ORIGINALARBEITEN

Elektrotechnik & Informationstechnik (2012) 129/5: 306–313. DOI 10.1007/s00502-012-0031-2

Charakterisierung der nichtlinearen Widerstandseigenschaften von Endenglimmschutzsystemen rotierender Hochspannungsmaschinen F. Senn OVE, IEEE

Das Isolationssystem rotierender Hochspannungsmaschinen enthält zur Unterdrückung von Oberflächengleitentladungen am Nutaustritt einen elektrisch halbleitenden Belag, den so genannten Endenglimmschutz (EGS). Siliciumcarbid (SiC), mit seinen nichtlinearen Widerstandseigenschaften, bildet die Basis für heutige Endenglimmschutzlacke und -bänder. In diesem Beitrag wird eine Methodik zur Charakterisierung des Widerstandsverhaltens von SiC-Pulvern und SiC-Polymer-Verbundwerkstoffen (Composites) vorgestellt, und deren Messergebnisse werden mit handelsüblichen EGS-Bändern verglichen. Schlüsselwörter: rotierende Hochspannungsmaschine; Endenglimmschutz; Feldsteuerung; Siliciumcarbid; Verbundwerkstoff

Nonlinear resistivity characteristics of end corona protection systems for rotating high voltage machines. The insulation system of rotating high voltage machines is equipped with a semiconducting end corona protection (ECP) to prevent the inception of sliding discharges on the winding surface at the slot exit. Silicon carbide (SiC) with its nonlinear resistivity characteristics is the base for state-of-the-art end corona protection varnishes and tapes. In this paper a method for the characterization of the resistivity behavior of SiC powders and SiC-polymer-composites is presented and the measurement results are compared to commercially available ECP-tapes. Keywords: rotating high voltage machine; end corona protection; field grading; silicon carbide; composite material

Eingegangen am 6. Mai 2012, angenommen am 17. August 2012, online publiziert am 13. September 2012 © Springer-Verlag 2012

1. Einleitung Der Endenglimmschutz (EGS) ist im Zuge der Isolationskoordination ein essentieller Bestandteil von Isolationssystemen rotierender Hochspannungsmaschinen und hat die Aufgabe, bis zu höchsten Prüfspannungen das Einsetzen von Gleitentladungen an der Wicklungsoberfläche im Nutausgang zu unterdrücken. Die benötigte Feldsteuerung wird durch Anstriche oder Bänder mit nichtlinearen Widerstandseigenschaften auf Basis des eingesetzten Füllstoffes Siliciumcarbid (SiC) realisiert. Neben einer hohen Zuverlässigkeit über die Lebensdauer der Maschine werden durch Betrieb bei höheren elektrischen Feldstärken und Temperaturklassen sowie durch Umrichterbetrieb signifikante Mehranforderungen an das Glimmschutzsystem gestellt. Für die Entwicklung von EGS-Systemen, die diesen Herausforderungen genügen, ist eine genaue Kenntnis der Eigenschaften und des Verhaltens der eingesetzten Materialien, insbesondere der Füllstoffe, Voraussetzung. 1.1 Isolationssystem rotierender Hochspannungsmaschinen Die Statorwicklung von Drehstrom-Synchronmaschinen (Schenkelpol- oder Vollpolmaschine) und Drehstrom-Asynchronmaschinen (Schleifring- oder Käfigläufer) wird ausschließlich als verteilte Drehstromwicklung ausgeführt. Bei Hochspannungsmotoren und -generatoren größerer Leistung wird die als Formspulen- oder Stabwicklungen aufgebaute Zweischicht-Statorwicklung bei Nennspannungen von 3 kV bis 27 kV betrieben. Abbildung 1 zeigt den typischen

306

heft 5.2012

© Springer-Verlag

Aufbau des Isolationssystems rotierender Hochspannungsmaschinen. In Spulenwicklungen werden die einzelnen Kupferteilleiter entweder mit foliengestützten Feinglimmerbändern umwickelt oder haben eine Lack-Glasseidenisolierung. Bei großen Maschinen bestehen die Windungen aus mehreren parallelen, isolierten Teilleitern, die zusätzlich mit einer aus Glimmerbändern aufgebauten Windungsisolierung versehen werden. Die Röbelstäbe von Stabwicklungen haben keine Windungen, sondern bestehen aus parallel geschalteten, speziell transponierten Teilleitern mit Lack-Glasseidenisolierung. Auf die vorverfestigten Teilleiter einer Spulen- oder Stabwicklung wird die Hauptisolierung mit Bändern oder Breitwarenmaterial, maschinell oder händisch, aufgebracht. Als Isolationsmaterial kommen Laminate von Feinglimmerpapier mit verschiedenen Trägermaterialien wie Glasgewebe, Folien oder Vliesstoffe mit einem geringen Anteil an Bindeharzen für das Vakuum-Druck-Imprägnierverfahren (vacuum pressure impregnation VPI) oder mit einem hohen Harzanteil für das Spulenpressverfahren (resin rich RR) zum Einsatz. Ab Nennspannungen von 3 kV wird als äußerste Schicht im Nutbereich ein elektrisch leitfähiger Außenglimmschutz (AGS) vorgesehen, um durch einen Potentialausgleich Entladungen zwischen der Wicklungsoberfläche und dem geerdeten Statorblechpaket zu un-

