Theoretische Betrachtungen zur Bedeutung der elektrischen Belastungsart auf die Entstehung von Flächenladungen

Abstract:
Gleichanteilsbehaftete Spannungsbelastungen von Mehrstoffisoliersystemen können zur Bildung von Flächenladungsdichten an den Grenzschichten führen. In der Praxis treten z.B. beim Einsatz von Leistungselektronik an den elektrischen Isoliersystemen neben symmetrischen Wechselspannungen und Gleichspannungsbelastungen immer häufiger auch Mischformen, wie z.B. Rechteckspannungen mit Gleichanteil, auf, die für die Bildung von Flächenladungen förderlich sind. In diesem Beitrag wird daher ein theoretisches Modell vorgestellt, welches die Wechselwirkungen zwischen äußerer Belastung, der Ladungsentwicklung an der Grenzschicht und den lokalen Feldverhältnissen beschreibt. Zunächst wird die Ladungsdichte an einer Quergrenzfläche feldtheoretisch betrachtet, und die Entwicklung für beliebige Spannungsformen durch Differentialgleichungen im Zeitbereich analytisch beschrieben. In Hinblick auf experimentelle Untersuchungen wird zur Beschreibung des Klemmenverhaltens das feldtheoretische Modell in ein Netzwerkmodell überführt. Voraussetzungen für dieses Modell ist die Kenntnis der gebietsweise konstanten Materialdaten Konduktivität und Permittivität. Startbedingung ist eine flächenladungsfreie Grenzschicht; der Zeitverlauf der Klemmenspannung kann frei gewählt werden. Somit ist bei bekannten Werkstoffdaten eine Prognose der Flächenladungsentwicklung an der Grenzschicht und deren Rückwirkung auf die inneren Feldverhältnisse und Kraftverteilungen möglich, durch die gerade bei Langzeitbelastungen auch das Betriebs- und Alterungsverhalten des Isoliersystems beeinflusst werden kann.