Analyse der elektrischen Durchschlagmechanismen in syntaktischen Schäumen

Tröger, Karl Alexander; Schnettler, Armin

doi:3034

Analyse der elektrischen Durchschlagmechanismen in syntaktischen Schäumen = Analysis of electrical breakdown mechanisms in syntactic foams

Tröger, Karl Alexander (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Karl Alexander Tröger

ImpressumAachen : Mainz 2009

Umfang147 S. : graph. Darst.

ISBN3-86130-674-3

ReiheAachener Beiträge zur Hochspannungstechnik ; 11

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Schnettler, Armin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-07-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-30342
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63749/files/Troeger_Alexander.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Hochspannungstechnik (614210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Schaumkunststoff (Genormte SW) ; Aachen / Institut für Allgemeine Elektrotechnik und Hochspannungstechnik (Genormte SW) ; Elektrischer Durchschlag (Genormte SW) ; Hochspannungsisolierung (Genormte SW) ; Füllstoff (Genormte SW) ; Teilentladung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Mikrohohlkugeln (frei) ; Mikrohohlräume (frei) ; Isolierstoffe (frei) ; syntaktischer Schaum (frei) ; micro bubbles (frei) ; micro voids (frei) ; insulating material (frei) ; syntactic foam (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei der Entwicklung von Geräten und Anlagen der Hochspannungs- und Energietechnik ist neben den Anforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Funktionalität und langer Lebensdauer auch eine möglichst leichte und kompakte Bauweise ein immer wichtiger werdendes Kriterium. Dies gilt insbesondere für transportable oder bewegte Systeme. Da sowohl der generelle Aufbau als auch die Verschaltung eines elektrischen Systems in den meisten Fällen keine Optimierung in Bezug auf Gewicht und Volumen zulassen, ohne dass die Funktionalität eingeschränkt werden muss, wird häufig versucht, die Gewichtseinsparung und die kompaktere Bauweise durch Verwendung eines möglichst leichten und leistungsfähigen Isoliersystems zu erzielen. Hierbei bietet sich der Einsatz von syntaktischen Schäumen an. Die Herstellung dieses Materials erfolgt durch das Einbringen von gasgefüllten Hohlkugeln mit einem Maximaldurchmesser von weniger als 200 µm in ein geeignetes Polymer. Durch die Variation unterschiedlicher Herstellungsparameter, wie zum Beispiel der Größe und dem Volumenanteil an Hohlkugeln, ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs (spezifische Dichte, Festigkeit etc.) den gestellten Anforderungen anzupassen. Inwiefern diese Parameter die elektrischen Eigenschaften des Materials beeinflussen, ist hingegen nicht bekannt. In dieser Arbeit werden deswegen die elektrischen Eigenschaften eines syntaktischen Schaums auf Basis von Epoxidharz als Matrix und Glashohlkugeln als Füllstoff für den Kurzzeitbereich ermittelt und untersucht, welche Effekte sich bei einer gezielten Variation verschiedener Herstellungsparameter ergeben. Schwerpunkt der Untersuchungen sind hierbei die elektrische Festigkeit und das Teilentladungsverhalten des Schaums. Bei einer Überbelastung von syntaktischem Schaum mit hohen Gleich- und Wechselspannungen kommt es vor dem Durchschlag zu Schädigungen in der Materialstruktur, die in weiteren Messreihen dokumentiert und mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen analysiert werden. Die gesammelten Erkenntnisse werden abschließend dazu verwendet, um ein heuristisches Modell für den elektrischen Durchschlag im Kurzzeitbereich zu entwickeln und die Plausibilität der dabei getroffenen Annahmen anhand von Modellrechnungen zu verifizieren.

Functionality, a long lifetime and a high reliability are still key requirements for the development of high voltage apparatus and equipment. In addition to these properties, also a light and compact design is becoming more and more important. This trend can especially be observed in the case of mobile or moving systems. An optimization in respect to volume and weight can often not be achieved by modifying the general assembly and the circuitry. This measure normally leads to a constraint of its functionality. A popular alternative to reduce the size and the weight of equipment is therefore to apply a lighter and more efficient insulation system. A promising possibility for the fulfillment of this task is the utilization of syntactic foam as insulating material. Syntactic foam is produced by mixing hollow and gas-filled spheres with a diameter of less than 200 µm into a suitable polymer. By changing production parameters like the volume ratio and the diameter of the hollow spheres, the mechanical properties of the material (specific gravity, mechanical strength etc.) can be modified and adjusted to the requirements of the application. The influence of a parameter modification on the electrical properties of syntactic foam is by contrast not known. The electrical properties of syntactic foam on the basis of epoxy resin and glass hollow spheres as well as the effect of different production parameters on its electrical behavior are determined in this work. The effect of different production parameters on the electrical behavior is also tested with focus on the determination of the short-time electrical strength and the partial discharge behavior of the foam. High AC- and DC- overloads lead to an electrically inflicted damage of the foam structure which precedes breakdown. The processes that electrically inflict damage on the material are documented in further experiments. Their detection and analysis is achieved with the help of scalar electron microscope pictures. On the basis of the presented research results, a heuristic model of the electrically triggered breakdown mechanisms is developed, concluding with a plausibility check of the made assumptions.

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