Senn, Florian, Dipl.-Ing. Dr. techn., VERBUND Hydro Power AG, Europaplatz 2, 1150 Wien, Österreich (E-Mail: [email protected])

e&i elektrotechnik und informationstechnik

ORIGINALARBEITEN

F. Senn Charakterisierung der nichtlinearen Widerstandseigenschaften

Abb. 1. Isolationssystem rotierender Hochspannungsmaschinen. 1 Kupferteilleiter, 2 Teilleiterisolierung, 3 Hauptisolierung, 4 Außenglimmschutz, 5 Endenglimmschutz, 6 Wickelkopfschutz, 7 Abstandshalter, 8 Nutverschlusskeil, 9 Nutbeilagen (Rutschstreifen, Zwischenstück, Nutgrundstreifen) (nach IEC 60034-25)

terdrücken. Bei höheren Nennspannungen (ab ca. 6 kV) schließt am Nutaustritt zur Vermeidung von Oberflächengleitentladungen ein elektrisch halbleitender Endenglimmschutz (EGS) an den Außenglimmschutz an (Meyer 1962; Sequenz et al. 1973; Stone et al. 2004). Bei Kraftwerksgeneratoren mit Stabwicklungen besteht das Glimmschutzsystem oft zusätzlich aus einem elektrisch leitenden Innenglimmschutz. 1.2 Feldsteuerung am Nutaustritt Der Nutausgangsbereich einer Statorwicklung stellt aufgrund der großen Querkapazitäten der Wicklungsisolierung und der hohen auftretenden tangentialen Feldstärke an der Grenzfläche zwischen der Wicklungsisolierung und der umgebenden Luft eine Gleitanordnung dar (Küchler 2009). Für derartige Anordnungen kann man bei sauberer Oberfläche von einer Gleitentladungseinsetzfeldstärke von etwa 6 kV/cm ausgehen. Bei verschmutzten oder verfeuchteten Oberflächen kommt es bereits bei wesentlich geringeren Feldstärken zum Einsatz von Entladungen (Schmerling et al. 2011). Nach dem Teilentladungseinsatz entwickeln sich die Glimmentladungen bei Steigerung der Spannung unter der Wirkung der tangentialen Feldkomponente zu Streamer- oder Gleitbüschelentladungen. Die Streamer werden über die verteilte Isolierungsquerkapazität mit großen Strömen gespeist, und bei genügend hoher Stromdichte werden die Entstehung eines thermoionisierten Kanals und der Übergang zu lichtstarken Leader-Entladungen möglich (Abb. 2).

Abb. 2. Entwicklungen von Gleitentladungen (nach Küchler 2009) Es entsteht ein Gleitstielbüschel (Gleitfunken), der aus einem Leaderkanal und einem Leaderkopf aus stromsammelnden Streamern besteht (Küchler 2009).

September 2012 129. Jahrgang

Zur Unterdrückung von Gleitentladungen an tangential hochbelasteten Grenzflächen gibt es verschiedene Feld- respektive Potentialsteuerfahren. Die geometrische Feldsteuerung kommt bei Kabelendverschlüssen zum Einsatz, wobei durch eine trichterförmige Elektrode (Deflektor) die Feldstärke an der Grenzfläche abgesenkt wird. Bei der kapazitiven oder Kondensatorsteuerung in Hochspannungskabeln und -durchführungen werden feingestuft leitfähige Beläge so in die geschichtete Isolierung eingewickelt, dass sich eine gewünschte Potentialaufteilung ergibt. Durch den Einsatz eines Oberflächenbelages mit einer hohen Dielektrizitätszahl wird bei Kabelendverschlüssen eine refraktive Feldsteuerung erzielt und durch Brechung der elektrischen Feldlinien sowie Feldverdrängung die tangentiale Feldstärke reduziert. Wird ein halbleitfähiges (resistives) Material aufgebracht, bildet der Oberflächenwiderstand zusammen mit den Querkapazitäten einen RC-Kettenleiter, und man erwirkt eine resistive Feldsteuerung. Zum einen erwärmen sich resisitive Feldsteuerbeläge aufgrund von Oberflächenleckströmen signifikant, zum anderen muss der Oberflächenwiderstand für eine optimale Wirkung genau auf die Isolationsdicke und Spannung angepasst werden. Diese Nachteile werden bei einer nichtlinearen Feldsteuerung durch den Einsatz von Materialien mit einer spannungsabhängigen Widerstandscharakteristik (Varistoreigenschaften) umgangen (Abb. 3).

Abb. 3. Nichtlineare Feldsteuerung (nach Küchler 2009)

Dem Endenglimmschutz steht für die wirksame Unterdrückung von Gleitentladungen am Nutaustritt von rotierenden Hochspannungsmaschinen im Wickelkopf nur sehr wenig Platz zu Verfügung. Zusätzlich muss im Zuge der Isolationskoordination die Funktion des Endenglimmschutzes über einen weiten Bereich bis zu höchsten Prüfspannungen sichergestellt werden, so dass sich die nichtlineare Feldsteuerung für diesen Anwendungsbereich als besonders wirksam erwiesen hat (Küchler 2009; Roberts 1995; Christen et al. 2010). 2. Endenglimmschutz Der im Nutbereich aufgebrachte leitfähige Außenglimmschutz überragt je nach Anordnung der Endplatte und Pressfinger den Nutaustritt um wenige Zentimeter. Daran schließt als nichtlineare Feldsteuerung der Endenglimmschutz an. Zur Sicherstellung eines guten elektrischen Kontaktes zwischen Außen- und Endenglimmschutz ist ein Überlappungsbereich von mindestens 10 mm erforderlich. Die Länge des Endenglimmschutzbelages hängt von der Widerstandscharakteristik des verwendeten Materials und der höchsten Prüfspannung ab. Für gängige EGS-Systeme ergibt sich die empfohlene Länge in cm aus dem Wert der Prüfspannung in kV, dividiert durch einen Faktor zwei bis drei. Abbildung 4 zeigt eine typische Anordnung des Glimmschutzsystems rotierender Hochspannungsmaschinen.

