Untersuchungen der inneren und äußeren Festigkeit von Epoxidharzisoliersystemen

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Innere und äußere Festigkeit sind Anteile der dielektrischen Festigkeit eines Epoxidharzisoliersystems. Die Bewertung beider Anteile wird mit Hilfe von verschiedenen Messverfahren durchgeführt. Eine aussagekräftige Bewertung ist nur möglich nach der Trennung von störenden Einflüssen, die möglicherweise die Ergebnisse verfälschen können. Einflussparameter können die äußere und innere Festigkeit verändern, wobei die innere Festigkeit im Allgemeinen in Verbindung mit inneren Entladungen (Teilentladungen) und die äußere Festigkeit in Verbindung mit Überschlägen und (Korona) zu sehen ist.
Einflussparameter der inneren Festigkeit sind mechanische, elektrische oder thermische Belastungen. Die mechanische Belastung ist nur bedingt ein Einflussparameter der inneren Festigkeit in Epoxidharzisoliersystemen, da eine feste Verbindung zwischen Isolierung und Elektroden erreicht werden kann. Die elektrische Belastung ist dagegen der stärkste Einflussparameter der inneren Festigkeit, da die Leitungsverluste, Ionisationsverluste und Polarisationsverluste in Form von Teilentladungen oder Erwärmungen des Isolierstoffs Schädigungen bis zum vollständigen Durchschlag verursachen können. Eine thermische Belastung tritt in Verbindung mit einer elektrischen Belastung und/oder mit chemischen Reaktionen als Einflussparameter der inneren Festigkeit auf, da bei Überschreitung der thermischen Grenzen eine Veränderung des Isoliersystems und ein elektrischer Durchschlag erfolgt. Chemische Reaktionen wie Depolymerisation, zufällige Kettenabspaltung oder Abspaltung von Randgruppen können durch thermische und/oder elektrische Belastung zusätzlich angeregt werden.
Wesentlicher Einflussparameter der äußere Festigkeit ist die Länge des Kriechwegs, wobei eine Erhöhung des Kriechwegs durch Wahl der Konturen und der Form erreicht werden kann. Der Luftdruck hat auch einen Einfluss auf die äußere Festigkeit in Verbindung mit dem Durchschlagverhalten in Gasen. Die Temperatur trägt durch Konvektion, Kondensation oder Diffusion in Verbindung mit Feuchtigkeit und Fremdstoffen zur Beeinflussung der äußeren Festigkeit bei, wobei sich insbesondere Feuchtigkeit bei Belastung mit Gleichspannung auswirkt. Rauigkeit und Luftströmung sind weitere Einflussparameter der äußere Festigkeit. Das Aufeinandertreffen von drei verschiedenen Stoffen (Elektrode, Isolierung, Umgebungsgas) stellt eine kritische Situation in dem Winkel bezüglich des Entladungsverhaltens dar, wobei die Zuordnung der Materialen zueinander die wesentliche Einflussgröße darstellt.
Die äußere Festigkeit kann im wesentlich durch die Durchschlagsmechanismen in Gasen beschrieben werden, wobei die Ansammlung von Ladungsträger in Form von Lawinen zwischen den Elektroden in Abhängigkeit vom Elektrodenabstand, Gasdruck und Polarität der angelegten Spannung den Durchschlag beeinflussen. In Abhängigkeit der äußeren Bedingungen kann die Lawinenbildung in einer oder mehreren Generationen erfolgen. Für die innere Festigkeit sind andere Mechanismen verantwortlich, da die Durchschläge in Feststoffen in Abhängigkeit von der Größe und Dauer der angelegten Spannung Mechanismen wie Leitungsverluste, Ionisationsverluste und Wärmeverluste anregen, die dann zum Durchschlag führen können.
