Über den elektrischen Durchschlag in unterkühltem Flüssigstickstoff und die Beeinflussung durch Dampfblasen

Flüssiger Stickstoff wird zunehmend als Kühlung und elektrische Isolation von supraleitenden Geräten genutzt. Durch den unvermeidbaren Eintrag von Wärme in das System können sich im flüssigen Stickstoff Gasbereiche ausbilden, die eine Schwachstelle der Isolation darstellen. In dieser Arbeit werden daher die Spannungsfestigkeit von flüssigem Stickstoff und der Einfluss von Dampfblasen im flüssigen Stickstoff auf die Durchschlagspannung untersucht. Dazu werden zuerst die Grundlagen der Entladungsmechanismen in dielektrischen Flüssigkeiten im Allgemeinen und die bisherigen Erkenntnisse für flüssigen Stickstoff im Speziellen betrachtet. Nach der anschließenden Vorstellung der Versuchsanlage wird auf die verwendeten Versuchsaufbauten für die Untersuchungen des homogenen und inhomogenen Felds und der bei ihnen auftretenden Dampfblasenform eingegangen. Die Bewertung der Messergebnisse unterteilt sich in die Untersuchungen mit und ohne thermisch erzeugte Dampfblasen. Innerhalb dieser Unterteilung wird weiter zwischen Untersuchungen mit Blitzstoßspannung und Wechselspannungsrampe unterschieden. Für die Messungen im homogenen Feld ohne thermische Dampfblasen werden die Startbedingungen analysiert und die entsprechenden Durchschlagsfeldstärken abgeleitet. Diese werden, unter Berücksichtigung des Ausnutzungsfaktors, auf das inhomogene Feld übertragen. Beobachtete Polaritätseffekte werden über unterschiedliche Ausbreitungsmechanismen und deren Abhängigkeit von den Umgebungsparametern Kugelpolarität, Druck und Schlagweite erklärt. Die Messwerte, der durch Dampfblasen verringerten elektrischen Festigkeit, werden mit theoretisch berechneten Durchschlagspannungen nach dem Paschengesetz verglichen. Bei den Berechnungen werden sowohl die Temperatur, als auch die Form, der Druck und die Polarität der Dampfblase berücksichtigt. Die durch die Dampfblasen auftretenden Polaritätseffekte werden über den Gasentladungsmechanismus in der Dampfblase, gekoppelt mit den Ausbreitungsmechanismen im flüssigen Stickstoff, erklärt. Im Wechselfeld wird zusätzlich die Bewegung der Dampfblasen berücksichtigt. Abgeschlossen wird die Arbeit mit einer Betrachtung möglicher Folgeuntersuchungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen können die während dieser Arbeit neu aufgeworfenen Fragestellungen genauer analysiert werden.