© Springer-Verlag

heft 5.2012

307

ORIGINALARBEITEN

F. Senn Charakterisierung der nichtlinearen Widerstandseigenschaften

Verschnitte mit Polyurethanharz eingesetzt. Je nach Trocknungsgrad im Herstellungsprozess kann das Bindeharz im Endenglimmschutzband noch reaktiv (B-Zustand) oder vollständig ausgehärtet sein (CZustand).

Abb. 4. Typische Glimmschutzanordnung

2.1 Anforderungen Eine grundlegende Anforderung an den Endenglimmschutz ist, dass die Glimmeinsetzspannung über der dauerhaft höchsten Betriebsspannung liegt und somit über die gesamte Lebensdauer weder sichtbare noch hörbare Entladungen am Nutende auftreten. Bei der höchsten Prüfwechselspannung darf es zu keiner Ausbildung von Gleitentladungen oder gar Überschlägen kommen. In der Praxis muss dazu die maximale tangentiale Oberflächenfeldstärke nach (Roberts 1995) in einem zulässigen Bereich zwischen 3 kV/cm und 4 kV/cm liegen. Bei wiederholten Spannungsprüfungen darf es zu keiner Änderung der Feldsteuereigenschaften kommen, und der spannungsabhängige Übergang zwischen den verschieden leitfähigen Zuständen des Endenglimmschutzes muss reversibel sein (Kaufhold et al. 2008; Christen et al. 2010). Eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit (Abriebbeständigkeit) wird ebenso vom Endenglimmschutzbelag gefordert wie ein stabiles thermisches Langzeitverhalten entsprechend der thermischen Klasse des gesamten Isolationssystems. Hinsichtlich Verarbeitung soll das EGS-System leicht zu applizieren sein, ohne dass es jedoch zu einer Ausschwemmung von halbleitenden Füllstoffpartikeln kommt. Der Einsatz in umrichtergespeisten Hochspannungsmaschinen stellt aufgrund der Beanspruchung durch Spannungsimpulse mit kurzen Anstiegszeiten von einigen ns und Folgefrequenzen bis zu einigen kHz besondere Anforderungen an den Endenglimmschutz. Einerseits wird durch die Spannungssteilheit die tangentiale Feldstärke signifikant erhöht, andererseits fließen aufgrund der höherfrequenten Anteile größere kapazitiven Oberflächenströme, welche den Feldsteuerbelag zusätzlich erwärmen (Wheeler 2005; Kaufhold et al. 2008). 2.2 Diagnosemethoden Nicht funktionstüchtige Glimmschutzsysteme, aufgrund falscher Auslegung oder vorhandener Defekte, verursachen äußere Teilentladungen, die mittels elektrischer Teilentladungsmessung oder Ozonanalysen diagnostiziert werden können (Binder et al. 2000; Sumereder und Muhr 2009). Zur Lokalisierung der Fehlerstellen können akustische (Ultraschall-Sonde) oder optische Messverfahren (UV-Corona-Scope) eingesetzt werden. Die Überprüfung der thermischen Stabilität des EGS-Systems, vor allem bei hohen Prüfspannungen, kann mittels Infrarot-Thermovision erfolgen (Sumereder et al. 2008). 3. Materialien und ihre Eigenschaften Lacke oder Bänder mit Siliciumcarbid als Füllstoff können zur Herstellung des Endenglimmschutzbelages eingesetzt werden. Die seltener eingesetzten Glimmschutzlacke basieren auf gefüllten Alkydoder Phenolharzen. EGS-Bänder bestehen aus Polyestergeweben oder Mischgeweben aus Polyestervlies und Glasfasern, die mit einem Harz-Füllstoff-Gemisch imprägniert sind. Als Bindemittel werden bei den Bändern modifizierte Epoxidharze und -novolake sowie

308

heft 5.2012

© Springer-Verlag

3.1 Siliciumcarbid Siliciumcarbid (SiC) ist ein indirekter Verbindungshalbleiter aus Elementen der IV. Gruppe des Periodensystems mit einem großen Bandabstand (z. B. 2,86 eV für die Polytype 6H-SiC) und findet aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit sowie großen Härte ein breites Applikationsgebiet (Madelung 1996). SiC existiert in mehr als 250 verschiedenen kubischen, hexagonalen oder rhomboedrischen Kristallstrukturen, den so genannten Polytypen. Die hexagonalen (4H, 6H,. . . ) und rhomboedrischen Polytypen (15R,. . . ) werden kollektiv als α-SiC und die einzige kubische Polytype (3C) als β-SiC bezeichnet (Park 1998). SiC kann durch carbothermische Reduktion von Quarzsand und Petrolkoks bei Temperaturen über 2000 ◦ C (Acheson-Verfahren), durch Gasphasenreaktionen aus Siliciumhalogeniden und Kohlenwasserstoffen oder durch Zersetzung von Methyl- oder Methylchlorsilanen hergestellt werden (Salmang und Scholze 2007). Durch produktionsbedingte Verunreinigungen oder gezielte Dotierung erhält man n-leitendes grünes Siliciumcarbid mit Donatoren wie Stickstoff oder Phosphor oder p-leitendes dunkles bzw. schwarzes SiC mit Akzeptoren wie Aluminium, Bor oder Gallium (Wesner 1971; Park 1998). Die Stromleitungsmechanismen in SiC-Kristallen und zwischen SiC-Kornkontakten sind komplex, beruhen aber bei stark dotiertem Material auf Tunneln aufgrund von Feldemission. Die Potentialbarrieren durch Raumladungsrandschichten an den oxidischen Grenzflächen steuern den Ladungstransport wie zwei gegenparallel geschaltete Schottky-Übergänge wodurch sich eine spannungsabhängige Leitfähigkeit ergibt. SiC-Kornkontakte können elektrisch durch einen nichtlinearen Gleichstromwiderstand RS und eine nichtlineare Kapazität CS für die Kapazität des Schottky-Überganges in Sperrrichtung dargestellt werden (Abb. 5). Der Einfluss des umgebenden Dielektrikums und der Geometrie auf den Kornkontakt wird durch eine weitere Kapazität CD repräsentiert (Martensson 2003; Donzel et al. 2011).

