Untersuchung von Ladungstransportprozessen in flüssigen Isolierwerkstoffen anhand von hochreinen Paraffinen (ULFI)

• Antragsteller: Professor Dr. Gerhard Sextl; Professor Dr.-Ing. Markus H. Zink
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392037946

In Isoliersystemen der Hochspannungsgleichstromübertragung wird die elektrische Feldverteilung im stationären Fall durch die elektrische Leitfähigkeit der Isolierstoffe bestimmt. Sehr häufig kommen flüssige Isolierstoffe (Transformatoröl auf mineralischer oder natürlicher Basis) zum Einsatz, für die es derzeit allerdings noch kein Modell gibt, welches den Ladungstransport und damit die elektrische Leitfähigkeit korrekt beschreiben kann. Das liegt insbesondere daran, dass mehrere physikalisch-chemische Prozesse zur Leitfähigkeit der Isolierflüssigkeit beitragen, welche sich überlagern und gegenseitig beeinflussen können und dass reale Isolierflüssigkeiten Gemische aus verschiedenen chemischen Stoffen darstellen. Das grundlegende Ziel der Forschungsarbeiten im Projekt ULFI (Untersuchung von Ladungstransportprozessen in flüssigen Isolierwerkstoffen anhand von hochreinen Paraffinen) ist es daher, zum besseren Verständnis der unterschiedlichen Ladungstransportprozesse in flüssigen Isolierstoffen beizutragen. Dabei soll ein neuer und grundlegender Ansatz verfolgt werden, bei dem erstmalig die Untersuchungen an reinen Paraffinen vorgenommen werden, welche auch den Hauptbestandteil von konventionellem Transformatoröl darstellen. Durch die eindeutige chemische Struktur der Paraffine können Ladungstransportprozesse direkt mit den chemisch-physikalischen Eigenschaften der Isolierflüssigkeit in Verbindung gebracht werden. Außerdem lassen sich für die Forschungsarbeit Paraffine auswählen, die bei Raumtemperatur erstarren, sodass etwaige Polarisationszustände eingefroren und näher untersucht werden können. Darüber hinaus lassen sich durch das Einfrieren auch hochreine, entionisierte Proben präparieren, die sich hervorragend für die geplanten Untersuchungen eignen.Im Forschungsvorhaben sollen zum einen die relevanten Ladungsträgergeneratrionsprozesse, wie Feldemission (Fowler-Nordheim-Injektion) und elektrochemische Dissoziationsprozesse an den Elektroden, näher analysiert werden. Zum anderen werden Volumenprozesse, wie die chemische Probenzusammensetzung sowie die feldstärkeabhängige Dissoziation genauer betrachtet. Die Untersuchungen umfassen neben der Bestimmung der zeit-, temperatur- und feldstärkeabhängigen Leitfähigkeit auch eine Bestimmung der quantitativen Ladungsträgerverteilung und der Feldstärke innerhalb einer Probe mittels der sog. Pulsed Electro-Acoustic-Methode, sowie einem laseroptischen Messsystem nach dem Kerr-Effekt. Diese Messungen dienen insbesondere zur Verifikation der physikalisch-chemischen Modelle.Für die Bearbeitung dieses Forschungsvorhabens werden umfangreiche Kenntnisse und Laborausstattungen im Bereich der Hochspannungsmesstechnik und -diagnostik sowie der Chemie benötigt. Deshalb ist eine interdisziplinäre Kooperation des Instituts für Energie- und Hochspannungstechnik (FHWS) mit dem Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese (Universität Würzburg) vorgesehen, um die jeweiligen Kompetenzen zu vereinen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Andreas Küchler; Privatdozent Dr. Torsten Staab