Die Messung des Isolationswiderstandes und des Verlustfaktors dient zur Bewertung der Verluste im Isolierstoff. Dieser Messungen sind aber nicht hinreichend geeignet für die Diagnose des Isolierstoffs in Anfangsstadium einer Schädigung, da aufgrund ihrer Empfindlichkeit nur eine grobe Bewertung des Isolierzustands möglich ist. Die Teilentladungs (TE)-Messung und die Messung des Polarisation- und Depolarisationsstrom sind empfindlicher und besser für eine Erkennung mikroskopischer Schädigungen geeignet, sodass die TE-Messung als Diagnosemethode von Schädigung in dieser Arbeit angewandt wurde. Unter bestimmten Umständen erlaubt die TE-Messung auch eine Ortung der Schädigungsstelle im Isolierkörper.
Epoxidharz wird grundsätzlich auf der Basis der Vernetzung eines Epoxidrings mit Katalysator oder Härter in Reaktionen von Homo- oder Hetero-Polymerisation hergestellt. Die verbreitete Benutzung von Epoxidharz auf der Basis von Bisphenol für elektrotechnische Zwecke ist wegen der guten dielektrischen Eigenschaften erklärbar. Allerdings werden die guten Eigenschaften von Epoxidharz auf Basis Bisphenol durch die Witterung beeinträchtigt, sodass der Einsatz von Zykloaliphatischen Epoxidharzen für Anwendungen in Freiluftanlagen notwendig ist, da diese eine bessere Beständigkeit gegen Witterung aufweisen, allerdings mit der Einschränkung in der Empfindlichkeit gegen Ultra Violett Licht (UV). Epoxidharz wird daher in Verbindung mit Füllstoffen wie Quarzmehl für die Herstellung von Stützern für Innenraumanwendung eingesetzt.
In Verbindung mit Glimmer wird Epoxidharz für die Herstellung von Ständerstäben für rotierende Hochspannungsmaschinen verwendet. Weitere Füllstoffe im Epoxidharz werden genutzt, um bestimmte Kriechstromfestigkeit für äußere Isoliersysteme zu erreichen.
Die Prüflinge zur Bestimmung der inneren Festigkeit im homogenen und inhomogenen Feld wurden in eine Esterflüssigkeit eingetaucht, um äußere Entladung zu vermeiden und die Flüssigkeit als Wärmeübertragungsmedium zu verwenden. Diese Prüflinge wurden elektrisch unter 50 kV/cm bei inhomogener Feldanordnung oder 100 kV/cm bei homogener Feldanordnung gealtert. In der Praxis sind maximale Betriebsfeldstärken von 30 – 50 kV/cm üblich. Die Alterung der Prüflinge zur Untersuchung der inneren Festigkeit wurde in Belastungszeiten und Pausenzeiten unterteilt. Hohlräume treten in zufälliger Verteilung in Inneren der Prüflinge auf. Durch Änderung in der Leitfähigkeit oder im Gasdruck werden Zündungen der Hohlräume verändert, sodass ein unterschiedliches TE-Verhalten zu erwarten war. Durch die Belastung der Prüflinge wurden Änderungen in der Leitfähigkeit und dem Gasdruck generiert. Die Pausen in der Belastung der Prüflinge können ebenfalls Änderungen im Gasdruck und der Leitfähigkeit erzeugen, sodass auch hier mit einer Änderung des TE-Verhaltens zu rechnen war. Die TE-Messung für die Diagnose diesen Prüflingen wurde mit einem breitbandigen TE-Messgerät bei Spannungen von 0 kV bis 6 kV für 160 s mit einer minimalen Empfindlichkeit für die scheinbare Ladung von 10 pC durchgeführt. Wegen der zufälligen Verteilung der Hohlräume lassen die TE-Messungen nicht immer eine Detektion der TE-Quelle zu. Bei der Trennung der Belastungs- und Pausenzeiten konnte in den Pausenzeiten eine Abnahme der TE-Einsetzspannung und TE-Aussetzspannung und eine Zunahme der TE-Impulsrate bei Prüflingen mit inhomogenem Feld unter elektrischer Belastung erkannt werden. Ursache für das Verhalten ist eine Abnahme des Gasdrucks in den Hohlräumen der Prüflinge während der Belastungspause. Mit Aufnahmen der Grenzfläche zwischen Elektrode und Isolierung der Prüflinge mit homogenem Feld unter elektrischer Belastung konnten die Entwicklung und die Verkohlung des Durchschlagkanals, die amorphen Strukturen des Epoxidharzes und Teilchen aus den Elektroden erkannt werden, wobei die Durchschlagkanäle in mehreren Bahnen parallel zum elektrischen Feld verlaufen. Die Anzahl der Hohlräume erschwerte eine Bewertung der TE-Messung bei Prüflingen mit homogenem Feld unter elektrischer Belastung.

