Ralf Kotte (Autor) Untersuchungen zur elektrotechnischen Nutzung hochwärmebeständiger Reaktionsharzformstoffe

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1 Ralf Kotte (Autor) Untersuchungen zur elektrotechnischen Nutzung hochwärmebeständiger Reaktionsharzformstoffe Copyright: Cuvillier Verlag, Inhaberin Annette Jentzsch-Cuvillier, Nonnenstieg 8, Göttingen, Germany Telefon: +49 (0) , Website:

2 Inhaltsverzeichnis V Inhaltsverzeichnis Übersicht... 1 Einleitung Materialien und Probekörper Grundlagen der Reaktionsharzformstoff-Technologie Reaktionsharzsysteme Epoxidharzsysteme Epoxidmodifizierte Isocyanatsysteme Füllstoffe Quarzmehl Quarzgutmehl Wollastonit Härtungsreaktion und Schwund Untersuchte Materialien Eigenschaften der Füllstoffe Physikalische Eigenschaften der Reaktionsharzformstoffe Dielektrische Eigenschaften der Reaktionsharzformstoffe Elektrodenanordnungen Probekörper mit Rogowski-Elektrodenkonfiguration Probekörper mit Nadel-Platte-Elektrodenkonfiguration Gießvorgang Aufbau und Durchführung der Versuche Versuchseinrichtungen Verwendete Prüfgefäße Aufbau zur Bestimmung der elektrischen Durchschlagfestigkeit Aufbau zur Bestimmung der Teilentladungs(TE)-Kenngrößen Versuchsdurchführung Bestimmung der Durchschlag- und TE-Einsetzspannung Bestimmung des TE-Verhaltens vor und nach thermischen Wechselbeanspruchungen Auswertung der TE-Kenngrößen...37

3 VI Inhaltsverzeichnis 3 Theoretische Grundlagen Leitungs- und Verlustmechanismen in hochpolymeren Isolierstoffen Bändermodell Gleichstromleitung Ladungsträgerbereitstellung Wechselspannungsverluste Einfluss der Frequenz, der Temperatur und der Feldstärke auf den Verlustfaktor und die Permittivität Raumladungen Struktureller Aufbau mineralisch gefüllter Reaktionsharzformstoffe Harzmatrix Füllstoff Harzmatrix-Füllstoff-Grenzfläche Ursachen und Wirkungen mechanischer Spannungen Entstehung von inneren mechanischen Spannungen Auswirkungen von mechanischen Spannungen Zerstörungsfreie Materialverspannungen Rissbildung und -ausbreitung Durchschlagprozesse in festen Isolierstoffen Elektrischer Durchschlag Wärmedurchschlag Elektromechanischer Durchschlag Erosionsdurchschlag TE-Vorgänge in festen Isolierstoffen TE in Hohlräumen Electrical Treeing Initialaufbruch TE-Aktivität und Kanalwachstum Darstellung und Diskussion der Versuchsergebnisse Elektrische Kurzzeitfestigkeit der Reaktionsharzformstoffe Durchschlagspannung im homogenen elektrischen Feld Einfluss der Temperatur Einfluss der Elektrodenoberfläche und der Schlagweite Durchschlagspannung im inhomogenen elektrischen Feld... 95

4 Inhaltsverzeichnis VII Einfluss der Temperatur Einfluss der Ausrichtung der Nadel-Elektrode Einfluss der Herstellungsparameter und der Vorbeanspruchung TE-Einsetzspannung im inhomogenen elektrischen Feld Einfluss der Temperatur Einfluss der Nachhärtetemperatur TE-Verhalten der Formstoffe vor und nach thermischen Wechselbeanspruchungen TE-Einsetzspannung TE-Kenngrößen Phasenaufgelöste TE-Muster Anzahl, mittlerer Ladungsinhalt, Erwartungswert und Energieinhalt der TE Zusammenfassung Schrifttum Zitierte Normen Lebenslauf

5 VIII Abkürzungen und Formelzeichen Abkürzungen und Formelzeichen 1-K-Anlage Ein-Komponenten-Gießanlage AKV Ankopplungsvierpol BADGE Bisphenol-A-diglycidylether DSC Differential Scanning Calorimetry ESZ ebener Spannungszustand EVZ ebener Verzerrungszustand Gew.-% Gewichtsprozent GT Gewichtsteil k. A. keine Angabe mech. mechanisch MDI Diphenylmethandiisocyanat min. minimal MTHPA Methyltetrahydrophtalsäureanhydrid REM Rasterelektronenmikroskop sil. silanisiert TE Teilentladung TEM Teilentladungsmessgerät TMA thermomechanische Analyse TTT Time-Temperature-Transition RT Raumtemperatur Syst. System therm. thermisch Vol.-% Volumenprozent a F A A R b e, b i c C C 0 C 1 C 2 C 3 C K C OS C US d d 50 d 95 d max D D n e E spezifische Füllstoffoberfläche Elektrodenfläche Richardson-Konstante Beweglichkeit von Elektronen und Ionen Konstante Kapazität Leerkapazität Kapazität des Hohlraums Kapazität des intakten Materials in Reihe zum Hohlraum Kapazität des intakten Materials parallel zum Hohlraum Koppelkapazität Oberspannungskapazität Unterspannungskapazität Korndurchmesser, Maschenweite des Prüfsiebes mittlerer Korndurchmesser oberer Korndurchmesser maximaler Korndurchmesser elektrische Verschiebungsdichte, Siebdurchgang Normalkomponente der elektrischen Verschiebungsdichte Elementarladung elektrische Feldstärke