Abb. 5. Ersatzschaltbild eines SiC-Kornkontaktes (nach Martensson 2003)

Für die Anwendung in Endenglimmschutzsystemen kommen üblicherweise grüne oder dunkle α-SiC-Polytypen in Schleifmittelqualität mit mittleren Korngrößen von rund 20 µm zum Einsatz. Die Körner (Abb. 6) zeichnen sich durch eine stark unregelmäßige und scharfkantige Struktur aus. Dadurch ergeben sich einerseits ein undefiniertes Kornkontaktverhalten bei der Füllung von Polymeren, aber auch prozesstechnische Herausforderungen in der Herstellung von EGS-Bändern aufgrund der Abrasivität. Durch den Einsatz von

e&i elektrotechnik und informationstechnik

ORIGINALARBEITEN

F. Senn Charakterisierung der nichtlinearen Widerstandseigenschaften

bereich. Die Bestimmung der feldstärkeabhängigen Gleichstromleitfähigkeit und die Polarisations- und Depolarisationsstromanalyse gehören zu den Messungen im Zeitbereich. Im Frequenzbereich kann die dielektrische Antwort durch Impedanzspektroskopie oder andere transiente Wechselspannungsmethoden aufgenommen werden sowie eine feldstärkeabhängige Messung von Permittivität und Verlustfaktor bei einer Frequenz erfolgen. Die Messung der Raumladungsdichte eignet sich ebenfalls für die Untersuchung leitfähiger Composites. Das spannungsabhängige Widerstandsverhalten von fertigen EGS-Systemen wird durch Spannungs-Strom-Kennlinien bei Gleich- oder Wechselspannung charakterisiert. Zur Bewertung der Feldsteuereigenschaften von Endenglimmschutzbelägen kann nach (Kempen et al. 2009) der Verlauf des Oberflächenpotentials durch möglichst beeinflussungsarme Messverfahren aufgenommen werden. Abb. 6. REM Aufnahme SiC grün F 400

Abb. 7. Systematik der Untersuchungen

4.2 Messsystem Als Messaufgabe wurde die Untersuchung des nichtlinearen Widerstandsverhaltens von halbleitenden SiC-Füllstoffen sowie damit gefüllter Polymere und Vergleich mit den Eigenschaften von EGSBandmaterialien formuliert. Entsprechend dem Ersatzschaltbild in Abb. 5 wird das elektrische Verhalten von SiC-Kornkontakten wesentlich durch das umgebende Dielektrikum beeinflusst. Bei der reinen SiC-Pulvermessung befindet sich zwischen den Körnern Luft (εr ≈ 1), bei den Composites sind die SiC-Partikel in eine Harzmatrix (εr ≈ 3–5) eingebettet. Dieser Einfluss wird durch eine Gleichstrommessung ausgeschaltet, und es genügt theoretisch ein einziger effektiver Kornkontakt für die Charakterisierung des vollständigen SiC-Pulvers. Um eine Vergleichbarkeit mit anderen Untersuchungen herstellen zu können, wurde als genormte Widerstandskenngröße der spezifische Durchgangswiderstand ρ gewählt. Aufgrund zu erwartender Durchgangswiderstände größer 106 ×cm wurden bei allen Messanordnungen Schutzringelektroden verwendet. Die Messung der feldstärkeabhängigen Gleichstromwiderstände erfolgte mit einem Elektrometer Model 6517B der Firma Keithley, das mithilfe der integrierten Festspannungsquelle (bis zu ±1000 V) einen Messbereich von 50  bis 1016  abdeckt. Zur Eliminierung störender Hintergrundströme wurden alle Messungen mit der alternating polarity method durchgeführt, bei der mehrmals abwechselnd mit positiver und negativer Gleichspannung mit einer Anlegezeit von jeweils 60 s gemessen wird. Für die Messung von SiC-Pulvern wurde eine eigene Pulvermesszelle mit Schutzringelektrodenanordnung konzipiert. Aufgrund der starken Druckabhängigkeit des Widerstandsverhaltens muss die Messung unter definierter Kompaktierung erfolgen. In Voruntersuchungen hat sich ein Druck von 6,7 bar auf die Füllstoffprobe, realisiert durch Auflagegewichte, als Optimum für eine gute Reproduzierbarkeit herausgestellt. Um den Einfluss der Umgebungsfeuchte und Raumtemperatur auf den Widerstand des Pulvers auszuschließen, wurden alle Füllstoffmessungen unter Normklima (23 ◦ C, 50 % rel. Feuchte) und nach mindestens zwölfstündiger Konditionierung durchgeführt. Abbildung 8 zeigt den Aufbau für Pulvermessungen. Die schichtförmig hergestellten SiC-Harz-Composites mit einer Dicke von etwa 0,5 mm und EGS-Bandmaterialien in Breitware wurden in einer geschirmten Widerstandsmesszelle für feste Isolierstoffe der Type Model 8009 von Keithley untersucht.

