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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Der Technische Bericht IEC/TR 60815:1986 galt über 20 Jahre lang als die maßgebende internationale Empfehlung zur Auswahl des Kriechwegs sowie der geometrischen Auslegung der Schirmhülle von keramischen Isolatoren (Porzellan und Glas) bei Wechselspannungsbeanspruchung unter Berücksichtigung von verschiedenen Verschmutzungen, die üblicherweise im Freiluftbetrieb von Hochspannungsleitungen und -anlagen auftreten. Die Betriebserfahrung mit Isolatoren, die nach diesem Bericht ausgelegt worden sind, war mit wenigen Ausnahmen durchweg positiv. IEC/TR 60815:1986 hat sich bei der Auslegung von Isolatoren bewährt und wurde von Anwendern vollwertig akzeptiert, wobei auch eine gute Korrelation zur Prüfnorm IEC 60507 bestätigt werden konnte. Der Technische Bericht hat damit ganz wesentlich das Aussehen und damit auch die Herstellungstechnologie und die -prozesse von Hochspannungsisolatoren in den letzten 20 Jahren geprägt. Er bezieht sich auf Leiter-Leiter-Werte und standardisiert die Verschmutzungsklassen "leicht", "mittel", "schwer" und "sehr schwer" (16...31 mm/kV). Die Tatsachen, dass sich Verschmutzungsbedingungen aufgrund ihrer komplizierten Messverfahren und der Abstraktheit der Auswirkungen von Verschmutzungen auf das Isolationsverhalten in der Regel nur sehr schwer und mit großen Streuungen erfassen lassen, haben es bisher nicht ermöglicht, die Thematik als Norm festzuschreiben. Auch die neue Normenreihe vom Oktober 2008 wird aus diesem Grund als Technische Spezifikation veröffentlicht. Im Unterschied zur Vorgängernorm werden zukünftig die spezifischen Kriechwege als Leiter-Erde-Werte angegeben. Dieses erfolgt speziell aus dem Grund, auch zukünftig Gleichspannungsanwendungen (HVDC) zu integrieren. Die gesamte Normenreihe soll nach Abschluss aller Arbeiten die folgende Gestalt haben:

• Teil 1: Definitionen, Informationen, allgemeine Prinzipien
• Teil 2: Wechselspannung: Kriechwegauswahl/Bemessung, Keramische Isolatoren
• Teil 3: Wechselspannung: Kriechwegauswahl/Bemessung, Polymerisolatoren
• Teil 4: Gleichspannung: Kriechwegauswahl/Bemessung, Keramische Isolatoren (in Vorbereitung)
• Teil 5: Gleichspannung: Kriechwegauswahl/Bemessung, Polymerisolatoren (in Vorbereitung).

Die Teile 1 bis 3 sind mittlerweile nach zehn Jahren Arbeit fertiggestellt worden. Die IEC/TC 11/WG 36 arbeitet zurzeit intensiv an den Teilen 4 und 5. Eine Publikation der Teile für Gleichspannung ist bis 2012 geplant. Dieses geschieht speziell auch unter dem Druck aktueller und zukünftiger HVDC-Projekte in China, Indien, Südafrika und Brasilien in Verschmutzungsgebieten.

Mit dem Teil 3 wurde auch erstmals eine Publikation zur Kriechwegbemessung bezüglich Polymer- und Verbundisolatoren vorgenommen. Polymer- und Verbundisolatoren wurden in der Vergangenheit nach IEC 60815 (1986) ausgelegt. Die Betriebserfahrung mit dieser gleichen Auslegungsphilosophie wie für Keramikisolatoren war sehr erfolgreich. Es kann mit den bisherigen Erkenntnissen davon ausgegangen werden, dass hydrophobe Schirmhüllenmaterialien (zum Beispiel Silikone) eine Kriechwegreserve von mindestens 20 % langfristig aufweisen. IEC/TS 60815-3 empfiehlt unter bestimmten Bedingungen auch die ökonomische beziehungsweise technische Ausnutzung dieser physikalischen Reserve.

IEC/TS 60815-1: Begriffe, Definitionen und allgemeine Grundlagen

Der erste Teil ersetzt formal IEC/TR 60815 aus dem Jahr 1986. Zur Vorgängernorm sind folgende signifikante Veränderungen zu verzeichnen:

• Ermutigung der Anwender dazu, Vor-Ort-Verschmutzungsmessungen durchzuführen, um den Verschmutzungsgrad möglichst genau zu ermitteln und entsprechend zu klassifizieren. Es werden verschiedene Verschmutzungsmessverfahren empfohlen, wobei eine jeweilige Mindestmessdauer von ein Jahr nahegelegt wird. Diese Vorgehensweise unterscheidet sich wesentlich von bisherigen qualitativen Einschätzungen der Verschmutzungsbedingungen.
• Erkenntnis, dass eine anhaftende Verschmutzung bei Isolatoren aus den beiden Komponenten ESDD (Elektrisch leitfähig, wasserlöslich) und NSDD (möglicherweise elektrisch leitfähig, jedoch nicht wasserlöslich) besteht. Die Beurteilungsmethoden und die zugehörigen Visualisierungen wurden entsprechend im neuen Normtext angepasst.
• Erkenntnis, dass die Schichtleitfähigkeitsmessung dem ESDD/NSDD-Verfahren bei Auftreten bestimmter Verschmutzungsbedingungen von Vorteil ist.
• Nutzung von natürlichen und künstlichen (Labor-)Prüfverfahren zur Absicherung der Auslegung und zur Entwicklung zukünftiger Korrelationen zwischen Betriebs- und Laborerfahrungen.
• Erkenntnis, dass die quantitative Kriechwegauswahl und -bemessung nicht das alleinig entscheidende Merkmal für eine angemessene Isolatordimensionierung ist.
• Erkenntnis, dass wesentliche Einflussfaktoren auf das Isoliervermögen unter Verschmutzungbedingungen in der Geometrie die Schirmhülle, in der Größe der Isolatoren sowie der Materialauswahl zu finden sind.
• Erkenntnis das unterschiedliche Verschmutzungstypen (A, B, A-B) verschiedene Auswirkungen auf die Geometrie- und Materialauswahl der Schirmhülle besitzen.
• Die Anpassung wesentlicher Korrekturfaktoren, um die Einflüsse und Zusammenhänge zur Auslegung möglichst gut zu vermitteln.
• Es wurde noch eine fünfte Verschmutzungsklasse "sehr leicht" eingeführt, auf der anderen Seite fehlen Klassen bei sehr hohen spezifischen Kriechwegen, wie zum Beispiel "extrem" (vormals größer 31 mm/kV, zum Beispiel 40, 50 mm/kV).

