Quantitative Modellierung von Oberflächenentladungen an Polyethylen- Feststoffbarrieren in Luft

Abstract:
Kenntnisse über das Ausbreitungsverhalten von Oberflächenentladungen entlang dielektrischer Barrieren sind als Grundlage für die Dimensionierung von Komponenten der elektrischen Energietechnik mit Feststoff - Isoliergas - Grenzflächen von enormer Bedeutung. Feststoffbarrieren kommen unter anderem zur Anwendung, um eine Entladungsausbreitung zu begrenzen. Um die Geometrie einer solchen Barriere ermitteln und optimieren zu können, muss das Entladungsverhalten physikalisch verstanden und eine anwendungsnahe, quantitative Berechnungsgrundlage vorhanden sein. Im Rahmen dieser Veröffentlichung wird ein 2-dimensionales, physikalisches Modell zur Ausbreitung von Oberflächenentladungen auf dielektrischen Barrieren am Beispiel einer Polyethylenbarriere in Luftumgebung vorgestellt. Es beruht auf einem Energieansatz bei dem davon ausgegangen wird, dass eine sich ausbreitende Oberflächenentladung einen geringen Spannungsabfall je Ausbreitungslänge benötigt und im wesentlichen aus dem Kapazitätszuwachs der transienten Elektrodenvergrösserung gespeist wird. Um eine Entladungsausbreitung zu vermeiden müssen zwei Kriterien erfüllt sein: Erstens muss der Kapazitätszuwachs der sich ausbreitenden Entladungsfläche unter den zur Entladungsausbreitung notwendigen, minimalen Energiezuwachs abfallen und zweitens darf an keiner Stelle im Isoliervolumen die kritische Zündfeldstärke für eine Entladung überschritten werden. Im Rahmen von Prinzipexperimenten mit einfachen Barrierengeometrien (Wandstrukturen mit Richtungsänderung der Entladungsausbreitung um 90 Grad) werden die zwei Kriterien quantitativ bestimmt. Die daraus resultierenden Berechnungsvorschriften werden dann anhand komplexer T-Barrierengeometrien (Richtungsänderung der Entladung um 180 Grad) verifiziert. Es zeigt sich, dass erstens die zum Überspringen einer Barriere notwendige treibende Spannung mindestens U ? k / ?(minimaler Kapazitätszuwachs pro Fläche) betragen muss und zweitens zu keinem Zeitpunkt die kritische Feldstärke im Gasraum an einem entladungsfreien Ort überschritten sein darf.