4.1 Charakterisierungsmethoden Für die Messung der elektrischen Eigenschaften von Füllstoffen und gefüllten Polymeren eignen sich Verfahren im Zeit- und im Frequenz-

4.3 Auswertung mittels Kurvenanpassung Anhand von Regressionsanalysen mit der Methode der kleinsten Quadrate wurden charakteristische Funktionen für die untersuchten SiC-Füllstoffe erstellt beziehungsweise eine Kurvenanpassung

SiC-Pulvern mit geometrisch bestimmter Morphologie können diese Nachteile jedoch vermieden werden (Senn 2010). 3.2 Weitere Materialien Neben SiC ist Zinkoxid (ZnO) ein Halbleiter, der aufgrund seiner spannungsabhängigen Widerstandseigenschaften in Varistoren und Metalloxid-Ableitern, aber auch zur Feldsteuerung in Kabelendverschlüssen eingesetzt wird (Küchler 2009). In einem Forschungsvorhaben der deutschen Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) wurde durch Simulationen und Messungen die Eignung von ZnO-Mikrovaristoren für den Einsatz in Endenglimmschutzsystemen nachgewiesen (Hinrichsen et al. 2011). In Malamud et al. (2010) werden halbleitende Glasfaserbänder aus Kupfer-silberhaltigem Glas beschrieben, die trotz ihrer vernachlässigbaren Nichtlinearität gute Betriebserfahrungen als Endenglimmschutzmaterial aufweisen. Eine andere Alternative zu konventionellen EGS-Systemen auf Basis SiC stellen mit Antimonzinnoxid leitfähig beschichtete Glas-, Siliciumcarbid- oder Aluminiumoxid-Vliese oder Gewebe dar (Patent WO 03/107512, 2003). 4. Bewertungsmethodik Zur Charakterisierung des Widerstandsverhaltens halbleitender Füllstoffe sowie gefüllter Polymere wurde eine Bewertungsmethode entwickelt und auf derzeit eingesetzte Standardmaterialien angewendet. Entsprechend der in Abb. 7 dargestellten Systematik wurde der Zusammenhang zwischen den elektrischen Eigenschaften von Füllstoffen, Harz-Füllstoff-Gemischen (EGS-Lack) und fertigen Endenglimmschutzbändern analysiert. Die untersuchten SiC-HarzVerbundwerkstoffe (Composites) können dabei entweder direkt als Anstrich oder Lack für die Imprägnierung von Geweben in der Produktion von EGS-Bändern verwendet werden.

September 2012 129. Jahrgang

© Springer-Verlag

heft 5.2012

309

ORIGINALARBEITEN

F. Senn Charakterisierung der nichtlinearen Widerstandseigenschaften

Tab. 1. Übersicht untersuchter SiC-Pulver Bezeichnung

ds50 in µm

SiC grün, Körnung F 240 SiC grün, Körnung F 400 SiC grün, Körnung F 600 SiC grün, Körnung F 1200 SiC dunkel, Körnung F 360, Hersteller A SiC dunkel, Körnung F 360, Hersteller B

44,5 17,3 9,3 3,0 22,8 22,8

B) gegenüber gestellt. Trotz gleicher Materialbezeichnung weisen die dunklen SiC-Typen stark unterschiedliches Widerstandsverhalten auf. Abb. 8. Vollklimatisierter Pulvermessplatz

der Messwerte von Composites und Glimmschutzbändern durchgeführt. Die Bewertung der Güte der mit dem Mathematikprogrammpaket MATLAB® berechneten Kurvenanpassungen erfolgte mit dem zusätzlich berechneten Bestimmtheitsmaß R2 . Für die Beschreibung nichtlinearer Widerstandsmaterialien existieren verschiedene empirisch abgeleitete Potenz- und Exponentialgleichungen. Mit Exponentialgleichungsansätzen für die Nachbildung der Abhängigkeit des spezifischen Durchgangswiderstandes ρ von der elektrischen Feldstärke E können bei SiC-Materialien gute Anpassungsergebnisse erzielt werden. Im Zuge der Untersuchungen wurden die aus (Roberts 1995; Martensson 2003; Sharifi et al. 2010) bekannten Exponentialansätze mit der Konstante k und dem Nichtlinearitätskoeffizienten n um einen zusätzlichen variablen Exponenten c zu Gl. (1) erweitert. ρ = k · e−n·E

c

(1)

5. Messergebnisse Mit dem unter Abschn. 4.2 vorgestellten Messsystem wurde der elektrische Widerstand Rx automatisiert bei verschiedenen Gleichspannungen gemessen. In weiterer Folge wurden die Widerstandswerte anhand der Geometrie der Schutzringanordnung (effektive Elektrodenfläche A mit Korrektur von Randfeldeffekten und Dicke des Probenkörpers h) entsprechend Gl. (2) in spezifische Durchgangswiderstände umgerechnet. ρ = Rx

A h

(2)

