Electrical long-term stability and aging of polymeric composite dielectrics for cryogenic applications
Final Report Abstract
Die Verwendung von Flüssigstickstoff (LN2) in elektrischen Isoliersystemen supraleitender Energiekabel ist Stand der Technik, hat jedoch den Nachteil, dass nach Stückprüfungen der LN2 für den Transport wieder entfernt werden muss und somit die Aussagefähigkeit der Laborprüfungen nach dem Verlegeprozess in Frage gestellt und somit vor- Ort wiederholt wird. Eine alternativ verwendete Feststoffisolierung würde diesen Nachteil beheben, da der LN2 nur noch kühlende Funktion hätte. Zudem führen abwärmebedingte Blasenbildungen nicht mehr direkt auch zu einer Minderung der Isolationsfähigkeit. Das Forschungsvorhaben befasste sich mit der Untersuchung syntaktischer Schäume auf Polymerbasis mit eingebetteten Mikrohohlkugeln für den Einsatz als Isoliersystem in supraleitenden Kabeln. Diese Schäume haben unter anderem die Vorteile, dass der durch Abkühlung hervorgerufene Volumenschwund deutlich minimiert wird, eine Vor- Ort-Prüfung nicht mehr erforderlich wäre und Materialkosten durch die günstigeren Mikrohohlkugeln eingespart werden können. Mit Hilfe verschiedener Untersuchungen wurde das elektrische Verhalten syntaktischer Schäume unter Tieftemperatur und verschiedenen Einflüssen ermittelt. Diese Untersuchungen sollten u.a. zu einer Modellbildung des Kurz- und Langzeitverhaltens von syntaktischen Schäumen bei Tieftemperatureinsatz unter variablen elektrischen Belastungen führen. Durch eine geeignete Variation der Herstellungsparameter sowie der Zusammensetzung der syntaktischen Schäume wurden die charakteristischen Eigenschaften für einen Einsatz in supraleitenden Energiekabeln analysiert. Es lässt sich zusammenfassen, dass die untersuchten Materialien mit Mikrohohlkugeln mit Epoxysilan leicht bessere Eigenschaften als unsilanisierte Mikrohohlkugeln zeigen. Jedoch ist die Verwendung des Silans in der Anwendung gegen die erhöhten Materialkosten abzuwägen. Die maximale Betriebsfeldstärke bei Wechselspannungsbelastung sollte basierend auf den Untersuchungen zur Lebensdauerkurve bei 77 K unter 36 kV/mm liegen. Für Gleichspannungsbelastung konnten aufgrund von Einkopplungen in die Steuerelektronik keine Messungen durchgeführt werden. Basierend auf Untersuchungen zum Teilentladungseinsatz wird eine maximale Betriebsfeldstärke kleiner 30 kV/mm für 77 K empfohlen. Die Raumladungsbildung fällt unter 77 K für die untersuchten Materialien geringer aus als bei Raumtemperatur. Es wird erwartet, dass sich dies positiv auf den Betrieb und das Fehlerverhalten von syntaktischem Schaum in Flüssigstickstoffanwendungen unter Gleichspannungsbelastung auswirkt. Basierend auf den vorliegenden Ergebnissen erscheint die Prototypenentwicklung einer supraleitenden Komponente mit einer Isolation aus syntaktischem Schaum als sinnvoll möglicher nächster Schritt.
Publications
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Investigations on the dielectric strength of syntactic foam at cryogenic temperature and the impact of the filler material on the volume shrinkage: 2012 IEEE International Symposium on Electrical Insulation (ISEI), 2012; S. 582–586
Winkel, D.; Schnettler, A.
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Investigation of the Dielectric Strength of Syntactic Foam at 77 K under DC Stress, Journal of Physics: Conference Series. - 507,3, 032057, 4 S., 2014
Winkel, D.; Puffer, R.; Schnettler, A.
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„Untersuchung des Durchschlagverhaltens von syntaktischen Schäumen bei kryogenen Temperaturen“, Dissertation, Aachen, Verlagshaus Mainz GmbH, 2014
Winkel, D.
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Investigation of the breakdown process of syntactic foam under lightning impulse stress at liquid nitrogen temperature, IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation, Band: 22, Ausgabe 2, Seite(n): 1134-1141, April 2015
Winkel, D.; Puffer, R.; Schnettler, A.
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Investigation on the Dielectric Material Parameters and the Electric Conductivity of Syntactic Foam at the Liquid Nitrogen Temperature Range, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Volume: 25 , Issue: 3 , June 2015
Winkel, D.; Puffer, R.; Schnettler, A.
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Syntactic foam as an alternative electrical insulation material for superconducting cable systems, 9th International Conference on Insulated Power Cables : Jicable'15 ; Versailles, 21-25 June 2015
Winkel, D.; Puffer, R.; Schnettler, A.; Seibel, S.
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The breakdown process of syntactic foam under ac stress at cryogenic temperature, 19th International Symposium on High Voltage Engineering, ISH 2015 : August, 23 - 28, 2015, Pilsen, Czech Republic
Seibel, S.; Winkel, D.; Schnettler, A.; Puffer, R.
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Investigation of the Thermal Conductivity of Syntactic Foam at 77 K, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Volume: 26 , Issue: 3 , April 2016
Winkel, D.; Seibel, S.; Puffer, R.; Schnettler, A.
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Development of a Setup for Long-Term Investigations of Dielectric Ageing under Liquid Nitrogen, IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE 2018), Athen, 10.- 13.09.2018
Seibel, S.; Puffer, R.; Schnettler, A.
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Evaluation of influencing factors on the electrical breakdown of syntactic foams at ambient- and liquid nitrogen temperature, VDE Fachtagung Hochspannungstechnik, Berlin, 12.11.-14.11.2018
Seibel, S.; Puffer, R.
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„Influence of Coupling Agents on Partial Discharge and Electrical Breakdown of Syntactic Foams at LNT“,IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 28, No. 4, Juni 2018
Seibel, S.; Puffer, R.; Schnettler, A.
