Dielectric behaviour of insulating papers subjected to mixed electric fields

Die Auswirkung der Spannungsform auf dielektrische Eigenschaften von Isolierstoffen, die in leistungselektronischen Umrichtern verwendet werden, ist eine Frage von praktischer Relevanz, die bisher nicht ausreichend untersucht ist. Die elektrische Isolation dieser Betriebsmittel kann einem elektrischen Mischfeld ausgesetzt werden, das aus einem mehrfrequenten Wechsel- und einem hohen Gleichanteil besteht. Durch die Wirkung eines hohen Mischfeldes ist das Auftreten feldabhängiger Effekte in einem Isoliermaterial möglich. In manchen Materialien kann es aufgrund eines hohen Gleichfeldes zur Erhöhung der Permittivität und des Verlustfaktors kommen. Solche Effekte können weder mit reinen Wechselspannungs- noch mit reinen Gleichspannungsmessungen aufgeklärt werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss von Gleichfeldern von bis zu 14 kV/mm auf die komplexe Permittivität von zellulosebasierten Isolierpapieren untersucht. Die Zellulose eignet sich durch die einzigartigen Eigenschaften eines Naturpolymers, das die Beobachtung von ionischen und dipolaren Relaxationsmechanismen ermöglicht. Die Untersuchungen basieren auf der Entwicklung experimenteller Aufbauten zur Messung der komplexen Permittivität mit einer hohen Mischspannung an nichtimprägnierten und ölimprägnierten Papierproben. Diese ermöglichen die Untersuchung des Einflusses sowohl der Wechsel- als auch der Gleichanteile des Mischfeldes. Effekte des Wassergehalts, der Temperatur und der elektrischen Kontaktierung des Isoliermaterials werden beschrieben. Frühere Untersuchungen zum Einfluss des Wassers auf dielektrische Eigenschaften der Zellulosepapiere werden im Kontext der hier behandelten Spannungsbeanspruchung bestätigt. Die durch das Gleichfeld verursachte Bewegung der freien Ionen im feuchten nichtimprägnierten Papier ist mit Entstehung eines separaten Peaks im Verlustspektrum verbunden. Weiterführende experimentelle Untersuchungen zur elektrischen Kontaktierung verdeutlichen, dass unter dem Einfluss sehr hoher lokaler Felder die elektrochemische Zersetzung von Wasser die Erzeugung freier Ionen bewirkt, vor allem Protonen. Das Auftreten eines Verlustpeaks aufgrund der Protonenbewegung wird mit dem Modell der zufälligen Potentialbarrieren beschrieben. Im trockenen Papier wird kein Einfluss des Gleichfeldes auf die komplexe Permittivität festgestellt. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die dipolaren Relaxationsmechanismen, die auf die Orientierung der Molekülgruppen der Zellulose zurückzuführen sind, beim Anlegen eines externen Gleichfeldes nicht beeinflusst werden. Die Imprägnierung mit Öl verändert das dielektrische Verhalten des Papiers. In Anwesenheit von Wasser erhöht sich die Permittivität des ölimprägnierten Papiers beim Anlegen eines Gleichfeldes aufgrund der Raumladung, die an den Grenzen mikroskopischer Ölspalte zwischen der Elektrode und dem Papier entsteht. In getrockneten Proben werden keine Änderungen der Permittivität aufgrund des Gleichfeldes festgestellt. Eine Erhöhung der Permittivität, die als Folge der Grenzflächenpolarisation zu erwarten wäre, tritt in dem getrockneten Papier bei Frequenzen zwischen 5 Hz und 1 MHz nicht auf. Die Messergebnisse lassen erkennen, dass sowohl in der trockenen Zellulose als auch im trockenen Öl keine nichtlinearen Effekte durch das Anlegen eines hohen Gleichfeldes der betrachteten Feldstärke auftreten.