Mit der Energiewende und der damit verbundenen verstärkten Nutzung von regenerativen Energien und effizienten Energieversorgungssystemen nimmt die Anwendung der Gleichstromtechnik stark zu. Zur Anbindung erneuerbarer Energieanlagen und Kopplung zwischen Gleichspannungsnetzen werden leistungselektronische Stromrichter genutzt. Die Schaltfrequenzen leistungselektronischer Topologien reichen in der Regel bis zu 100 kHz (Mittelfrequenz). Dadurch können Spannungen auftreten, die einen unterlagerten Gleichspannungsanteil und einen überlagerten Wechselspannungsanteil aufweisen. Diese Spannungsform wird als Mischspannung bezeichnet. Für die wissenschaftlichen Untersuchungen wird eine sinusförmige mittelfrequente Wechselspannung einer Gleichspannung überlagert. Entladungen an dielektrischen Grenzflächen von Isoliersystemen bei dieser Mischspannungsform besitzen ein großes Zerstörungspotential. Sie sind Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit. Es werden verschiedene Wirkungen von Entladungen an der dielektrischen Grenzfläche zwischen Luft und Polyethylen bei Mischspannung untersucht. Dabei wird die elektrische Durchschlagfestigkeit der dielektrischen Grenzfläche beim Auftreten von Teilentladungen (direkte Wirkung) und die Aufladung der dielektrischen Grenzfläche durch Teilentladungen (indirekte Wirkung), die zu einer erhöhten elektrischen Feldbeanspruchung führt, bei Mischspannung bestimmt. Es zeigt sich der wesentliche thermisch-erosive Einfluss von Teilentladungen bei mittelfrequenter Spannung auf den Durchschlagsprozess eines Isoliersystems. Anhand der Entladungseinsetzspannung und der Entladungsanzahl bei Mischspannung wird das Zerstörungspotential aufgezeigt. Außerdem wird die Aufladung der dielektrischen Grenzfläche durch die bei den Entladungsvorgängen gebildeten Raumladungen bei Mischspannung gemessen. Die Änderung der elektrischen Feldstärke durch den Aufbau der Raumladungen beeinflusst die Entstehung von Entladungsprozessen und die Aufladung der dielektrischen Grenzfläche erheblich. Die Erkenntnisse der Aufladungsmessung werden durch Plasma-Simulationen mittels Finite-Elemente-Methode unterstützt. Diese Dissertation liefert somit wichtige Erkenntnisse zu den relevanten Wirkungen von Entladungen auf dielektrische Grenzflächen bei mittelfrequenten Mischspannungen. Die Kenntnis dieser Wirkungen können als Basis für Alterungsuntersuchungen genutzt werden.
Due to new technological possibilities and an increasing number of renewable energies and efficient energy supply systems, the application of direct voltage technology is growing strongly. Power electronic converters can be used to connect renewable energy systems to direct voltage energy grids. The switching frequencies of power electronic topologies usually range up to 100 kHz (medium frequency). This can result in voltages consisting of a subordinated direct voltage component and a superimposed alternating voltage component. This voltage form is referred to as a composite voltage. For the scientific investigations, a direct voltage and a superimposed sinusoidal medium-frequency alternating voltage is used.
Discharges at dielectric interfaces of insulating systems at this composite voltage form have a large destruction potential. They are the subject of investigation in this work. Different effects of discharges at the dielectric interface between air and polyethylene at composite voltages are investigated. The dielectric strength of the dielectric interface stressed by partial discharges (direct effect) and the charging of the dielectric interface (indirect effect) at composite voltage are determined.
The significant thermal-erosive influence of partial discharges at medium-frequency voltage on the breakdown process of an insulating system is shown. The destruction potential is pointed out based on the discharge inception voltage and the discharge number at composite voltage.
In addition, the charging of the dielectric interface by the space charges formed during the discharge processes at composite voltage is measured. The change in electric field strength due to the buildup of the space charges significantly affects the formation of discharge processes and the charging of the dielectric interface. The results of the charge measurement are supported by plasma simulations using finite element method.
This dissertation provides important insights into the relevant effects of discharges at dielectric interfaces at medium-frequency composite voltages. The knowledge of these effects can be used as a basis for aging studies.
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