Analyse der elektrischen Eigenschaften von syntaktischem Schaum unter Gleichspannungsbelastung

In vielen Komponenten der Hochspannungstechnik und der elektrischen Energietechnik werden die Abmessungen und das Gewicht der Anlagen maßgeblich durch die Eigenschaften des Isolationsystems beeinflusst. Insbesondere bei transportablen oder bewegten Anlagen wird eine Gewichtsreduktion angestrebt, die durch konventionelle Isoliermaterialien nicht mehr erreicht werden kann. Polymere Isolierstoffe weisen in diesem Fall neben hohen Spannungsfestigkeiten eine zu hohe Dichte auf, die nur durch Aufschäumen reduziert werden kann. Beim Aufschäumen entstehen im Polymer z. T. miteinander verbundene Lufteinschlüsse, die die Spannungsfestigkeit herabsetzen. Hier bietet sich der Einsatz von syntaktischem Schaum an - einer Schaumart, in der die Hohlräume in dem Polymer nicht mehr durch Aufschäumen, sondern durch hohle Füllstoffe eingebracht werden. In dem betrachteten Schaum werden mikroskopische Glashohlkugeln und Epoxidharz zu einem harten geschlossenporigen Material verarbeitet, dessen Gewicht im Vergleich zu Epoxidharz um bis zu 40 % reduziert werden kann. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Materials können durch die Wahl geeigneter Kugelgrößen und -füllgrade auf die gewünschte Anwendung angepasst werden. Die elektrischen Durchschlagmechanismen des Materials bei kurzzeitiger Gleichund Wechselspannungsbelastung wurden im Rahmen vorangegangener Untersuchungen bereits analysiert. Aufgrund der ermittelten hohen elektrischen Durchschlagfeldstärken im Bereich 20 kV/mm bis 40 kV/mm im Wechsel- und Gleichspannungsfeld konnte das Material kommerziell zur elektrischen Isolierung hoher Gleichspannungen eingesetzt werden. Aufgrund guter Erfahrungen wird ein breiter Einsatz des Materials in verschiedenen Gleichspannungsanwendungen angestrebt. Dafür müssen sowohl die Einschwingvorgänge, die direkt nach Aufschalten eines elektrischen Feldes auftreten, als auch die Alterungsprozesse im Material bekannt sein. In dieser Arbeit werden Materialkennwerte sowie Einflusskriterien auf den elektrischen Durchschlag in syntaktischem Schaum für die Zeitbereiche des transienten Einschwingvorgangs des elektrischen Feldes und einer elektrischen Langzeitbelastung bis 9000 h experimentell ermittelt. Unterstützend wird die elektrische Feldverteilung im Materialinneren mittels Feldsimulationen analysiert. Anhand der Ergebnisse wird abschließend das bestehende Durchschlagsmodell im syntaktischen Schaum erweitert. In Verbindung mit den bekannten Materialeigenschaften und Durchschlagsprozessen im Kurzzeitbereich kann somit das Materialverhalten von syntaktischem Schaum auf Epoxidharzbasis bei Gleichspannungsbelastung charakterisiert werden. Somit wird die Grundlage zum Einsatz des Materials in einem weiten Spektrum von Gleichspannungsbetriebsmitteln, von Komponenten der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ bzw. HVDC) bis hin zu mobiler Prüftechnik, geschaffen.