Grundlegende Untersuchungen zur Alterung polymerer Isolierwerkstoffe bei verzerrten Spannungen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Kornhuber; Professor Dr.-Ing. Peter Schegner
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505291711

Die zunehmende Integration erneuerbare Energiequellen in die Energieversorgungssysteme führt dazu, dass immer mehr leistungselektronische Komponenten zum Einsatz kommen. Moderne leistungselektronische Betriebsmittel sind dabei durch hohe Schaltfrequenzen platzsparend, verlustarm und ermöglichen einen flexiblen Betrieb, der durch volatile erneuerbare Erzeuger erforderlich ist. Ein Beispiel ist der leistungselektronische Transformator (solid state transformer) der durch seine Kompaktheit prädestiniert für den Einsatz in mobilen Anwendungen, in Offshoreanlagen sowie generell in Mittelspannungsnetzen ist. Durch das schnelle Schalten der leistungselektronischen Bauelemente können harmonische Überlagerungen entstehen, deren Frequenzen höher als die Netzfrequenz (50 Hz/60 Hz) sind und die somit die Netzspannung verzerren. Die Spannungsverzerrung hat Auswirkungen auf die in Betriebsmitteln eingesetzten Isolierwerkstoffe wie z. B. Epoxidharz und Silikon und beeinflusst deren Alterung. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird die Feld- und Teilentladungsalterung polymerer Isolierwerkstoffe bei nicht genormter, verzerrter Spannungsbelastung untersucht. An Modellanordnungen wird experimentell ermittelt, in welcher Weise die verzerrte Spannungsform die elektrische Alterung beeinflusst und welche Auswirkungen insbesondere auf die Alterungskennlinie zu beobachten sind. Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei auf den festen polymeren Isolierwerkstoffen Epoxidharz und Silikon, die unter anderem in leistungselektronischen Bauelementen oder in leistungselektronisch gesteuerten Mittelspannungsbetriebsmitteln zum Einsatz kommen. Die untersuchten Spannungsformen beinhalten sowohl netztypische Verzerrungen durch Harmonische als auch höherfrequente Überlagerungen, die durch Umrichter entstehen können. Basierend auf den erzielten Ergebnissen werden phänomenologische Alterungsmodelle weiterentwickelt, um die zusätzlichen Belastungen durch die verzerrten Spannungen nachzubilden. Durch die Zusammenarbeit der Hochschule Zittau / Görlitz (HSZG) und der Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik an der TU Dresden werden die bereits vorhandenen Kompetenzen im Bereich verzerrter Spannungen sowie der Feld- und Teilentladungsalterung vereint. Die Untersuchungen liefern wertvolle Ergebnisse, die generell zum besseren Verständnis der Alterungsvorgänge in polymeren Isolierwerkstoffen beitragen. Konkret wird die Zuverlässigkeit aktuell eingesetzter und zukünftiger Betriebsmittel verbessert, da über die weiterentwickelten Alterungsmodelle die zusätzliche Belastung durch verzerrte Spannungen miteinbezogen werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen