Beanspruchung von Polymeren durch höherfrequente Anteile einer Mischspannung

Diese Arbeit behandelt die thermisch-elektrische Beanspruchung polymerer Isolierstoffe durch Mischspannungen mit höherfrequenten Anteilen. Diese Spannungsformen treten in Stromrichteranlagen oder bei Energiewandlungsprozessen auf.

Die Quantifizierung der Wärmequellendichte und deren Wirkung ist ein wichtiger Gegenstand dieser Arbeit. Für experimentelle Untersuchungen werden Hochspannungsprüfschaltungen für unterschiedliche Überlagerungen einer Gleichspannung, einer netzfrequenten und einer höherfrequenten Wechselspannung aufgebaut. Mit einem entwickelten Hochfrequenz - Hochspannungsgenerator wird eine definierte höherfrequente sinusförmige Wechselspannung erzeugt (1kHz-50kHz, 70kV). Durch das Resonanzprinzip und ein spezielles SF6 - Gas - Polymer - Isoliersystem steht diese Spannung auch im Dauerbetrieb als exakte Prüfspannung zur Verfügung. Besonderes Augenmerk liegt auf der korrekten Messung der erzeugten Mischspannungen.

Zur Bestimmung der Wärmequellendichte bei unterschiedlichen Mischspannungsbeanspruchungen, wird die Erwärmung an Probekörpern in einer homogenen Feldanordnung gemessen. Zusätzlich werden Probekörper im homogenen elektrischen Feld bis zum Durchschlag beansprucht. Die Vorgänge, unmittelbar vor dem Verlust der Isolierfunktion, werden anhand der gemessenen Größen sowie der berechneten zeitlichen Änderung der elektrischen Materialdaten bis zum Durchschlag analysiert.

Zur Modellbildung wird eine FEM - Multiphysiksimulation angewandt. Die Verknüpfung des elektrischen und thermischen Feldes ist die Wärmequellendichte.Durch die Zerlegung einer Mischspannung in ihre einzelnen Frequenzanteile kann die Wärmequellendichte und Temperaturerhöhung eines Isolierstoffes berechnet werden. Diese Vorgehensweise wird durch Temperaturmessungen verifiziert.

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Diese Arbeit behandelt die thermisch-elektrische Beanspruchung polymerer Isolierstoffe durch Mischspannungen mit höherfrequenten Anteilen. Diese Spannungsformen treten beispielsweise in Stromrichteranlagen oder bei Energiewandlungsprozessen auf. Ein dabei zu beachtender Effekt ist die dielektrische Erwärmung eines Isolierstoffes. Die Quantifizierung der Wärmequellendichte und deren Wirkung ist ein wichtiger Gegenstand dieser Arbeit.

Für experimentelle Untersuchungen werden Hochspannungsprüfschaltungen für unterschiedliche Überlagerungen einer Gleichspannung, einer netzfrequenten und einer höherfrequenten Wechselspannung aufgebaut. Mit einem entwickelten Hochfrequenz – Hochspannungsgenerator wird eine definierte höherfrequente sinusförmige Wechselspannung erzeugt (1 kHz - 50 kHz, 70 kV). Durch das angewandte Resonanzprinzip und ein spezielles SF6 – Gas – Polymer – Isoliersystem steht diese Spannung auch im Dauerbetrieb als exakte Prüfspannung zur Verfügung. Besonderes Augenmerk liegt auf der korrekten Messung der erzeugten Mischspannungen.

Zur Bestimmung der Wärmequellendichte bei unterschiedlichen Mischspannungsbeanspruchungen, wird die Erwärmung an PE- und PVC - Probekörpern in einer homogenen Feldanordnung gemessen. Durch einen speziellen Prüfaufbau kann die Probekörpertemperatur korrekt gemessen werden. Zusätzlich werden POM-, PMMAund PVC - Probekörper im homogenen elektrischen Feld bis zum Durchschlag beansprucht. Die Vorgänge, unmittelbar vor dem Verlust der Isolierfunktion, werden anhand der gemessenen Größen sowie der berechneten zeitlichen Änderung der elektrischen Materialdaten bis zum Durchschlag analysiert.

Zur Modellbildung wird eine FEM – Multiphysiksimulation angewandt. Die Verknüpfung des elektrischen und thermischen Feldes ist die Wärmequellendichte. Durch die Zerlegung einer Mischspannung in ihre einzelnen Frequenzanteile kann die Wärmequellendichte und Temperaturerhöhung eines Isolierstoffes berechnet werden. Diese Vorgehensweise wird durch Temperaturmessungen verifiziert. Ferner wird damit der Einfluss der dielektrischen Erwärmung auf die elektrische Feldverteilung ausgewählter Geometrien und einer geschichteten Isolierstoffanordnung berechnet.