Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften fester Isolierstoffe bei Beanspruchung mit hochfrequenter Hochspannung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Myriam Koch
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536682752

Die Anforderungen an feste Isoliermaterialien im Bereich der Energietechnik steigen infolge einer vermehrten Integration leistungselektronischer Komponenten in den Energieversorgungsnetzen sowie einer steigenden Verfügbarkeit von Wide-Bandgap-Halbleitern stetig an. Beide Trends führen dazu, dass Isoliermaterialien höheren Feldstärken bei zeitgleich höheren Frequenzen ausgesetzt werden, wodurch sowohl deren Kurz- als auch Langzeitverhalten beeinflusst werden kann. Der aktuelle Kenntnisstand zum Verhalten von Isolierstoffen bis in den Frequenzbereich von einigen MHz in Kombination mit hohen elektrischen Feldern, wie sie von modernen leistungselektronischen Schaltungen angestrebt werden, ist nicht ausreichend, um systematische Aussagen über die Belastbarkeit, das Isolationsversagen oder die Alterung tätigen zu können. Insbesondere die frequenz-, feldstärke- und temperaturabhängigen dielektrischen Verlustmechanismen müssen besser verstanden werden. Daher sollen in diesem Projekt neue Ansätze und Methoden in Form von aufeinander abgestimmten dielektrischen und Alterungsuntersuchungen an ausgewählten Isoliermaterialien mit hochfrequenter Hochspannung durchgeführt werden. Dazu werden im ersten Schritt Versuchsstände zur Erzeugung hochfrequenter Hochspannung mit Frequenzen bis 10 MHz und Amplituden bis ca. 20 kV aufgebaut. Für Frequenzen bis 50 kHz werden hierfür Hochfrequenz-Hochspannungstransformatoren verwendet. Für Frequenzen zwischen 50 kHz und 10 MHz wird die Erzeugung der hochfrequenten Hochspannung über Serienresonanzkreise realisiert, welche über Wechselrichter in Resonanz angeregt werden. Im zweiten Schritt sollen dielektrische Untersuchungen an festen Isoliermaterialien unter dem Einfluss hochfrequenter Hochspannung durchgeführt werden. Im Fokus der dielektrischen Untersuchungen steht ein besseres Verständnis der komplexen Zusammenhänge sowohl zwischen den dielektrischen als auch den thermischen Eigenschaften und Beanspruchungsfaktoren wie der Frequenz, der Feldstärke und der Temperatur. Neben der Durchschlagfeldstärke sollen dielektrische Kenngrößen wie der Verlustfaktor und die Permittivität während einer Belastung mit hochfrequenter Hochspannung über einen Referenzpfad in Abhängigkeit von Feldstärke und Frequenz gemessen werden. Im letzten Schritt soll geklärt werden, wie sich die Belastung der Isolierstoffe mit hochfrequenter Hochspannung auf deren Alterungsverhalten auswirkt. Dafür werden dielektrische Spektroskopien der Materialproben sowohl ohne Vorbelastung als auch nach Belastung mit hochfrequenter Hochspannung durchgeführt, um den Einfluss der Belastung mit hochfrequenter Hochspannung auf die dielektrischen Kenngrößen der Materialien zu charakterisieren. Abschließend werden nach der Materialalterung weitere Durchschlagsversuche durchgeführt, um Rückschlüsse auf die Lebensdauerkennlinien der jeweiligen Materialien in Abhängigkeit der Vorbelastung (Kombination aus Frequenz und Feldstärke) zu ziehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Volker Hinrichsen