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Mechanische und elektrische Phänomene an Tropfen unter Einwirkung hoher elektrischer Felder

Beschreibung

Die Ausbildung singulärer Wassertropfen statt geschlossener Wasserfilme auf hydrophoben Oberflächen von Hochspannungs-Freiluftkunststoffisolatoren unterdrückt Oberflächenkriechströme und verbessert damit deutlich das Isoliervermögen. Jedoch verschlechtert sich der Grad der Hydrophobie durch klimatische Einflüsse, mehr aber noch durch von den Tropfenrändern oder von Trockenzonen-Rändern ausgehende elektrische Teilentladungen. Diese können zum völligen Hydrophobieverlust und zur anschließenden chemisch-thermischen Schädigung der Isolierstoffoberfläche führen. Die Veränderung von Tropfenform und Tropfenbelagsstruktur beeinflusst weiterhin maßgeblich die elektrische Feldverteilung, so dass zur Optimierung von Isolatoren Feldberechnungen für den feuchten Isolator unter Berücksichtigung der beschriebenen Einflüsse unverzichtbar sind. In diesem eng mit TP-A5 verknüpften Projekt soll die Tropfendynamik unter dem Einfluss hoher elektrischer Felder bei Variation relevanter Parameter wie Oberflächen- und Tropfeneigenschaften, Art des elektrischen Feldes und Umgebungsbedingungen modelliert werden. Weiterhin soll der Einsatz elektrischer Teilentladungen, der sowohl vom elektrischen Führungsfeld wie auch von den sich laufend verändernden Tropfenrandkonturen bestimmt wird, vorausberechnet werden. Ziele sind das vertiefte Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen und beeinflussenden Parameter, die Erweiterung bestehender Alterungsmodelle von Kunststoffisoliersystemen sowie neue Erkenntnisse zu deren Optimierung.

Das Projekt umfasst experimentelle Untersuchungen, die zunächst der Ermittlung von Eingabedaten und der Validierung der numerischen Berechnungen (insbesondere TP-A5) dienen, in einem späteren Stadium dann aber durch numerische Simulationen selbst nachvollzogen werden sollen. Fernziel ist die Simulation der elektrischen Feldverteilung, der dadurch verursachten auf den Tropfen wirkenden Kräfte, der daraus resultierenden Verformungen und schließlich des dadurch beeinflussten Einsatzes elektrischer Teilentladungen. In einem ersten Projektabschnitt wird zunächst experimentell die Teilentladungseinsatzfeldstärke bei Variation unterschiedlicher Parameter ermittelt und mit in der Literatur beschriebenen Modellen in Übereinstimmung gebracht. Dies erfolgt an grundsätzlichen Anordnungen mit nicht verformbaren Tropfennachbildungen. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera werden typische Verformungen realer Tropfen ermittelt, für die zunächst, solange die Tropfenverformung noch nicht simuliert werden kann, die Feldsimulationen durchgeführt werden. Zur experimentellen Validierung der Modellbildung wird eine Vielzahl von Parametern variiert: Richtung und Art des elektrischen Feldes (Wechsel-, Gleich-, Impulsfeld), Volumen, Viskosität, Leitfähigkeit und Permittivität sowie Ladung des Tropfens, Oberflächenspannung, -beschaffenheit und -neigung des Isolierstoffs, Umgebungsbedingungen (Luftdichte, Luftfeuchte, Temperatur). Die bisher entwickelte Videoaufnahmetechnik wird optimiert (Auflösung, Schärfentiefe). Die messtechnische Ermittlung der Teilentladungseinsatzfeldstärke (elektrische Verfahren) wird um die Lokalisierung der Teilentladungsorte erweitert (UV-Kamera).

In Zusammenarbeit mit TP-B1 und TP-C3 sollen in Zukunft Untersuchungen zur Vereisung unterkühlter, aufsitzender Tropfen sowie unterkühlter Tropfen im freien Fall und die damit verbundene Ladungstrennung unter Einwirkung hoher elektrischer Felder durchgeführt werden. Unterkühlte Tropfen kommen zum Beispiel in Gewitterwolken vor. Es soll der Einfluss von starken elektrischen Feldern auf das Verhalten geladener sowie ungeladener Tropfen studiert werden. Ein spezielles Ziel ist es, den Einfluss starker elektrischer Felder auf das Gefrierverhalten experimentell zu untersuchen. Weiterhin sollen die in einer Gewitterwolke stattfindenden Mechanismen der Ladungstrennung besser verstanden werden.

Team

Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen

Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen

TP-Leiter C5 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-20430
Jens-Michael Löwe, M. Sc.

Jens-Michael Löwe, M. Sc.

C5 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-20468
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Publikationen

2016

J. Löwe, M. Secklehner and V. Hinrichsen,
Investigation of surface charges on polymeric insulators and the influence of sessile droplets
International Electrical Insulation Conference
(INSUCON) 2017, 2016, ’Abstract submitted and accepted’

Nazemi, M. H.:
Experimental Investigations on Water Droplets on Polymeric Insulating Surfaces under the Impact of High Electric Fields.
Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2016.

2015

M.H. Nazemi and V. Hinrichsen,
Partial Discharge Inception Electric Field Strength of Water Droplets on Polymeric Insulating Surfaces,
IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 22, No. 2, pp. 1088-1096, April 2015.

M.H. Nazemi and V. Hinrichsen,
Experimental Investigations on Partial Discharge Characteristics of Water Droplets on Polymeric Insulating Surfaces at AC, DC and Combined AC-DC Vol-tages,
IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation, Vol. 22, No. 4, pp. 2261-2270, August 2015.

2013

Nazemi, M. H., Hinrichsen, V., Gjonaj E.:
Investigations on Partial Discharges of Polymeric Insulators in the Presence of Oscillating Water Droplets on the Surface.
4. ETG-Fachtagung Grenzflächen in elektrischen Isoliersystemen, 2013.

Nazemi, M.H., Hinrichsen, V.
Experimental Investigations on Water Droplet Oscillation and partial Discharge Inception Voltage on Polymeric Insulating Surfaces under the Influence of AC Electric Field Stress
IEEE trans. on Dielectric and Electrical Insulation, 20(2) (2013), 443-453

Nazemi, M.H., Hinrichsen, V.
Partial discharge investigation and electric field analysis of different oscillation modes of water droplet on the surface of polymeric insulator under tangential AC electric field stress
ICSD 2013, IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Bologna, Italy (2013), 194-197

Nazemi, M.H., Hinrichsen, V.
Partial Discharge of Water Droplets on Polymeric Insulating Surfaces
NSUCON 2013, 12th international insulation conference, Birmingham, UK (2013)

Songoro, H., Nazemi, M.H., Gjonaj, E., Hinrichsen, V., Weiland, T.
Water droplet oscillation on the hydrophobic surface of polymeric insulators under AC electric field stress
ISH 2013, 18th Sympo- sium on High Voltage Engineering (2013), Seoul, South Korea, accepted

Freitag, November 15, 2019