Für makroskopische Materialbetrachtungen bietet sich die Darstellung und Bewertung der Widerstandsmesswerte in Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke E, berechnet durch Division der Messspannung durch die Probenhöhe, an. Durch Kurvenanpassung wurde aus den jeweiligen Messreihen entsprechend Gl. (1) für jede Probe eine charakteristische Funktion der Form ρ = f(E) berechnet. 5.1 SiC-Füllstoffe Siliciumcarbidpulver in handelsüblicher Schleifmittelqualität werden entsprechend ihrer Korngrößenverteilung mit der mittleren Korngröße ds50 in Körnungen eingeteilt und sind in grüner und dunkler Qualität erhältlich. Die Bezeichnungen und mittleren Korngrößen der untersuchten SiC-Pulver sind in Tab. 1 zusammengefasst. Die Art und der Grad der Dotierung von SiC, vor allem mit Stickstoff oder Aluminium, hat einen wesentlichen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften. In Abb. 9 ist die Feldstärkeabhängigkeit des spezifischen Durchgangswiderstandes von grünem SiC dem von dunklem SiC von zwei unterschiedlichen Herstellern (A und

310

heft 5.2012

© Springer-Verlag

Abb. 9. Vergleich unterschiedlich dotierter SiC-Pulver

Die Korngröße des SiC-Pulvers hat nicht nur einen Einfluss auf die Abrasivität sowie das Dispergier- und Absetzverhalten in Composites, sondern auch auf den elektrischen Widerstand. Makroskopisch gesehen steigt bei feiner werdender Körnung die Anzahl der Kornkontakte bei gleichem Elektrodenabstand und die Leitfähigkeit nimmt ab. Soll das Widerstandsverhalten der Kornübergänge losgelöst von der Korngröße untersucht werden, kann entsprechend der schematischen Darstellung einer Pulverprobe (Abb. 10) eine Kontaktspannung Uk definiert werden. Die Kornkontaktspannung nach (Martensson 2003) ergibt sich aus Division der anliegenden Messspannung U durch die Anzahl in Serie liegender Kornkontakte N, die wiederum aus Division der Füllhöhe h durch die mittlere Korngröße ds50 abgeschätzt werden kann (3). Uk =

U ds50 =U = E · ds50 N h

(3)

Abbildung 11 zeigt das Kontaktverhalten von grünen SiC-Pulvern mit Korngrößen zwischen 3,0 µm und 44,5 µm. Bis auf die feinste Körnung (F 1200), die sich kaum nichtlinear verhält, weisen alle

Abb. 10. Schematische Darstellung der Pulverprobe (nach Martensson 2003)

e&i elektrotechnik und informationstechnik

ORIGINALARBEITEN

F. Senn Charakterisierung der nichtlinearen Widerstandseigenschaften

Abb. 12. Perkolationsverhalten von SiC grün F 400 in Epoxidharz

Abb. 11. Grüne SiC-Pulver mit unterschiedlicher Korngröße

SiC-Körnungen ähnliches Verhalten auf. Die sehr geringe Leitfähigkeit der F 1200-Körnung kann durch die kleine Partikelgröße erklärt werden. Je feiner SiC-Partikel werden, desto höher wird der Anteil der Oberfläche (bezogen auf das Volumen) und somit auch der Einfluss der vorhandenen isolierenden SiO2 -Oberflächenrandschichten. 5.2 SiC-Composites In EGS-Lacken oder Bändern ist der SiC-Füllstoff in eine Harzmatrix eingebettet. Das Widerstandsverhalten von elektrisch leitfähig gefüllten Polymeren hängt maßgeblich von der Füllstoffkonzentration ab. Bis zu einem bestimmten Füllgrad, der so genannten Perkolationsschwelle, ist der Gehalt der homogen verteilten Füllstoffpartikel zu gering, um das gegebene Polymervolumen leitfähig zu überbrücken. Im Bereich der Perkolationsschwelle bewirkt eine relativ geringe Erhöhung des Füllgrades einen überproportionalen Abfall des Widerstandes. Über der Perkolationsschwelle stabilisiert sich der Widerstand und sinkt trotz weiterer Füllstoffzugabe nur unwesentlich ab (Martensson 2003). Neben der Perkolationstheorie kann dieses Verhalten auch durch die Effektiv-Medium-Theorie beschrieben werden. In der symmetrischen Mediengleichung von Bruggeman (4) bezeichnet σm die Leitfähigkeit des effektiven Mediums, σh die Leitfähigkeit der leitenden Komponente (Füllstoff) und σl die Leitfähigkeit der isolierenden Komponente (Harzmatrix). φ ist dabei der Volumenanteil des Füllstoffes. Der Koeffizient A kann nach Gl. (5) durch den kritischen Volumenanteil φc (Perkolationsschwelle) ausgedrückt werden (Choy 1999). σh − σm σl − σm + (1 − φ) =0 σh + Aσm σl + Aσm (1 − φc ) A= φc

φ

(4) (5)

Das Perkolationsverhalten von Composites aus grünem SiC F 400 und Epoxidharz (cycloaliphatisches Epoxidharz mit BortrifluoridMonoethylamin als Härter) bei einer Feldstärke von 1 kV/cm ist in Abb. 12 dargestellt. Die Anpassung mit der Bruggeman-Gleichung ergibt für diese Füllstoff-Harz-Kombination eine Perkolationsschwelle bei einem Füllstoffgehalt von 32 Volumenprozent (ca. 54 Massenprozent). In EGS-Lacken oder -Bändern muss der SiC-Füllstoffgehalt über dieser Perkolationsschwelle liegen, um ein stabiles Leitfähigkeitsverhalten zu erreichen. Das Ergebnis von Widerstandsmessungen an mit 70 Massenprozent gefüllten Epoxidharz-Composites ist in Abb. 13 dargestellt. Wie bei den SiC-Pulvermessungen (Abb. 9) zeigen Composites gefüllt mit SiC dunkel F 360 des Herstellers B einen höheren Widerstand. Das Verhalten von Epoxidharzproben mit SiC grün F 400 und SiC dunkel F 360 des Herstellers A gleicht sich, durch