Eine thermische Belastung wurde bei 80 °C durchgeführt, die als Grenze der Glasumwandlungstemperatur für dieses Epoxidharzsystem zu betrachten ist. Die Trennung der TE-Messung nach Pausenzeiten und Belastungszeiten ergibt klare Ergebnisse bei der thermische Belastung von Prüflingen mit homogenem und inhomogenem Feld, da die Abnahme der TE-Einsetzspannung und TE-Aussetzspannung immer in Verbindung mit einer Pause auftrat, während die Zunahme der TE-Einsetzspannung und TE-Aussetzspannung immer mit einer Belastung verbunden war. Die Streuung der TE-Impulsrate ist durch die Änderung in der Geometrie der Hohlräume infolge der thermischen Belastung zu erklären.

Eine elektrothermische Belastung wurde mit 50 kV/cm für das inhomogene Feld und 100 kV/cm für das homogene Feld bei einer Temperatur von 80°C durchgeführt. Die Analyse der elektrothermischen Belastung an Prüflingen mit homogenem und inhomogenem Feld ergibt anhand der TE-Einsetzspannung, TE-Aussetzspannung und TE-Impulsrate keine klaren Erkenntnisse. Für Prüflinge mit inhomogenem Feld ist eine dominierende Wirkung der thermischen Belastung zu erkennen. Aufnahmen der Grenzfläche zwischen Elektrode und Isolierung von Prüflingen mit homogenem Feld zeigen den Durchschlagkanal in Form eines Loches. Zusätzlich wurde eine weiße Substanz in dem Durchschlagkanal gefunden, die durch ihre scheinbare kristalline Struktur auf einen salzartigen Stoff hindeutet. Die TE-Einsetzspannung von Prüflingen mit homogenem Feld zeigt einen stabilisierten Bereich für Zeiten mit Belastung, die auf die Entstehung neuer TE-Kanäle hindeutet. Die TE-Impulsrate zeigt eine exponentiell ähnliche Abnahme der Werte für Zeiten mit Belastung, die in Verbindung mit der Bildung von größeren Hohlräumen steht oder von Hohlräumen, die unwirksam während der Belastung bleiben.

Zahlreiche Untersuchungen des Alterungsverhaltens mit 50 Hz. wurden durch viele Autoren durchgeführt. Eine Erhöhung der Frequenz um den Faktor 10 sollte eine schnellere Schädigung hervorrufen. Daher wurden Ständerstäbe zur Alterung mit einer Wechselspannung mit 500 Hz beansprucht. Die Spannungserzeugung erfolgte mit einem Spannungszwischenkreisumrichter und einer anschließenden Filterung. Die Alterungsspannung betrug 10 kV, was der Nennspannung für diese Ständerstäbe entspricht. Die elektrothermische Belastung für die Ständerstäbe erfolgt ebenfalls mit 10 kV aus derselben Spannungsquelle bei einer maximalen Temperatur von 60°C, die der Betriebstemperatur für diese Ständerstäbe entspricht. Die Alterung der Ständerstäbe mit 500 Hz zeigte eine deutliche Schädigung des Außenglimmschutzes für die elektrische und elektrothermische Belastung, wobei diese Schädigung bei Belastung mit 50 Hz nicht auftritt. Die TE-Messung für die Diagnose dieser Prüflinge wurde ebenfalls mit einem breitbandigen TE-Messgerät bei Spannungen von 0 kV bis 10 kV für 160 s mit einer minimalen Empfindlichkeit für die scheinbare Ladung von 100 pC durchgeführt. Die TE-Einsetzspannung, TE-Aussetzspannung zeigen für eine elektrische Belastung einen starken Anstieg nach einer langen Pause, während bei der TE-Impulsrate ein deutlicher Abfall nach einer langen Pause zu erkennen ist, der auf Änderungen in Hohlräume hindeutet. Bei einer thermischen Belastung treten die TE-Parameter in komplexer Form auf. In Einzelfällen sind extreme hohe TE-Impulsrate mit langen Pausen und kurzen Belastung verknüpft. Die elektrothermische Belastung zeigt ebenfalls ein komplexes Verhalten, das nicht mit einer direkten Überlagerung der elektrischen und thermischen Belastungen erklärbar ist. Die TE-Impulsrate zeigt einen deutlichen Anstieg mit der Belastungszeit. Nach einer langen Pause fällt die Impulsrate jedoch stark ab.

