Untersuchung der Funktionsweise von anti- und relaxor-ferroelektrischen Füllstoffen für die nichtlineare refraktive Feldsteuerung

Der Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energieträgern im Rahmen der Energiewende erfordert eine Umstrukturierung der vorhandenen Netzinfrastruktur, um die zunehmende Übertragung und Verteilung elektrischer Energie zu bewältigen. Zur Förderung einer umweltfreundlichen und effizienten Erweiterung des Netzes werden verstärkt elektrische Betriebsmittel mit grüneren Isolier- und Schaltgasen eingesetzt. Im Zuge der F-Gas-Verordnung wurde die schrittweise Abschaffung von Schwefelhexafluorid und anderen fluorierten Isoliergasen angeordnet. Als umweltfreundliches Isoliergas wird Clean Air verwendet, welches eine geringere elektrische Durchschlagsfestigkeit im Vergleich zu Schwefelhexafluorid besitzt. Dadurch benötigen die elektrischen Betriebsmittel wieder einen größeren Platzbedarf, um die notwenige Isolationskoordination sicherzustellen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird verstärkt in neue Materialtechnologien investiert. Durch Materialoptimierung soll eine effiziente Isolationskoordination erreicht werden. Eine höhere Kompaktheit setzt die Isolation jedoch einer stärkeren elektrischen Feldstärke aus und verkürzt dadurch ihre Lebensdauer. Bei der Auslegung eines Isoliersystems besteht die Herausforderung darin, die elektrischen Feldstärken unterhalb der kritischen Festigkeit des Isoliermaterials zu halten. Zur Lösung dieser Problematik kann die elektrische Feldverteilung innerhalb des AC-Isoliersystems durch Feldsteuerungskonzepte optimiert werden, um die Feldstärke an kritischen Stellen im Isolationssystem zu reduzieren. Die bisherigen Ansätze für elektrische AC-Isoliersysteme nutzen lineare Materialien, welche sehr platzintensiv sind. Deshalb wird bereits seit einiger Zeit intensiv an nichtlinearen Materialien geforscht, um kompaktere Feldsteuerungsmethoden zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Funktionsweise von anti- oder relaxor-ferroelektrischen Materialien zur nichtlinearen refraktiven Feldsteuerung für zukünftige Wechselstromisoliersysteme untersucht. Aufgrund ihrer speziellen chemischen Struktur zeigen anti- und relaxor-ferroelektrische Materialien ein einzigartiges feldabhängiges dielektrisches Polarisationsverhalten, welches die Entwicklung kompakterer Isolierstoffkomponenten ermöglichen könnte. Zur Identifizierung der Eigenschaften dieser Materialien werden FEM-Simulationen durchgeführt. Ein mathematisches Modell, basierend auf den Polarisationseigenschaften von RFE- und AFE-Materialien, wird dabei unter Nutzung der Schnittstelle zwischen MATLAB und COMSOL Multiphysics® implementiert. Zur Validierung der FEM-Simulation werden epoxidharzbasierte Prüflinge mit verschiedenen Füllstoffen hergestellt und deren nichtlineare dielektrische Eigenschaften detailliert untersucht. Abschließend erfolgt eine umfassende Analyse der Ergebnisse hinsichtlich ihrer praktischen Anwendbarkeit. Es zeigt sich, dass eine optimierte Feldsteuerung mit diesen Füllstoffen technisch grundsätzlich möglich ist. Insgesamt ist die wirtschaftliche Nutzung der untersuchten dielektrischen Füllstoffe aufgrund ihrer hohen Herstellungskosten (etwa 1000€ pro kg) und ihrer geringen Polarisationsfähigkeit jedoch derzeit nicht realisierbar. Für eine technische Anwendung in Verbundwerkstoffen muss ein kostengünstiges anti- oder relaxor-ferroelektrisches Füllstoffprodukt mit stärkerem Polarisationseffekt und niedrigerer kritischer elektrischer Schaltfeldstärke entwickelt werden

The transition from fossil fuels to renewable energy sources in electrical power production necessitates a comprehensive restructuring of the existing power grid infrastructure. This is essential to accommodate the increased transmission and distribution demands of electrical energy. To support the environmentally friendly and efficient expansion of the grid, greener electrical equipment with eco-friendly insulation and switching gases is being introduced. As part of the F-Gas Regulation, sulphur hexafluoride (SF6) and other fluorinated insulating gases have been phased out. Instead, Clean Air is being utilized as an environmentally friendly insulating gas, though it has a lower dielectric strength compared to SF6. Consequently, electrical equipment requires more space to ensure adequate insulation coordination. To address this issue, significant investments are being made in new material technologies aimed at optimizing insulation efficiency. However, achieving higher compactness in equipment exposes insulation materials to stronger electric field strengths, which can reduce their service life. In designing insulation systems, the primary challenge lies in maintaining electric field strengths below the critical field strength of the insulation material. To solve this problem, electric field distribution within AC insulation systems can be optimized using field control concepts that minimize field strength at critical points. Traditional approaches for AC insulation systems rely on linear materials, which are space intensive. Therefore, intensive research into nonlinear materials has been conducted to develop more compact field grading methods. This work explores the potential of anti- or relaxor-ferroelectric materials for nonlinear refractive field control in future AC insulation systems. Due to their unique chemical structure, these materials exhibit field-dependent dielectric polarization behavior, which could enable the development of more compact insulating components. To evaluate their functionality, FEM simulations are performed using a mathematical model based on the polarization properties of relaxor-ferroelectric (RFE) and anti-ferroelectric (AFE) materials. These simulations are implemented via an interface between MATLAB and COMSOL Multiphysics®. For verification purposes, epoxy resin based samples containing various fillers are produced, and their nonlinear dielectric properties are characterized. Finally, the results are analyzed for economic feasibility. Currently, the use of these dielectric fillers is economically unviable due to high production costs (approximately €1000 per kilogram) and low polarization efficiency. For technical applications in composite materials, costeffective anti- or relaxor-ferroelectric fillers with enhanced polarization effects and lower critical electrical switching field strengths must be developed.