IEC/TS 60815-2 "Wechselspannung: Kriechwegauswahl - Bemessung - Keramische Isolatoren"

Der zweite Teil erklärt nochmals die Umstände der Normung von Verschmutzungsanforderungen und erläutert, dass unter bestimmten Bedingungen keine Norm erstellt, sondern das komprimierte Wissen nur in Form einer Technischen Spezifikation dokumentiert werden kann. Die Erstellung einer Norm ist das eigentliche Ziel der IEC-Arbeit. IEC/TS müssen nach drei Jahren überarbeitet werden. Es muss dann auch entschieden werden, ob die Spezifikation zurückgezogen oder in eine Norm umgewandelt werden kann. Zusammen mit IEC/TS 60815-1 ersetzt IEC/TS 60815-2 den Technischen Bericht IEC/TR 60815:1986.

Folgende Änderungen bezüglich Keramikisolatoren (Porzellan und Glas) sind zu vermerken:

• Bestimmung des vereinheitlichten Referenzkriechwegs (RUSCD) in Abhängigkeit des Verschmutzungsgrades Vor-Ort (SPS)
• Bewertung der Eignung verschiedener Schirmhüllenprofile
• Bestimmung des für die Auslegung wichtigen vereinheitlichten Kriechwegs (USCD) ausgehend vom RUSCD in Abhängigkeit von Form, Größe, Typ und Einbaulage des Isolators
• Prüfungen und Nachweise sind nur dann gefordert, wenn signifikante Abweichungen zu den gegebenen Empfehlungen bestehen.
• Es wurde eine fünfte Verschmutzungsklasse "sehr leicht" eingeführt, auf der anderen Seite fehlen Klassen bei sehr hohen spezifischen Kriechwegen, wie zum Beispiel "extrem" (vormals größer 31 mm/kV, zum Beispiel 40, 50 mm/kV).

IEC/TS 60815-3 "Wechselspannung - Kriechwegauswahl - Bemessung - Polymerisolatoren"

Der dritte Teil ist vollständig neu und hat daher auch keine Vorgängernorm. In der Vergangenheit wurden Verbundisolatoren durchgehend nach den Empfehlungen für Keramikisolatoren IEC/TR 60815:1986 ausgelegt, wobei speziell für hydrophobe Materialien (Silikone) Reserven vorhanden waren, die richtigerweise vorteilhaft bei Extremverschmutzungen eingesetzt wurden. Diese Auslegung hat sich über mehr als 20 Jahre lang bewährt. Im Wesentlichen wurde diese Auslegungsphilosophie auch in IEC/TS 60815-3 übernommen.

Auch der dritte Teil erklärt nochmals die Umstände der Normung von Verschmutzungsanforderungen und erläutert, dass unter bestimmten Bedingungen keine Norm erstellt, sondern das komprimierte Wissen nur in Form einer TS dokumentiert werden kann. Die Erstellung einer Norm ist das eigentliche Ziel der IEC-Arbeit. IEC/TS müssen nach drei Jahren überarbeitet werden. Es muss dann auch entschieden werden, ob die Publikation zurückgezogen oder in eine Norm umgewandelt werden kann.

Der Inhalt von IEC/TS 60815-3 basiert im Wesentlichen auf Vorarbeiten von CIGRE 33.13 TF 01, das die Zielsetzung hat, das Betriebs- und Isolationsfähigkeit von derartigen Isolatoren unter Verschmutzung im Detail zu studieren. Die Spezifikation geht nicht auf das Verhalten unter Schnee und Eis ein, weil die Erfahrungen diesbezüglich limitiert sind.

Sie vermittelt folgende Merkmale:

• Die Bestimmung des vereinheitlichten spezifischen Kriechwegs (USCD) in Abhängigkeit des Verschmutzungsgrades Vor-Ort (SPS)
• Es wurde eine fünfte Verschmutzungsklasse "sehr leicht" eingeführt, auf der anderen Seite fehlen Klassen bei sehr hohen spezifischen Kriechwegen, wie zum Beispiel "extrem" (vormals größer 31 mm/kV, zum Beispiel 40, 50 mm/kV)
• Die Auswahl angemessener Schirmhüllenprofile
• Die Anwendung von Korrekturfaktoren für Einbauhöhe, Isolatorform, Größe und Einbaulage zum vereinheitlichten spezifischen Referenzkriechweg (RUSCD)
• Prüfungen und Nachweise sind nur dann gefordert, wenn signifikante Abweichungen zu den angegebenen Empfehlungen bestehen.