Die Prüflinge für Untersuchungen der äußeren Festigkeit wurden mit Gleichspannung belastet, da zahlreiche Untersuchungen mit Wechselspannung bereits vorlagen. Die Rauigkeit dieser Prüflinge wurde variiert, indem Konturen senkrecht, parallel und kreisförmig mit Schmirgelpapier P400, P100 und P40 hergestellt wurden. Ergänzend wurde eine Luftströmung für Untersuchungen der äußeren Festigkeit aus einem Luftverdichter und einer Düse mit Luftgeschwindigkeiten von 0,5 m/s bis 40 m/s eingesetzt. Bei den Untersuchungen wurde festgestellt, dass Füllstoffe unterschiedliche Spuren auf der Oberfläche der Prüflinge bei der Ermittlung der äußeren Festigkeit verursachen. Bei Prüflingen des Füllstoffes Typ M traten baumförmige Spuren auf, während für Prüflinge mit Füllstoff Typ K verkohlte Bereiche erschienen. Dieses Verhalten deutet auf einen Einfluss der Wärmeleitfähigkeit durch Geometrie und Material des Füllstoffes hin. Konsekutive Überschläge an einem Prüfling verursachen eine Verminderung der Überschlagspannung. Nach einer Lagerung ist dieser Verminderung nicht mehr vorhanden. Eine Reinigung der Oberfläche beeinflusst allerdings nur gering das Verhalten nach der Lagerung, was auf einen langsamen Abbau der Ladung hindeutet.
Die Oberflächenrauigkeit hat einen positiven Effekt auf die Überschlagspannung, sofern die Rauigkeit bestimmte Grenzen bei der Bearbeitung mit Schmiergelpapier P40 nicht erreichte. Bei Überschreitung eines Grenzwertes ist keine Erhöhung der Überschlagspannung zu beobachten, da sich der Durchschlagkanal nicht mehr über die Oberfläche ausbildet. Kreisförmige Konturen der Rauigkeit zeigen höhere Überschlagspannungen als senkrechte oder parallel zur Feldrichtung verlaufende Konturen der Rauigkeiten. Allerdings ist auch hier eine maximale Rauigkeit zu erkennen.
Eine Luftströmung verursacht eine Entfernung der Ladungsträger von der Oberfläche und daher eine Zunahme der Überschlagspannung. Die Zunahme der Überschlagspannung mit der Luftströmung ist unabhängig von der Polarität der angelegten Gleichspannung. Die Füllstoffe zeigen Unterschiede in der Überschlagspannung. Ebenso haben der Übergang zwischen turbulenter und laminarer Strömung sowie die Oberflächenbeschaffenheit des Materials Einfluss auf die Überschlagspannung. Bei einer Luftströmung erfolgt der Überschlag zwischen den Elektroden oberhalb der Materialoberfläche und wird somit vom Material nicht mehr beeinflusst.