Stromrichtertransformatoren der Hochspannungsgleichstromübertragung bilden das Bindeglied
zwischen Gleichspannungs- und Drehstromsystem. Um den ausfallsicheren Betrieb
über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten, muss deren Öl-Papier-Isoliersystem
entsprechend dimensioniert werden. Eine optimale Dimensionierung setzt ein detailliertes
Verständnis über die Beanspruchung des Isoliersystems sowie deren zuverlässige Modellierung
sowohl unter Betriebsspannung als auch bei den überlagerten, transienten Überspannungen
voraus.
Im Rahmen dieser Arbeit wird daher das dielektrische Verhalten des Öl-Papier-Isoliersystems
in Anlehnung an dielektrische Prüfungen sowohl unter Gleichspannungsbelastung
als auch unter einer zusammengesetzten Spannungsbelastung aus Gleich- und Blitzstoßspannung
(einer sog. Mischspannungsbelastung) untersucht.
Der Vergleich von numerischen Berechnungen auf Grundlage eines ladungsträgerbasierten
Ansatzes nach Poisson-Nernst-Planck (PNP) mit Durchschlagexperimenten gibt dabei
Aufschluss über die Beanspruchung des Öl-Papier-Isoliersystems. Weiterhin wird gezeigt,
dass der in den etablierten, resistiv-kapazitiven Berechnungsmodellen vernachlässigte Ladungsträgereinfluss
in Bezug auf die Beanspruchung des Isoliersystems unzureichende
Ergebnisse zur Folge hat und demnach zwingend zu berücksichtigen ist.
Die an realitätsnahen, Öl-Papier-isolierten Anordnungen erzielten Ergebnisse zeigen nicht
nur den Einfluss der an Grenzflächen oder im Papier akkumulierten Ladungsträger auf die
Beanspruchung des Isoliersystems. Ebenso werden die Annahmen des ladungsträgerbasierten
Ansatzes und die Berechnungsergebnisse des PNP-Modells qualitativ bestätigt. Infolge
der Ladungsakkumulation im Papier tritt die höchste Beanspruchung im Ölspalt und
nicht im Papier auf. Öl-Papier-isolierte Anordnungen werden somit geringer beansprucht,
als eine Strömungsfeldberechnung vermuten lässt. Dies widerspricht den Annahmen der
etablierten Berechnungsmodelle und wird im Weiteren durch Polaritätseffekte an homogenen,
aber unsymmetrischen, papierisolierten Elektrodenanordnungen oder durch den
nachweisbaren Einfluss des Ölvolumens im Prüfgefäß auf die Beanspruchung einer Anordnung
verdeutlicht.
Unter Mischspannungsbelastung wird weiterhin gezeigt, dass eine Überlagerung der Gleichspannung
und damit auch der Polaritätswechsel keine höhere Beanspruchung des Isoliersystems
im Vergleich zur reinen Gleichspannungsbelastung zur Folge hat. Die etablierten,
resistiv-kapazitiven Modelle ließen jedoch den Polaritätswechsel als kritischste Beanspruchung
vermuten.
Somit wird nicht nur die Anwendbarkeit der ladungsträgerbasierten PNP-Modellierung an
Öl-Papier-Isolieranordnungen qualitativ verifiziert. Ebenso wird demonstriert, dass die etablierten
Berechnungsmodelle aufgrund der stark vereinfachten Annahmen nicht in der
Lage sind, die Beanspruchungen unter Gleich- und der untersuchten Mischspannungsbelastung
abzubilden. Der Einsatz klassischer Strömungsfeldberechnungen zur Nachbildung
der Beanspruchung des Öl-Papier-Isoliersystems unter Gleichspannungsbelastung
entspricht damit nicht mehr dem Stand der Forschung.