Untersuchung der dielektrischen und thermischen Eigenschaften fester Isolierstoffe bei Beanspruchung mit hochfrequenter Hochspannung

Projektleitung

  Name Kontakt
Michael Kempf M.Sc.
+49 6151 16-20445
S3|21 410

Hintergrund

Schematische Lebensdauerkennlinie (schwarz), sowie ein potentieller Verlauf bei Belastung mit hochfrequen- ter Hochspannung (rot)

Sowohl im Bereich der Hochspannungstechnik, der elektrischen Maschinen als auch in der Leistungs- elektronik steigen die Anforderungen an verwendete Isoliermaterialien rapide an. Die Ursache besteht in der Verfügbarkeit von Wide-Bandgap-Leistungs- halbleitern, die sowohl höhere Schaltfrequenzen als auch eine etwa 10-fach (SiC) bis 100-fach (GaN) höhere Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung ggü. Si-Halbleitern sowie eine Erhöhung der Leistungs- dichte erlauben. Beide Trends führen dazu, dass die Isolierungen zunehmend mit höheren Feldstärken bei gleichzeitig höheren Frequenzen beansprucht werden. Im Bereich der Hochspannungstechnik sind die zunehmenden Anforderungen auf den steigenden Anteil an leistungselektronischen Komponenten (HGÜ, STATCOM) in den Energieversorgungsnetzen zurückzuführen. Dies hängt bspw. mit der vermehrten Integration von erneuerbaren Energien und der hierfür notwendigen Leistungs- elektronik zusammen. Als Folge dessen kommt es zu hochfrequenten Oberschwingungen im Stromnetz bis in den zweistelligen kHz-Bereich, welche zu einer Verzerrung der Spannungs- form führen. Somit werden auch in der Hochspannungstechnik nicht nur hohe Feldstärken, sondern zusätzlich dauerhaft hohe Frequenzen relevant für die Lebensdauer eines Isolier- systems.

Zusammenfassend kann daher gesagt werden, dass bekannte Lebensdauerkennlinien (vgl. Abbildung oben) nicht auf eine kombinierte Beanspruchung mit hoher Feldstärke und gleichzeitig hoher Frequenz bis in den MHz-Bereich übertragen werden können.

Erzeugung hochfrequenter Hochspannung

Konzept zur Erzeugung hochfrequenter Hochspannung nach dem Resonanprinzip

Für die Erzeugung kontinuierlicher, hochfrequenter Hochspannung mit Frequenzen bis in den MHz-Bereich und Amplituden von mehreren Kilovolt können wegen der hohen Verluste keine üblichen Hochspannungstransformatoren mit Eisenkern verwendet werden. Üblicherweise werden in der Mittel- und Hochfrequenztechnik Ferrit- oder Eisen- pulverkerne für Transformatoren bzw. Übertrager verwendet. Diese sind bei den nötigen Leistungen allerdings nur für Betriebsfrequenzen bis ca. 100 kHz geeignet. Ein weiteres Problem stellt die (dünne) Isolierung der einzelnen Windungen der Hochspannungswicklung dar, welche der hochfrequenten Hochspannung auf Dauer nicht standhalten kann.

Für Frequenzen oberhalb von 100 kHz stellen Resonanzkreise mit vorgeschaltetem Wechsel- richter eine geeignete Alternative zu der herkömmlichen Erzeugung von Hochspannung dar, aus denen die benötigte Prüfspannung ausgekoppelt wird. Diese haben die folgenden Vorteile gegenüber der klassischen Hochspannungserzeugung mittels Transformator:

  • Geringer Leistungsbedarf durch Resonanzüberhöhung
  • Einfache Erzeugung durch leistungselektronische Verstärkerschaltung
  • Wenig Oberschwingungen durch Filterwirkung des Resonanzkreises
  • Möglichkeit zur Erzeugung hochfrequenter Hochspannung im MHz-Bereich
  • Durchschlag / Versagen des Prüflings führt zu einer Verstimmung des Resonanzkreises, sodass keine hohen Strom- und Spannungsamplituden mehr auftreten

Messgrößen und Messprinzip

Im Rahmen der dielektrischen Untersuchungen soll sowohl der Verlustfaktor (als Kenngröße der dielektrischen Verluste) sowie die Permittivität bzw. die Kapazität als auch die Durch- schlagfeldstärke verschiedener Isolierstoffproben in Abhängigkeit der Frequenz und der anliegenden Spannung ermittelt werden.

Dafür werden die Stromverläufe sowohl im Prüflingspfad als auch in einem Referenzpfad gemessen und über einen Vektor-Network-Analyzer hinsichtlich ihrer Amplituden und ihres Phasenversatzes zueinander ausgewertet. Die Messung der hochfrequenten Hochspannung wird über einen kapazitiven Spannungsteiler realisiert, welcher vollständig aus Vakuumkondensatoren besteht.

Vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Versuchsstandes zur Durchführung dielektrischer Untersuchungen an festen Isolierstoffen mit hochfrequenter Hochspannung

Zielsetzung

Übersicht der Abhängigkeiten zwischen den dielek- trischen Verlusten, den dielektrischen Kenngrößen sowie weiteren Einflussfaktoren

Die vorliegenden Kenntnisse zu dem Verhalten von Isolierstoffen bis in den Frequenzbereich von einigen MHz in Kombination mit hohen elektrischen Feldern, wie sie von modernen leistungselektronischen Schaltungen angestrebt werden, sind vollkommen unzureichend, um systematische Aussagen über die Belastbarkeit, das Isolationsversagen oder die Alterung tätigen zu können. Insbesondere die frequenz-, feldstärke- und temperaturabhängigen dielektrischen Verlustmechanismen müssen einem besseren Verständnis zugeführt werden.

Zur Sicherstellung eines zuverlässigen und langfristigen Einsatzes von Isolierwerkstoffen unter der Belastung hoher hochfrequenter Felder, sollen neue Ansätze und Methoden in Form von aufeinander abgestimmten experimentellen Untersuchungen und begleitenden FEM-Simulationen für ausgewählte Isoliermaterialien durchgeführt werden. Das Ziel der Untersuchungen ist es die komplexen Zusammenhänge sowohl zwischen den dielektrischen als auch den thermischen Eigenschaften und Beanspruchungsfaktoren wie der Frequenz, der Feldstärke und der Temperatur grundlegend besser zu verstehen.

Medien

Oberflächenentladung

Prüfling: Epoxidharz

  • Frequenz: 50 kHz
  • Spannungshöhe: 0 kV bis 7 kV (r.m.s.)
  • Spannungsform: Sinus (kontinuierlich)

Thermischer Durchschlag

Prüfling: Epoxidharz

  • Frequenz: 3,5 MHz
  • Spannungshöhe: 2,8 kV (r.m.s.)
  • Spannungsform: Sinus (kontinuierlich)
  • Zeit bis zum DS: ca. 4 Sekunden