Einsatz von elastischen Schäumen in der Hochspannungstechnik

Die Anforderungen an Isoliermaterialien in der Energietechnik unterliegen einem massiven Wandel. Neben der stets geforderten Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer von Isoliersystemen müssen diese in der Zukunft eine höhere Kompaktheit, eine geringere Dichte und eine Zusammensetzung aus umweltfreundlichen Komponenten aufweisen.
Ein nicht brennbarer Feststoff ist im Gegensatz zu flüssigen oder gasförmigen Isolierstoffen unempfindlich gegen Leckagen des Gehäuses und wirkt somit nicht umweltgefährdend im Fehlerfall. Ist dieser Isolierstoff zudem elastisch und kompressibel, so wird er unempfindlich gegenüber thermischen Lastzyklen, die bei herkömmlichen Feststoffisolierungen zu Rissbildung führen können.
Elastische syntaktische Schäume stellen ein solches Isoliermaterial mit den geforderten Eigenschaften dar. Sie bestehen aus einer Silikonmatrix mit eingebrachten, gasgefüllten Mikrohohlkugeln mit einem mittleren Durchmesser von einigen 10 μm als Füllstoff. Durch die gezielte Anpassung der Zusammensetzung, wie zum Beispiel die Wahl des Mikrohohlkugeltyps, der Beschichtung und des Füllgrads, können die Materialeigenschaften hinsichtlich der gewünschten Anwendung in der Hochspannungstechnik optimiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden mechanische und physikalische Eigenschaften elastischer syntaktischer Schäume in Abhängigkeit der Zusammensetzung betrachtet. Ein Schwerpunkt hierbei liegt auf den elektrischen Eigenschaften dieses Materials im Kurzzeitbereich. Aus den Untersuchungsergebnissen werden Erkenntnisse abgeleitet, die das Verhalten unter elektrischer Feldbelastung beschreiben. Der Fokus hierbei liegt in der Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der Prozesse, die während eines elektrischen Durchschlags bei Gleich- und Wechselspannungsbelastung ablaufen.
Neben Parameterstudien zur Kurzzeitspannungsfestigkeit elastischer syntaktischer Schäume kommen für die Entwicklung des Durchschlagsmodells verschiedene bildgebende Verfahren zur Untersuchung an Entladungsstrukturen sowie simulatorische Untersuchungen über die Feldverteilung in diesem Material zum Einsatz. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass insbesondere eine Aneinanderreihung von Mikrohohlkugeln senkrecht zum äußeren elektrischen Feld eine deutliche Feldüberhöhung in der Silikonmatrix bewirkt. Die Kurzzeitspannungsfestigkeit elastischer syntaktischer Schäume liegt bedingt durch diese Feldüberhöhungen etwa 25 % unterhalb der des reinen Silikonelastomers.
Der Füllgrad der Mikrohohlkugeln sowie die Mikrohohlkugelgröße spielen in dem betrachteten Bereich eher eine untergeordnete Rolle. Einen signifikanten Einfluss hat die Mikrohohlkugelbeschichtung.
Eine anorganische Ummantelung der Kugelhülle bewirkt etwa eine Verdoppelung
der Spannungsfestigkeit. Optische Untersuchungen zeigen, dass Entladungen in der Regel im Silikonelastomer verlaufen, so dass insgesamt im Kurzzeitbereich bei Gleich– und Wechselspannung von einem rein elektrischen Durchschlag in der Silikonmatrix ausgegangen werden kann. Aufgrund der chemischen Stabilität des Silikons ist die Spannungsfestigkeit in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 100 °C konstant.
Die gesammelten Erkenntnisse und Modelle werden schließlich eingesetzt, um Designkriterien für elastische syntaktische Schäume abzuleiten und Möglichkeiten aufzuzeigen, das Material hinsichtlich der geforderten Eigenschaften in Abhängigkeit des Anwendungsfalls zu optimieren.