Evaluation of Breakdown Voltages in cold Nitrogen Gas

Mit wachsender Anzahl an Hochtemperatur-Supraleiteranwendungen wird die Kenntnis der elektrischen Festigkeit von flüssigem Stickstoff, welcher als Kühl und Isoliermedium verwendet wird, immer wichtiger. Um im Rahmen der Isolationskoordination nicht jede Komponente eines Supraleitersystems separat untersuchen zu müssen, ist es sinnvoll ein Verfahren zu entwickeln mit dem die elektrische Festigkeit berechnet werden kann. Als Grundlage für eine solche Berechnung können Durchschlagmodelle verwendet werden. Unter der Berücksichtigung, dass in den Supraleitersystemen immer auch ein Wärmeeintrag vorliegt, betriebsbedingt oder im Fehlerfall, kommt es zur Bildung eines Mischsystems aus flüssiger und gasförmiger Phase. Viele Untersuchungen haben bereits den Einfluss einer Gasphase im flüssigen Stickstoff auf die Isolationseigenschaften gezeigt. Um daher den Durchschlagmechanismus im flüssigen Stickstoff zu untersuchen, muss der Prozess im kalten Gas verstanden und verifiziert werden. Dies wird in dieser Arbeit anhand von ermittelten Durchschlagspannungen bei tiefkaltem Stickstoffgas durchgeführt. Dabei werden einfache Modellvorstellungen zur Theorie des Gasdurchschlages einem komplexen und umfassenden Modell vorgezogen um eine bessere ingenieurs-technische Anwendung zu ermöglichen. Daher werden zunächst die relevanten Theorien zu Entladungen im Gas beschrieben. Dazu gehört auch die Berechnung von Ionisierungskoeffizienten, der Anzahl an Elektronen und des Ionisationsindexes wie er im Paschengesetz verwendet wird. Da die Modelle auf reale Durchschlagspannungen angewendet werden, folgt eine Beschreibung, wie die Wechsel- und Blitzstoßspannungen bestimmt werden. Auf einer Diskussion der ermittelten Durchschlagspannungen folgt die Analyse von möglichen Prozessen der Ladungsträgerbereitstellung, welche für die Einleitung des Durchschlages benötigt werden. Im Anschluss wird dann der eigentliche Prozess, welcher zum Durchschlag der Isolationsstrecke führt, betrachtet.