September 2012 129. Jahrgang

Abb. 13. Vergleich verschiedener SiC-Typen in Epoxidharz

Einbettung in eine Harzmatrix und Wegfall des auf die Pulverproben aufgebrachten Druckes, an. 5.3 Endenglimmschutzbänder Weiterführend wurde das nichtlineare Widerstandsverhalten von zwei handelsüblichen Endenglimmschutzbändern aus mit SiCEpoxidharzgemischen imprägnierten Geweben untersucht. Band A ist für den Einsatz in VPI-Systemen bestimmt und besteht aus einem im B-Zustand getränkten Polyestergewebe. Das für das Spulenpressverfahren optimierte Band B ist aus einem imprägnierten PolyesterGlas-Mischgewebe aufgebaut und liegt ebenfalls im B-Zustand vor. Abbildung 14 zeigt den spezifischen Durchgangswiderstand, aufgenommen an zwei Lagen Breitwarenmaterial nach Aushärtung unter

Abb. 14. Durchgangswiderstand von EGS-Bandmaterialien

© Springer-Verlag

heft 5.2012

311

ORIGINALARBEITEN

F. Senn Charakterisierung der nichtlinearen Widerstandseigenschaften

einem geringen Druck von 0,13 N/cm2 . Trotz gleicher SiC-Anteile von etwa 65 Massenprozent im Lack unterscheidet sich das Widerstandsverhalten der beiden EGS-Bänder aufgrund unterschiedlicher Harzrezepturen und Trägermaterialien nachweisbar. 6. Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen Der systematische Vergleich eines reinen SiC-Pulvers mit einem Composite aus einem mit 66 Massenprozent dieses Füllstoffes und einem modifizierten Epoxidharzes hergestellten EGS-Lackes sowie einem damit imprägnierten Polyestergewebe (EGS-Band) wird in Abb. 15 gezeigt.

Abb. 15. Vergleich SiC-Füllstoff – EGS-Lack – EGS-Band

Für das EGS-Band liegt der Parameter c um 1/2 und deckt sich mit den Ansätzen in (Roberts 1995). 7. Zusammenfassung Der spezifische Durchgangswiderstand, gemessen in Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke, eignet sich sehr gut zur Charakterisierung des nichtlinearen Widerstandsverhaltens von SiliciumcarbidPulvern, SiC-Composites und Endenglimmschutzbandmaterialien. Die Messung an definiert komprimierten Füllstoffen in einer Pulvermesszelle mit Schutzringelektrodenanordnung erlaubt einen quantitativen Vergleich unterschiedlicher SiC-Typen. SiC-Harz-Gemische werden entweder direkt als Anstrich (EGS-Lack) oder zur Imprägnierung von Geweben (EGS-Band) verwendet. Der Widerstand dieser SiC-Polymer-Composites hängt stark vom Füllstoffgehalt ab. Über der Perkolationsschwelle wird das Verhalten von Composites durch die Eigenschaften des Füllstoffes dominiert. Durch Kurvenanpassung der Messwerte können charakteristische Funktionen für die untersuchten Materialien gewonnen werden, wobei ein neu eingeführter dreiparametriger Exponentialansatz zu höchsten Anpassungsgüten führt. Danksagung Herzlich bedanken möchte sich der Autor bei Herrn O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Dr. h.c. Hans Michael Muhr für die Förderung und wissenschaftliche Begutachtung dieser Arbeit. Die Durchführung der hier vorgestellten Untersuchungen wurde durch freundliche Unterstützung der Firma ISOVOLTA AG ermöglicht. Literatur

Der SiC-Füllstoff zeigt durch die definierte Komprimierung während der Messung Widerstandswerte, die im Bereich der Betriebsfeldstärke um mehr als drei Zehnerpotenzen unter denen des Composite und des EGS-Bandmaterials liegen. Eingearbeitet in eine Polymermatrix erhöht sich der Kontaktwiderstand einerseits durch die im Gegensatz zur Pulvermessung nicht vorhandene Kompaktierung von außen und durch die Beeinträchtigung der Stromleitung zwischen den Füllstoffpartikeln aufgrund vorhandener dünner Harzzwischenräume. Durch Nachhärtung des an sich bereits im C-Zustand vorliegenden EGS-Bandmaterials sinkt der spezifische Durchgangswiderstand noch etwas ab, liegt aber aufgrund des Polyestergewebeanteils etwas über dem des EGS-Lackes. Die Parameter k, n und c aus der Kurvenanpassung mit der Exponentialgleichung (1) für die einzelnen Komponenten sowie die erzielten Bestimmtheitsmaße sind in Tab. 2 gegenübergestellt. Tab. 2. Ergebnisse der Kurvenanpassung Parameter SiC

EGS-Lack

EGS-Band

EGS-Band nachgehärtet

k n c R2

5,021E+12 5,487 0,255 0,99924

1,345E+13 3,224 0,520 0,99971

3,623E+12 3,594 0,437 0,99999

6,500E+09 2,939 0,661 0,99938

Der Parameter k ist als extrapolierter Widerstandswert bei E = 0 eine wesentliche charakteristische Eigenschaft, während die Parameter n und c die Nichtlinearität beschreiben. Der Exponent c für den SiC-Füllstoff ergibt eine gute Übereinstimmung mit dem in (Sharifi et al. 2010) angegebenen empirisch ermittelten Wert von 2/3.

