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 von der Firma Lapp zur Verfügung gestellt. 

Die Ergebnisse lassen aufhorchen. Von den 238 Prüflingen fielen unter DC-Belastung 44 % aus, bei AC-Belastung war es nur ein Prüfling. Besonders betroffen waren Leitungen mit PVC-Isolation – hier fielen unter DC-Belastung alle Prüflinge aus. Eben- falls hoch war die Ausfallrate bei Isolierung mit Polyolefin. Leitungen mit TPE-Isolierung meisterten die Prüfung sehr gut. Ursachen der Defekte waren in einem Drittel der Fälle Isolationsfehler. Diese liegen vor, wenn der Isolationswiderstand unter einen kritischen Wert von 10 MΩ fällt. Bei zwei Dritteln der Defekte kam es zu einem sichtbaren Durchschlag der Isolierung. 

Die Ausfälle traten deutlich früher bei solchen Leitungen auf, die durch enge Biegeradien zusätzlich unter mechanische Belastung gesetzt wurden. 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. 

DC-Alterungsverhalten anders

Die Forschungsergebnisse sind ein wichtiges Indiz dafür, dass das durch die Gleichspannung hervorgerufene elektrische Feld eine andere Wirkung auf das Alterungsverhalten von Isolationsmaterialien hat als ein Wechselspannungsfeld. Viele Experten haben sich bisher nicht dazu geäußert. 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 annähernd auch bei hohen Temperaturen, weil die Dielektrizitätszahl nahezu unabhängig von der Temperatur ist. Bei Gleichspannungsleitungen hingegen bestimmt die elektrische Leitfähigkeit des Isolierstoffs die elektrische Feldstärkeverteilung. Steigt die Leitfähigkeit der Isolierung mit zunehmender Temperatur, 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. 

Nur Einzeladern getestet

Von 238 geprüften Leitungen fielen unter DC-Belastung 44 % aus. Im Bild ist ein Loch infolge eines Durchschlags sowie die ­beanspruchte Oberfläche aufgrund der Alterung zu sehen.

© TU Ilmenau

Um eine gegenseitige Beeinflussung von Einzeladern und Mantel im Rahmen der Untersuchungen auszuschließen, wurden die Labortests zunächst an Einzeladern im Wasser durchgeführt. Damit wurde allein deren Isolationsfestigkeit untersucht. Das entspricht zwar nicht den Einsatzbedingungen in der Praxis, da sich in einer Leitung üblicherweise mehrere Adern befinden, die mit einem Mantel umhüllt werden. In Zukunft werden Messungen an kompletten Leitungen angestrebt.

Aufgrund der visuellen Erscheinungen entsteht die Frage nach der Eignung des verwendeten Prüfverfahrens. Zwar entspricht die Methode, die Alterung im Wasserbad zu beschleunigen, den Vorgaben von DIN VDE 0276-605, hat sich bei Wechselspannungsleitungen bewährt und liefert gute Hinweise auf das tatsächliche Alterungsverhalten über lange Zeiträume von Jahren und Jahrzehnten – 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, insofern als es den Zeitraffer offenbar noch einmal erheblich beschleunigt. 

Weitere Forschung nötig

Um hier zu belastbaren Aussagen zu kommen, bedarf es weiterer Forschung. Die Arbeitsgruppe der TU Ilmenau plant daher zum einen Alterungstests, die ohne Wasserbad auskommen, dann allerdings länger dauern müssten.

Zum anderen geht es der Gruppe darum, zu verstehen, was chemisch und physikalisch im Kunststoff passiert, wenn es zu der erwähnten Umkehrung des elektrischen Felds kommt. Mögliche Ursachen könnten der Abbau des Polymers, das Aufquellen im Wasser, das Herauslösen von Additiven oder die Bildung von ‚Water Trees‘ sein. 

Bis hierzu belastbare Daten vorliegen, gibt es dennoch 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, sollten Anwender auf andere Iso­lationsmaterialien ausweichen. So hat TPE in den Prüfungen im Wasserbad ausgezeichnet abgeschnitten.

Autor: 
Prof. Dr. Frank Berger leitet das Fachgebiet „Elektrische Geräte und Anlagen“ der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik an der TU Ilmenau.