Untersuchung von Schädigungsmechanismen in syntaktischem Schaum bei elektrischer Belastung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Allgemeinverständliche Darstellung der wesentlichen Ergebnisse und der erzielten Fortschritte gegenüber dem Stand des Wissens zum Zeitpunkt der Antragstellung a) Allgemeine Einführung In Anlehnung an ihre schaumstoffartige Struktur werden mit Mikrohohlkugeln gefüllte Polymer-Harze als syntaktische Schäume bezeichnet. Sie zeichnen sich durch ein isotropisches Belastungsverhalten, eine geringe spezifische Dichte und eine für Schäume hohe mechanische Festigkeit aus. Da Gaseinschlüsse in Form eines Füllstoffes eingebracht werden, besteht die Möglichkeit, den mikroskopischen Aufbau des Materials und damit auch dessen Eigenschaften durch geeignete Wahl der Herstellungsparameter (z.B. Größe, Wandstärke und Volumenanteil der eingemischten Mikroholkugeln) direkt zu beeinflussen. Dadurch ist es möglich, „maßgeschneiderte" Werkstoffe zu entwickeln, die in der Lage sind, auch komplexe Anforderungen zu erfüllen. Eine konsequente Umsetzung dieses Konzepts in hochspannungstechnischen bzw. stark feldstärkebelasteten Anordnungen ist noch nicht erfolgt, weil bezüglich der elektrischen Eigenschaften des Materials und deren Beeinflussung durch unterschiedliche Parameter bislang nur wenige Untersuchungsergebnisse vorlagen. b) Resultate Im Rahmen der hier durchgeführten Arbeiten wurden die Dielektrizitätszahl, der Verlustfaktor, der spezifische Widerstand und die elektrische Durchschlagfestigkeit in Abhängigkeit unterschiedlicher Einflussparameter (Feuchtigkeit, Kugelabmessungen, Zusammensetzung des Kugelmaterials) bestimmt. Folgende Resultate konnten erstmals für syntaktische Schäume erzielt werden: 1. der Kugeldurchmesser und die Kugel Wandstärke der verwendeten Mikrohohlkugeln beeinflussen sowohl bei Gleich- als auch bei Wechselspannung die elektrische Festigkeit des Materials. 2. Schaum aus Hohlkugeln mit kleineren Durchmessern und dickeren Wandstärken zeichnet sich durch eine erhöhte elektrische Festigkeit aus. Bei einem Kugelvolumenanteil von 50% führt dies zu einer Steigerung der Durchschlagfeldstärke von 19 kV/mm auf bis zu 38 kV/mm bei Wechselspannungs- und von 26 k V/mm und maximal 58 kV/mm bei Gleichspannungsbelastung. 3. Die Dielektrizitätszahl des Schaums verändert sich ebenfalls in Abhängigkeit des verwendeten Kugeltyps und variiert zwischen 2,3 und 2,8. Dieser Effekt spielt somit in den meisten Anwendungen eine untergeordnete Rolle. 4. Erste Untersuchungen, bei denen in feuchter Umgebung gelagerte Glasmikrohohlkugeln für die Herstellung der Proben verwendet wurden, ergaben bei Gleichspannungsbelastung eine signifikante Erhöhung der elektrischen Kurzzeitfestigkeit. Aufgrund der Abhängigkeit der elektrischen Kurzzeitfestigkeit von den geometrischen Abmessungen der Kugeln wird vermutet, dass der Durchschlag in syntaktischem Schaum bei Wechselspannung durch Vorgänge im Inneren der Mikrohohlkugeln dominiert wird. Aus den Versuchsergebnissen kann ebenso gefolgert werden, dass bei einer Belastung mit Gleichspannung für eine Charakterisierung des Durchschlagverhaltens sowohl Grenzflächeneffekte als auch Vorgänge im Inneren der Mikrohohlkugeln berücksichtigt werden müssen. Es wurde gezeigt, dass bei Wechselspannungsbelastung Teilentladungen messbar sind, die auf entsprechende Aktivitäten in den Hohlräumen der Mikrohohlkugeln zurückzuführen sind. Diese Teilentladungsaktivität kann eine Schädigung der Material Struktur verursachen, die bei einer anhaltenden elektrischen Belastung mit hohen Feldstärken von einigen Sekunden bereits einen elektrischen Durchschlag des Materials zur Folge hat. Durch eine kombinierte Analyse von Teilentladungsuntersuchungen und REM-Aufnahmen dieser Schädigungsstrukturen konnten die Vorgänge zur Schädigung des Schaummaterials nachvollzogen und ein Modellansatz für den Kurzzeit-Durchschlagmechanismus bei Wechsel Spannungsbelastung formuliert werden. Inwiefern die im Kurzzeitbereich ermittelten Forschungsergebnisse auch im Langzeitbereich Gültigkeit haben und welche weiteren Mechanismen bei einer dauerhaften Einwirkung von Hochspannung auf das Material zu berücksichtigen sind, ist Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Application of Syntactic Foam as High Performance Insulating Material: Microscopic and Electric Properties". 7th Philips HVDC Symposium, 25/26 Oktober 2005, Delft/Niederlande
Tröger, A.; Cornelissen, C.; Schnettler, A.; Negle, H.
- "Investigation of Treeing Behaviour and Breakdown Mechanisms in Syntactic Foam". 15th International Symposium of High Voltage Engineering. 27. - 31. August 2007, Ljubljana/Slowenien
Tröger, A.; Negle, H.; Heil, B.; Schnettler, A.