6 Abkürzungen und Formelzeichen IX E D Durchschlagfeldstärke E D, em elektromechanische Durchschlagfeldstärke E krit kritische Feldstärke E max, Ê max maximale Feldstärke E mittel mittlere Feldstärke E M Elastizitätsmodul E M, F Elastizitätsmodul des Formstoffs E M, P Elastizitätsmodul sich gegenseitig anziehender Partikel E n Normalkomponente der elektrischen Feldstärke E (-) Kathodenfeldstärke f Frequenz F Kraft G Energiefreisetzungsrate G IC kritische Energiefreisetzungsrate h spezifische Reaktionsenthalpie i, I Strom, Zählindex TE i Nachladestrom C I, R I Imaginär- und Realteil des Stroms k Boltzmann-Konstante K I Spannungsintensitätsfaktor K IC kritischer Spannungsintensitätsfaktor L Länge L µ Längsausdehnung einer Leerstelle Ri l Risslänge m Erwartungswert, Masse, Zählindex n Zählindex N Impulshäufigkeit N e, N i Anzahl an Elektronen und Ionen N M Anzahl der Messungen N th Anzahl der thermischen Wechselbeanspruchungen p Druck Pab abgeführte Leistung P ab abgeführte Leistung pro Volumeneinheit Pdiel dielektrische Verlustleistung P diel dielektrische Verlustleistung pro Volumeneinheit P v Verlustleistung P v Verlustleistung pro Volumeneinheit P I Stromwärmeverlustleistung Q Ladung Q 1 im Hohlraum umgesetzte Ladung Q e, Q i Ladung von Elektronen und Ionen Q mit mittlere scheinbare Ladung Q s scheinbare Ladung Q Ph scheinbare Ladungsmenge je Phasenabschnitt r Radius eines Risses, Spitzenradius der Nadelelektrode R r Radius der Raumladungszone R Gaskonstante, ohmscher Widerstand, Reaktionsumsatz R 1 Widerstand der Hohlraumwandung und -umgebung R 2 Widerstand des dem Hohlraum in Reihe liegenden Dielektrikums Mittenrauwert R a

7 X Abkürzungen und Formelzeichen R z gemittelte Rautiefe s mittlere Schichtdicke, Schlagweite s 0 Mindestschichtdicke S FN, S RS Kathodenstromdichte nach Fowler-Nordheim und Richardson-Schottky t Zeit tan δ dielektrischer Verlustfaktor tan δ L Leitungsverlustfaktor tan δ P Polarisationsverlustfaktor tan δ TE Teilentladungsverlustfaktor T absolute Temperatur T g Glasübergangstemperatur T g0 Glasübergangstemperatur des vollständig unvernetzten Reaktionsharzes T ggel Glasübergangstemperatur des teilweise vernetzten Reaktionsharzes T g Glasübergangstemperatur des vollständig vernetzten Reaktionsharzes T U Umgebungstemperatur T (-) Temperatur der Kathode u, U Spannung u 1, U 1, Û 1 Spannungsabfall über Hohlraum u 2 Spannungsabfall über intaktem Dielektrikum U D Durchschlagspannung U K, g Kippspannung des globalen Wärmedurchschlags U K, l Kippspannung des lokalen Wärmedurchschlags U L Löschspannung U TE Teilentladungseinsetzspannung U Z Zündspannung U µ Spannungsabfall über Leerstelle V Volumen W Bandabstand, Energie W 0 Elektronenaustrittsarbeit des Kathodenmetalls im leeren Raum W a außen am Prüflingen messbare Energie einer Teilentladung W em elektromechanische Energie W es elektrostatische Energie W i innerhalb des Prüflings umgesetzte Energie einer Teilentladung W pls plastische Verformungsenergie W th thermische Aktivierungsenergie W A Elektronenaffinität des Dielektrikums W S Oberflächenenergie W µ energetische Höhe eines Potenzialwalls x, y axiale Wegkoordinate, Zählindex x 0 Nennradius einer Elektrode mit Rogowski-Profil Y Geometriefaktor α α F α M β β PF β S γ linearer Wärmeausdehnungskoeffizient Wärmeausdehnungskoeffizient des Formstoffs Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls Temperaturkoeffizient Poole-Frenkel-Konstante Schottky-Konstante Grenzflächenenergie, Grenzflächenspannung

8 Abkürzungen und Formelzeichen XI t Zeitspanne L Längenänderung ϑ Temperaturdifferenz ε Permittivität ε 0 Permittivität des leeren Raumes ε krit kritische Dehnung ε r Permittivitätszahl ε r Realteil der komplexen Permittivitätszahl ε r Imaginärteil der komplexen Permittivitätszahl ε rel relative Dehnung ε R Reaktionsschwund ε S Schwund ε T Abkühlungsschwund η Schwaiger scher Ausnutzungsfaktor ϑ Temperatur ϑ Η Härtungstemperatur Θ Benetzungswinkel κ elektrische Leitfähigkeit κ min minimale Gleichstromleitfähigkeit κ stationäre Gleichstromleitfähigkeit λ Wärmeleitfähigkeit ν Füllgrad, Querkontraktionszahl ρ Dichte ρ s spezifischer Durchgangswiderstand ρ M Dichte der Polymermatrix ρ(τ) Raumverlustziffer σ mechanische Spannung, Oberflächenspannung σ d Druckspannung σ em elektromechanische Spannung σ f Oberflächenspannung des Feststoffs σ fl Oberflächenspannung der Flüssigkeit σ krit kritische Spannung σ n Normalspannung σ y Streckspannung σ z Zugspannung ϕ Phasenwinkel, Winkel ω Kreisfrequenz ζ(r R ) raumladungsabhängiger Verstärkungsfaktor