312

heft 5.2012

© Springer-Verlag

Binder, E., Draxler, A., Egger, H., Hummer, A., Fuchs, H. R., Koglek, H., Müller, F., Drpic, M., Hoof, M., Käfer, R., Lanz, S. (2000): Entwicklungen und Nachweisuntersuchungen von Diagnosemethoden für Wasserkraftgeneratoren. E&I, Elektrotech. Inf.tech., 117(12), 794–805. Choy, T. C. (1999): Effective medium theory—principles and applications. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-851892-1. Christen, T., Donzel, L., Greuter, F. (2010): Nonlinear resistive electric field grading part 1: theory and simulation. IEEE Electr. Insul. Mag., 26(6), 47–59. Donzel, L., Greuter, F., Christen, T. (2011): Nonlinear resistive electric field grading part 2: materials and applications. IEEE Electr. Insul. Mag., 27(2), 18–29. Hinrichsen, V., Clemens, M., Debus, J. O., Weida, D. (2011): Mikrovaristoren in polymeren Isoliersystemen – Klärung der Einsatzmöglichkeiten in der elektrischen Energietechnik und Untersuchungen zum Betriebsverhalten. Abschlussbericht zum AiFForschungsvorhaben 15455 N. Darmstadt. Kaufhold, M., Weidner, J. R., Kielmann, F. (2008): Nutzung nichtlinearer dielektrischer Werkstoffeigenschaften in Isoliersystemen rotierender elektrischer Maschinen – Anforderungen, Design, Betriebserfahrungen. ETG Fachbericht (Bd. 110). Berlin: VDE Verlag. ISBN 978-3-8007-3080-3. Kempen, S., Pohlmann, F., Pinkert, K. (2009): Comparison of low-interaction methods of measurement for determining the distribution of surface potential on end corona protection configurations. In Insucon conference, UK. Küchler, A. (2009): Hochspannungstechnik, Grundlagen – Technologie – Anwendungen. 3. Aufl. Dordrecht: Springer. ISBN 978-3-540-78412-8. Madelung, O. (1996): Semiconductors—basic data. 2. überarbeitete Aufl. Berlin: Springer. ISBN 3-540-60883-4. Malamud, R., Zueva, V., Sumovskaya, G., Stepanova, T. (2010): The development of semiconducting fiberglass tapes LSP-P, their properties, and their use for anti-corona protection of high voltage windings. In IEEE international symposium on electrical insulation, USA. Martensson, E. (2003): Modelling electrical properties of composite materials. Dissertation, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden. Meyer, H. (1962): Die Isolierung großer elektrischer Maschinen. Berlin: Springer. Park, Y. S. (1998): SiC materials and devices. Semiconductors and semimetals (Bd. 52). San Diego: Academic Press. ISBN 0-12-752160-7. Roberts, A. (1995): Stress grading for high voltage motor and generator coils. IEEE Electr. Insul. Mag., 11(4), 26–31. Salmang, H., Scholze, H. (2007): Keramik. 7. Aufl. Berlin: Springer. ISBN-10 3-540-632735.

e&i elektrotechnik und informationstechnik

ORIGINALARBEITEN

F. Senn Charakterisierung der nichtlinearen Widerstandseigenschaften

Schmerling, R., Jenau, F., Kempen, S., Pohlmann, F. (2011): Parameter studies on surface partial discharge inception of polluted, tangential electrically stressed boundary surfaces. In Electrical insulation conference, USA Senn, F. (2010): Untersuchung elektrisch halbleitender Materialien für den Einsatz in Glimmschutzsystemen rotierender Hochspannungsmaschinen. Dissertation, TU Graz. Sequenz, H., Brüderlink, M., Feiten, E., Haus, O., Knobloch, R., Lambrecht, D., Maier, F., Mertens, W., Neidhöfer, G., Oburger, W., Wichmann, A. (1973): Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen. Wien: Springer. ISBN: 3-211-81068-4. Sharifi, E., Jayaram, S. H., Cherney, E. A. (2010): Temperature and electric field dependence of stress grading on form-wound motor coils. IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 17(1), 264–270.

Stone, G. C., Boulter, E. A., Culbert, I., Dhirani, H. (2004): Electrical insulation for rotating machines. IEEE Press/Wiley: New York ISBN: 0-471-44506-1. Sumereder, C., Muhr, M., Senn, F., Grubelnik, W., Marek, P. (2008): Thermal and lifetime behavior of innovative insulation systems for rotating machines. In International conference on electrical machines, Portugal. Sumereder, C., Muhr, H. M. (2009): Umfassende Zustandsbewertung von Generatoren. E&I, Elektrotech. Inf.tech., 126(3), 126–131. Wesner, F. (1971): Elektrische Eigenschaften spannungsabhängiger Widerstände aus Siliziumkarbid. Dissertation, Universität Stuttgart. Wheeler, J. C. G. (2005): Effects of converter pulses on the electrical insulation in low and medium voltage motors. IEEE Electr. Insul. Mag., 21(2), 22–29.

Autor Florian Senn wurde 1980 in Innsbruck, Österreich, geboren. Nach der Matura an der HTL Innsbruck Anichstraße studierte er an der Technischen Universität Graz Elektrotechnik im Studienzweig Energietechnik, schloss sein Diplomstudium 2005 ab und promovierte 2010 am Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement derselben Universität. Ab 2005 arbeitete er in der elektromagnetischen Berechnung von Wasserkraftgeneratoren und in der Entwicklung von Hochspannungsisoliersystemen für rotierende Maschinen. Seit 2010 ist er in der VERBUND Hydro Power AG im Bereich elektrische Maschinen beschäftigt. Er ist darüber hinaus im OGE-Fachausschuss für rotierende Maschinen tätig.

September 2012 129. Jahrgang

© Springer-Verlag

heft 5.2012

313